Призначення і галузі використання ПР

Використання роботів не тільки приносить конкретний техніко-економічний ефект, пов'язаний з підвищенням продуктивності праці, змінності роботи устаткування і якості продукції, але і є важливим засобом вирішення соціальних проблем, дозволяючи звільняти людей від важкої, небезпечної і монотонної праці.

ВСТУП

Директор НМЦ І. А. Оверченко

АУДИТ МАРКЕТИНГОВОЇ ДІЯЛЬНОСТІ

Використання робототехніки в сучасному промисловому виробництві приймає лавиноподібний характер. Особливо вигідним стає використання роботів для безпосередньої обробки виробів із швидкістю і точностю, які недоступні для традиційних технологій.

У розвитку роботизованих технологій можна виділити три етапи. На першому етапі робототехніка знаходить застосування в окремих процесах, таких як зварка, переміщення розжарених і важких предметів, робота в гарячих цехах і на ділянках з агресивним середовищем. Другий етап характеризується вдосконаленням прийомів і методів роботизованого виробництва. Розробляються нові види датчиків, системи адаптивного і інтелектуального управління. Рамки орієнтованих на людину технологий стають тісними для нових можливостей роботів. Починається перебудова організаційної структури виробництва. З'являються гнучкі виробничі системи і заводи-автомати. На третьому етапі розвитку формуються нові напрями і області застосування робототехніки – робота в космосі і на інших планетах, під водою, в медицині, у сфері обслуговування.

Становиться очевидним, що промислова робототехніка являє собою основу сучасного виробництва. Здібність роботів виконувати різноманітні операції по заданим програмам, а також автоматизовані системи планування і організації роботи обладнання стали основою для гнучкої автоматизації виробництва. Так, зменшення розмірів і різноманітність електронних плат уже не дають можливості їх виготовлення без установки деталей роботом. Можливості прогресивних технологій, які раніше не використовувалися із-за обмежень по психофізіологічним якостям людини, стали реалізовуватися за допомогою робототехніки.

Предметом вивчення робототехнічних систем є конструкції і тезнологічне використання промислових роботів, способи управління робототхнічними системами, принципи побудови гнучких виробничих систем на основі робототехніки.

1 Загальні відомості про промислові роботи

Основне призначення ПР полягає в заміні робочих на важких, утомливих, монотонних операціях, а також в умовах шкідливих і небезпечних для людини.

Крім того, ПР – один з ефективних засобів механізації і автоматизації виробництва.

Основне достоїнство ПР в тому, що він може пристосовуватися до змін

(у заданих межах):

а) номенклатури виробів;

б) складу устаткування;

в) різних додаткових вимог.

Частіше всього ПР застосовуються в машинобудуванні, в приладобудуванні, в електронній промисловості, в кольоровій металургії. Останнім часом почалося інтенсивне впровадження ПР в легку, харчову, хімічну і гірничодобувну промисловості.

По виконуваних функціях ПР діляться на дві великі групи:

а) допоміжні (обслуговуючі);

б) технологічні.

Допоміжні ПР служать для обслуговування технологічного устаткування

(перенесення заготовок, деталей, виробів, інструментів і т. п.). Їх функцію можна сформулювати так: «узяти – перенести – встановити на задане місце».

Технологічні ПР призначені для виконання технологічних операцій

(зварка, механічна обробка, покраска, контроль і т. д.). Вони зазвичай спеціалізовані за типом виконуваної операції.

Допоміжні ПР зазвичай простіші і дешевше технологічних.

1.2 Попередники ПР.

ПР з'явилися не на порожньому місці. У них є «близькі родичі», які з'явилися раніше, але успішно працюють ще і в наші дні.

Мова йде про різних автоматичних і автоматизованих машинах і пристроях, що застосовувалися на етапі механізації і автоматизації виробництв.

Схожість ПР з іншими машинами і пристроями можна бачити по двох напрямах:

а) по функціональній спільності (по однаковому характеру вирішення технічних завдань).

б) по схожості схемного і конструктивного рішень.

По функціональній спільності:

- до допоміжних ПР близькі автооператори і маніпулятори з ручним управлінням.

- до технологічних ПР близькі автомати, що виконують такі ж технологічні операції (зварювальні автомати, токарний автомат і так далі).

Автооператор складається з виконавчого пристрою (маніпулятора), пристрою пересування і не перепрограмованого пристрою управління. Він зазвичай призначений для завантаження заздалегідь орієнтованих заготовок в затискні пристрої верстатів і перенесення оброблених заготовок із зони обробки. Є автооператори для зміни інструменту багатоопераційних верстатів.

Маніпулятори з ручним управлінням використовуються:

а) коли необхідно піднімати великі вантажі;

б) коли оператор не може знаходитися в тому ж середовищі, що і об'єкт, яким маніпулюють.

Маніпулятор з ручним управлінням – це достатньо складний і дорогий пристрій. Вони випускаються малими серіями і використовуються в основному в дослідженнях. Працюють такі маніпулятори достатньо поволі і робота з ними для оператора утомлива.

По схемних і конструктивних рішеннях до допоміжних ПР близькі крани з жорстким закріпленням вантажу (вантаж піднімається висувною телескопічною колоною).

Розрізняють два види таких кранів:

а) у вигляді мостового крана;

б) у вигляді підйомника (штабелера).

Управління краном здійснює оператор.

1.3 Коротка історія розвитку робототехніки.

Робототехніка своїм корінням іде ще в глибоку старовину, в ті часи, коли вперше виникли ідеї і були розпочаті перші спроби створення людиноподібних пристроїв, рухомих статуй,механічних слуг і т.п. Статуї богів з рухомими частинами тіла (руками, головою) були відомі ще в Старовинному Єгипті, Вавілоні, Китаї. В «Іліаді» Гомера божествений коваль Гефест виковує механічних служанок. Арістотель згадує про кукли-маріонетки, які приводили в рух за допомогою ниток і з яких створювали цілі механічні театри. До нас дійшла книга Герона Александрійського „Пневматика” (I в до н.е.), де описані подібні механічні театри маріонеток і інші автомати старовини. Як джерело енергії в них використовувалися вода, пар, гравитація (гирі).

В Середні віки було виказано допущення про можливість створення живої людини (гомункулуса) засобами алхімії. Створення такого гомунклуса хімічним шляхом в колбі описав Гете в «Фаусті». Там є такі строчки:

«Нам говорят “безумец” и “фантаст”

Но, выйдя из зависимости грустной

С годами мозг мыслителя искусный

Мыслителя искуственно создаст».

Великою популярністю в цей період користувалися різного роду автомати, засновані на використанні годинникових механізмів. Були створені всілякі годинники з рухомими фігурами людей, ангелів і т.п.

До цього періоду відносяться і відомості про перші рухомі механічні фігури – андроїди (по імені відомого годинникаря Анрі Дро). Андроїди – людиноподібні іграшки із змінюваними програмами. Програми зазвичай задавалися за допомогою змінних кулачків, що встановлюються на рухомому барабані або диску. Привід андроидов здійснюється за допомогою годинникового механізму.

З вітчизняних механізмів подібного типу слід згадати про знаменитий годинник „яєчної форми” з театральним автоматом І.П. Кулібіна (1735 – 1818). У 1820 р. в Петербурзі був відкритий „Храм чарівності” А.І. Галулецкого, що обслуговувався механічними слугами.

У 1866 р. Г.І. Мезгін створив астрономо-історичний годинник який крім часу показував чотири сцени з життя міста Томська.

Ідеї створення „механічних” людей з новою силою відродилася в ХХ столітті на новій технологічній основі – електроніці і електротехніці.

Американським інженером Венслі був побудований керований на відстані за допомогою свистка автомат „Телевокс”, який крім виконання ряду елементарних операцій міг за допомогою звуковідтворюючої апаратури вимовляти декілька фраз. Англійцем Гарі Меєм в 1932 р. був створений людиноподібний автомат „Альфа”, який по командах, що подавалися голосом, міг сідати, вставати, рухати руками, говорити.

Термін „робот” слов'янського походження. Ввів його відомий чеський письменник К. Чапек в 1920 р. в своїй фантастичній п'єсі „Р.У.Р.” („Россумські універсальні роботи”). Цим словом були названі механічні робочі, призначені для заміни людей на важких фізичних роботах.

Перші сучасні промислові роботи типу „Версотран” були випущені фірмою АМФ (США) в 1962 р. В той же час з'явилися промислові роботи „Юнімейшн”, які почали застосовуватися заводах Дженерал Моторс, Форд, Дженірал Електрик.

Хронологія перших кроків промислової робототехники за кордоном виглядає таким чином: 1967 р. – був початий випуск роботів в Англії (за ліцензією США), 1968 р. – в Японії (теж за ліцензією США), 1971 р. у ФРН, 1972 р. – у Франції, 1973 р. – в Італії.

Виробництвом роботів в світі зайнятого більше 200 фірм. Перше місце в світі по виробництву і використанню промислових роботів зараз займає Японія.

У таблиці 1 приведені дані, що характеризують зростання парка ПР в окремих країнах до 1982 р. і прогнозу зростання до 2000 року.

Таблиця 1

Країна	Парк роботів (тис. шт.)
США	2,5	4,5	5,0	6,25	12,0	25,0	45,0
Японія	4,0	8,4	10,0	13,0	20,0	40,0	70,0
Західно-європейські країни	1,2	4,5	5,8	7,6	15,0	30,0	55,0

У СРСР промислове застосування роботів почалося в середині 60-х років. У 1966 р. ЕНИКМАШ (м. Воронеж) випустив перший проект на автоматичний маніпулятор для перенесення і укладання металевих листів. У 1968 р. був створений перший підводний маніпулятор, керований за допомогою ЕОМ. У 1971 р. з'явилися перші сучасні промислові роботи УМ – 1, „Універсал – 50” і УПК – 1. До кінця 1980 р. парк промислових роботів в країні вже перевищив 6 тис.

1.4 Три закони робототехніки.

Айзек Азімов (американський письменник фантаст) написав ряд розповідей про роботів. У 1950 р. вони були зведені в книгу „Я, робот” – збірка з десяти розповідей. У розповіді „Скиталец”, опублікованій в 1942 р. він сформулював три основні закони робототехники:

1. Робот не повинен заподіювати шкоду людині або своєю бездіяльністю дозволяти, щоб людині був завданий збиток.

2. Робот повинен виконувати накази, що віддаються людиною, за винятком тих випадків, коли вони приводять до порушення першого закону.

3. Робот повинен захищати себе, якщо це не порушує першого або другого закону.

1.5 Терміни і визначення в області робототехники.

До теперішнього часу загальновизнаного поняття “робот” не існує. А раз так, то не можна дати визначення і поняття “Промисловий робот”. Можна сказати так: “промисловий робот - робот, призначений для роботи в промисловості”, хоча невідомо точно, що таке “робот”.

У колишньому СРСР в ГОСТі 25686-85 дано визначення “промисловий робот”. І воно звучить так: “промисловий робот – автоматична машина стаціонарна або пересувна, яка складається з виконавчого пристрою у вигляді маніпулятора, який має декілька ступенів рухомості, і перепрограмованого пристрою програмного управління для виконання у виробничому процесі рухових і управляючих функцій.

Аналіз даного визначення показує, що: по-перше, обов'язковою вважається наявність маніпулятора в ПР (ПР повинен бути маніпуляційним); по-друге, робота ПР повинна відбуватися автоматично, без участі людини, тобто за програмою; по-третє, обов'язково повинне передбачатися перепрограмування ПР.

Приклад: Верстати з ЧПУ теж працюють автоматично, допускають перепрограмування, але на відміну від ПР не мають маніпуляторів.

А що ж таке маніпулятор? У тому ж ГОСТі сказано: “ маніпулятор – це керований пристрій або машина для виконання рухових функцій, аналогічних функціям руки людини, при переміщенні об'єктів в просторі, оснащений робочим органом”.

Виділяють основні складові частини ПР. Це:

а) Виконавчий пристрій, що виконує всі рухові функції ПР. В нього обов'язково входить маніпулятор (або маніпулятори) і пристрій пересування ПР (якщо ПР пересувний)

б) Пристрій управління, який виробляє управляючі сигнали на виконавчий пристрій;

в) Інформаційна система, яка об'єднує всі давачі ПР, і забезпечує необхідною інформацією пристрій управління.

г) Робочі органи ПР (для допоміжних ПР – захватні пристрої).

1.6 Основні технічні показники ПР.

Будь-який ПР, що випускається, має паспорт і технічний опис (як і будь-який технічний об'єкт). ГОСТом 25387-82 передбачений перелік основних показників ПР. Їх можна розбити на дві групи:

а) якісні показники (загальні відомості);

б) кількісні показники (технічні характеристики).

До якісних показників ПР відносять: виконувану функцію (функції); число ступенів рухомості і їх види; кінематична схема маніпулятора; види приводів; спосіб управління; спосіб програмування; вид робочого органу (захватного пристрою) і спосіб його заміни; вид виконання.

До кількісних показників ПР відносяться:

а) Номінальна вантажопідйомність:

(менше 1 кг – надлегкі; 1 – 10 кг – легкі; 10 – 200 кг – середні; 200 – 1000 кг – важкі; більше 1000 кг – надважкі.)

б) Точність позиціонування.

Похибка позиціонування робочого органу ПР визначається як лінійне відхилення певної точки робочого органу від положення, що задається програмою або спеціальними упорами (обмежувачами). Точність позиціонування істотно залежить від положення в просторі точки, що задається. Враховують зазвичай максимальну похибку (рис.1.1).

l _max

А – точка простору, яка задається програмою;

В – точка, куда переміщується робочий орган внаслідок виконання програми;

l_max – похибка позиціонування.

Рис.1.1 Визначення точності позиціонування

- відносна максимальная похибка позиціонування.

Величина Δ_max визначає клас точності ПР:

Клас точності ПР	Dmax (%)
	до 0,01
	0,01 – 0,05
	0,05 – 0,1
	Більше 0,1

в) Робоча зона ПР.

Це простір, в якому може знаходитися робочий орган ПР при роботі робота. Окрім робочої зони оперують і іншими близькими поняттями:

- зона обслуговування (часто робоча зона);

- робочий простір.

Робочу зону ПР представляють у вигляді об'ємного тіла (циліндр, куля, паралелепіпед і ін.) або частини цього тіла.

г ) Механічні показники розділяють по кожному ступеню рухливості.

Мається на увазі: максимальна швидкість переміщення (лінійна або кутова); час переміщення з одного крайнього положення в інше; максимальне прискорення і ін.

д) Показники захватного пристрою.

Сюди відносять: зусилля захоплення; час захоплення; час відпускання і ін.

є) Показники пристрою управління.

ж) Показники надійності.

з) Массогабарітниє показники.

1.7 Три покоління роботів.

В даний час в спеціальній науковій і популярній літературі прийнято ділити роботів на три покоління. Ділення це дещо умовне але воно дозволяє чітко відрізняти особливості різних роботів.

Роботи I покоління – це більшість з нині чинних промислових роботів. Найважливішою відмітною особливістю таких роботів є те, що вони, як правило, не здатні реагувати на зміну зовнішнього середовища. Для роботи таких ПР потрібна, як то кажуть, суворо організоване середовище і вона повинна бути незмінною. Роботи I покоління – це як би „сліпоглухоніма людина”. Обчислювальна потужність систем управління таких роботів мала. Єдина їх інтелектуальна функція – запам'ятовування послідовності дій.

Роботи II покоління – це так звані адаптивні роботи. Вони здатні реагувати на зміну зовнішнього середовища. Програма дії таких роботів автоматично корегується. Роботи II покоління обов'язково повинні мати систему технічного зору (СТЗ). Такі роботи здатні виконувати операції з деталями, лежачими на рухомому транспортері. У систему управління роботів II покоління входять, як правило, мікропроцесори або Мікро-ЕОМ. Це дозволяє розраховувати елементи руху маніпулятора по всіх ступенях рухливості в реальному масштабі часу і у результаті реалізовувати плавне переміщення робочого органу по заданих траєкторіях.

Роботи III покоління – це так звані інтелектуальні роботи. Вони вже почали з'являтися, розкрити їх можливості повністю вдасться ще не скоро. Щоб реалізувати штучний інтелект у роботів III покоління потрібні декілька Мікро-ЕОМ, кожна з яких реалізує автономні функції. Типовий робот III покоління має в своєму розпорядженні спеціальний процесор для кожного із ступенів рухливості і центральний процесор, що координує їх роботу. Дуже складним є математичне забезпечення роботів III покоління.

2 Механіка промислових роботів

2.1 Ступені рухомості і кінематичні пари ПР.

У механізмах маніпуляторів використовуються практично тільки однорухомі кінематичні пари (рис.2.1): поступальні (лінійні) і обертальні (поворотні).

поступальні обертальні

Рис 2.1 Однорухомі кінематичні пари

Кожній ступені рухомості відповідає одна кінематична пара. Ступені рухомості ПР ділять на три групи: а) міжпозиційні; б) переносні;

в) орієнтуючі.

Міжпозиційні ступені рухомості зазвичай реалізуються пристроєм пересування. Переносні і орієнтуючі ступені рухомості реалізуються маніпулятором.

Для реалізації переносних ступенів рухомості можуть бути використані як поступальні, так і обертальні кінематичні пари. Для реалізації орієнтуючих ступенів рухомості обов'язково потрібна обертальна кінематична пара. Для реалізації переносу об'єкта в просторі по трьом осям XYZ маніпулятор повинен мати три ступені рухомості. Щоб здійснювати будь-яку орієнтацію об'єкта в просторі маніпулятору потрібно ще три ступені рухомості. Таким чином, маніпулятор з шістьма ступенями рухомості здатний забезпечити і переносні і орієнтуючі рухи об'єкта.

2.2 Схеми маніпуляторів з трьома переносними ступенями

рухомості.

Схеми маніпуляторів з трьома переносними ступенями рухомості є найбільш поширеними. Одна з найбільш поширених схем: схема з трьома поступальними кінематичними парами. Її позначають так: 1Пх2Пу3Пz

(рис 2.2)

Рис.2.2 Схема з трьома поступальними кінематичними парами

За цією схемою будуються мостові крани, не деякі координатні верстати, маніпулятори складальних і вимірниках ПР.

Достоїнства таких систем:

- простота програмування рухів;

- можливість отримання високої точності;

- збереження орієнтації робочого органу при перенесенні.

Недоліки:

- громіздкість;

- великі маси;

- складність збірки і регулювання.

Робоча зона у ПР з такою схемою маніпулятора – прямокутний паралелепіпед.

Широко поширена також схема маніпулятора з двома поступальними і однією обертальною кінематичними парами. Це можуть бути схеми виду 1Пz2Вz3Пх і 1Вz2Пz3Пх (рис 2.3). Такі схеми мають близько 75% ПР, що випускаються. Це роботи з так званою висувною рукою. Робочою зоною таких ПР є циліндр. Серйозним недоліком висувної руки вважають необхідність вільного простору “за спиною” ПР.

Останніми роками значне число маніпуляторів будують за схемою 1Вz2Bz3Пz (рис2.4.) Вони, як видно, мають дві обертальні і одну поступальну кінематичні пари. ПР з такими маніпуляторами завжди є складальними.

Рис. 2.3 Схеми маніпуляторів з висувною рукою

Рис. 2.4 Схема маніпулятора виду 1Вz2Bz3Пz

ПР, у яких схема маніпулятора має всі три обертальні кінематичні пари, називають антропоморфними (мається на увазі аналогія з людською рукою, у якої суглоби є шарнірами). Найбільш поширеною у антропоморфних ПР є схема виду 1Bz2By3By (рис. 2.5).

Рис.2.5 Схема маніпулятора антропоморфного ПР

Така схема найчастіше використовувалася в технологічних ПР, але останніми роками по такій схемі почали будувати і маніпулятори допоміжних Пр.

Маніпулятори побудовані по такій схемі відрізняються легкістю конструкції.

Недоліки:

- не висока точність позиціонування;

- не зберігається орієнтація робочого органу.

Слід зазначити, що для розширення можливостей маніпулятора в нього вводять додаткові (зайві) ступені рухомості.

2.3. Механізми передач ПР.

Передачі в ПР виконують наступні функції:

- передають рух від двигуна до рухомої частини, які рознесені в просторі;

- змінюють вісь переміщення або обертання;

- змінюють вид руху (обертальне, наприклад, в поступальне або навпаки);

- змінюють величину лінійних переміщень або кутів повороту.

У передачах ПР використовуються різні види механізмів: зубчаті, шарнірно-важельні, гвинтові, черв'ячні, рейкові, тросові і т. і., а також їх комбінації.

У передачах ПР часто використовуються редуктори. Добре зарекомендували себе редуктори з циліндричними зубчатими колесами. Нерідко такі редуктори підбираються з числа уніфікованих.

Широке використання в електромеханічних приводах кращих закордонних ПР знаходять хвильові зубчаті передачі (ХЗП). Вони вигідно відрізняються тим, що мають мале значення повного мертвого ходу, постійність передаточного відношення, малі габарити і масу при високій питомій здатності навантаження.

2.4 Робочі органи і захватні пристрої ПР.

Технологічні ПР різноманітні за призначенням, відповідно і різноманітні в них робочі органи.

Робочі органи технологічних ПР можна розділити на групи:

а) робочі органи для механічної обробки;

б) робочі органи для збірки і розбирання;

в) робочі органи для шовної зварки;

г) робочі органи для точкової зварки;

д) робочі органи для вимірювання і контролю і т. п.

Захватні пристрої допоміжних ПР також різноманітні. Число використовуваних конструкцій ЗП обчислюються десятками.

ЗП можна ідентифікувати по ряду ознак. Основні з них наступні:

а) Спосіб прикладання сил до утримуваного об'єкту.

За цією ознакою ЗП діляться на притяжні, підтримуючі і затискаючі.

б) Фізичний принцип створення сил взаємодії об'єкту і робочих органів ЗП.

Зазвичай використовуються механічні, вакуумні, магнітні ЗП.

в) Ступінь універсальності.

Розрізняють універсальні, багатоцільові, спеціалізовані, і спеціальні ЗП.

г) Можливості і спосіб заміни.

Заміна ЗП може здійснюватися в ручну або автоматично.

2.5. Промислові роботи агрегатно- модульного типу.

Агрегатно-модульний принцип побудови ПР припускає створення роботів на базі групи уніфікованих вузлів або модулів.

Цей метод має ряд переваг:

а) можливість побудови спеціальних і спеціалізованих роботів для конкретної технологічної операції (такі роботи дешевші в порівнянні з універсальними);

б) скорочення часу і трудомісткості проектування спеціальних роботів, оскільки вони створюються на базі уніфікованих вузлів;

в) підвищення надійності внаслідок відпрацьованності уніфікованих вузлів, що входять в робот, і відсутності надмірності;

г) здешевлення виробництва роботів внаслідок обмеженості номенклатури деталей і вузлів і, отже, підвищення серійності випуску;

д) поліпшення умов експлуатації і ремонту роботів внаслідок зменшення різноманітності конструкцій вузлів і деталей;

е) скорочення термінів підготовки обслуговуючого персоналу.

Разом з тим, агрегатно-модульний принцип конструювання ПР має певні недоліки:

- відмова в деяких випадках від вигідніших конструктивних рішень на користь менш вигідних, але відповідних принципу агрегатно-модульної побудови;

- збільшення габаритів і маси конструкції;

- збільшення числа стиків, що підвищує трудомісткість збірки роботів, знижує жорсткість конструкції і точність позиціонування.

Різновидом агрегатно-модульного принципу побудови ПР є модульний принцип. В цьому випадку роботи проектують на базі функціональних модулів, що включають всі необхідні механізми, приводи, давачы, енергетичні і інформаційні комунікації.

Модульний принцип побудови ПР має деякі переваги в порівнянні з агрегатно-модульним. В цьому випадку можна зручніше створювати ПР для конкретних технологічних умов. Можливе скорочення числа вузлів, що входять в конкретний ПР.

Разом з тим, модульний принцип має недоліки. Вони пов'язані із збільшенням номенклатури деталей і вузлів за рахунок включення в модуль приводу і датчиків зворотного зв'язку, складністю конструкції і у ряді випадків надмірністю функцій модуля і ін.

Одним з прикладів модульних ПР є РПМ – 25. Це модульний ПР з електроприводом. Він має 95 модифікацій, які виходять шляхом комбінації модулів без їх повторення в одній конструкції. До складу групи модулів входять: підлогове і підвісне стаціонарна і рухома підстави; блоки зрушення, підйому, радіального ходу, одинарного і подвійного гойдання, три модифікації рук.

Дата добавления: 2014-01-04