Классификация роботов.
В зависимости от назначения роботы условно подразделяют на два класса: производственные и транспортные.
Производственные роботы, осуществляющие основные технологические процессы, обычно оснащают соответствующими инструментами или устройствами.
Транспортные роботы осуществляют межоперационное перемещение заготовок и деталей, передают готовые изделия и складируют их, например в конце сборочной линии укладывают готовые изделия в контейнеры или в поддоны. В ряде случаев транспортные роботы наряду с вспомогательными операциями по транспортированию могут также выполнять основные технологические операции; аналогично производственные роботы часто изготовляют приспособленными для выполнения определенных транспортных операций.
Каждый из этих классов роботов может быть специальным или универсальным.
Универсальные роботы выполняют как основные, так и вспомогательные операции.
Специальные роботы предназначены для выполнения отдельных операций, например завинчивания гаек.
Основные параметры промышленных роботов.
К основным параметрам, определяющим технологические возможности промышленных роботов, относятся мобильность, грузоподъемность, число степеней свободы рабочих органов, точность позиционирования, рабочая зона, тип системы управления.
Мобильность — способность робота перемещаться в пространстве.
Различают стационарные и передвижные роботы, которые могут обслуживать группу технологического оборудования, например объединенного конвейером.
Грузоподъемность — максимальная масса груза, которой робот способен манипулировать. Этот параметр характеризуется наибольшей силой, развиваемой рабочими органами робота в любом положении.
Число степеней свободы рабочих органов — параметр, характеризующий подвижность робота.
Точность позиционирования — параметр, определяющий степень точности движения рабочих органов при многократных перемещениях изделий заданной массы в предусмотренное положение.
На точность позиционирования влияют грузоподъемность, конструкция и кинематика рабочих органов, тип привода и система управления.
Особенно высокие требования в отношении точности позиционирования предъявляют к сборочным роботам, предназначенным для обслуживания таких сборочных операций, как запрессовка, сборка высокоточных сопряжений и т. д.
Рабочая зона — параметр, характеризующий пространство, занимаемое рабочим органом робота при совершении всех видов предусмотренных движений.
Системы управления промышленными роботами осуществляют формирование логической последовательности выполнения операций их рабочими органами по заданным параметрам.
Устройство промышленных роботов.
Независимо от типа и назначения промышленный робот состоит из механической части и системы управления, в которую входят блоки памяти и логики и пульт управления.
Механическая часть промышленного робота.
Конструкция механической части зависит от назначения робота, числа степеней свободы, типа приводных устройств, системы управления. Механическая часть робота (рис. 1) состоит из станины 3, обычно устанавливаемой на основании 1, и одного или нескольких рычажно-захватных устройств 2. Рычажно-захватное устройство — основной орган робота, способный совершать возвратно-поступательное и вращательное движения. Рычажно-захватные устройства можно условно классифицировать по конструкции, типу привода, расположению и т. п. Например, в зависимости от конструкции рычажно-захватные устройства могут быть стационарными, выдвижными, телескопическими, шарнирными и портальными.
Следует отметить, что одинаковое число степеней свободы рычажно-захватного устройства может быть достигнуто за счет сочетания различных возвратно-поступательных и вращательных движений. Например, три степени свободы рычажно-захватного устройства обеспечиваются при следующих сочетаниях движений: трех возвратно-поступательных (рис. 2, а); двух возвратно- поступательных и одного вращательного (рис. 2, б); одного возвратно-поступательного и двух вращательных (рис. 2, в); трех вращательных (рис. 2, г).
Наибольшая часть промышленных роботов снабжена рычажнозахватными устройствами, имеющими 3—5 степеней свободы.
Тип системы координат, в которой перемещается рабочий орган, наряду с числом степеней свободы оказывает существенное влияние на зону обслуживаемого пространства. Если зону обслуживания робота, имеющего захватное устройство с одной степенью свободы, работающее в прямоугольной системе координат, принять за единицу, то зона обслуживания робота при тех же условиях составит: в цилиндрической системе — 9,6; в полярной — 29,7; в сферической — 87,2.
Захватные устройства промышленного робота.
Конструкция, габаритные размеры и форма захватных устройств промышленных роботов определяется массой, формой, габаритными размерами и материалом транспортируемых деталей. Захватные устройства бывают механическими, вакуумными, электромагнитными, с эластичными камерами.
Механические захватные устройства осуществляют зажим в двух, трех и четырех точках. Основным элементом механического захватного устройства являются постоянные или сменные зажимные губки, конструкция которых во многом зависит от конфигурации удерживаемых деталей (рис. 3).
Часто в одном рычаге монтируют два одноместных захватных устройства (рис. 4, а) либо одно двухместное (рис. 4, б). Два двухместных захвата могут быть смонтированы на одном или на двух рычагах (рис. 4, в) и иметь независимые движения.
Вакуумные захватные устройства просты по конструкции, имеют небольшую массу, равномерное распределение нагрузки по поверхности контакта. В ряде случаев такие захватные устройства обеспечивают одновременно центрирование деталей. Вакуумные захватные устройства можно применять для удерживания деталей несложной формы из любого материала, но срок их службы относительно невелик.
Основным элементами вакуумных захватных устройств являются резиновые или пластмассовые присоски и механизм для создания вакуума. Наиболее простым и часто применяемым способом создания вакуума является использование эжекторов, причем в этом случае разрежение может быть получено за счет сжатого воздуха, поступающего из заводской централизованной сети. Основной деталью эжектора является тройник, в который впаивают трубки малого диаметра.
Электромагнитные захватные устройства используют для удерживания деталей любой конфигурации из различных металлов и сплавов, обладающих магнитными свойствами. По назначению электромагнитные захватные устройства аналогичны вакуумным, но значительно проще по конструкции и имеют больший срок службы.
Электромагнитные захватные устройства состоят из элементарных магнитов, установленных на общей раме и служащих для удерживания деталей, имеющих фасонные, круглые, ребристые и решетчатые поверхности, которые невозможно или весьма сложно захватить и удержать при помощи вакуумных захватных устройств.
Захватные устройства с эластичными камерами предназначены для захвата, удерживания и переноса деталей сложной формы и небольшой массы. Особенно эффективно применение таких устройств при переносе деталей из хрупких материалов. Различают захватные устройства с изгибающимися и расширяющимися эластичными камерами.
Захватное устройство с изгибающейся эластичной камерой (рис. 5, а) предназначено для захвата детали сложной формы за наружную поверхность. На корпусе 4 устройства закреплены базирующие призмы 1 и две эластичные камеры 2, соединенные с пневматическим приводом патрубком 3. Камеры изготавливают так, чтобы по профилю они имели переменную жесткость. При изгибе камеры прижимают удерживаемую деталь к базирующим призмам, осуществляя ее закрепление. Высота расположения призм может регулироваться.
Захватное устройство с расширяющейся эластичной камерой применяют для захвата деталей по наружному или по внутреннему диаметру. Работает устройство следующим образом: сжатый воздух поступает через отверстие в корпусе 5, при этом втулка 8, выполняющая роль эластичной камеры, раздувается и удерживает деталь по внутреннему (рис. 5, б) либо по наружному (рис. 5, в) диаметру.
Требования к деталям, предназначенным для автоматической сборки.
В целях автоматизации процесса сборки с применением промышленных роботов необходимо, чтобы детали, предназначенные для автоматической сборки, удовлетворяли ряду общих требований:
- качество изготовления деталей должно соответствовать требованиям чертежа или технических условий;
- конструкция деталей должна исключать возможность их сцепления друг с другом при выходе из подающего магазина;
- в конструкции деталей должны быть предусмотрены фаски, конусы, проточки и другие центрирующие элементы;
- в соединениях не должны использоваться хрупкие и другие легкодеформируемые материалы.
Требования к изделиям и сборочным единицам.
Изделия или сборочные единицы, подлежащие сборке с помощью промышленных роботов, должны удовлетворять следующим требованиям:
- изделия должны состоять из законченных взаимозаменяемых сборочных единиц, обеспечивающих возможность их сборки независимо друг от друга;
- должна быть обеспечена возможность сборки по методу полной взаимозаменяемости;
- число сопрягаемых поверхностей и видов соединений должно быть минимальным;
- места соединения сборочных единиц должны быть доступны для контроля качества соединения;
- процесс сборки не должен иметь операций дополнительной пригонки и регулирования;
- должна быть обеспечена возможность последовательной сборки, т.е. наличие базовой детали, с которой последовательно соединяются другие детали узла.
Требования к промышленным роботам.
Так как в процессе сборки необходимо обеспечить компенсацию погрешностей позиционирования, захвата и установки деталей, к промышленным роботам, применяемым в сборочном производстве, также предъявляют определенные требования:
- сборочные роботы должны осуществлять свои действия в цилиндрической системе координат;
- размеры рабочей зоны роботов должны обеспечивать размещение вспомогательных устройств, приспособлений и оснастки, которыми пользуются для ведения технологического процесса сборки, а также магазинов и инструментов с захватными устройствами, подающих устройств, средств контроля сборки;
- робот должен обладать не менее чем тремя степенями свободы, а также иметь возможность получения дополнительных степеней свободы как за счет своего перемещения, так и перемещения сборочных инструментов;
- робот должен быть снабжен механизмом смены захватных устройств и сборочных инструментов.
Для обеспечения сборки определенных изделий и контроля качества промышленные сборочные роботы снабжают датчиками обратной связи, применение которых позволяет существенно упростить программирование действий промышленного робота.
Промышленный робот с обратной связью (рис. 6) имеет три механические руки: рука II подает на сборочную позицию базовую деталь, рука I вводит в отверстие базовой детали болт, а рука III навинчивает на него гайку. Управление руками I и III осуществляется от скоростного позиционного сервопривода 1 на основе сигналов от тензометрического датчика силы, которые подаются в вычислительный блок 2. В последнем сигнал от тензометрического датчика сравнивается с расчетным, заданным программирующим устройством 3. Сигнал рассогласования усиливается и подается от вычислительного блока на сервопривод, который осуществляет изменение углов поворота захватных устройств, обеспечивая сборку соединяемых деталей. Вычислительный блок 2 подает сигнал на позиционный привод 4 руки II, которая устанавливает базовую деталь в заданном положении.
Сборочный инструмент промышленных роботов.
При выборе сборочных инструментов, применяемых для комплектации промышленных роботов, должны учитываться следующие требования:
- деталь должна надежно захватываться при ее транспортировании и установке на место;
- элементы инструмента, обеспечивающие его установку в манипулирующий орган, должны быть унифицированы;
- конструкция инструмента должна обеспечивать возможность встраивания датчиков обратной связи;
- конструкция захватных устройств инструмента должна обеспечивать заданную точность позиционирования;
- инструмент не должен деформировать деталь при захвате и фиксации;
- конструкция инструмента должна обеспечивать возможность его легкой переналадки на различные типоразмеры детали.
В зависимости от типа захватных устройств все сборочные инструменты, применяемые в промышленных роботах, могут быть подразделены на две группы: с захватными устройствами, изготовленными отдельно от инструмента, и с захватными устройствами, изготовленными как единое целое с инструментом.
Захватные устройства, изготовленные отдельно от инструмента, обеспечивают соединение деталей, изменение их положения, перенос деталей и собранного изделия.
Захватные устройства, совмещенные со сборочным инструментом, отличаются большим разнообразием конструкций.
В качестве примера рассмотрим инструменты, применяемые для сборки подшипниковых узлов.
В инструменте для захвата и монтажа подшипников качения (рис. 7) по направляющим скольжения 7 и 9 корпуса 8 перемещается шток 10. Головка 11 рабочего штока связана со штоком гидравлического цилиндра привода, расположенного внутри руки промышленного робота. Наличие детали (подшипника) в сборочном инструменте контролируется с помощью пневматического датчика 19, установленного на стакане 4 и подключенного к пневматическому разъему 6 воздуховода 5. Подшипник, подлежащий сборке, помещают в начальную позицию в кассете. Сборочный инструмент, установленный в манипулятор промышленного робота, размещают над деталью. Когда инструмент опускается манипулятором вниз, рабочий шток 10 находится в крайнем верхнем положении, а прессующий шток 16 весит на упоре 14. Между подшипником и фланцем прессующего штока расположен сепаратор, представляющий собой диск 20 с шариками 21. Сепаратор крепят к фланцу прессующего штока с помощью эластичной струны 22. Подшипник центрируется и захватывается тремя пружинными губками 1. При движении инструмента вниз деталь перемещает прессующий шток вверх до тех пор, пока его фланец не перекроет датчик 19, который подает команду на транспортирование подшипника на сборочную позицию. По команде на выполнение соединения гидравлический цилиндр, встроенный в манипулятор промышленного робота, перемещает вниз рабочий шток 10, который через сферическую гайку 12 передает усилие на сферическую поверхность упора 13, укрепленного на прессующем штоке 16, который по направляющим 15 и 17 перемещается внутри стакана 4, расположенного соосно с отверстием корпуса. Самоустановка стакана относительно корпуса обеспечивается за счет его монтажа на сферической опоре 2 внутри корпуса 8 инструмента. Осевое перемещение стакана предотвращается стопорным кольцом 3, а поворот — штифтом 18. Перемещаясь вниз прессующий шток запрессовывает подшипник в корпус.
Переналадка этого инструмента осуществляется за счет регулирования зажимных губок 1 и датчика 19, а также установки сепаратора необходимого размера.
Для запрессовки резиновых уплотнительных манжет с пружиной применяют инструмент (рис. 8), представляющий собой цилиндрический корпус 6 с хвостовиком и фланцем для присоединения к манипулятору промышленного робота. Внутри корпуса расположена подпружиненная оправка 7, вылет которой ограничивается упором 8. На оправке на двух полуосях 9, установленных в пазах 5 корпуса 6, смонтирован рычаг 2, представляющий собой полувилку, с одной стороны которой расположен щуп 1, а с другой — кулачок 3, взаимодействующий с пневматическим датчиком 4, закрепленным на оправке 7.
При опускании инструмента в накопитель манжета 10 надевается на оправку 7, диаметр которой соответствует диаметру уплотняемого вала. Манжета удерживается на оправке за счет сил трения. При надевании на оправку манжета отжимает щуп 1, рычаг 2 поворачивается, перекрывая кулачком 3 сопло датчика 4, движение манипулятора вниз прекращается, а инструмент с манжетой перемещается в сборочную позицию. Упор 1, установленный в приспособлении 13 на сборочной позиции, центрирует базовую деталь — крышку 12, являясь одновременно направляющей манжеты. При запрессовке манжеты оправка 7 упирается торцом в упор 11, а корпус 6, двигаясь вниз, сжимает пружину и запрессовывает манжету в гнездо. Меняя насадки на корпусе 6 и оправке 7, можно запрессовывать манжеты диаметром 32… 135 мм.
При установке плоских прокладок применяют вакуумные или электромагнитные захватные устройства. Вакуумные захватные устройства обеспечивают большую точность, и их работа не зависит от материала прокладок.
Вакуумное захватное устройство (рис. 9) изготовлено в виде цилиндрического корпуса 6, в котором закреплен сменный диск 2. В пазах диска установлены присоски 1. Воздух подается от силовой пневматической сети через разъем 5 и патрубок 4 в корпус 6, где размещен распределитель 3. Переналадка осуществляется сменой диска 2.
В процессе выполнения сборочных работ часто используют резьбовые соединения. Для выполнения таких соединений применяют различные инструменты, один из которых показан на рис. 10.
К хвостовику 8, который одновременно с фланцем 7 является элементом автоматической смены инструмента, прикреплен корпус 6 пневматического резьбозавертывающего механизма, изготовленного на базе стандартного гайковерта. Присоединяемая резьбовая деталь захватывается из накопителя магнитным элементом 1 и подводится к базовой детали. Сжатый воздух через разъем 9 и трубопровод 10 поступает к пневматическому двигателю. Шпиндель 4 одновременно с вращательным движением получает колебательное движение вдоль оси свинчивания, в результате чего происходит установка резьбовой детали вдоль оси гайки. После этого шпиндель получает рабочее движение вдоль оси свинчивания, а элемент 1 устанавливается в гнездо 11. На корпусе 6 закреплен кронштейн 5 с пневматическим датчиком 2 контроля положения торцевого ключа 3 относительно корпуса 6.
Компоновка роботизированных сборочных комплексов.
Все роботизированные сборочные комплексы состоят из типовых элементов, к которым относятся промышленный робот, рабочая позиция, питатели, магазин с комплектом инструмента. Компоновка роботизированного комплекса зависит от технологического процесса сборки. Различают три типовые схемы компоновки комплексов оборудования с применением промышленных роботов (рис. 11).
Схема А. Технологический процесс разделен на отдельные операции, при этом некоторые из них осуществляются на нескольких рабочих позициях (на приведенной схеме — на двух позициях 3, каждая из которых оснащена промышленным роботом 1). Это условие определяет необходимость применения на сборочном комплексе нескольких одинаковых позиций сборки для обеспечения требуемой производительности отдельных сборочных операций.
Схема Б. Эта схема характеризуется применением нескольких промышленных роботов 1 упрощенной конструкции, которые выполняют узконаправленные специальные сборочные операции. Собираемые детали перемещаются последовательно с помощью специального транспортера 5 между несколькими позициями 3 сборки. В этом случае при отказе оборудования на одной позиции происходит остановка всей линии.
Схема В. Эта схема характеризуется максимальной концентрацией сборочных операций на отдельных сборочных позициях с учетом их специализации, причем операции на отдельных позициях выполняются одновременно. Детали с одной сборочной позиции на другую перемещаются с помощью транспортера 5.
Типовой технологический процесс сборки подшипникового узла с использованием промышленного робота.
Собираемый узел (рис. 12) состоит из корпуса, крышки, двух резиновых манжет, подшипника, прокладки из картона, трех винтов, трех стопорных шайб.
Последовательность сборки узла следующая:
- Установка корпуса в приспособление.
- Установка крышки в приспособление.
- Запрессовка манжеты в крышку.
- Запрессовка манжеты в корпус.
- Установка подшипника в корпус.
- Установка картонной прокладки на корпусе.
- Сборка крышки с корпусом.
- Установка трех винтов со стопорными шайбами.
Сборка производится на специально оборудованном комплексе, в состав которого помимо промышленного робота входят:
- магазин сборочных инструментов, выполненный в виде пятипозиционного поворотного стола;
- две рабочие позиции, обеспечивающие установку и фиксацию базовых деталей (корпус, крышка);
- транспортер, обеспечивающий подачу корпуса и крышки на рабочую позицию;
- магазин деталей (число магазинов соответствует числу деталей собираемого узла).
Типовой технологический процесс сборки состоит из двух групп операций:
- загрузочно-установочные — установка корпуса и крышки в соответствующие приспособления (операции 1 и 2); загрузка выходного магазина-накопителя собранными узлами;
- сборочные — запрессовка резиновых манжет в крышку и корпус (операции 3 и 4); запрессовка подшипника в корпус (операция 5); установка картонной прокладки на корпусе (операция 6); установка крышки на корпус (операция 7); установка и завинчивание болтов со стопорными шайбами (операция 8). Для выполнения этих операций используют инструменты, описанные ранее.
Последовательность движений робота при выполнении всех сборочных операций по приведенной схеме однотипны:
- захват из магазина соответствующего сборочного инструмента;
- выполнение сборочной операции;
- установка в магазин использованного сборочного инструмента.