Автоматизация сборочных процессов с использованием промышленных роботов.

Автоматизация сборочных процессов с использованием промышленных роботов

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.

Механическая часть про­мышленного робота и основ­ные движения
Рис. 1. Механическая часть про­мышленного робота и основ­ные движения:
1 — основание; 3 — рычажно-захватное устройство; 3 — станина

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).

Возможные движения рычажно-захватного устройства робота при одинаковом числе степеней свободы и различных системах координат отсчета перемещений
Рис. 2. Возможные движения рычажно-захватного устройства робота при одинаковом числе степеней свободы и различных системах координат отсчета перемещений:
а—г — соответственно прямоугольная, цилиндрическая, полярная и сферическая система координат

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).

Зажимные губки для цилиндрической шаровой, внутрен­ней цилиндрической  и плоской поверхностей
Рис. 3. Зажимные губки для цилиндрической (a) шаровой (б), внутрен­ней цилиндрической (в) и плоской (г) поверхностей

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.

Многоместные захватные устройства
Рис. 4. Многоместные захватные устройства:
а — два одноместных, смонтированных на одном рычаге; б — двухместное; в — два двухместных, смонтированных на двух рычагах

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.

Захватные устройства с изгибающейся и расширяющейся камерами
Рис. 5. Захватные устройства с изгибающейся (а) и расширяющейся (б, в) камерами:
1 — базирующая призма; 2 — эластичная камера; 3 — соединительный патрубок; 4, 5— корпуса; 6 — гайка; 7 — кольца; 8 — втулка

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.

Структурная схема промышленного робота с обратной связью
Рис. 6. Структурная схема промышленного робота с обратной связью:
1 — сервопривод; 3 — вычислительный блок; 3 — программирующее устройство; 4 — позиционный привод; I, II, III — механические руки

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.

Инструмент для захвата и монтажа подшипника качения в от­верстие базовой детали
Рис. 7. Инструмент для захвата и монтажа подшипника качения в от­верстие базовой детали:
1 — губка; 2 — сферическая опора; 3 — стопорное кольцо; 4 — стакан; 5 — возду­ховод; 6 — пневматический разъем; 7, 9, 15, 17 — направляющие; 8 — корпус; 10, 16 — соответственно рабочий и прессующий шток; 11 — головка; 12 — гайка; 13, 14 — упоры; 18 — штифт; 19 — пневматический датчик; 20 — диск; 21 — шарик; 22 — эластичная струна

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.

Инструмент для запрессовки резиновой уплотнительной ман­жеты
Рис. 8. Инструмент для запрессовки резиновой уплотнительной ман­жеты:
a — до запрессовки; б — в момент запрессовки; 1 — щуп; 2 — рычаг; 3 — кулачок; 4 — пневматический датчик; 5 — паз; 6 — корпус; 7 — оправка; 8, 11 — упоры; 9 — полуось; 10 — манжета; 12 — крышка; 13— приспособление

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.

Вакуумное захватное устрой­ства
Рис. 9. Вакуумное захватное устрой­ства:
1 — присоска; 2 — диск; 3 — распределитель; 4 — патрубок; 5 — разъем; 6 — корпус

В процессе выполнения сборочных работ часто используют резь­бовые соединения. Для выполнения таких соединений применяют различные инструменты, один из которых показан на рис. 10.

Инструмент для сборки резьбовых соединений
Рис. 10. Инструмент для сборки резьбовых соединений:
1 — магнитный элемент; 2 — пневматический датчик; 3 — ключ; 4 — шпиндель; 5 — кронштейн; 6 — корпус; 7 — фланец; 8 — хвостовик; 9 — разъем; 10 — трубопровод; 11 — гнездо

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.

Типовые схемы компоновки оборудования в роботизированных сборочных комплексах
Рис. 11. Типовые схемы компоновки оборудования в роботизированных сборочных комплексах:
1 — промышленный робот; 2 — магазин с комплектом рабочих инструментов; 3 — рабочие позиции; 4 — питатели; 5 — транспортеры  

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.

Эскизы выполнения операций сборки подшипникового узла на роботизированном сборочном комплексе
Рис. 12. Эскизы выполнения операций сборки подшипникового узла на роботизированном сборочном комплексе

Последовательность сборки узла следующая:

  1. Установка корпуса в приспособление.
  2. Установка крышки в приспособление.
  3. Запрессовка манжеты в крышку.
  4. Запрессовка манжеты в корпус.
  5. Установка подшипника в корпус.
  6. Установка картонной прокладки на корпусе.
  7. Сборка крышки с корпусом.
  8. 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.