Анализ и обобщение опыта и тенденций создания промышлен­ных роботов в отечественной и зарубежной робототехнике показы­вает, что все большее распространение получает электромеханиче­ский привод промышленных роботов. Впоследние год

Вид материала

Документы

Содержание 5.4. РТК в сборочном производстве Конструктивные элементы Неподвижные соединения Стационарная сборка Подвижная сборка 7 планка, которая удерживается в процессе транспортирования на позиции клепки электромагни­том захватного устройства 4

Подобный материал:

• Дипломная работа студента, 601.76kb.
• Исать собственные приложения для управления роботами на примере Lego nxt, а также использовать, 76.9kb.
• С применением grid-технологий, 81.79kb.
• История роботов, написанная роботом, 101.24kb.
• Sdfield> Самостоятельная подготовка, 455.42kb.
• Вдокладе описывается технология обучения распределенной системы автономных мобильных, 45.47kb.
• Внушающих уверенность жилищ люди живут в обличии роботов-суррогатов сексуальных, физически, 367.79kb.
• Возможное участие родителей, 108.84kb.
• Анализ работы шмо учителей физики, химии, биологии за 2010-2011 учебный год, 113.58kb.
• Лега В. П. Наука и вера, 152.3kb.

5.4. РТК в сборочном производстве

Сборка изделия — завершающий этап производства, во многом определяющий качество и стоимость продукции. В различных от­раслях машиностроения трудоемкость сборочных работ составляет от 40 до 50 % общей трудоемкости изготовления изделий, что объяс­няется большим объемом операций и низким уровнем их автомати­зации и механизации.

В условиях серийного и мелкосерийного производства, удельный вес которого составляет около 75 %, стоимость сборки существенно выше, чем в крупносерийном и массовом производстве, главным образом вследствие большого объема пригоночных и доводочных операций и значительной трудоемкости межоперационного и межце­хового транспортирования.

Для более глубокого понимания процесса сборки как объекта роботизации рассмотрим некоторые основные положения, которые характеризуют этот производственный процесс.

Каждое изделие в машиностроении с технологической точки зре­ния состоит из элементов различной сложности, узлов и отдельных детален. Деталью называют часть изделия, выполненную из одно­родного материала и являющуюся первичным звеном сборки. Узлом называют часть изделия, представляющую собой любое соединение некоторого количества деталей, выполненное любым способом. Да­лее по степени сложности выделяют подгруппы и группы.

Различают конструктивные и сборочные элементы изделий.

Конструктивные элементы определяются функциональным на­значением их в машине независимо от порядка выполнения сборки» сборочные — представляют собой узлы и детали машин, которые могут быть собраны отдельно и независимо от других элементов из­делия.

Схему изделия средней сложности можно представить в виде иерархической структуры, на нижнем уровне которой расположе­ны отдельные детали, а на верхнем — готовое изделие.

Все многообразие выполняемых при сборке соединений можно разделить на следующие четыре типа:

1) неподвижные разборные соединения;

2) неподвижные неразборные соединения;

3) подвижные разборные соединения;

4) подвижные неразборные соединения.

Неподвижные соединения обеспечивают неизменное взаимное по­ложение собранных деталей или узлов. Подвижные соединения обес­печивают возможность определенного взаимного перемещения дета­лей. Разборными называют соединения, которые могут быть разоб­раны без особых затруднений и без повреждения сопряженных или крепежных деталей. Неразборными называют соединения, разборка которых в процессе эксплуатации не предусмотрена, а потому край­не затруднительна, требует больших усилий или сопровождается повреждением сопряженных деталей.

Анализ изделий машиностроения и технологических процессов их сборки показал, что около 70...90 % соединений деталей, выпол­няемых в процессе сборки,— типовые. Технологическая структура сборки, а точнее соединительных операций представлена ниже:

Виды соединений Удельный вес, %

С зазором 30…35

Резьбовые 30…40

Прессовые 10…15

Прочные 10…20

В процессе сборки человеку приходится выполнять весьма боль­шой перечень разнообразных работ, в том числе обрубку, опилива­ние, шабрение, притирку, отделку абразивным инструментом, раз­личную обработку отверстий (сверление, нарезание резьбы, зенкование, развертывание и др.), промывку и очистку деталей. Кроме того, при сборке применяются клепка, контактная точечная и ду­говая сварка, склеивание деталей, соединение с натягом, разнооб­разные винтовые соединения.

Помимо перечисленных операций сборщик выполняет большое количество транспортных, вспомогательных операций, перемещая мелкие и крупные детали в пространстве — главным образом от лот­ков-накопителей к собираемому изделию.

В машиностроении различают три основных вида сборки:

1) по принципу индивидуальной пригонки;

2) по принципу полной взаимозаменяемости;

3) по принципу ограниченной взаимозаменяемости.

Кроме того, применяется так называемая селекционная сборка, которая осуществляется методом непосредственного подбора, ме­тодом предварительной сортировки деталей на группы и комбини­рованным методом.

Организационные формы сборки зависят от типа производства, размера выпуска, трудоемкости процесса сборки и других факторов. С точки зрения роботизации можно выделить три основные органи­зационные формы сборки.

Стационарная сборка (рис. 5.9, а) выполняется на одном сбороч­ном посту, к которому подаются все необходимые детали, узлы и материалы. Таким образом собирают самолеты, тяжелые изделия Типа турбин, металлорежущие станки и т. д. Транспортировка та­ких изделий по цеху либо невозможна, либо трудноосуществима и совершенно нецелесообразна.

Подвижная сборка (рис. 5.9, б) выполняется при перемещении собираемого изделия от одного сборочного поста к другому; на каж­дом из таких постов рабочие выполняют только одну определенную и повторяющую операцию. Детали, узлы и материалы подаются к соответствующим рабочим местам сборочного поста, оборудованно­го соответствующими инструментами и приспособлениями, необхо­димыми для выполнения работы.

Наиболее ярким и характерным примером подвижной сборки может служить сборка легковых и грузовых автомобилей на кон­вейере, широко распространенная на большинстве автомобилестрои­тельных заводов всех стран. Кузова легковых и кабины грузовых автомобилей укреплены на специальном конвейере, который перемещается вдоль цеха. Рабочие-сборщики выполняют соответству­ющие операции, и с конца конвейера сходит готовая машина. Таким образом производят контактную точечную сварку кузовов.



Рис. 5.9. Основные организационные формы сборки:

а — стационарная; б — подвижная; в — транспортная; 1 — собираемое изделие; 2 — комплектующие детали; 3 — конвейер; 4 — зона сборки; 5 — транспортный робот — робокар.

Следует обратить внимание на то, что подавляющее количество таких конвейеров движется непрерывно с определенной скоростью. Исследования, проведенные социологами, показали, что на постоян­но движущемся конвейере рабочий работает лучше, чем на пульси­рующем. Фиксированное время, отведенное для выполнения опе­рации сборки, способствует излишнему утомлению человека. Обобщение опыта применения роботов на сборочных и сварочных операциях позволило сделать однозначный вывод: для успешного функционирования роботов значительно лучше пульсирующий кон­вейер. Программирование робота в движущейся системе координат возможно, но значительно сложнее. Кроме того, уменьшается точ­ность позиционирования робота.

Транспортная сборка (рис. 5.9, в). В последние годы некоторые передовые автомобилестроительные фирмы отказываются от тради­ционных принципов подвижной сборки с применением конвейеров. Объясняется это тем, что сам принцип конвейерной сборки ограни­чивает возможности предприятия и затрудняет его перестройку на выпуск новой модели автомобиля.

Взамен традиционного конвейера создаются отдельные посты сварки и сборки, а изделие перемещается между ними по программе с помощью специальных транспортных роботов — робокаров. Вся система управляется единой ЭВМ, а на каждом робокаре есть своя бортовая ЭВМ. Такая многопостовая транспортная система сборки обладает высокой мобильностью и может быть в кратчайшие сроки переведена на выпуск другого типа изделия. Примером может слу­жить известная система «Робогейт», созданная автомобильным кон­церном «Фиат» совместно со станкостроительной фирмой «Комау».

Во всех вариантах сборочного производства особое значение имеет разработка операционной и маршрутной технологии.

В настоящее время имеются совершенно очевидные достижения робототехники и роботостроения, но уровень использования робо­тов в сборочном производстве существенно ниже, чем в других про­изводственных процессах. Такое положение, по-видимому, опреде­ляется некоторыми особенностями сборочных процессов, которые сводятся к следующим:

1) необходимость высокой точности ориентирования и позицио­нирования сопрягаемых деталей;

2) многовариантность технологического процесса сборки;

3) необходимость иметь постоянную обратную связь в ходе про­цесса сборки;

4) высокий уровень манипулирования деталями;

5) необходимость приложения фиксированных усилий в некото­рых операциях;

6) необходимость определения базовых поверхностей;

7) большое количество специальных приспособлений и оснастки, применяемых в процессе сборки.

Можно сказать, что роботизация сборочных процессов связана с разработкой достаточно совершенной манипуляционной системы, заменяющей руки человека при осуществлении сложных координи­рованных движений. Однако это обстоятельство не единственное, усложняющее применение роботов в сборочном производстве.

При выполнении сборочных операций робот часто должен делать выбор между запланированной последовательностью действий и последовательностью, обусловленной сложившимися в данный мо­мент условиями сборки. Такие ситуации можно разделить на два класса.

К первому относятся те случаи, когда выбор связан с обна­ружением допущенной при сборке ошибки, например взятие другой детали, и исправлением этой ошибки. Второй класс образуют те си­туации, когда выбор последовательности действий связан с коорди­нацией и синхронизацией процесса. Так, например, при заверше­нии очередного этапа сборки робот может подать соответствующий сигнал внешним устройствам и продолжать операцию или может ожидать внешний сигнал о дальнейшей работе.

Если при сборке робот выполняет одну определенную последо­вательность операций, которая может быть прервана при возникно­вении ошибки или другой непредвиденной ситуации, то такой по­рядок будет называться фиксированным.

Можно представить себе режим с переменным порядком, когда последовательность операций определяется не только общей техно­логией сборки, но и сложившейся ситуацией, что позволяет роботу выбрать рациональный или даже оптимальный по выбранным кри­териям качества вариант. Конечно, при таком режиме работы робо­та требуется большой объем внешней информации и высокий уровень интеллекта робота. Такой режим позволяет роботу изменить план проведения сборки или перейти к сборке другого узла, если воз­никла непредвиденная задержка, а не ждать, когда придет опе­ратор.

В стратегическом плане можно выделить два подхода к приме­нению роботов на сборочных операциях.

Первый подход предусматривает строгую дисциплину подготов­ки производства и высокий уровень его управления. Необходимо обеспечить точную синхронизацию работы всего сборочного участ­ка, своевременную подачу деталей и материалов в строго ориенти­рованном пространственном положении, иначе говоря, предельно высокую организацию окружающей (внешней) среды робота. При соблюдении этих требований возможно и оправдано применение промышленных роботов, т. е. роботов первого поколения или про­стейших адаптивных роботов, например с тактильными датчиками. Конечно, такие роботы должны отвечать требованиям по точности позиционирования, манипуляционным характеристикам, грузо­подъемности и соответствующим параметрам ЗУ.

Следует отметить, что такой подход может потребовать сущест­венной перестройки производства, он возможен и экономически оправдай при изготовлении изделий крупными партиями. Для мелкосерийного и индивидуального производства такой путь вряд ли приемлем, так как расходы на организацию внешней среды могут оказаться весьма значительными.

При втором подходе, когда детали отличаются некоторой неста­бильностью размеров и форм и когда нельзя предусмотреть все возможные ситуации, следует применять адаптивные роботы или ро­боты с искусственным интеллектом, оснащенные системами техни­ческого зрения, тактильными и другими датчиками. Это позволяет имитировать аналогичные действия человека-сборщика и принимать решения в зависимости от сложившейся ситуации.

Необходимо отметить, что автоматизация предъявляет к объек­там сборки специфические требования по их технологичности: вза­имозаменяемость сборочных единиц, которые, в свою очередь, могут быть собраны независимо друг от друга; возможность проведения последовательной сборки, характеризуемой наличием одной или нескольких базовых деталей, с которыми последовательно сопряга­ются присоединяемые детали; минимальное число направлений сбор­ки, простота траекторий движений соединения; максимальная сво­бода доступа сборочного инструмента.

К деталям, предназначенным для автоматической сборки, предъ­являют следующие требования: простота конструкции, обеспечива­ющая удобство складирования и ориентации; наличие на сопрягае­мых поверхностях направляющих элементов, облегчающих соеди­нение за счет самоустановки деталей; наличие ярко выраженных базовых поверхностей, размеры которых, а также расположение относительно сопрягаемой поверхности должны быть выдержаны о необходимой точностью; стойкость к повреждениям при воздействии сборочного инструмента и оснастки; унифицированность и стан­дартность; гарантированное качество.

Тип и конфигурация базовой детали определяют конструкцию сборочного приспособления и схему базирования. Условия собираемости, выбор базовых поверхностей при за­хватывании и установке присоединяемой де­тали, а также последовательность сборки за­висят от пространственного расположения по­верхностей сопряжения. Наиболее подготовлены к автоматической сборке две типовые груп­пы комплектов, которые могут быть разделены в процессе расчленения сложного собираемого объекта на составные части в соответствии со схемой сборки.




Рис. 5.10. Комплект сборочной единицы: а — с охватывающей базовой де­талью; б — с базовой деталью типа «вал»

Одна из таких групп (рис. 5.10, а) представ­ляет собой комплект о охватывающей базовой

деталью, в которую последовательно устанавливаются распорные втулки, уплотнительные манжеты, пружинные кольца и другие де­тали или предварительно собранные комплекты или изделия, напри­мер подшипники качения. В качестве базовых могут служить детали коробчатой формы, фланцы, блоки зубчатых колес и т. п.

Вторая группа комплектов представляет собой сборочную еди­ницу (рис. 5.10, б) с базовой деталью типа вала, втулки, на которую устанавливаются отдельные детали или предварительно собранные комплекты и изделия.

Выделение из изделий типовых комплектов позволяет применить методы групповой технологии и повысить эффективность автомати­зации сборки в серийном производстве.

В современном машиностроении наметились тенденции к увели­чению удельного веса сборки в общей трудоемкости изготовления изделия и приближения к серийному и мелкосерийному производ­ству. Такое положение требует перехода от специализированного оборудования к легко переналаживаемому автоматическому обору­дованию. Один из видов такого оборудования — сборочные роботи­зированные технологические комплексы, оснащенные промышлен­ными роботами.

Применение промышленных роботов в составе РТК для автома­тической сборки изделий предусматривает выполнение роботами ос­новных и вспомогательных операций процесса сборки. К основным относят операции соединения деталей различного типа, нарезание резьбы, завинчивание, зенкование и т. д., к вспомогательным — все операции транспортирования и перемещения деталей в пространстве.

Одна из характерных задач процесса сборки — сопряжение двух детатей типа «вал — втулка». При выполнении этой операции не­избежно возникает необходимость относительного ориентирования этих деталей.

На рис. 5.11 представлена классификация различных способов относительного ориентирования сопрягаемых деталей. В соответ­ствии с этой классификацией все многообразие различных способов сборки можно разделить на две большие группы: 1) сборка при жестком базировании; 2) сборка при плавающем базировании.

К первой группе относится способ с использованием базиру­ющих устройств и способ непосредственного ориентирования детали в захватном устройстве робота.

Способ с использованием базирующих устройств применим в тех случаях, когда гарантированный зазор между валом и отверстием втулки, установленной в базирующем устройстве, удовлетворяет условию

∑δ≥ δ ₁ + δ ₂ + δ ₃ (5.1)

где δ₁ — погрешность позиционирования робота; δ₂ — погрешность установки втулки в приспособлении; δ₃ — погрешность изготовле­ния приспособления.

В теоретическом плане эти положения подробно рассмотрены в гл. 2. Способ ориентирования сопрягаемых деталей при таких условиях наиболее прост и не требует применения специальных мер.



Рис. 5.11. Классификация способов относительного ориентирования сопрягае­мых деталей

Однако этот способ предусматривает использование роботов с высо­кой точностью позиционирования рабочих органов и применим для сборки узлов, имеющих большие зазоры между сопрягаемыми де­талями. Заметим, что приведенные соображения относятся не толь­ко к деталям типа тел вращения, но и к прямоугольным деталям призматической формы. Очевидно, что в этом случае необходимо учитывать еще одну координату — взаимный угол поворота сопря­гаемых деталей, что несколько усложняет задачу.

Способ непосредственного ориентирования деталей применяют в тех случаях, когда условие (5.1) не выполняется, т. е. ошибки по­зиционирования робота и установки детали превышают суммарный зазор и вероятность правильного сопряжения резко уменьшается. В этих случаях целесообразно использовать соответствующие спо­собы с плавающей базой или специальные технологические приемы.

Специфика условий выполнения с помощью промышленных роботов операций соединения разнообразных по конструкции деталей обусловливает необходимость создания специализирован­ного сборочного инструмента достаточно широкой номенклатуры. Инструменты снабжаются устройствами, обеспечивающими выпол­нение необходимых для соединения деталей движений: поисковых, силовых, контрольных.

Наибольшее применение находят сборочные инструменты для выполнения типовых операций. К таким инструментам относятся:

— захватные устройства для перемещения и установки деталей без точного их ориентирования, с большими зазорами (для установки базовых деталей в приспособление, укладки прокладок, удаления собранных изделий);

— инструмент для захватывания, перемещения и присоедине­ния деталей с малыми зазорами или небольшими натягами (в том числе инструменты со встроенным механизмом компенсации по­грешности взаимного положения сопрягаемых поверхностей);

— инструмент для захватывания, перемещения и установки нежестких деталей (например, резиновых манжет);

— инструмент для захватывания, перемещения и установки упругих деталей, например пружинных колец (в том числе инстру­менты со встроенным механизмом предварительной деформации);

— инструмент для выполнения резьбовых соединений (в том числе с контролем крутящего момента или других параметров);

— инструмент для установки деталей на вал, включая инстру­мент со встроенным механизмом дополнительной ориентации при­соединяемой детали по базовой;

— инструмент для сборки с пластической деформацией детали (клепки, развальцовки и др.);

— контрольно-измерительные головки различного типа.

Как уже было сказано ранее, важным направлением при робо­тизации процессов сборки является применение адаптивных ро­ботов.

В качестве примера дадим описание роботизированного техно­логического сборочного комплекса для сборки неразъемных со­единений [41, с. 230].

Как следует из приведенных выше соображений, неразъемные соединения получают различными способами, в том числе за счет клепки.

На рис. 5.12, а представлена схема РТК для сборки узла «ры­чаг» (рис. 5.12, б), входящего в состав путевого переключателя серии ВК-200, основанного на использовании двух промышленных роботов РС-5 и РО-7.

Собираемый узел состоит из трех деталей — оси, ролика и план­ки. Два варианта исполнения узла, нестабильность размерных параметров и конфигурации планки, затрудняющая использование традиционных и простых средств автоматического ориентирования, как, например, трафареты, направляющие втулки и т. д., обуслов­ливают целесообразность включения в РТК ориентирующего ро­бота РО-7.

В основе РТК заложена представленная на рис. 5.12, в схема непрерывной сборки деталей с предварительным наклоном осей. Последовательность сборки следующая. Робот РС-5 захватывает по большому диаметру ось, извлекает ее из выходного лотка загрузочно-ориентирующего устройства 2 движением в направление v и перемещает под выходным лотком ориентирующего устройства 3. Вследствие вибрации захватного устройства 4 ролик наживляется, а затем и полностью надевается на ось (см. рис. 5.12, а). При на­личии в захватном устройстве двух деталей (оси и ролика), обра­зующих подузел, оно перемещается до остановки под лотком 1.



Рис. 5.12, Общий вид РТК (а) для узла «рычаг» (б) и схема его сборки (в)

Если подузел не укомплектован роликом или не произошла под-сборка, встроенный в захватное устройство струйный датчик фик­сирует его отсутствие и после временной выдержки выдает команду на сброс несобранных деталей и начало нового цикла сборки.

Укладка в лоток / планки осуществляется роботом 11 (РО-7), рука 8 которого, находясь над выходным лотком ориентирующего устройства 9, захватывает планку, поступившую после первичного ориентирования на позицию распознавания 10, и при необходимос­ти передает ее второй руке 12, находящейся над лотком 1, для до-ориентирования. Если планка расположена на позиции 10 должным образом, рука 8 сразу выгружает ее в лоток 1.

Затем поворотом руки робота 7 планка, которая удерживается в процессе транспортирования на позиции клепки электромагни­том захватного устройства 4, извлекается концом оси из лотка 1.

Укомплектованный узел поворотом промышленного робота уста­навливается в рабочей зоне пресса 6 и перехватывается за планку электромагнитом, установленным на конце штока пневмоцилиндра 5; происходит операция клепки. Сброс готового узла осущест­вляется за счет его собственного веса.

Несмотря на то, что изделие «рычаг» состоит всего из трех дета­лей и процесс сборки его весьма прост, этот РТК достаточно на­глядно иллюстрирует основные характерные особенности сбороч­ных комплексов.