Промышленные роботы — массовое автоматическое производство

Основы роботов

Кьюриосити

У подавляющего большинства роботов действительно есть общие черты. Прежде всего, почти у всех роботов есть подвижное тело. Некоторые обладают только моторизованными колесами, у других есть десятки подвижных сегментов, как правило, из металла или пластика. Как кости в вашем теле, отдельные сегменты соединяются вместе с помощью суставов.

Колеса робота и поворотные суставные сегменты активизируются при помощи приводов разного рода. Некоторые роботы используют электродвигатели и соленоиды в качестве актуаторов (приводов); некоторые используют гидравлическую систему; некоторые — пневматическую систему (на основе сжатых газов). Роботы могут использовать все эти типы приводов.

Робот нуждается в источнике питания, чтобы управлять этими приводами. Большинство роботов либо оснащены батареей, либо работают от розетки. Гидравлическим роботам нужен насос для создания давления в гидравлической системе, а пневматическим роботам нужен воздушный компрессор или баллоны со сжатым воздухом.

Все приводы подключаются к электрической цепи. Цепь напрямую питает электродвигатели и соленоиды, что активизирует гидравлическую систему при помощи электрических клапанов. Клапаны направляют сжатую жидкость через машину. Для перемещения гидравлической ноги, например, оператор робота должен открыть клапан, ведущий от жидкостного насоса к поршневому цилиндру, закрепленному на ноге. Жидкость под давлением будет двигать поршень, толкая ногу вперед. Чтобы двигать конечностями в обоих направлениях, роботы используют поршни, которые могут толкаться в обе стороны.

Компьютер робота управляет всем, что подключено к цепи. Чтобы передвигать робота, компьютер активирует все необходимые двигатели и клапаны. Большинство роботов можно перепрограммировать, чтобы изменить поведение — достаточно просто ввести новую программу в компьютер.

Не у всех роботов есть система сенсоров, и лишь некоторые обладают способностью видеть, слышать, чувствовать запах или вкус. Самая распространенная способность робота — способность ходить и наблюдать за своим перемещением. Стандартная конструкция использует колеса с щелью в суставах робота. Светодиод на одной стороне колеса пускает луч света через щель, чтобы подсветить датчик света на другой стороне колеса. Когда робот движет определенным суставом, колесо с щелью крутится. Щель разбивает луч света по мере вращения колеса. Световой датчик считывает поведение светового луча и передает данные на компьютер. Компьютер точно может сказать, как вращается сустав в определенной модели. По тому же принципу работает компьютерная мышь.

Это основы робототехники. Робототехники могут комбинировать эти элементы в бесконечное число способов создания роботов неограниченной сложности.

История появления промышленных роботов

Люди стали интересоваться автоматами давно. Еще в Древней Греции Герон Александрийский в 70 г. до н. э. описал автоматы с системами грузов, блоков, зубчатых колес и рычагов, автоматическое путемерное устройство, устройство автоматической регулировки фитиля и уровня масла в лампе. В конце XVIII в. (1774 г. ) в швейцарской деревне Шо де Фон часовщик Пьер Дро сделал механических людей-автоматов. По одной из легенд, им дали название по имени сына этого часовщика Анри Дро — андроиды. Во всем мире делаются человекоподобные роботы. Но главная задача роботов — это не копировать внешность человека, а выполнять его функции, заменить на трудных и опасных работах.

Появление станков с ЧПУ привело к созданию программируемых манипуляторов для разнообразных операций по загрузке и разгрузке станков. В 1954 г. американский инженер Д. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт. В 1956 г. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов (ПР) Uni- mation («Юнимейшн»). В 1962 г. в США были созданы первые промышленные роботы Unimate и Versatran (рис. 1 и 2). Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку Робот Unimate имел пять степеней подвижности, гидропривод и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. Перемещение объектов массой до 12 кг осуществлялось с точностью 1,25 мм. Робот Versatran имел три степени подвижности.

В качестве системы управления использовались программоноситель в виде кулачкового барабана с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд, и кодовые датчики положения Некоторые из первых роботов проработали 100 тыс. часов.

Фирма Barrett Electronics предложила автоматический электрокар AGVs (Automatic Guided Vehicles) для продовольственных складов, ориентирующийся по проложенным под полом сигнальным проводам.

В 1963 г. фирмой Rancho Los Amigos Hospital в Калифорнии создана управляемая компьютером искусственная роботизированная рука Rancho Arm, имеющая шесть степеней свободы (рис. 3).

Первые роботы Unimate на конвейере General Motors

Рис. 1. Первые роботы Unimate на конвейере General Motors

Первый промыш¬ленный робот Versatran, разработанный в 1960 г. в компании AMF

Рис. 2. Первый промышленный робот Versatran, разработанный в 1960 г. в компании AMF

Роботизированная рука Rancho Arm

Рис. 3. Роботизированная рука Rancho Arm

Активное производство роботов началось в 1970-е гг. Больше всего ПР используется в автомобильной промышленности.

В 1969 г. В. Шейнман в Стэнфордской лаборатории искусственного интеллекта создает манипулятор, получивший имя «Стэнфордская рука» (Stanford Arm) . Кинематическая конфигурация этого манипулятора становится стандартом.

В 1966 г. в Воронеже разработали автоматический манипулятор с цикловым управлением для переноски и укладывания металлических листов, а в 1968 г. в СССР был создан телеуправляемый от ЭВМ подводный робот «Манта» с очувствленным захватным устройством.

В 1975 г. в мире использовалось 8500 роботов, а в 2008 г. — один миллион. Ожидалось, что в 2011 г. будет использоваться 1,2 млн промышленных роботов. Роботы Versatran и Unimate стоили в свое время 25-35 тыс. долларов и окупались за 1,5-2,5 года. Конечно, промышленный робот — дорогая игрушка и оправдывает себя только в случае высокого уровня заработной платы рабочих, когда затраты на эксплуатацию робота оказываются ниже зарплаты и социальных расходов на рабочего. Непрерывное снижение стоимости промышленных роботов на фоне роста стоимости рабочей силы (в период с 1990 до 1999 г. средняя цена промышленных роботов на рынке США снизилась на 40 %, в то время как стоимость рабочей силы повысилась на 38-39 %) способствует их внедрению в производство.

Традиционно основными потребителями сварочных роботов являются отрасли массового и крупносерийного производства Следующими после автомобилестроения по применению ПР стоят отрасли, производящие строительно-дорожное, электротехническое и энергетическое оборудование. Постепенно нарастают объемы применения ПР, в первую очередь сварочных, в судостроительном производстве.

К концу 2008 г. , по данным Международной федерации роботехники (IFR), в промышленности Японии на 10 тыс. рабочих приходилось 310 роботов. За ней следуют Германия (234 робота на 10 тыс. рабочих), Южная Корея (185), США (116) и Швеция (115).

В автомобильной промышленности Японии на каждые пять рабочих приходится один робот.

5. Конструкция промышленного робота

Конструктивное исполнение ПР рассмотрим на примере сравнительно несложного устройства с горизонтальной выдвижной рукой, установленной на подъемной каретке.

Робот модели М20П.40.1 грузоподъемностью 20 кг с пятью степенями подвижности

Рис. 13. Робот модели М20П.40.1 грузоподъемностью 20 кг с пятью степенями подвижности

Это советский промышленный робот модели М20П. 40.1 (рис. 13) грузоподъемностью 20 кг с пятью степенями подвижности и электроприводом основных движений. Предназначен робот для автоматизации загрузки-выгрузки и смены инструмента на металлорежущих станках. ПР работает в цилиндрической системе координат, оснащен позиционным устройством программного управления. Основание 1 робота, закрепляемое на полу производственного помещения, представляет собой массивную коробчатую отливку, в полости которой смонтированы опоры и привод 12 модуля вращения по координате у. По двум цилиндрическим направляющим 11 в вертикальном направлении перемещается каретка 7 с помощью шариковинтовой передачи 6 и электропривода 5, установленного на верхней опорной площадке. В задней части каретки установлен электропривод 8 горизонтального перемещения (г) руки Ориентирующие движения: вращение руки (а) и сгиб (в) кисти 3, — а также движения зажима-разжима захватного устройства 2 осуществляются с помощью пневматических приводов. Числовое устройство программного управления размещено в отдельной стойке 10 с пультом управления 9. Робот работает в трех режимах: обучение, повторение и редактирование.

В режиме обучения обеспечиваются установка звеньев в нулевую позицию и обучение робота управляющей программе. Нулевая позиция является исходной для всех перемещений при обучении и повторении. При обучении захватное устройство перемещается в заданную позицию, и по команде оператора с пульта управления параметры этой позиции (точки) заносятся в память системы. Одновременно туда же вводятся данные о скорости перемещения и функциях, которые следует выполнить (управление схватом, степенями подвижности манипулятора и станком)

В режиме «Повторение» робот по команде «Пуск» или при поступлении запроса от станка отрабатывает управляющую программу, которая находится в памяти устройства управления В этом режиме он обеспечивает выполнение основных функциональных задач по загрузке-выгрузке деталей, замене инструмента, управлению ограждением, патроном, пинолью, столом станка.

В режиме «Редактирование» робот стирает, заменяет или вводит данные, корректируя или заменяя тем самым управляющую программу.

На рис. 14 показана кинематическая схема робота. На его основании установлен электродвигатель постоянного тока 25, соединенный посредством зубчатой муфты 26 с червячным редуктором 24-23. От редуктора крутящий момент передается через предохранительную муфту 21 на зубчатую передачу 20-19 модуля вращения (угол φ). Опорная колонна 18 модуля вращения установлена в шариковом сдвоенном радиально-упорном и шариковом радиальном подшипниках.

Вертикальное перемещение (Z) каретки 17 по направляющей 13 осуществляется с помощью шариковинтовой передачи 9 через зубчатую муфту 11 от электродвигателя постоянного тока 10. Для удержания каретки с механизмом выдвижения руки при отключении электродвигателя в верхней части винта установлен нормально замкнутый электромагнитный тормоз 12

От электродвигателя постоянного тока 14 через зубчатую ременную передачу 15-16 и шариковинтовую передачу 8 осуществляется горизонтальное перемещение руки 6. Все электродвигатели модулей движения оборудованы встроенными датчиками обратных связей.

Поворот вокруг горизонтальной оси руки робота (угол α) обеспечивается реверсивным пневмодвигателем 5 через волновой редуктор 22 с передаточным отношением 1:159 и зубчатую ременную передачу 7. Неполноповоротный пневмодвигатель 4 с двухпозиционным управлением служит для наклонов кисти 3. Для контроля положений при повороте и наклоне используются бесконтактные датчики, импульсы от которых поступают в устройство управления.

Кинематическая схема ПР М20П.40.01

Рис. 14. Кинематическая схема ПР М20П.40.01

От штока 2 пневмоцилиндра 3 с помощью рейки приводятся в движение губки схвата 1. Для ограничения перемещений по степеням подвижности манипулятора и заблаговременной остановки звеньев предусмотрены конечные выключатели (на схеме не обозначены) .

С развитием роботостроения появляются отработанные устоявшиеся конструкции отдельных узлов разных типоразмеров Сейчас появилась возможность проектирования промышленных роботов из этих узлов, имеющих известные характеристики. Это позволяет специализированным заводам завершать проектирование роботов в течение 1,5-2 месяцев, а не двух лет. В будущем этот метод станет основным при изготовлении ПР Такие производства роботов уже есть в Японии, России и других странах.

Просмотров: 887

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...