|
ПРЕДИСЛОВИЕ
За последние 10—15 лет в робототехнике были достигнуты определенные успехи. Однако принципы и технические проблемы проектирования и разработки конструкций промышленных роботов (ПР) еще не вполне сформулированы, не получили должного объяснения и поэтому представляют значительные трудности при их изложении. Авторы надеются, что данная книга внесет определенную ясность в эти вопросы и усилит интерес к дальнейшим исследованиям.
В последние годы в нашей и зарубежной печати опубликовано значительное количество статей и отдельных трудов, посвященных теории и проектированию промышленных роботов. Из числа этих работ особого внимания заслуживают книги и статьи, написанные К- В. Фроловым, И. М. Макаровым, Е. П. Поповым,
Н. А. Лакотой, В. С. Кулешовым, Е. И. Юревичем, М. Б. Игнатьевым и др.
Однако они не позволяют в полной мере представить объем, содержание и последовательность проектирования и разработки ПР в целом.
Актуальность материала, изложенного в книге, позволяет надеяться, что она вызовет несомненный интерес как широкого круга конструкторов и производственников различных отраслей, занятых в области автоматизации производственных процессов, так и специалистов-разработчиков ПР.
В отличие от ранее опубликованных трудов, например, авторских коллективов, возглавляемых профессором Е. И, Юревичем («Устройство промышленных роботов». Л.: Машиностроение, 1980; «Системы управления промышленными роботами и манипуляторами», Л.: ЛГУ, 1980), в настоящей книге изложены особенности разработки отечественных промышленных роботов, выпускаемых серийно и широко применяемых в ряде отраслей.
Особое внимание в книге обращено на практическое использование сообщаемых материалов, в связи с чем в нее включены примеры, таблицы, иллюстрации.
В основу книги положен опыт разработки ПР такими ведущими организациями страны, как ИМАШ им. А.. А. Благонра-
вова АН СССР, ЭНИМС, НИАТ, Институт проблем механики АН СССР, НПО «Техноприбор» и др.
Участвуя во внедрении ПР на более чем 40 предприятиях пяти отраслей, авторы убедились в правильности основных идей и конструктивных решений, заложенных в созданных моделях промышленных роботов.
Нам представляется, что опыт, который накоплен почти за два десятилетия, изложенный в предлагаемой книге, будет полезен специалистам, работающим над созданием и внедрением роботов в нашей стране.
Работа по созданию книги была разделена между авторами следующим образом:
П. Н. Белянин — п. 1.1 и общее редактирование книги;
Я. А. Шифрин — п. 1.1. и общее редактирование книги;
С. С. Аншин — п. 4.3, 6.1, 6.2, 6.3;
А. В. Бабич — п. 1.2, 2.1, 4.2;
А. Г. Баранов — приложение;
И. Л. Владов — п. 4.3;
Е. И. Воробьев — п. 4.1;
A. Л. Горелик — п. 7.2, 7.3., 7.4, 7.5, 7.11;
B. Н. Данилевский — п. 4.3;
И. В. Калабин — п. 1.2, 2.5, 3.4;
A. Е. Клепов — п. 5.1;
И. Б. Кнауэр — п. 2.2, 2.3, 2.4;
Ю. Г. Козырев — п. 1.1, 2.6, 4.3, 6.1, 6.2, 6.3;
Г. В. Крейнин — п. 3.3;
Ф. М. Кулаков — п. 5.2;
B. Г. Михеев — п. 1.1, 7.10, приложение 1;
Е. Г. Нахапетян — п. 7.1, 7.6;
П. С. Ромашкин — п. 3.2;
В. П. Степанов — п. 1.3;
В. В. Шор — приложение;
Д. А. Шушко — п. 1.3, 3.1, 6.4, 7.7, 7.8, 7.9.
Авторы, понимая, что содержание книги и ее качество могут быть улучшены, заранее благодарят читателей, пожелавших прислать свои предложения и замечания.
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПР
1.1. Исходные предпосылки
Постановка задачи проектирования ПР, включаемых в общий технологический комплекс. Рассмотрим особенности существующих ПР. По своим конструктивным схемам, рабочим характеристикам и другим признакам ПР весьма разнообразны. Это объясняется:
назначением того или иного типа ПР, определяющим его грузоподъемность, число степеней подвижности, циклограммы и продолжительность работы, тип системы программного управления, тип привода;
несовершенством манипулятора и системы управления ПР, что приводит к необходимости разработки и изготовления дорогостоящей оснастки, доработки технологического оборудования, с которым роботы взаимодействуют, увязки систем программного управления роботов и технологического оборудования;
многообразием условий, в которых должны эксплуатироваться ПР, включенные в состав модулей, участков, линий ГПС;
постоянным расширением и уточнением требований к надежности (безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости и долговечности) ПР;
экономическими, производственными и другими соображениями, а также особенностями направлений разработки ПР в различных конструкторских бюро.
Наибольшее влияние на конструкцию ПР оказывает область его применения и тип системы программного управления. Требования, предъявляемые к ПР\
компактность и простота конструкции, низкая стоимость производства и эксплуатации;
высокая экономичность работы, что обеспечивается соответствующими числом степеней подвижности и объемом памяти системы программного управления (отсутствие излишней универсальности ПР и избыточности памяти системы управления, т. е. соответствие уровня ПР сложности выполняемых работ);
высокая гибкость (простота и экономичность при перепрограммировании) и контролепригодность; простота и надежность обучения ПР;
устойчивость работы в автоматических режимах (как при основных, так и вспомогательных операциях);
постоянная готовность к работе в интервале температур 0 ... +50 °С;
надежность включения, работы и выключения; стабильное нарастание скорости при разгоне; высокая точность (повторяемость) позиционирования при малом значении времени затухания колебаний в точке позиционирования (не более 0,2 с);
совместимость ПР с оборудованием, в составе которого он будет работать, что определяется: соответствием сложности ПР характеру технологического и вспомогательного оборудования и оснастки, обеспечивающих их работу в автоматическом режиме; стыкуемостью ПР со всем оборудованием, с которым он будет работать; возможностью осуществлять технологически необходимые управляющие воздействия на соответствующее оборудование; окупаемостью затрат в пределах, не выше нормативных сроков; возможностью автоматической перенастройки при смене предметов производства по управляющим командам; высокая помехозащищенность;
удобство монтажа (встраивания) ПР в модулях ГПС; малые масса и габаритные размеры для заданной грузоподъемности;
возможность перевозки ПР автомобильным, морским, речным, железнодорожным и авиационным транспортом;
материалы и комплектующие (их антикоррозионные покрытия) должны допускать длительное хранение ПР.
Все перечисленные выше требования с детализацией, соответствующей необходимой глубине и тщательности проработки, излагаются в техническом задании (ТЗ) на ПР (см. приложение).
Постановка задачи проектирования ПР как технического средства модулей ГПС. Проектирование ПР является системной задачей, которая должна решаться на основе технико-экономического анализа (ТЭА) построения ГПС и ее модулей. Результаты ТЭА дают исходные данные для определения потребности в ПР различного назначения. ТЭА проводится с учетом демографических и других социальных аспектов развития производительных сил в стране и отрасли.
Принятию решения о производстве тех или иных моделей ПР в отрасли должны предшествовать также: учет технико-экономических возможностей удовлетворения потребности в ПР за счет плановых поставок других отраслей и импорта; анализ производственных возможностей отрасли и прогноз их развития; учет данных о существующем парке ПР и объемах их выпуска (включая оценку экономического цикла жизни).
Такая проработка позволяет определить номенклатуру и рациональные объемы и сроки подготовки производства выпуска ПР. Наиболее целесообразно — обеспечить начало проектирования (по времени) не позже спада производства предыдущей модели (одного или однорядного поколения семейства) ПР.
Важным моментом в принятии решения о выпуске ПР является одновременное назначение предприятий-разработчиков и пред-приятий-изготовителей ПР, а также сроков начала их серийного производства.
Методика создания комплексной системы подготовки производства базируется на полном охвате всех сторон подготовки к производству новой или модернизированной модели ПР. Комплексная система подготовки производства подразделяется на следующие этапы и стадии:
I — планово-исследовательская подготовка, включающая: изучение возможностей реализации достижений технического прогресса применительно для данного предприятия и выпускаемой им продукции (ПР, устройства программного управления, комплектующие);
определение перспектив развития производства продукции, обновления основных фондов, структуры и тому подобных элементов в соответствии с тенденциями изменения производства ПР;
уточнение спроса на новую и модернизированную продукцию, определение районов ее потребления и источников исходного сырья, материалов и комплектующих изделий;
разработка рекомендаций к составлению ТЗ по характеристике свойств новых или модернизированных ПР.
II — конструкторская подготовка или собственно проектирование ПР:
составление ТЗ на проектирование или модернизацию ПР; эскизное проектирование; техническое проектирование; рабочее проектирование.
III — технологическая подготовка: проектирование технологических процессов; расчет нормативов всех видов ресурсов;
определение необходимой оснастки и организация ее проектирования;
определение системы контроля.
IV — организационная подготовка:
расчет нормативов организации производства; проектирование производственной структуры; разработка мероприятий по совершенствованию специализации цехов, участков, рабочих мест.
V — экономическая подготовка:
составление производственных программ по цехам и участкам; расчет мощности подразделений предприятия и цехов, привлеченных к изготовлению ПР;
разработка системы стимулирования производства новой продукции;
ТЭА и расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения новой или модернизированной продукции (ПР).
VI — психологическая подготовка:
разъяснение специфики новой продукции и условий ее изготовления;
организация пропаганды экономического эффекта от внедрения новой продукции для предприятия и .каждого члена его коллектива;
информирование коллектива о новых профессиональных, квалификационных, экономических аспектах и особенностях оборудования, оснастки, инструментов, применяемого для изготовления ПР.
Более полно содержание работ по комплексной подготовке производства, их последовательности и методам организации планирования и управления производством см. в [61, 62].
Эскизное проектирование. Целью эскизного проектирования является разработка и проверка принципиальных технических решений в соответствии с ТЗ на ПР.
Эскизное проектирование ПР включает: проработку вариантов типовых циклограмм работы ПР, обеспечивающих выполнение технологического процесса для деталей-представителей, заявленных заказчиком;
разработку компоновочной схемы и архитектуры ПР в целом и его составных частей — манипуляторов, системы программного управления (СПУ), приводов при их размещении вне манипуляторов;
уточнение выбора и приближенный расчет приводов;, предварительную проработку схемно-конструкторских решений по манипуляторам, СПУ, приводам;
выбор комплектующих изделий и инструментов; оценку кинематики, закона движения по степеням подвижностей, точности позиционирования и рабочей зоны манипуляторов; приближенный расчет динамики ПР;
оценку жесткости и прочности основных элементов конструкций ПР;
эскизную проработку программного обеспечения; разработку методик контроля технических характеристик и ускоренных испытаний ПР на надежность;
экспериментальную проверку новых технических решений и комплектующих изделий, организацию доработки комплектующих изделий;
изготовление и испытания макетов (макета) в целях проверки принципов работы ПР и его составных частей;
оценку ПР на технологичность и метрологичность по показателям стандартизации и унификации;
эстетическую и эргономическую проработку ПР; ориентировочные расчеты, подтверждающие показатели долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости и живучести;
предварительное решение вопросов упаковки и транспортирования ПР;
проверку принятых решений на патентную чистоту и конкурентоспособность, оформление заявок на изобретения;
разработку чертежей общих видов основных частей и ПР в целом;
расчет ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения ПР.
Техническое и рабочее проектирование. Технический проект согласно ГОСТ 2.120—73 служит для выявления окончательных технических решений, дающих полное представление о конструкции ПР до разработки рабочей документации.
При техническом проектировании выполняются работы, позволяющие:
получить полное представление о конструкции разрабатываемого ПР;
оценить соответствие ПР требованиям ТЗ, технологичность, степень сложности изготовления, способы упаковки, возможности транспортирования и монтажа у потребителей, удобство эксплуатации и ремонта.
Особенностью отечественных технических проектов является необходимость усложненной и всесторонней проработки механической части ПР ввиду ограниченных возможностей большинства отечественных СПУ. Вот почему ниже довольно подробно рассмотрены наиболее удачные конструкции универсальных и специализированных (на примере сварочных) ПР.
Второй особенностью технических проектов ПР является обстоятельная проработка эксплуатационных качеств ПР с учетом условий и особенностей монтажа и наладки на паспортные режимы, а также требований удобства обслуживания, ремонта, диагностирования, устойчивости к воздействию внешних факторов (внешней среды), возможности быстрого устранения отказов, контроля качества работы ПР.
Третьей особенностью технического проекта является необходимость не только уточнения номенклатуры покупных (комплектующих) изделий, но и согласование их применения с головными разработчиками этих изделий.
Четвертая особенность — обязательное согласование габаритных, установочных и присоединительных размеров с заказчиком или основным потребителем.
Важной особенностью технического проекта является оценка технического уровня и качества ПР. Эта оценка — довольно утомительная и длительная процедура. Ее итог — составление и государственная регистрация карты технического уровня и качества продукции.
Наконец, технический проект включает разработку чертежей сборочных единиц и деталей.
При разработке технического проекта обычно используются документы, разработанные на предыдущей стадии, если они соответствуют требованиям, предъявляемым к документам технического проекта, или если в них внесены изменения с целью обеспечения такого соответствия. Использованным документам присваивают литеру «Т».
Рабочее проектирование согласно ГОСТ 2.103—68 (СТ СЭВ 208—75) включает:
разработку конструкторской документации опытного образца (партии) ПР, предназначенного для серийного или единичного (кроме разового) производства;
изготовление и предварительные испытания опытного образца (партии);
корректировку конструкторской документации по результатам изготовления и предварительных испытаний опытного образца (партии) с присвоением документам литеры «0»;
приемочные испытания опытного образца (партии), включая ускоренные испытания на надежность (безотказность);
корректировку конструкторской документации по результатам приемочных испытаний опытного образца (партии) с присвоением документам литеры «О».
1.2. Универсальные ПР
Особенности универсальных ПР. В соответствии с классификацией, приведенной в ГОСТ 25686—85, универсальный промышленный робот (УПР) может применяться для выполнения технологических операций различных видов и вспомогательных переходов при функционировании с различными группами модулей технологического оборудования. Это определяет комплекс требований, которым должен удовлетворять УПР и его особенности:
1. Манипуляционная система УПР должна обеспечивать любое положение перемещаемых деталей и заготовок в пространстве, что может быть реализовано при наличии не менее шести степеней подвижности, иметь объем рабочей зоны, достаточный для обслуживания или работы с различным оборудованием, и соответствовать типоразмерам, установленным для УПР заданной номинальной грузоподъемности.
2. УПР должен быть работоспособным при различных условиях внешней среды (температуре, запыленности, загазованности и т. д.).
3. В конструкции УПР должна быть предусмотрена возможность смены захватных устройств или инструмента в автоматическом режиме его работы.
4. СПУ робота должна обладать достаточной гибкостью, т. е. программа должна иметь возможность ветвления. Память СПУ робота должна быть достаточной для работы с тарой и при многостаночном обслуживании, а также обеспечивать быстроту переналадки. Для обеспечения группового управления СПУ робота должна иметь выход на ЭВМ.
5. Привод УГ1Р должен обладать высоким быстродействием с учетом производительности обслуживаемого оборудования.
о. Максимальная погрешность позиционирования УПР не должна превышать ±1 мм.
7. Информационная система УПР должна быть адаптивной и обеспечивать взаимодействие с внешними объектами (с использованием памяти), а также контроль хода технологического процесса.
Структура и устройство механической системы УПР. По аналогии с человеком механическую систему УПР подразделяют на «скелетную», которую в роботах называют несущей механической системой (НМС), и «мышечную», называемую исполнительной механической системой (ИМС).
НМС служит для обеспечения рабочей зоны, необходимых видов движения и жесткости. ИМС обеспечивает перемещения звеньев НМС с требуемыми динамическими и точностными характеристиками.
Кинематика движения детали в процессе производства, габаритные размеры и расположение оборудования определяют структуру НМС, т. е. количество звеньев манипулятора, вид кинематических пар, соединяющие звенья, размеры звеньев и конструктивное исполнение этой сисюмы.
Циклограмма работы модулей ГПС, в которых предполагается использовать УПР, масса перемещаемых деталей, погрешность позиционирования определяют структуру НМС.
Функциональная схема &ПР показана на рис. 1.1. Оператор с помощью пульта обучения I O вводит в систему программного управления СП У программу. Эта система выдает сигнал на блок управления привода Б,УП, который формирует сигнал для движения, реализуемого исполнительными элементами привода ИЭП, механической системы.
Движение исполнительного элемента привода преобразуется механизмами преобразования МП движения, которые могут быть связаны с исполнительным механизмом ИМ, например кистью руки, через передающие связи ПС. Это вызвано тем, что не всегда рационально устанавливать привод вблизи кисти, так как необходимо учитывать условия эксплуатации и требования минимизации инерционной нагрузки транспортных степеней подвижности.
Механизм преобразования транспортных координат воздействует на несущие звенья НЗ и связанную с ними систему силового вывешивания СВ или на их кинематические пары КП непосредственно без передающих связей, так как они, как правило, расположены вблизи от несущих звеньев.
Механизм преобразования движения, передающие связи и исполнительный механизм могут быть охвачены устройствами устранения зазоров УУЗ. При их отсутствии зазоры устраняются автономно. Исполнительные механизмы связаны с устройствами смены захватных устройств УСЗ и операционными механизмами ОМ.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
