|
Настоящая книга посвящена актуальным вопросам создания промышленных роботов и робототехнических комплексов для производства миниатюрных изделий. Она входит в серию книг «Автоматические манипуляторы и робототехнические системы», выпускаемую издательством «Машиностроение», под общей редакцией чл.-корр. АН СССР Е. П. Попова.
В настоящее время в условиях относительной стабилизации роста спроса на промышленные роботы средней грузоподъемности четко обозначилась тенденция увеличения спроса на легкие и сверхлегкие роботы. Это объясняется главным образом тем, что обеспечение точности и стабильности многих процессов и операций, в том числе сборочных, в условиях расширяющейся номенклатуры и мелкосерийное™ невозможно без использования промышленных роботов. Автоматизация на основе промышленных роботов, несомненно, является высшей ступенью творчества многих поколений людей в их стремлении создать себе универсальных помощников.
По вопросам создания высокоточных механизмов и систем роботов для миниатюрных изделий технической литературы в настоящее время практически нет. Многие методы обеспечения высокой точности роботов до сих пор остаются в некоторой степени уделом искусства в области технологии и механики. Все это подтверждает актуальность и сложность задачи, поставленной авторами этой книги.
Книга охватывает главные вопросы проектирования промышленных роботов, объектами манипулирования которых являются миниатюрные изделия, и рассчитана на широкий круг инженерно-технических работников. Авторами не ставилась задача раскрыть во всей глубине научные проблемы, связанные с созданием высокоточных сверхлегких роботов. Изложение этих вопросов, очевидно, еще найдет свое отражение в соответствующей литературе.
Разносторонний и обширный материал книги базируется на многих отечественных и зарубежных источниках периодической печати, авторских свидетельствах и патентах, а также на личном опыте авторов, причастных к созданию в нашей стране малых и высокоточных промышленных роботов (ПР).
В первой главе книги рассмотрены основные варианты и особенности кинематических структур промышленных роботов для манипуляций малыми и миниатюрными Изделиями, определены их основные характеристики и даны методы их проверки.
Вторая глава посвящена организации исполнительной системы ПР для миниатюрных изделий. В ней описаны основные виды высокоточных исполнительных приводов для перемещения и манипулирования, а также многорежимные вибродвигатели с несколькими степенями подвижности. Рассмотрены нетрадиционные способы захватывания и транспортирования миниатюрных изделий, а также организация системы точного позиционирования.
Известно, что чем выше должны быть точность и маневренность механизмов, тем больше значимость измерительных и информационных средств (датчиков) информации. Особенности организации информационной системы прецизионных роботов изложены в третьей главе.
В четвертой главе описаны структура, различные варианты и аппаратная реализация систем управления роботами.
Высокая точность манипулирования изделиями, определившая необходимость развитой информационной и управляющей систем робота, обусловила необходимость создания соответствующего алгоритмического и программного обеспечения. Эффективное управле-.ние роботами на основе микропроцессоров, микро- и мини-ЭВМ непременно связано с развитием проблемно-ориентированных машинных языков высокого уровня и предполагает определенную организацию операционной системы, реализующей различные алгоритмы и программы «интеллекта» роботов. Описанию этих вопросов посвящена пятая глава.
В шестой и седьмой главах рассмотрены отдельные конструкции роботов и робототехнических комплексов (РТК), выполняющих широкий диапазон различных операций.
Ближайшей перспективой в решении задачи комплексной автоматизации производства малых и миниатюрных изделий является создание цехов и заводов-автоматов. Описанием гибких автоматизированных производств (ГАП) заканчивается последняя глава книги.
В книге нашли отражение также перспективные направления развития промышленных роботов и робототехнических комплексов для производства миниатюрных изделий.
Работа по созданию книги была разделена между авторами следующим образом:
В. Ф. Шаньгин — введение, заключение, п. 3.1. и общее редактирование книги;
Р. Ю. Бансявичюс, К. М. Рагульскис — п. 2.1—2.4, 6.2;
А. А. Иванов — п. 2.4, 2.5, 3.2, 3.3, 4.3, 5.4, 6.3, 7.1, 7.3;
Н. И. Камышный — п. 6.3;
A. Е. Костин — п. 5.1—5.3;
Л. В. Лобиков — п. 4.3, 6.1, 6.3, 7.2;
B. Г. Михеев — п. 6.1;
Т. Г. Никольская — гл. 1, п. 4.1—4.4, 6.2, 7.2—7.4.
Авторы сознают, что содержание и качество книги со временем могут быть улучшены, и заранее благодарны читателям, которые пришлют им свои замечания и пожелания.
ВВЕДЕНИЕ
Общие тенденции развития многих отраслей промышленности характеризуются дальнейшей микроминиатюризацией изделий, расширением номенклатуры, снижением"'"серийности по отдельным видам продукции при одновременном росте общего объема производства, ужесточением требований к качеству и стабилизации его от изделия к изделию.
Стремление поднять производительность, улучшить и стабилизировать качество изделий требует серьезной перестройки производственных и технологических процессов. Решение этой задачи привело к созданию новых средств автоматизации — промышленных роботов.
За последние годы создано множество типов роботов первого поколения в основном средней грузоподъемности. Первоочередное появление таких роботов объясняется рядом объективных причин. Во-первых, большая доля объектов манипулирования приходится на изделия со средними массами; во-вторых, эффективность автоматизации этих операций в условиях современного производства традиционными методами относительно низка; в-третьих, технические решения при создании конструкций ПР первого поколения и систем управления сравнительно просты, и, следовательно, возможны быстрое внедрение и окупаемость затрат.
Опыт создания роботов первого поколения явился ценным вкладом в развитие робототехники и показал, что для обеспечения основных технических характеристик роботов необходимо применение комплексного подхода.
Автоматизация технологических процессов в ряде отраслей промышленности (часовой, приборостроительной, радиотехнической, электронной и др.), связанных с необходимостью манипулирования миниатюрными изделиями, поставила задачу создания особой группы промышленных роботов, отличающихся небольшими материале- и энергоемкостью, высокой точностью и развитой информационной системой. В пределах этой группы роботов можно выделить высокопрецизионные роботы, применяемые для манипулирования микроизделиями, например, при сборке интегральных микросхем.
Первые сообщения о промышленных роботах рассматриваемой группы появились в 1977 г. В 1978 г. на их долю приходилось мерее 1 % общего количества роботов, составляющего всего 16-103 штук, к 1980 г. насчитывалось около 3 % общего парка в 25 103 штук. К концу 11-й пятилетки доля этих роботов должна составить примерно 12 %. Такой ускоренный темп роста количества сверхлегких роботов в первую очередь обусловлен необходимостью автоматизации многих видов производства. Внедрение автоматизации не только обеспечит рост производительности, повышение и стабилизацию качества миниатюрных изделий, но и позволит перейти к качественно новым структурам производства — гибким автоматизированным производствам (ГАП).
Распределение общего парка сверхлегких роботов по отдельным операциям, характерное для настоящего времени, представлено на рис. В.1, из которого видно, что больший процент (38 %) роботизированных операций приходится на операции дифференцированной сборки и монтажа печатных плат.
Основными факторами, сдерживающими широкую роботизацию производства миниатюрных изделий, являются неоправданное многообразие конструктивных форм и типоразмеров изделий, их широкая номенклатура, множество технологических процессов, не рассчитанных на применение роботов, сложности с транспортной и технологической тарой и т. п. Именно поэтому представляется эффективным отраслевое упорядочение по всем указанным аспектам, направленное на строгую регламентацию в области проектирования, сферах производства и эксплуатации изделий.
Роботы для миниатюрных изделий отличаются экстремальностью большинства основных технических характеристик, в частности, минимальными погрешностью позиционирования, размерами, массой, потребляемой энергией и максимальными надежностью, производительностью. Роботы этой группы характеризуются также сложной системой взаимодействия с различным технологическим и контрольно-измерительным оборудованием, наличием микропроцессорного управления [6], высокими требованиями к чистоте, температуре, а иногда и вакуумной гигиене производства и т. д.
Естественно, что создание этих роботов стало возможным лишь на определенной стадии научно-технического прогресса.
Разработка роботов для миниатюрных изделий, как правило, проводится с использованием накопленного опыта, на основе классических законов механики машин и механизмов, однако в ряде случаев требуются новые, нетрадиционные методы конструирования роботов и их управления. Это в первую очередь связано с особенностями предметов производства, представляющих собой объекты манипулирования роботов данной группы. Не претендуя на строгость, т. е. условно, можно выделить три подгруппы рассматриваемых роботов в зависимости от максимальных размеров, объема и массы объектов манипулирования и требуемой от робота точности их позиционирования.
В первую подгруппу могут быть выделены роботы, манипулирующие изделиями, у которых либо площадь — порядка 5 -10-3 м2, либо объем — порядка 2,5-10“5 м3, а масса — менее 1 кг. Допустимая погрешность позиционирования роботов этой подгруппы составляет 20—200 мкм. Примерами таких изделий являются печатные платы, детали трансформаторов и электродвигателей, коммутационные и крепежные элементы, панели и т. п.
Ко второй подгруппе могут быть отнесены роботы, объекты манипулирования которых характеризуются следующими предельно максимальными параметрами: площадь — порядка 1 1СГ4 м2, объем — порядка 1 -10_6 м3 при массе, не превышающей 2,5-10“2 кг. Это различные радиодетали, элементы электронной аппаратуры, микрокалькуляторов, счетных приборов и т. п. Максимальная погрешность позиционирования роботов этой подгруппы составляет 10— 100 мкм.
Наконец, в третью подгруппу следует выделить наиболее прецизионные роботы. Минимальные размеры объектов манипулирования составляют примерно 5-10-6 м2 и объем 5-10~9 м3 при массе порядка долей грамма; погрешность позиционирования 0,1—10 мкм. К объектам манипулирования роботов третьей подгруппы относятся кристаллы интегральных схем, элементы фотошаблонов, детали наручных часов и т. п. Для обеспечения столь высокой точности позиционирования механизмов на всех этапах их создания необходимо предусматривать соответствующие меры, позволяющие реализовать оптимальные технические решения всех основных подсистем робота: исполнительной, информационной и управляющей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреенко С. Н., Ворошилов М. С., Петров Б. А. Проектирование приводов манипуляторов. М.: Машиностроение. Леиингр. отд-ние, 1975. 312 с.
2. Баканов М. В., Лыска В. А., Алексеев В. В. Информационные микро-машииы следящих и счетно-решающих систем (вращающиеся трансформаторы, сельсины). М.: Сов. радио, 1977. 88 с.
3. Бансявичюс Р. Ю., Рагульскис К. М. Вибродвигатели. Вильнюс: Мокс-лас, 1981. 192 с.
4. Белянин П. Н. Промышленные роботы. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.
5. Блехман И. И., Джанелидзе Г. Ю. Вибрационное перемещение. М.: Наука, 1974 . 412 с.
6. Блинов И. Г., Никольская Т. Г., Шаньгин В. Ф. Тенденция роботизации в микроэлектронике. — В кн.: Автоматизация производственных процессов в микроэлектронике. М.: МИЭТ, 1982, с. 24—30.
7. Боренштейн Ю. П. Исполнительные механизмы захватывающих устройств. М.: Машиностроение, Леиингр. отд-ние, 1982. 232 с.
8. Вульфет Дж. Датчики в цифровых системах; Пер. с англ Под ред. В. В. Ма-лова. М.: Энергоатомиздат, 1981. 200 с.
9. Герц Е. В., Крейнии Т. В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1975. 212 с.
10. Егоров Ю. Н. Системы привода роботов. Л.: Изд. ЛГУ, 1982. 336 с.
11. Иванов А. А. Автоматизация сборки миниатюрных и микроминиатюрных изделий. М.: Машиностроение, 1977. 248 с.
12. Иванов А. А. Проектирование систем автоматического манипулирования миниатюрными изделиями. М.: Машиностроение, 1981. 272 с.
13. Игнатьев М. Т., Кулаков Ф. М., Покровский А. М. Алгоритмы управления роботами-манипуляторамн. — Л.: Машиностроение, Ленинград, отд-ние. 1977. 248 с.
14. Интегральные роботы. Вып. 1. Сборник статей; Пер. с англ Под ред. Г. Е. Поздняка. М.: Мир, 1973. 420 с.
15. Интегральные роботы. Вып. 2. Сборник статей; Пер. с англ. Под ред. Г. Е. Поздняка. М.: Мир, 1975, 528 с.
16. Камышный Н. И. Автоматизация загрузки станков. М.: Машиностроение, 1977. 284 с.
17. Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем; Пер. с аигл. Под ред. С. Д. Пашкеева. М.: Мир, 1980. 572 с.
18. Козырев Ю. Г. Промышленные роботы: Справочник. М.: Машиностроение, 1983. 376 с.
19. Кулешов В. С., Лакота Н. А. Динамика систем управления манипуляторами. М.: Энергия, 1971. 304 с.
20. Лавриненко В. В., Карташев И. А., Вишневский В. С. Пьезоэлектрические двигатели. М.: Энергия, 1980. 112 с.
21. Левенталь Л. А. Введение в микропроцессоры: Программное обеспечение, аппаратные средства, программирование; Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983. 450 с.
22. Либенсон М. Н., Хесин А. Я., Янсон Б. А. Автоматизация распознавания телевизионных изображений. М.: Энергия, 1975. 160 с.
23. Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С. Системы управления манипуляционных роботов. М.: Наука, 1978. 416 с.
24. Микропроцессорные БИС и микроЭВМ. Построение и применение Под ред.A. А. Васеикова. М.: Сов. радио, 1980, 279 с.
25. Павленко И. И. Кинематика кисти промышленных роботов. — «Вестник машиностроения», 1979, № 1, с. 28—30.
26. Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы. М.: Наука, 1978. 398 с.
27. Пособие по применению промышленных роботов; Пер. с япон. Под ред. Капухико Нода. М.: Мир, 1975. 452 с.
28. Пресс Ф. П. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М.; Радио и связь, 1981. 136 с.
29. Промышленная робототехника Под ред. Я. А. Шифрина. М.: Машиностроение, 1982. 415 с.
30. Промышленные роботы. Тематический сборник. — Электронная промышленность. 1981, № 10 106, 112 с.
31. Прэтт У. Цифровая обработка изображений; Пер. с англ. М.: Мир, 1982, Кн. 2, 480 с.
32. Рагульскис К- М., Бансявичюс Р. Ю., Курыло П. Э. Позиционирование в плоскости при помощи высокочастотных колебаний. — В кн.; Труды IV международного конгресса по теории машин и механизмов. Т. 2. Англия. 1975, с. 18—24.
33. Сафонов Л. Н., Волнянский В. Н., Окулов А. И. Прецизионные датчики с печатными обмотками. М.: Машиностроение, 1977. 152 с.
34. Соботка 3., Стары Я. Микропроцессорные системы; Пер. с чешского Под ред. В. В. Сташина. М.: Энергоатомиздат, 1981. 495 с.
35. Управление роботами от ЭВМ Е. И. Юревич, С. И. Новаченко, В. А. Павлов и др.; Под ред. Е. И. Юревича. Л.: Энергия, 1980. 261 с.
36. Управляющие системы промышленных роботов Ю. Д. Андрианов,
Л. Я. Глейзер, М. Б. Игнатьев и др. М.: Машиностроение. 1984. 288 с.
37. Фотоэлектрические преобразователи информации Л. Н. Преснухин,
B. Ф. Шаньгин, С. А. Майоров, И. В. Меськин; Под ред. Л. Н. Преснухина. М.: Машиностроение, 1974. 376 с.
38. Щепин В. С. Языки программирования для систем управления интегральными роботами и задач искусственного интеллекта (Обзор); Пер. с англ. и япон Под ред. Г. Е. Поздняка. — В кн.: Интегральные роботы. Вып. 2., с. 513—526.
39. Юревич Е. И. Настоящее и будущее промышленных роботов. — ЭКО, 1982, № 2, с. 25—39.
40. Янг Дж. Ф. Робототехника. М.: Машиностроение, 1979. 304 с.
41. Bansevichus R., Ragulskis К- Piezoeletric drives with several degrees of
freedom for micromanipulators. — In: Papers of V World Congress on Theory of
Machine and Mechanisms. Montreal (Canada), 1979, p. 827—830.
42. Circuits Manufacturing, 1981, N. 11, p. 34—36.
43. Drake S. H. High speed robot assembly of precision parts using compliance instead of sensory feedback, «Proceedings 7th International Symposium on Industrial Robot», Tokyo, Japan, 19—21 Oct., 1977.
44. Mujtaba M. Sh. Current Status of the A1 Manipulator Programming System. 10th International Symposium on Industrial Robot — Milan, 1980, p. 119—127.
45. Nishimoto K-, Uchiyama Т., Akita T. Development of a Robot for Precise Assembly, Fujitsu Scientific & Technical Journal 18, 4, pp. 487—506, December, 1982.
46. Norbedo R. A. A structured Software System for Industrial Automation. International Symposium on Industrial Robots. — Tokyo, 1977, p. 139—144.
47. Salmon M. SIGLA: The Olivetti SIGMA Robot Programming Language. 8th International Symposium on Industrial Robots — Stuttgart, 1978, p. 358—373.
48. Spur G. Industrieroboter: Steuerung. Programmierung und Daten von flexi-biten Handhabungseinrichtungen.—Munchen: Hanser, 1978, S. 196—198.
49. Townzen D. A. A Task—Scheduling Executive Programm for Microcomputer Systems. — Computer Design, 1977, vol. 16, p. 194—202.
50. Tyridal P. New Ideas in Multi-Task Real — Time Control System for Industrial Robots. International Symposium on Industrial Robots — Milan, 1980, p. 659—670.
А
Автоматическая линия 138, 233 диффузии 233
контроля и разбраковки диодов 235
сборки дисковых аккумуляторов 232
Агрегатно-модульный принцип проектирования роботов 15 Адаптивные роботы 237
Алгоритм зрительного распознавания образов 172 — обработки изображения 244 Алгоритмическое обеспечение роботов 144 Аппаратные средства систем управления 129
Б
Большие интегральные схемы (БИС) 133 Буикерио-ориеитирующие загрузочные устройства 195
В
Вибродвигатели высокочастотные 30, очувствление 43
волновые 33
вращательного движения 38
линейного движения 38
с асимметричными циклами колебаний 34
с косыми соударениями 32
с несколькими степенями подвижности 44
Вибропары управляемые 47
Г
Гибкое автоматизированное производство 246
--------,подсистема планирования производства 249
--------, подсистема управляющая 247
Групповое управление в робототехиических комплексах 139
Д
Датчики внешней информации 86
---------струйные 89
тактильные 88
-------- телевизионные 92
--------ультразвуковые 69
-------- электромагнитные 89
Датчики внутренней информации 70
--------аналоговые 72
--------дискретные 72
--------перемещений 72
-------- скорости 85
-------- усилий 86
3
Запоминающее устройство
постоянное 153
оперативное 244
Захватные устройства роботов 53
вакуумные 53, 181, 208
клещевые 181
магнитные 53
пневматические 54
с виброприводом 58
струйные 242
И
Идентификатор 125
Иерархические уровни управления 111, 247 Иерархическая система управления 112 Иидуктосииы 76
— линейные 76
— поворотные 77
Информационная система робота 69 Интерферометр лазерный 68 Исполнительное устройство робота 25 Испытания роботов 20
К
Кинематические пары 14
Классификация промышленных роботов 19
Команды 162
Командный язык 145
Компилятор 148, 159
Конструкция робота 14
консольная 15
мостовая 17
Контроллер 131, 133, 134, 140 Координатная система робота 18 Манипуляторы 18, 180 ь- гибкие с эластическим зреиом 27
м
Микропроцессор 129, 133
Микропроцессорная система управления 123, 248 Микропроцессорные комплекты БИС 133 МикроЭВМ 133 Миниатюрные изделия 10
загрузка 178, 187
---- сборка 178, 187
Модель управления ПР 111 Монитор 148
О
Обучение промышленного робота 112
Объект манипулирования 11
Операторы языка программирования 163
Операционные системы робототехнических комплексов 147
реального времени 149
Основные характеристики роботов 19
П
Погрешность позиционирования рабочего органа 22 Позиционирование точное 64 Потенциометры 72
— пленочные 73
— проволочные 73 Прерывания 151
Прецизионные измерительные машины и системы 189 Привод исполнительный 25
гидравлический 26
— пневматические 26 -—~ пьезоэлектрический 30
— — электрический 25
Программа управления промышленным роботом 166 Программное обеспечение роботов 144
Р
Распознавание образов 95
Растровые преобразователи перемещение — код 78 Робот промышленный 7, 9, 12
загрузочно-разгрузочный 178, 187
сборочный 187
Робототехнические комплексы (РТК) для миниатюрных изделий 231
прецизионные 237
Робототехнические системы 221
перемещения ориентированных изделий 222
сборки 224
Роботизированные технологические ячейки (РТЯ) 187
с
Сервисные устройства роботов 194
бункерно-ориентирующее 195
вибромеханические 194
магазинное загрузочное 195
пневмомагнитные 206
транспортная система 220
Сервопривод робота 125 Системы координат робота
прямоугольная (декартова) 21, 115
сферическая 21, 115
цилиндрическая 21, 115
Системы программирования роботов 158 Системы управления роботов 109
контурные 112
многопозиционные 112
позиционные 112
программные 112
функциональные 112
Структурная организация промышленных роботов 12 Структурная организация управления 109, 110
Т
Техническое зрение 238, 239, 244 Трансформаторы вращающиеся 73, 74
двухполюсные 73
многополюсные 75
У
Управление промышленным роботом 110 ------- законы 117
------- структурная организация 109, 110
-------- групповое 139
Уровни управления
алгоритмический 111
динамический 111
командный 111
Число степеней подвижности 15, 16
ц
Центральный процессор 127, 133, 134, 141 Я
Яяык директив 145
Язык управления роботом 144
Языки программирования роботов 144, 145, 158
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
