Практическая работа №3 «Промышленные роботы» ВГАУ

Практическая работа №3 по дисциплине «Инновационные технологии селькохозяйственного машиностроения» Промышленные роботы Промышленные роботы играют важную роль в автоматизированных гибких производственных системам (ГПС), позволяющих увеличить производительность труда, а также позволяющие переходить с одного вида продукции на другой с минимальными затратами времени и труда. История появления первых промышленных роботов С появлением станков с числовым программным управлением (ЧПУ) возникла необходимость в создании программируемых манипуляторов для разных операций по загрузке и разгрузке станков. Так в 1954 году американский инженер Д. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт. Вместе с Д. Энгельбергом в 1956 г. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Компанию назвали «Unimation» (Юнимейшн), что является сокращением термина «Universal Automation» (универсальная автоматика). С чего всё начиналось — первые промышленные роботы Позже в 1962 году в Соединенных Штатах были созданы первые промышленные роботы названные «Юнимейт» и «Версатран». Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку. Что интересно, некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса. «Юнимейт» имел 5 степеней подвижности с гидроприводом и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. «Юнимейт» мог перемещать объекты массой до 12 кг с точностью 1,25 мм. В качестве системы управления использовался программоноситель, имевшего вид кулачкового барабана с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд управления, и кодовые датчики положения в пространстве. В режиме обучения оператор задавал последовательность точек, через которые должны пройти звенья манипулятора в течение рабочего цикла. Робот запоминал координаты точек и мог автоматически перемещаться от одной точки к другой в заданной последовательности, многократно повторяя рабочий цикл. На операции разгрузки машины для литья под давлением «Юнимейт» работал с производительностью 135 деталей в час при браке 2 %, тогда как производительность ручной разгрузки составляла 108 деталей в час при браке до 20 %. Робот «Версатран», имевший три степени подвижности и управление от магнитной ленты, мог у обжиговой печи загружать и разгружать до 1200 раскаленных кирпичей в час. В то время соотношение затрат на электронику и механику в стоимости робота составляло 75 % и 25 %, поэтому многие задачи управления решались за счет механики. Сейчас это соотношение изменилось на противоположное, причем стоимость электроники продолжает снижаться. Предлагаются необычные кинематические схемы манипуляторов. Быстро развиваются технологические роботы, выполняющие такие операции как высокоскоростные резание, окраска, сварка. Появление в 70-х гг. микропроцессорных систем управления и замена специализированных устройств управления на программируемые контроллеры позволили снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение в промышленности. Этому способствовали объективные предпосылки развития промышленного производства. Управление промышленными роботами Управление бывает нескольких типов: · Программное управление — самый простой и часто употребляемый тип системы управления, используемый для управления манипуляторами на промышленных объектах. При таком типе управления в роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются. Для программирования таких роботов могут применяться среды программирования типа VxWorks/Eclipse или языки программирования например Forth, Оберон, Компонентный Паскаль, Си. В качестве аппаратного обеспечения обычно используются промышленные компьютеры в мобильном исполнении PC/104 реже MicroPC. Может происходить с помощью ПК или программируемого логического контроллера. · Адаптивное управление — в отличии от программного способа управления в случае роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, которые передаются датчиками, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д. · Основанное на методах искусственного интеллекта. · Управление человеком (например, дистанционное управление). Принципы управления Современные промышленные роботы функционируют на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом. Иерархия системы управления роботом подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим поведением робота, расчётом необходимой траектории движения манипулятора, поведением отдельных его приводов, и слои, непосредственно осуществляющие управление двигателями приводов. Действия промышленного робота Среди самых распространённых действий, совершаемых промышленными роботами можно назвать следующие: · перемещение деталей и заготовок от станка к станку или от станка к системам сменных паллет; · сварка швов и точечная сварка; · покраска; · выполнение операций резания с движением инструмента по сложной траектории. Функциональная схема промышленного робота. В общем случае промышленный робот включает в себя следующие основные элементы: манипуляционные устройства, систему управления, чувствительные элементы и средства передвижения. Чувствительные элементы робота дают необходимые сигналы в систему управления о приближении руки к предметам, о прикосновении и т. д. Эти элементы позволяют роботу ориентироваться нужным образом для достижения определенных целей в среде, где он функционирует. Манипуляционная система. Манипуляционные устройства робота — исполнительные органы, имитирующие действие человеческих рук в натуральном масштабе, с любым увеличением или уменьшением, а также усилием по мощности. Манипулятор — это механизм для управления пространственным положением орудий и объектов труда. Манипуляторы включают в себя подвижные звенья двух типов: -звенья, обеспечивающие поступательные движения -звенья, обеспечивающие угловые перемещения Сочетание и взаимное расположение звеньев определяет степень подвижности, а также область действия манипуляционной системы робота. Для обеспечения движения в звеньях могут использоваться электрические, гидравлический или пневматический привод. Частью манипуляторов (хотя и необязательной) являются захватные устройства. Наиболее универсальные захватные устройства аналогичны руке человека — захват осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской. Для захвата же множества однотипных деталей (что обычно и происходит при применении роботов в промышленности) применяют специализированные конструкции. Вместо захватных устройств манипулятор может быть оснащен рабочим инструментом. Это может быть пульверизатор, сварочная головка, отвёртка и т. д. Система передвижения. Средства передвижения робота могут быть любыми в зависимости от его назначения: шагающие механизмы; устройства на колесах; устройства на гусеницах; комбинация всех трех способов Внутри помещений, на промышленных объектах используются передвижения вдоль монорельсов, по напольной колее и т. д. Для перемещения по наклонным, вертикальным плоскостям используются системы аналогичные «шагающим» конструкциям, но с пневматическими присосками. Система управления. Система управления (с ЭВМ или без нее) может иметь несколько уровней, аналогично различным ступеням нервной системы и мозга человека. Управление бывает нескольких типов. Программное управление — самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются. Для программирования таких роботов могут применяться среды программирования типа VxWorks/Eclipse или языки программирования например Forth, Оберон, Компонентный Паскаль, Си. В качестве аппаратного обеспечения обычно используются промышленные компьютеры в мобильном исполнении PC/104 реже MicroPC. Может происходить с помощью ПК или программируемого логического контроллера. Адаптивное управление — роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д. Основанное на методах искусственного интеллекта. Управление человеком (например, дистанционное управление). Современные роботы функционируют на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом. Иерархия системы управления роботом подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим поведением робота, расчётом необходимой траектории движения манипулятора, поведением отдельных его приводов, и слои, непосредственно осуществляющие управление двигателями приводов. Подчинённое управление. Подчинённое управление cлужит для построения системы управления приводом. Если необходимо построить систему управления приводом по положению (например, по углу поворота звена манипулятора), то cистема управления замыкается обратной связью по положению, а внутри системы управления по положению функционирует система управления по скорости со своей обратной связью по скорости, внутри которой существует контур управления по току со своей обратной связью. Современный робот оснащён не только обратными связями по положению, скорости и ускорениям звеньев. При захвате деталей робот должен знать, удачно ли он захватил деталь. Если деталь хрупкая или её поверхность имеет высокую степень чистоты, строятся сложные системы с обратной связью по усилию, позволяющие роботу схватывать деталь, не повреждая её поверхность и не разрушая её. Управление роботом может осуществляться как человеком-оператором, так и системой управления промышленным предприятием (ERP-системой), согласующими действия робота с готовностью заготовок и станков с числовым программным управлением к выполнению технологических операций. Применение и классификация промышленных роботов. Применение промышленных роботов характеризуется тем, что : -не требуется длительных сроков внедрения; -не требуется больших затрат при переводе промышленного робота от одной работы к другой; -обеспечивается низкая стоимость отладки робота. По методу управления роботы делятся на три группы: с ручным, автоматическим и комбинированным управлением. По своим возможностям промышленные роботы относятся к следующим трем поколениям. Первое поколение представляет собой манипулятор с программным устройством управления. Второе поколение — роботы с очувствлением. Исполнительные руки робота снабжаются различными датчиками, выдающими информацию о состоянии рук и предметов, с которыми он должен манипулировать, а также об основных свойствах среды, где происходит процесс. Такими датчиками могут быть контактные датчики, сигнализирующие о прикосновении руки робота к предметам; локационные, определяющие скорость движения и расстояние до предметов; телевизионные и оптические, образующие искусственное зрение, а также датчики, различающие цвет, теплоту, звук и т.д. Третье поколение — роботы с искусственным интеллектом. Конструкции промышленных роботов классифицируют по следующим признакам: назначение — универсальные и специальные; характер движения руки — совершающие движение по цилиндрической и сферической поверхностям; тип приводов движения — гидравлические, пневматические, электрические и смешанные; тип передвижения робота — неподвижные (напольные и подвесные), напольные подвижные, подвесные подвижные; размещение пульта управления — отдельный пульт и пульт на роботе; конструкция пульта управления — программа задается на перфоленте, магнитной ленте или барабане, программа задается панелью со штекерным набором, управление от ЭВМ; технические возможности; по массе поднимаемых деталей (сверхлегкие, легкие, средние, тяжелые, сверхтяжелые) и величина раскрытия захватов; величина подъема и выдвижения захвата. По производственно-технологическому признаку промышленные роботы могут быть подразделены на две группы: производственные (не более 20 % общемирового парка); подъемно-транспортные. По характеру выполняемых технологических операций: основные, вспомогательные, универсальные. По виду производства: литейные, сварочные, кузнечнопрессовые, для механической обработки, сборочные, окрасочные, транспортно-складские. К первой группе относятся промышленные роботы, непосредственно участвующие в технологическом процессе в качестве производящих или обрабатывающих машин: сварочные, покрасочные. Подъемно-транспортные роботы предназначены для автоматизации загрузки-выгрузки деталей и смены инструмента на металлорежущих станках с автоматическим циклом обработки детали. Робот работает в трех режимах: обучение, повторение, редактирование, может обслуживать один или два станка, образуя с ними систему станок- промышленный робот. Наиболее эффективно применение промышленных роботов в условиях многономенклатурного производства, требующего частой смены выпускаемых изделий и соответствующих изменений технологического процесса и переналадки оборудования. В этих условиях в наибольшей степени используются универсальные свойства роботов. Действия промышленного робота. Среди самых распространённых действий, совершаемых промышленными роботами можно назвать следующие: перемещение деталей и заготовок от станка к станку; сварка швов и точечная сварка; покраска; выполнение операций резанья с движением инструмента по сложной траектории. Промышленный робот является устройством, производящим некие манипуляционные функции, схожие с функциями руки человека. Достоинства использования промышленных роботов. Достаточно быстрая окупаемость; исключение влияния человеческого фактора на конвейерных производствах, а также при проведении монотонных работ, требующих высокой точности; повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества; возможность использования технологического оборудования в три смены, 365 дней в году; рациональность использования производственных помещений; исключение воздействия вредных факторов на персонал на производствах с повышенной опасностью.