Робототехнический комплекс механообработки

14.01.2015 08:28

    Промышленный робот (ПР) - это автоматическая машина, состоящая из манипулятора и перепрограммируемого устройства программного управления, для выполнения в производственном процессе двигательных и управляемых функций.

    Если задача автоматизации обработки деталей решается путем применения специальных станков-автоматов и автоматических линий в условиях массового производства и станков с ЧПУ в условиях мелкосерийного производства, то устранение ручного труда на вспомогательных операциях, особенно при изготовлении деталей малыми партиями, сопряжено с громадными трудностями. Это связано с многообразием движений при выполнении вспомогательных операций.
    Промышленные роботы при обработке деталей на станках выполняют следующие основные манипуляции:
  • взять заготовку из тары;
  • перенести ее к станку;
  • установить в приспособление;
  • взять обработанную деталь;
  • перенести ее и уложить в тару или транспортировать к другому станку.
   Промышленные роботы оснащаются электрическими, пневматическими и гидравлическими приводами.
    В ПР, оснащаемых позиционными, контурными, а также комбинированными УЧПУ, используют электроприводы, которые обеспечивают соответствующее управление по отдельным осям координат с позиционированием в любой точке рабочей зоны и включают в себя шаговые электродвигатели либо двигатели постоянного тока.

    Специальные роботы выполняют определенные технологические операции, поэтому их конструкция зависит от модели обслуживаемого оборудования. К числу специальных относятся промышленные роботы, предназначенные для обслуживания машин для литья под давлением, некоторых типов кузнечно-прессового оборудования, а также ПР, встраиваемые в металлорежущие станки.

    Захватные устройства ПР предназначены для захватывания и удержания в определенном положении объектов манипулирования. Эти объекты могут иметь различные размеры, форму, массу и обладать разнообразными физическими .свойствами, поэтому захватные устройства являются сменными элементами.
    Как правило, ПР комплектуют набором типовых (для данной модели) захватных устройств, которые можно менять в зависимости от требований конкретного рабочего задания.
    Станок (группа станков), обслуживаемый ПР, составляет так называемый роботизированный технологический комплекс (РТК).
    В состав типовых РТК включаются:
  • Промышленные роботы.
  • Металлорежущие станки.
    Вспомогательное транспортное оборудование, включающее накопители, магазины заготовок и изделий и т.п.
    В зависимости от числа станков, обслуживаемых одним ПР, различают:
  • одно-станочные РТК;
  • многостаночные РТК.
    Помимо указанного оборудования в состав любого РТК входят устройства управления как отдельным ПР, так и всем РТК. Число устройств управления, как правило, равно числу станков и других технологических машин (в том числе и ПР), входящих в состав РТК.
    Транспортно-накопительные устройства, как правило, не имеют между собой информационных связей и обмениваются командами с основным технологическим оборудованием и ПР, но сопрягаются с общезаводским и внутрицеховым транспортом.
    В транспортно-накопительную систему РТК входят:
  • устройства, выполняющие активные функции по транспортировке или изменению пространственной ориентации деталей (транспортеры, автоматические магазины и др.);
  • устройства, выполняющие пассивные функции по хранению заготовок и полуфабрикатов (накопители).
    Рассмотрим состав и работу РТК на примере. В состав РТК входят: промышленный робот РМ-01, включающий манипулятор PUMA-560 и устройство управления «Сфера-36», компьютер верхнего уровня типа IBM PC, блок пневмоэлектроаппаратуры, сменные рабочие органы (схваты, инструментальные пневмоголовки), комплект режущего инструмента (фрезы, напильники, металлические щетки), устройство силомоментного очувствления с блоком ввода аналоговых сигналов в устройство управления и многофункциональный адаптер ввода-вывода сигналов в компьютер.

    Для выполнения на РТК технологических производственных процессов возможно включение в его состав роликового транспортера и механизма подачи палет с заготовками, а также поворотного стола с фиксаторами. Технологическое оборудование РТК обеспечивается пневмопитанием под давлением 0,5 МПа. В частности, при механической обработке используется в качестве рабочего органа специальная пнев­мо­головка производства фирмы NOKIA (Фин­ляндия), которая крепится к наружному фланцу силомоментного датчика (рис.1).

 

    Основные технические характеристики пневмоголовки: мощность 160 Вт, частота вращения выходного вала 28000 об/мин, масса 1,5 кг.

    Электромеханический манипулятор PUMA-560 антропоморфного типа имеет 6 вращательных степеней подвижности. Приводы степеней подвижности созданы на базе двигателей постоянного тока с защитными тормозами и инкрементальными инкодерами в качестве датчиков обратной связи. Грузоподъемность робота 2,5 кг, точность позиционирования 0,1 мм. Устройство управления «Сфера-36» предназначено для позиционно-контурного управления функциональными движениями манипулятора и имеет архитектуру типа «компьютер – внешний контроллер» для управления исполнительными приводами. Система является многопроцессорной и двухуровневой: она содержит центральный процессор и шесть процессоров приводов. Модули устройства имеют унифицированные шины внутренней связи (типа Q-BUS) и стандартный интерфейс связи с технологическим оборудованием.

    Устройство силомоментного очувствления состоит из двух функциональных модулей: датчика силы и блока обработки силомоментной информации. Датчик силы конструктивно выполнен в виде плоских крестообразных пластин, на грани которых наклеены тензорезисторы. Конструкция датчика предусматривает измерение трех компонент вектора силы, действующей на рабочий орган робота: силы, перпендикулярной фланцу датчика силы (Fz), и двух моментов в плоскости фланца (Mx и My). В качестве чувствительных элементов выбраны фольговые тензорезисторы типа КФ 5П1-3200-А12. Датчик изготовлен из алюминиевого сплава Д16-Т, обладающего высоким значением модуля Юнга и малой удельной массой. Блок обработки силомоментной информации предназначен для преобразования сигналов с тензоусилителя в три информационных сигнала о векторе сил, действующем на рабочий орган. Блок выполнен в виде отдельной платы и установлен в корпус тензоусилителя.

Технические характеристики устройства силомоментного очувствления в целом таковы:

  • количество измеряемых компонент вектора сил – 3 (осевая нагрузка до 50 Н; поперечные силы по осям X и Y до 25 Н на плече 0,12 м);
  • диапазон выходных сигналов для ввода в компьютер от -5 В до + 5 В,
    для ввода в «СФЕРУ-36» 0–5 В;
  • погрешность выходного сигнала не более 2 % от номинала.

    При управлении роботом на операциях механообработки основная функция компьютера состоит в обработке сигналов от датчика силомоментного очувствления и выработке сигналов коррекции движения.

    Если датчик сил и моментов содержит встроенный микропроцессор, то организация обмена информацией с компьютером не представляет труда. В противном случае необходимо использовать многофункциональный адаптер (МА), который осуществляет согласование аналоговых и цифровых сигналов с системной шиной компьютера. МА представляет собой электронный модуль (плату), вставляемый в слот IBM PC. Адаптер содержит следующие функциональные узлы: аналого-цифровой преобразователь с коммутатором на входе, цифро-аналоговый преобразователь, устройство параллельного ввода-вывода и таймер. Серийный комплект устройства управления «Сфера-36» не имеет возможности ввода и обработки аналоговой информации. Поэтому на базе стандартного модуля аналогового ввода (МАВ) этой стойки управления был реализован контроллер ввода аналоговых сигналов с силомоментного датчика. Шесть каналов модуля МАВ служат для ввода сигналов с потенциометрических датчиков, расположенных в степенях подвижности манипулятора. Оставшиеся два канала АЦП, которые в штатном режиме используются для тестирования системы, переведены в режим связи с внешними задатчиками сигналов. Связь между устройством управления «СФЕРА» и компьютером обеспечивается специальными драйверами.

    Программирование движений технологического робота проводится автоматизированно с помощью специально разработанного комплекса подготовки управляющих программ, блок-схема которого представлена на рисунке 2.

    Таким образом, данный робототехнический комплекс механообработки реализует современную концепцию построения производственных систем типа CAD/CAM, когда автоматизированное проектирование изделия и его автоматическое изготовление интегрированы в единую систему и задача пользователя состоит только в подготовке исходной компьютерной модели детали. Можно провести аналогию между мехатронным принципом объединения элементов и концепцией CAD/CAM, где методология интеграции воплощена на высоком системном уровне.

Рис. 2. Блок-схема комплекса программирования движений

    Задача программирования движения манипулятора решается в четыре основных этапа, при этом первые два выполняются на ЭВМ верхнего уровня, что позволяет не выключать РТК из производственного процесса.

    Этап 1. Разработка компьютерной модели детали в среде Auto CAD. С помощью САПР конструктора выполняется чертеж обрабатываемой детали, либо выбирается стандартная графическая модель из библиотеки. Компьютерная модель записывается в соответствующем формате.

    Этап 2. Планирование движений робототехнической системы. В качестве базового программного обеспечения использован интерактивный пакет MASTERCAM, позволяющий в режиме диалога задавать траекторию движения и желаемую ориентацию рабочего органа в декартовой системе координат, закон движения во времени, команды на вспомогательное технологическое оборудование. При этом могут применяться проверочные и оптимизационные процедуры, которые учитывают кинематические, динамические, энергетические и другие особенности конкретного манипулятора. Полученный файл во внутреннем формате поступает для обработки на постпроцессор. Постпроцессор - это специальная программа, которая автоматически генерирует управляющую программу, готовую для загрузки и исполнения устройством управления робота.

    Этап 3. Автоматическая загрузка управляющей программы. На этом этапе осуществляется пооператорная загрузка программы в устройство управления «Сфера-36». При этом стойка управления и компьютер соединены через последовательный порт по протоколу RS-232.

    Этап 4. Исполнение программы. Для начала выполнения программы необходимо выполнить привязку системы координат, задав в режиме дистанционного обучения исходную точку в рабочей зоне робота. Затем происходит автоматическое выполнение функционального движения, при этом сила резания поддерживается на заданном уровне за счет регулирования контурной скорости рабочего органа.

Назад