В.В. Трухин Проектирование роботизированных технологических комплексов механической обработки деталей

1

Введение

В настоящее время производительность труда в машиностроении повышается в основном за счет механизации и автоматизации технологических процессов (ТП). В то же время подавляющее большинство вспомогательных операций – таких, как загрузка заготовок и выгрузка готовых деталей из основного технологического оборудования, межоперационное транспортирование заготовок, укладка деталей в базу и т.п. - осуществляется за счет ручного труда человека, причем человек выполняет самую тяжелую и малоквалифицированную часть этого процесса.

Для устранения такого разрыва в процессе автоматизации необходимо автоматизировать эти операции.

Наиболее удовлетворяющим этим целям оборудованием являются промышленные роботы (ПР).

ПР – это наиболее эффективное средство автоматизации ТП на современном уровне ее развития. Они могут заменять человека на выполнении физически тяжелых, монотонных, малоквалифицированных операций в условиях вредного, опасного для жизни, малопривлекательного труда.

ПР не утомляется, ему не грозят профессиональные заболевания и травматизм, не нужны перерывы ТП, необходимые человеку вследствие свойственных ему физиологических особенностей. ПР обеспечивает ритмичную работу в течение всего рабочего времени.

ПР строго соблюдает заданный технологический режим, автоматически его поддерживает и, как следствие этого, работает без брака готовых изделий.

По опыту зарубежных фирм и отечественных предприятий массовое внедрение ПР ведет за собой серьезные изменения в культуре труда

иорганизации производства в сторону конкретного их улучшения.

1.Цель работы

Изучение проблемы комплексной автоматизации машиностроительного производства, опыта создания переналаживаемых роботизированных комплексов и методов проектирования РТС по загрузке заготовок и выгрузке деталей из металлорежущего оборудования.

2

2.Теоретические положения

2.1. Технологические принципы построения РТК механической обработки

Понятие РТК механической обработки охватывает широкий диапазон области применения – от отдельных функционирующих комплексов типа «станок – робот» до роботизированных линий, участков и цехов.

При разработке и внедрении РТК ставится задача автоматизации работ, связанных с операциями смены обрабатываемых изделий на станках, с транспортными операциями по перемещению изделий в процессе обработки, контроля, удаления стружки.

Проектирование и внедрение РТК в производство решается на основе тщательного обследования предприятия, технико-экономического анализа [4, 6], так как требует значительных капитальных затрат по сравнению с традиционным универсальным металлообрабатывающим оборудованием и средствами автоматизации.

Общую структуру РТК можно представить как состоящую из пяти основных систем:

1)основное технологическое оборудование;

2)межоперационное транспортирование и складирование;

3)манипулирование;

4)измерение и контроль;

5)удаление технологических отходов.

Функции этих систем и технические средства, которыми они обеспечиваются, представлены в таблице.

В приложении А приведены примеры компоновок, которые условно сгруппированы в зависимости от количества составных элементов и сложности связей между ними в анализируемых системах.

Из приложения видно, что структуры компоновок рассматриваемых систем различаются степенью интеграции при различной степени автоматизации.

Современное развитие серийного и мелкосерийного механообрабатывающего производства, связанное с тенденцией неуклонного усложнения технологических режимов обработки предметов, приводит к значительному росту удельного веса вспомогательных операций в общем балансе времени работ таких технологических систем.

3

Функции и основные технические средства РТК

В связи с этим для успешной организации рассматриваемых производств помимо подбора металлорежущего оборудования существенное значение приобретает задача обоснованного применения быстродействующих конструкций транспортно-загрузочных устройств, промышленных роботов, а также формирования процессов обслуживания ПР этих устройств.

4

Обычно в процессе проектирования и внедрения РТК решаются вопросы:

-разработки планировок размещения основного и вспомогательного оборудования;

-определения позиций и операций, подлежащих автоматизации;

-разработки способов подачи заготовок и инструмента к станкам;

-выяснение путей транспортировки деталей от станка к станку;

-размещения межоперационных заделов и вспомогательного оборудования и т.п.

Сложность решения этих вопросов зависит главным образом от состава основного и вспомогательного технологического оборудования, характеристик обрабатываемых деталей, технических условий на обработку, программы выпуска и т.п.

2.2. Выбор основного и вспомогательного оборудования

Основное технологическое оборудование РТК выбирают (в соответствии с требованием ГОСТов) по параметру, в наибольшей степени определяющему функциональное назначение и технические возможности данного типа оборудования.

При разработке усовершенствованного ТП выбор нового или сохранение действующего оборудования обусловлены увеличением объема выпуска продукции, повышением качества изделий, снижением уровня издержек, обеспечением гибкости производственного процесса (ПП), улучшением условий и безопасности труда, промышленной санитарии.

Оборудование, входящее в состав РТК, по возможности должно быть однотипным, таккаксодержаниетакогооборудованияобходитсядешевле.

Прежде чем приступить к выбору модели оборудования для проектируемого ТП, необходимо оценить, можно ли использовать действующее оборудование в новых условиях.

Должна быть произведена оценка физического состояния оборудования (степени изношенности, ремонтопригодности, возможности смены и укомплектования узлов) и его технических показателей (производительности, точности обработки, подготовленности к использованию в новом ТП и к модернизации для обеспечения стыковки с ПР и другими средствами автоматизации).

Выбор ПР должен сопровождаться расчетом экономической эффективности его применения в конкретных условиях работы РТК.

5

Конструкцию оснастки и вспомогательных устройств, входящих в состав РТК, разрабатывают с учетом:

-материала, массы, формы и типоразмеров деталей;

-параметров и конструктивных особенностей поверхностей изделия, влияющих на конструктивную оснастку;

-технологических схем оборудования и фиксации деталей;

-характеристик основного оборудования;

-характеристик ПР или другого загрузочного устройства;

-характера ориентации детали перед установкой ее в рабочую зону оборудования, т. е. перед захватом ее рукой ПР;

-серийности производства.

Для анализа действующего производства необходимо установить следующие параметры:

-тип производства (массовое, крупносерийное, мелкосерийное);

-организация производства (поточное, непоточное);

-характер перемещения деталей по ТП (непрерывный, прерыви-

стый);

-специфические особенности данного производства (вредные условия производства, монотонность труда, обработка специальных материалов и др.).

В результате анализа указанных параметров определяют:

-номенклатуру деталей, обработка которых может быть осуществлена с применением ПР;

-характеристики деталей и вид заготовок;

-использованные резервы и узкие места ТП;

-потери, возникающие вследствие технических и организационных недостатков;

-состав основного технологического оборудования и рекомендации по его модернизации или замене;

-специфические особенности действующего производства, от которого зависит повышение его эффективности;

-пути изменения организационной структуры производства;

-пути совершенствования ТП, механизации или автоматизации отдельных операций;

-средства механизации и автоматизации труда, повышающие производительность, в том числе путем применения ПР;

-число основных и вспомогательных рабочих, участвующих в ПП обработки отобранной номенклатуры деталей до и после автоматизации;

6

-планировку и размеры производственных площадей, занимаемых оборудованием до и после автоматизации;

-методы организации и средства межстаночного транспортирования

искладирования заготовок, полуфабрикатов и готовой продукции до и после автоматизации, методы контроля точностных параметров отобранной номенклатурыдеталейдоипослеавтоматизации;

-характеристику отходов обработки и методы их удаления до и после автоматизации.

Предложения по применению ПР должны быть обоснованы как результат анализа существующего ТП, так и предварительной оценкой ожидаемого экономического эффекта. В приложении Б приведена ведомость моделей ПР, рекомендуемых к применению [2, 7].

При создании и внедрении РТК механической обработки большое значениеимеетобоснованныйвыборвспомогательногооборудованиякомплекса.

Состав вспомогательного оборудования комплексов определяется на основании анализа функций, которые реализуются ПР, а также технологических возможностей основного оборудования.

Вспомогательное оборудование РТК в основном состоит из транс- портно-накопительных и загрузочных устройств, которые, дополняя функции ПР и основного оборудования, должны обеспечивать непрерывную работу комплекса в течение нескольких часов. Особенностью этих устройств является их быстрая перенастройка присмене объекта обработки, продиктованнаяусловиямиорганизациимелкосерийногопроизводства.

При выборе вида вспомогательного оборудования необходимо прежде всего конкретизировать функции, которые должны выполнять эти устройства в составе комплекса.

Такие устройства должны удовлетворять следующим требованиям:

-их производительность должна быть не менее производительности ПР;

-вспомогательные устройства должны работать в полуавтоматическом и автоматическом режимах;

-конструкция должна обеспечивать возможность контроля за положением детали (заготовки) в позиции, в которой ПР осуществляет захват детали на оборудовании;

-система управления либо информации должна иметь возможность сты-

ковки с соответствующими системами ПР и станка.

Характеристики вспомогательного оборудования приведены в приложениях В, Г, Д.

7

2.3. Разработка планировки РТК

При разработке планировки РТК учитывают следующие обстоятельства:

-состояние планировки, существующей до внедрения;

-наличие свободной площади для размещения дополнительного оборудования;

-обеспечение минимальных путей движения элементов робота с целью сокращения длительности технологического цикла;

-обеспечение проходов для обслуживания оборудования;

-обеспечение возможности обзора оператором всего комплекса оборудования при нахождении возле пульта управления роботом во время наладочных операций в ручном режиме;

-минимальное количество издержек в имеющейся планировке, особенно в месторасположении основного оборудования;

-возможность размещения ограждения участка.

Безопасность при эксплуатации РТК обеспечивается их рациональной планировкой, безопасной и безаварийной работой технологического оборудования, входящего в состав РТК, с помощью специальных средств.

Планировка РТК должна предусматривать свободный, удобный и безопасный доступ обслуживающего персонала к ПР, основному и вспомогательному технологическому оборудованию, а также к органам управления и аварийного отключения всех видов оборудования и механизмов, входящих в состав РТК. Желательно, чтобы органы управления (ОУ) и аварийной блокировки размещались на одном (общем) пульте управления РТК и дублировались вдоль фронта оборудования по трассе возможных перемещений обслуживающего персонала. Необходимы также нормальные условия освещения и обзора для оператора.

Планировка РТК зависит:

-от типа входящего в его состав основного технологического оборудования (т. е. от компоновки, формы, размеров и расположения рабочих зон этого оборудования, уровня его автоматизации и информационного обеспечения, надежности работы);

-от компоновки, структурно-кинематической схемы и уровня информационного обеспечения ПР.

8

2.4. Техника безопасности в РТК

Широкое внедрение промышленных роботов небезобидно.

Дело в том, что современные ПР с их быстрыми и непредсказуемыми движениями в разных плоскостях становятся весьма опасными для того персонала, который работает на данном роботизированном ПП.

Решение проблемы безопасности должно обеспечиваться еще на этапе проектирования ПР.

При этом очень важно в каждом случае сформулировать оптимальные требования по надежности таким образом, чтобы они, с одной стороны, не были слишком завышены и не приводили к чрезмерным затратам, а с другой стороны, гарантировали отсутствие аварий и несчастных случаев.

Принципиально ПР должен удовлетворять всем требованиям по технике безопасности (ТБ), которые предъявляются к существующим техническим средствам автоматизации, закрепленным в соответствующих правилах и инструкциях.

Однако ввиду особенности конструкции и принципов функционирования ПР должны отвечать ряду специальных требований, оговоренных в ГОСТ 12.2.072-82. «Роботы промышленные, роботизированные технологические комплексы и участки».

Аварийные ситуации при обслуживании основного и вспомогательного оборудования ПР возникают в основном по следующим причинам:

-нарушение нормальной работы ПР вследствие сбоев в устройствах управления;

-ошибочные действия оператора при возникновении сбоев или при наладке ПР;

-нарушение в программируемой работе основного технологического оборудования;

-превышение номинальной грузоподъемности ПР, зажимание или заклинивание изделия в технологической оснастке;

-отсутствие контрольно–блокировочных устройств, следящих за возникновением отклонений при выполнении программ;

-неудобное размещение основного и вспомогательного оборудования для обслуживания оператором РТК;

-появление человека в рабочей зоне ПР при работе РТК;

-отсутствие ограждения РТК;

9

- расположение пульта управления в рабочей зоне ПР или вблизи от нее.

Пульты управления, шкафы с электрооборудованием и рабочее место оператора размещаются вне опасной зоны ПР. Если вредные производственные факторы (шум, ультразвук, температура воздуха и т.п.) имеют повышенные уровни, то оператор должен быть защищен от воздействия соответствующими техническими средствами.

Наиболее широко применяются защитные ограждения опасной зоны. Обычно они выполняются таким образом, что при открытии прохода в опасную зону происходит отключение робота путем двойного разрыва цепей питания.

Для небольших роботов применение таких средств защиты нецелесообразно. Для них разработаны плоские нажимные переключатели с большой контактной поверхностью, обеспечивающие отключение привода при столкновении с препятствием, и специальные деформируемые механические элементы.

Надежной защитой рабочего пространства ПР являются сенсорные устройства, основанные на разнообразных физических принципах измерений. Наиболее распространены в этой области ультразвуковые сенсоры, отличающиеся высокой стабильностью результатов измерений независимо от материала и отражающих свойств поверхности объектов; индуктивные сенсоры, обладающие высокой надежностью и устойчивостью к помехам, и емкостные сенсоры.

На этапах программирования, отладки и ввода в эксплуатацию ПР существуют операции, требующие перемещения робота или его отдельных звеньев. В подобных ситуациях производится блокировка защитных средств робота с одновременным жестким ограничением скорости и направлением перемещения. Дополнительно должны быть предусмотрены надежные устройства аварийного выключения.

Обслуживание ПР предусматривает проведение регламентных работ по определению их технического состояния с применением современных средств диагностики и прогнозирования неисправностей.

Сцелью уменьшения опасности ПР и возникновении воздействий

вцепях питания приводных устройств необходимо исключить возможность случайных запусков при непредусмотренном включении энергии, самопроизвольных перемещений под действием силы тяжести, самопроизвольного открытия или закрытия схвата и других зажимных и фиксирующих устройств.