Проектирование роботов и робототехнических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Курсовой проект по дисциплине " Проектирование роботов и робототехнических систем " является профилирующей работой по специальности " Роботы и робототехнические системы ". При его выполнении используются обобщенные знания, полученные студентами по дисциплинам "Инженерная графика и основы проектирования", "Теория механизмов и машин", "Детали машин", "Нормирование точности", "Материаловедение", "Технологические процессы машиностроительного производства", "Механика автоматических устройств", "Оборудование машиностроительного производства".

Задача курсового проекта - разработка технологического предложения (по ГОСТ 2.103-68 и СТП ИрГТУ 05-2000) на создание роботизированного технологического комплекса (РТК) для изготовления заданных деталей методом механической обработки, штамповки или литья. Курсовой проект преследует цель закрепить теоретические знания по основам создания автоматизированных производств, привить навыки самостоятельного решения конструкторских и технологических задач в области автоматизации машиностроительного производства, выработать умение пользоваться современными методами конструирования и расчета технических средств автоматизации, научно - технической и справочной литературой, обосновывать принимаемые решения. Заданием на проектирование являются чертежи деталей.

Сегодня можно с уверенностью утверждать, что направление технического перевооружения производства на основе гибкой автоматизации всех его процессов получило всеобщее признание в машиностроении. Комплексно-автоматизированное машиностроительное производство создает условия для одновременного достижения высокой производительности, сопоставимой с возможностями автоматических поточных линий, и технологической гибкости, обеспечиваемой ранее лишь непосредственным участием человека в производственном процессе.

Причин, позволивших в кратчайшие сроки разработать принципы создания и внедрения гибких автоматических (или автоматизированных) производств (ГАП), - несколько.

Первая заключается в том, что ГАП позволяют автоматизировать единичное и мелкосерийное производство, составляющее сегодня свыше 80% общего объема промышленного производства.

Второй причиной является стремительное развитие современных средств вычислительной техники, позволяющих создать производственные системы, отличающиеся простотой управления и программирования и обеспечивающих автоматизацию практически всех ступеней реализации технического замысла - от разработок и конструирования до управления технологическими процессами и планированием.

Третья, наиболее глубокая причина состоит в том, что ГАП является по сути своей новым видом производительных сил, способных в значительной мере изменить социальный облик общества, и новым стратегическим фактором в конкуренции между странами.

Гибкие производственные системы (ГПС) получили пока наибольшее распространение в области обработки металлов резанием, что связано с большей подготовленностью этой области производства к внедрению гибкой технологии и автоматизации самих технологических процессов. Однако в последнее время разворачиваются работы в этом направлении в заготовительном и сборочном производствах. Создаются ГПС, включающие не только металлорежущее оборудование, но и литейное, кузнечно-прессовое, лазерное, сборочное и некоторые другие типы. Актуальной является проблема создания интегрированных производственных систем. Для этого необходимо решение ряда важных научных и инженерных задач создания технических и программных средств управления, измерения, контроля за ходом производственного процесса, диагностики, манипулирования обрабатываемыми деталями, конструирование инструмента, выбора технологической стратегии и др. Таким образом, проблема ГАП является многоплановой. роботизированный технологический автоматизация машиностроительный

1. Анализ задания и выбор технологического процесса изготовления детали

Проектирование начинается с анализа задания. Прежде всего при создании РТК требуется оценить степень готовности заготовки к производству в автоматическом режиме. Такая оценка позволяет определить необходимость создания новых или возможность использования уже разработанных ориентирующих и подающих устройств (в том числе ПР) для автоматизации рассматриваемой технологической операции.

В процессе выполнения этого этапа работы анализируются точность обработки и шероховатость поверхностей, которые необходимо обеспечить при обработке детали. Рассматриваются возможные методы обработки, которыми может быть обеспечена заданная шероховатость поверхностей и точность размеров, а также оборудование, которое может быть применено для обработки. Анализируются вопросы удобства базирования и закрепления заготовки при ее автоматической обработке, определяются базовые поверхности и оценивается точность обработки при различных схемах базирования. Определяется возможность автоматического ориентирования и подачи заготовок в рабочую позицию.

Все заготовки, подлежащие ориентированию, с точки зрения штучного захвата из общей массы можно разделить на бункеруемые (автоматическое ориентирование возможно) и небункеруемые (автоматическое ориентирование невозможно) [25]. На степень готовности заготовок к автоматическому ориентированию оказывают влияние следующие признаки:

а) геометрическая форма и конструктивные элементы;

б) абсолютные размеры и их соотношения;

в) масса;

г) физико-механические свойства материала заготовки.

Геометрическая форма заготовки не позволит сцеплятся с другими деталями, заготовки имеют достаточно хорошую сыпучесть. Она определяет первичное ориентирование заготовки в бункере, устойчивое положение ее на лотках бункера и транспортирующего устройства. А также облегчает захват манипулятором робота. Автоматическое ориентирование данной заготовки возможно.

Второй признак пригодности заготовок к автоматическому ориентированию -- размеры и их соотношения оказывают влияние, с одной стороны, на устойчивость преобладающего положения при ориентации, размеры захватывающего устройства робота, а с другой - на сцепляемость заготовок. Данная заготовка пригодна к автоматическому ориентированию по размерным параметрам, длина - 55мм и ширина - 18мм.

Масса заготовок имеет значение для выбора типа ПР, загрузочно-ориентирующих и захватывающих устройств. По массе бункеруемые заготовки можно разделить на следующие группы (ГОСТ 5204-82):

а) с массой до 0,08 кг;

б) с массой до 0,16кг.

Данная заготовка имеет массу 0,035кг

Физико-механические свойства материала, из которого изготовляют деталь, определяют выбор метода ориентирования и тип захватывающего устройства.

Кроме того, на выбор метода ориентирования и тип охвата ПР влияет технологичность заготовки.

Заготовка имеет максимум плоскостей и осей симметрии, нет асимметрично расположенных конструктивных элементов (выступов, отверстий и т.п.).

На основании выполненного анализа делаем вывод о пригодности заготовки к автоматическому ориентированию.

2. Выбор структуры РТК

Структура РТК зависит от состава основного и вспомогательного технологического оборудования, модели ПР, вида обработки и продолжительности технологических операций, годовой программы выпуска.

Для производства данной детали больше всего подходит РТК первого типа:

Тип РТК	Количественный состав	Длительность операции	Рациональная область применения	Компоновка
I	Один ПР обслуживает одну единицу технологического оборудования или рабочее место	От нескольких секунд до нескольких минут	Штамповка, механообработка, окраска, шовная сварка, пескоструйная обработка, сборка (при наличии двух манипуляторов и модуля их независимого перемещения)	ПР установлен на станине оборудования или на отдельном фундаменте рядом с технологическим оборудованием

РТК первого типа можно реализовать в двух вариантах. В первом варианте (рис. 1) один робот 4 обслуживает одну единицу технологического оборудования 3 или одно рабочее место. Для подачи заготовки в зону захватного устройства ПР предлагается загрузочное устройство 5, а для разгрузки готовых деталей может быть использована конструкция, состоящая из специального склиза 2 и разгрузочного устройства 1.

Во втором варианте (рис. 2) РТК состоит из двух роботов 2 и 4 для обслуживания одной единицы технологического оборудования 3. Как и в первом случае, для подачи заготовок в зону захватного устройства применяют загрузочное устройство 5, а для разгрузки готовых деталей - разгрузочное устройство 1. Эта компоновка даёт возможность повысить производительность труда на вспомогательных операциях.

Для данной детали наиболее приемлем вариант 1, так как использование второго робота приведет к дополнительным затратам, а также, уменьшение времени на операцию почти не скажется на всем технологическом процессе.

3. Выбор основного технологического оборудования

Выбор моделей оборудования можно провести на основании сопоставления признаков обрабатываемых деталей с техническими характеристиками оборудования по критерию максимальной совместимости параметров оборудования и признаков деталей. Оборудование выбирают по главному параметру, в наибольшей степени определяющему функциональное назначение и технические возможности: виды обработки; массогабаритные характеристики, размеры рабочей зоны, производительность; надежность; степень автоматизации; универсальность; точность обработки. При выборе оборудования учитывают требования групповых операций, конструктивно-технологические признаки групп деталей, объем выпуска и номенклатуру деталей, точность обработки и т. д. Рекомендуемые единицы или комплексы оборудования, необходимые для полного и частичного изготовления деталей, вносятся в таблицу совместимости (Таблица 2)

Таблица 2

Операции типового технологического процесса	Признаки детали, определяющие выбор оборудования	Предполагаемое к выбору оборудование для данной технологической операции	Технические характеристики предполагаемой модели оборудования	Условие совместимости комплексной детали и предполагаемой модели оборудования
Листовая штамповка	Плоская, небольшой толщины.	Открытый однокривошипный пресс простого действия КД2118А	усилие 160 кН, размеры заготовки 35…90 мм.	Соответствует
	Точность размеров и качество поверхностей:		Точность размеров и качество поверхности, обеспечиваемые оборудованием:	Соответствует
	RZ1; RA1; K1;		RZ2; RA2; K2;	RZ2 > RZ1; RA2 > RA1; K2 > K1;
	Серийность		Производительность	То же

4. Выбор промышленных роботов

Производительность, надежность и гибкость создаваемого РТК в значительной степени зависят от выбранной модели промышленного робота. При этом технологические характеристики ПР должны обеспечить максимальное использование по времени и грузоподъемности, а также достижение наивысшей производительности РТК.

· В общем случае ПР в составе РТК выполняют следующие функции: загрузку/разгрузку (установка и снятие заготовки/детали) основного и вспомогательного технологического оборудования;

· управление рабочими циклами основного и вспомогательного технологического оборудования; транспортирование заготовки (детали);

· ориентирование заготовки в пространстве (перед установкой в приспособление, укладкой в приемное устройство и т.д.).

ПР выпускается в одноруком и многоруком исполнениях. По экономическим соображениям предпочтение следует отдать одноруким ПР, имеющим меньшую стоимость. Если окажется, что их производительность недостаточна для выполнения сменной программы, то выбираются двурукие ПР, имеющие меньшую длительность цикла обслуживания основного технологического оборудования.

Исходными параметрами для выбора модели ПР являются следующие данные:

годовая программа выпуска деталей (N_Г); N_Г=500000 шт.

масса обрабатываемых деталей (m_Д, кг); m_Д=0,035 кг.

время установки (снятия) детали (Т_З/Т_Р); Т_З=2сек.Т_Р=2сек.

тип, габаритные размеры, количество и технические характеристики оборудования (точность установки детали (, мм), среднее время наладки (Т_Н, мин)).

Выбор ПР рекомендуется осуществлять в следующей последовательности:

Определяется сменная программа N_СМ выпуска деталей

=1500,

где Т_СМ - продолжительность смены (Т_СМ =8,2 ч);

F_У - действительный годовой фонд времени работы участка, (час).

Определяется длительность технологического цикла при использовании однорукого ПР

Т_Ц=Т_МАШ+Т_З+Т_Р=1.5+2+2=5.5 сек.

Рассчитывается производительность комплекса П_К

=1675,

Если при этом оказывается, что П_К N_СМ, то ограничиваются одноруким ПР. В противном случае необходимо использовать либо двурукий ПР, либо два ПР.

Определяется грузоподъемность робота m_ПР

= 0,035+5=5,035 кг,

где m_ЗУ - масса предполагаемого захватного устройства.

Число степеней подвижности ПР определяется по необходимому уровню ориентации детали и конструкции предполагаемой вспомогательной оснастки.

Тип рабочей зоны ПР и величины перемещений по отдельным степеням подвижности определяется по параметрам рабочей зоны основного технологического оборудования.

Тип привода ПР выбирается в зависимости от грузоподъемности в соответствии с рекомендациями работы.

Тип системы управления выбирается в зависимости от технологического процесса, конфигурации детали и размеров рабочей зоны основного технологического оборудования.

Точность позиционирования ПР определяется по требуемой точности установки деталей в основное технологическое оборудование (требуемая точность для установки детали в штамп пресса (0,050,1)мм)

Тип исполнения ПР определяется на основе учета особых требований к основному технологическому оборудованию, и техпроцессу. В большинстве случаев ПР используют в составе РТК стационарно. Однако в некоторых случаях, когда структура операционного времени позволяет обслуживать одним ПР несколько единиц основного технологического оборудования, возникает необходимость установки IIР на подвижное основание, либо применять ПР портального типа.

Тип и структура рабочего цикла ПР определяются на основе анализа уровня автоматизации основного технологического оборудования, времени обработки, ручного обслуживания, вынужденных простоев.

На основе полученных параметров по каталогам, выбирается модель ПР. По всем вышеизложенным параметрам для данного РТК подходит робот КМ 0,08Ц.42.11 (руководствуясь Ю.М. Соломенцев "Роботизированные технологические комплексы и гибкие производственные системы в машиностроении")

Технические данные:

Грузоподъемность,кг.-0,08

Число степеней подвижности-2

Число программируемых координат-2

Число рук -1

Привод основных движений - пневматический

Система управления- цикловая

Способ программирования перемещений - по упорам

Объем памяти системы-6

Погрешность позиционирования,± - 0,1

Наибольший вылет руки, R, мм.-200

Линейное перемещение, мм. / Скорость, м/с.: руки - 12/0,16

Угловое перемещение,? / Угловая скорость,?/с -180/400

Габаритные размеры, мм.: H - 160

L - 350

B - 260

Масса, кг - 17

5. Конструирование и расчет автоматического накопительно-ориентирующего устройства

Одним из основных элементов вспомогательного оборудования, входящего в состав РТК, является загрузочное устройство, задача которого - упорядоченная доставка заготовок в заданную позицию для захвата рукой ПР.

Вид и конструкция загрузочного устройства определяется формой и способом ориентации исходной заготовки. Наиболее распространённым видом заготовок, применяемых в производстве, являются штучные заготовки, которые отличаются большим разнообразием форм и свойств.

Основными требованиями, предъявляемыми к загрузочным устройствам для подачи заготовок, являются: компактность и простота конструкции, надёжность работы, высокий коэффициент вероятности выдачи заготовок из устройства, возможность накопления требуемого запаса заготовок в бункере, лёгкий доступ к механизмам при устранении неполадок, удобство загрузки и выгрузки деталей, высокое быстродействие.

Наибольшее применение в машиностроении получили вибрационные, магазинные и шиберные загрузочные устройства.

Вибрационные загрузочные устройства используются для подачи деталей самой разнообразной конфигурации, размеров (шайбы, гайки, винты, детали радиотехнической промышленности и т.п.) и различных материалов (сталь, чугун, медь, текстолит, стекло и т.д.). Следует учитывать, что детали выбираются только скользящие, но не способные катиться (цилиндрические заготовки и т.п.). Перемещение заготовок по лоткам в этих загрузочных устройствах осуществляется за счёт сил инерции и трения, возникающих при вибрации лотков. В качестве привода в них используются электромагнитные, дисбалансные, пневматические и гидравлические вибраторы. Наиболее широкое применение получили электромагнитные вибраторы, позволяющие производить плавную регулировку амплитуды колебаний лотка путём изменения напряжения в цепи.

На рисунке 2 приведена схема бункера вибрационного загрузочного устройства с основными размерами.

Исходными данными для расчёта бункера являются:

Q - производительность оборудования; dз,

h - геометрические размеры заготовки; частота колебаний лотка - 50 Гц или 100 Гц.

Расчёт геометрических параметров бункера вибрационного загрузочного устройства рекомендуется производить в следующей последовательности:

Определяется фактическая производительность ВЗУ

Q_ф=Q_ст*К_п=70*1,1=77 шт/мин

К_п -коэффициент переполнения, который необходим, чтобы обеспечить бесперебойную работу К_п=1.1-1.3

Определяется необходимая для этой производительности скорость движения заготовок по лотку

V_з==0,2268 м/с

где ?_з- длина заготовки в м; К_з - коэффициент заполнения, определяется по табл.

Определение размеров бункера

Шаг спирального лотка (должен быть таким, чтобы на лоток не могли попасть одновременно две заготовки) выбирают из условия

t>1.5*h+д=5.75*10^-3 ,м

округляем до 6*10^-3 ,м

Средний диаметр чаши бункера (минимальный)

Д_ср== 400*10^-3 ,м

t- шаг лотка, м

б- угол наклона вибродорожки к обечайке чаши, выбирают исходя из способа ориентирования и конфигурации детали б=3^?

Ширина лотка

В=b+(2-3)*10^-3 =20*10^-3,м

где b-ширина или диаметр детали, м

Наружный диаметр чаши бункера(минимальный)

Д_н=Д_ср+В=420*10^-3,м

С другой стороны для обеспечения высокого коэффициента заполнения

Д_н >(7-10) ?_з =7*55=385*10^-3, м

Внутренний диаметр чаши бункера

Д_вк=Д_ср-В=380*10^-3,м

Размер нижней плиты основания

Д_осн=1,5Д_н =630*10^-3 ,м

Высота чаши бункера

Н_б=(0,2-0,4)Д_н=126*10^-3 ,м

Буртик лотка должен быть меньше высоты заготовки = 2*10^-3 ,м

Толщина обечайки Д

для точеных чаш Д=(2-3)*10^-3=2,5*10^-3,м

Частота колебаний движения бункера. Наиболее просто осуществлять колебания БЗУ с помощью электромагнитных вибраторов с частотой 50 Гц.

Угол конуса выбирают в диапазоне г=(150?-170?)

г=156?

Диаметр днища:

Д_дн=Д_н+2В=460*10^-3,м

Определение оптимального режима работы.

Коэффициент режима работы д определяется по графику в зависимости от скорости соударения, которая берется из таблицы.

V_{соударения}=0,08 м/с

Угол бросания в определяют по формуле:

ctg(б-в)=K_в*f =

где f - коэффициент трения, выбирается по таблице

K_в -определяют по графику в зависимости от К_б и П-параметра режима работы

К_б==0.001

П=,

Определение угла наклона подвесок

Угол наклона пружинных элементов вибробункера определяется по формуле:

,

где m_B=10 кг, суммарная верхняя масса

m_Н=61 кг, суммарная нижняя масса

I_B-суммарный верхний момент инерции

I_Н-суммарный верхний момент инерции

Массы верхней и нижней частей вибропитателя выбираются из таблицы в зависимости от диаметра чаши вибробункера.

Момент инерции детали 1 (обечайка)

,кгм²

где R² , r²-наружный и внутренний радиус чаши

Момент инерции дниша:

, кгм²

Моменты инерции остальных частей верхней части вибробункера необходимо взять в такой же пропорциональной зависимости от момента инерции обечайки, в какой находятся их массы

Момент инерции якоря:

, кгм²

Момент инерции основания:

, кгм²

где r_осн- радиус основания, м

Моменты инерции остальных деталей нижней части вибропитателя взять ориентировочно пропорционально их массам.

I₂=31,5 , кгм²

I₃=47,25 , кгм²

0,9337

ш_К=43?

Так как угол наклона пружинных элементов большой, а диаметр бункера 0,42 м, то целесообразно применить один электромагнит в приводе.

Определение минимальной длины пружины

для н = 50 Гц

2,41*10^-5,м

=2,08*10^-5,м

К_с -коэффициент скорости, обеспечивающий оптимальный режим работы при малых углах, К_с=0,6-0,7

М_пр -масса, приведенная к точкам крепления упругих элементов, кг

=7,48 ,кг

где М_прВ и М_прН - приведенные массы чаши бункера и нижней плиты , кг

=8,68 ,кг

=53,86 ,кг

= 0,2 ,м

7. Определяем диаметр подвесок (пружин), если питатель установлен на круглых цилиндрических стержнях

= 0,017 ,м

8. Расчет амортизации пружин

Определяется жесткость из условия

, кг/м

С= 300 кг/м

Число витков пружин

18,

где d- диаметр проволоки, конструктивно принимается 3мм

Д- средний диаметр пружин, м

n- число пружин в амортизаторной системе (3)

G- модуль сдвига 8*10⁵ кгс/см²

Определяем максимальное возмущающее усилие вибратора

=0,007, кг

где м - динамический коэффициент, зависящий от близости настройки системы к состоянию резонанса и величины затухания (3-4)

При установке одного центрального вибратора, усилие вибратора в направлении движения якоря

= 0,01 кг

Необходимая мощность вибратора определяется

=217*10⁷ , Вт

где n- коэффициент затухания колебаний, (0,05)

9. Расчет магнитопровода и катушки вибратора

Площадь сечения железа вибратора определяется по формуле:

=0,006, м²

где, В -индукция в зазоре (В= 6000-10000 Гс), большие значения принимать для больших вибраторов

Средняя величина воздушного зазора между якорем и статором вибратора

=1,31*10^-4, м

где S - ход якоря вибратора, мм

=1,64*10^-4, м

Тип пластин Ш -образного сердечника выбирается исходя из сердечника железа:

Так как =0,025 м.

По таблице выбираем тип пластин Ш -25, b=2,5 см, h=6 см, Q₀=15 см.

6. Конструирование и расчет захватных органов

Для ПР, использующегося в разрабатываемом РТК, необходимо выбрать универсальный либо спроектировать специальный захватный орган. Конструкции захватных устройств отличаются чрезвычайным разнообразием, так как они должны быть приспособлены для работы с объектами, отличаются весом, формой, размерами, характером поверхности, прочностью и т.д. К ним предъявляются следующие требования:

высокая точность;

достаточная величина хода;

высокое быстродействие;

возможность регулирования силы схватывания;

возможность захвата объектов с изменяющейся формой и размером;

отсутствие повреждений поверхностей;

надежность и долговечность.

На выбор конструкции захватного устройства оказывает влияние следующие факторы:

объект манипулирования: форма, размер, свойства симметрии, масса и инерционные свойства, материал (хрупкость, магнитные свойства), величина допусков и качество базовых поверхностей для захватывания;

промышленный робот: грузоподъемность, ускорение выходного звена по всем координатам, тип привода (пневмо-, гидро-, электро), манипуляционные возможности (число степеней подвижности), особенности системы управления;

особенности автоматизируемого технологического процесса: характеристика окружающей среды (температура, влажность, степень загазованности, запыленность), особенности выполняемой операции (требуемая точность позиционирования объекта, необходимость оказания на захваченный объект физико-химического воздействия или механических воздействий - нагрев, обдув воздухом, водяное охлаждение, колебания), наличие упругой связи между манипулятором и объектом (например, при выполнении точной сборки вала с втулкой), необходимость дополнительных перемещений объекта, а также обеспечение контроля усилия захватывания, величины разжатия губок и других параметров захватного устройства, обеспечение безопасности работы и надежности функционирования; особенности технологического оборудования: размеры рабочих зон, способ базирования объектов на исходных и приемных позициях, производительность и способы максимальной загрузки, конструктивные особенности.

Расчет захватных устройств сводится к определению следующих основных характеристик:

номинальной силы захватывания, определяемой как сила, с которой контактные элементы(губки) действуют по нормали к зажимаемой поверхности объекта;

геометрических размеров и массы захватного устройства;

времени захватывания (отпускания);

характерных размеров захватываемого объекта, на который расчитан схват;

параметров питания (напряжение, потребляемая мощность, давление);

условий эксплуатации (температура, относительная влажность окружающей среды).

Выбор величины силы захватывания обусловлен требованиями надежности удержания объекта и производится исходя из массы, формы, материала объекта с учетом динамических нагрузок, обусловленных его движением, а также характера силового взаимодействия захваченного объекта с внешним оборудованием (например, при сборке или установке заготовки в патрон станка). Накопленный опыт показывает, что значение силы захватывания должно в несколько раз превосходить вес захватываемой детали. Однако номинальная сила захватывания не дает исчерпывающего представления об удерживающей способности схвата, на которую оказывают влияние кинематика схвата, конструкция губок, геометрия захваченного объекта, способ базирования объекта в схвате и д.р.

По способу удержания объектов захватные устройства делятся на механические, вакуумные и магнитные.

В конструкциях магнитных захватных устройств применяют постоянные магниты и электромагниты.

Преимущества магнитных захватных устройств:

простота конструкции, малый вес и компактность;

независимость от формы объектов;

отсутствие повреждений поверхности объектов;

большие (по сравнению с вакуумными) усилия зажима, быстродействие и точность;

Недостатки:

невозможность захвата детали из немагнитного материала;

наличие остаточного магнетизма материалов;

высокие требования к чистоте

поверхности;

трудность поштучного отделения заготовок из стопы.

Расчет усилий магнитных схватов можно вести по следующим формулам:

- в случае плоской детали и цилиндрического полюса;

- в случае цилиндрической детали и цилиндрического полюса;

- в случае квадратной детали с плоским торцом и квадратного полюса;

где B_u - магнитная индукция (Т); d- диаметр полюса (м); а- сторона квадрата (м); - воздушный зазор между деталью и полюсом магнита (м) .



Расчет электромагнитного схвата:

== 55936,2

7. Выбор автоматизированной транспортно-складской системы

Основными функциями системы межоперационного транспортирования и складирования РТК являются:

обеспечение заданной последовательности технологического процесса путём передачи предметов труда с одной операции или единицы технологического оборудования на другую;

создание межоперационных заделов для беспрерывной работы;

подача и установка инструментов и приспособлений;

отвод предметов труда, инструментов, приспособлений, бракованных изделий и технологических отходов.

В отличие от традиционного подъёмно-транспортного оборудования транспортные средства автоматизированного производства должны создавать условия для работы РТК в автоматическом и автоматизированном режимах. К ним предъявляются следующие требования:

автоматизация погрузочно-разгрузочных операций;

возможность стыковки по основным параметрам со складским и технологическим оборудованием;

обеспечение заданной ориентации, точности позиционирования перевозимых грузов и заданного ритма технологического процесса;

программная совместимость системы управления с системой управления РТК;

обеспечение безопасной работы;

высокая надёжность.

Выбор транспортной системы определяется следующими факторами: видом транспортируемых заготовок и деталей, величинами перемещений, требованиями технологического процесса, способом автоматической загрузки и распределением функций между ПР и транспортными средствами.

В качестве транспортных средств применяются ленточные, цепные, роликовые, пластинчатые и подвесные конвейеры, шаговые и инерционные транспортёры, лотки, поворотные столы, напольные и подвесные транспортные роботы и тележки.

Ленточные конвейеры, в основном, служат для перемещения или удаления деталей и отходов сравнительно небольшой массы (до 50 кг) и размеров, не требующих строгой ориентации. Цепные конвейеры используются для перемещения и удаления в горизонтальном, наклонном и вертикальном направления более тяжелых ориентированных и неориентированных деталей, а также отходов. Роликовые конвейеры, в основном, применяются для межоперационной передачи спутников на расстояния до 50 м. Пластинчатые конвейеры чаще всего используются для передачи штучных заготовок и в приспособлениях-спутниках весом от 25 до 125 кг. Подвесные конвейеры с автоматическим адресованием грузов наибольшее применение получили для межцеховой и межучастковой передачи изделий в таре и крупных заготовок весом от 50 до 250 и более кг на расстояния свыше 50 м.

Шаговые транспортёры относятся к устройствам периодического действия и применяются для перемещения на различные расстояния в горизонтальном и наклонном направлениях деталей, имеющих правильную геометрическую форму с сохранением ориентации во время транспортировки. Привод транспортёров может быть индивидуальным (электромеханический, пневматический, гидравлический) или от основного технологического оборудования.

Инерционные транспортёры применяются для перемещения небольших изделий и отходов в неориентированном положении. Они могут выполняться прямолинейными, с изогнутыми участками, а также в виде винтовых лотков для подъёма деталей на высоту до 3 м. Привод таких транспортёров может быть механическим, электромеханическим или электромагнитным.

В последнее время получили применение пневматические полусамотечные лотки, транспортирующие детали на воздушной подушке. Простота конструкции, отсутствие движущихся и трущихся частей обусловливают высокую надёжность в эксплуатации это транспортного средства. Пневмотранспортирование деталей осуществляется при углах наклона плоскости скольжения лотка, меньших угла трения, что достигается созданием воздушной прослойки между плоскостью скольжения лотка и опорной плоскостью детали. Пневматический лоток одновременно является накопителем заготовок для роботов на последующих операциях и снабжается для этого механизмом ориентации и датчиком наличия деталей на исходной позиции. Применение пневматических лотков ограничивается деталями небольшой массы, имеющими достаточную площадь опорной поверхности.

Традиционные транспортные средства обладают существенным недостатком: требуют дополнительных устройств для автоматизации погрузочно-разгрузочных операций и, как правило, недостаточно гибки, т.е. при изменениях в размещении оборудования необходимо изменять конструкцию самих транспортных средств. Более мобильны и лишены этих недостатков подвижные роботы, ориентированные на комплексное выполнение погрузочно-разгрузочных и транспортных операций. Такой робот транспортирует со склада на рабочие места тару с заготовками, инструментом, приспособлениями и перевозит готовую продукцию на склад.

Для разрабатываемого РТК целесообразно применить разделенную транспортно-накопительную систему с двумя стеллажными накопителями и краном - штабелером. В данной системе автоматическая транспортная тележка, перемещаясь по прямолинейному транспортному рельсовому пути, доставляет заготовки к перегрузочному столу оператора, где он загружает данными заготовками вибрационное загрузочное устройство. Из стеллажного склада кран-штабелер подает заготовки в таре на перегрузочный стол. Далее транспортная тележка по мере необходимости забирает с перегрузочного стола тару с заготовками и транспортирует ее к перегрузочному столу оператора, установив тару с заготовками на перегрузочный стол, перегрузочное устройство транспортной тележки забирает тару с готовыми деталями и транспортирует ее на перегрузочный стол стеллажного склада. Затем кран -штабелер забирает тару и устанавливает ее в свободную ячейку стеллажа.

В качестве крана-штабелера возьмем кран модели РШ-500, так как он подходит по грузоподъемности, а также он прост конструктивно и в эксплуатации и не сильно увеличит стоимость РТК.

Технические данные:

Грузоподъемность - до 500 кг.

Габариты тары -800600320 мм.

Скорость перемещения по рельсовому пути:

-в горизонтальном направлении -2-65 м/мин.

-каретки по вертикали -2-18 м/мин.

-выдвижения телескопического захвата -10 м/мин.

Точность позиционирования:

-при горизонтальном перемещении ±2 мм.

-при вертикальном перемещении каретки ±4 мм.

-при выдвижении захвата ±3 мм.

В качестве тележки возьмем транспортную рельсовую тележку модели ОМ 9973.

Технические данные:

Грузоподъемность - до 250 кг.

Габариты (без учета мачты питания) -19009901180 мм.

Масса -800 кг.

Скорость перемещения по рельсовому пути:

-минимальная - 4 м/мин.

-номинальная - 80 м/мин.

-максимальная -140 м/мин.

Точность позиционирования:

-при горизонтальном перемещении ±2 мм.

-при вертикальном перемещении каретки ±4 мм.

-при выдвижении захвата ±3 мм.

Скорость выдвижения стола - 8 м/мин.

Скорость подъема стола - 4 м/мин.

Количество телескопических столов -1

Высота выдвижной части стола -100 мм.

Ширина стола -550 мм.

Ход стола:

-подъем -50 мм.

-выдвижение -925 мм.

8. Выбор методов и средств автоматического контроля

Для обеспечения надёжной и безопасной работы РТК необходим непрерывный контроль за состоянием отдельных механизмов, агрегатов, устройств. Для этого в схему управления могут встраиваться устройства контроля и сигнализации, информирующие о работе и состоянии этих механизмов, с выходом сигналов на пульт управления комплексом с целью останова РТК в аварийных ситуациях. Для повышения производительности РТК необходимо стремиться к полной автоматизации процессов контроля. Задачами системы автоматического контроля РТК являются: фиксирование и коррекция технологических параметров; контроль режимов работы основного технологического оборудования; измерение и контроль размеров, чистоты и других характеристик изделий; обеспечение безопасной работы. В качестве технических средств контроля используются датчики основного и вспомогательного оборудования РТК, датчики контроля параметров, измерительные щупы и головки, измерительные роботы, контрольно-измерительные машины (КИМ). Наибольшее значение должна иметь автоматизация контроля параметров обрабатываемых деталей, правильности положения заготовки и наличия заготовки на исходной позиции для захвата. Проверка наличия заготовки в подающем устройстве должна выполняться с целью исключения возможности отработки ПР операции установки заготовки вхолостую. Проверку наличия заготовки в позиции захвата её ПР рекомендуется осуществлять с помощью установки проверяющего датчика в захватном устройстве.

Автоматические устройства для контроля должны выполнять измерения в процессе обработки и управления режимом работы основного технологического оборудования. Все сигналы устройств контроля могут сопровождаться световой индикацией, при помощи которой производится определение механизма, в котором произошли сбои или повреждения.

В каждом конкретном случае в зависимости от сложности РТК определяется сложность системы контроля. Для простых робототехнологических комплексов приемлем суммарный контроль всех механизмов, для сложных - выполняется разветвлённая система контроля и сигнализации.

При разработке систем управления должны быть определены места обязательного контроля хода технологического процесса (положение ползуна штампа, наличие деталей на исходной позиции, в схвате робота, уровень заготовок в кассете и т.д.), которые должны быть оснащены датчиками, лучше всего бесконтактными (типа КВД-3-24, КВД-6-24) или пневматическими.

Для обеспечения, бесперебойной работы РТК холодной штамповки необходимо обеспечить следующие виды контроля:

Контроль положения заготовки на позиции захвата роботом;

Контроль наличия и количества захваченных заготовок.

Контроль положения заготовки в матрице штампа.

Контроль положения пуансона в верхней точке.

Контроль выхода руки из рабочей зоны пресса перед штамповкой.

Контроль выхода детали и отходов из штампа.

Контроль перегрузки загрузочного устройства.

Контроль количества заготовок в захватном устройстве необходим для исключения возможности укладки в штамп двух и более заготовок одновременно, что может привести к поломке штамповой оснастки или выходу из строя пресса. Особенно опасно это на вытяжных, гибочных и других формообразующих операциях. Одновременных захват двух заготовок возможен при работе с подающим устройством с верхней подачей в том случае, когда на поверхности заготовок имеется смазка или заусенцы.

Наиболее распространены два способа контроля слипшихся заготовок - электромеханический и радиоизотопный. Устройства, в которых используются эти принципы контроля, устанавливаются не на захватных устройствах ПР, а на пути перемещения заготовки из загрузочного устройства в штамп, и требуют остановки комплекса в случае взятия захватом более двух деталей. Однако наиболее рациональным и простым решением является оснащение подающих устройств распушителями, в частности, магнитными. В качестве распушителей целесообразно применять оксидобариевые магниты, форма и габариты которых выбираются в зависимости от вида заготовки. Необходимо иметь в виду, что магнитному распушению поддаются заготовки, сцеплённые друг с другом заусенцами.

Для исключения возможности поломки штамповой оснастки служит также устройство контроля положения заготовки в штампе. В качестве датчиков контроля положения заготовки возможно применение контактных электрических, струйных пневматических и фотоэлектрических датчиков. Однако установка в штампах контактных и струйных датчиков значительно усложняет конструкцию штампов, а фотоэлектрические датчики недостаточно надёжны в работе, поскольку в листоштамповочных цехах велики запылённость и вибрационные нагрузки. Кроме того, при надёжно работающих захватах, подаче деталей устройствами поштучной ориентированной выдачи на позицию захвата робота и правильно спроектированной штамповой оснастки с соответствующими фиксирующими элементами необходимость в этих устройствах контроля и датчиках сводится к минимуму и их установка в штампах, при правильно организованной работе РТК, необязательна.

Контроль отсутствия детали в штампе осуществляется косвенным путём, т.е. проверяется наличие её в захватном устройстве руки робота, удаляющего деталь из штампа. В качестве датчиков, осуществляющих такой контроль, можно использовать контактные электрические, фотоэлектрические и бесконтактные магнитные датчики. Широкое распространение получили бесконтактные датчики.

При использовании однорукого ПР для укладки заготовки в штамп и удалении детали другими средствами (пневмосдув) датчики устанавливаются на пути перемещения детали из штампа в тару обычно на лотках, склизах и останавливают работу РТК при отсутствии сигнала о прохождении детали.

Контроль нахождения ползуна пресса в верхнем положении осуществляется контактными конечными выключателями. Он обеспечивает работу РТК только в верхнем положении пресса, причём сам пресс может сработать только при нахождении ПР в исходном положении, когда захваты находятся вне рабочего пространства пресса.

9. Разработка планировки роботизированного технологического комплекса

Одной из задач проектирования РТК является разработка компоновки РТК. Среди большого числа требований, предъявляемых к планировке РТК, можно выделить ряд основных, выполнение которых является обязательным при построении комплексов.

Планировка должна обеспечить:

оптимальное расположение оборудования с точки зрения экономии производственной площади и минимальных величин перемещений исполнительных органов манипуляционного оборудования;

возможность профилактического обслуживания и текущего ремонта основного и вспомогательного технологического оборудования, т.е. обеспечивать проходы и минимально допустимые расстояния между оборудованием в соответствии с руководствами по эксплуатации, специальные зоны для обслуживания электро-, гидро- и пневмосистем согласно ГОСТ 12.2.078-82;

планировка должна предусматривать зоны воздушного охлаждения для манипуляционного и другого оборудования;

возможность визуального наблюдения за работой РТК;

выполнение требований безопасной работы в соответствии с ГОСТ 12.2.072-82, т.е. свободный доступ к органам аварийного отключения, защитные ограждения в виде защитных сеток, световая и звуковая сигнализация от несанкционированного проникновения человека в рабочую зону, исключение пересечения трасс следования оператора и манипуляционного и другого оборудования, расположение пульта управления вне рабочей зоны и т.д.

Компоновка РТК представлена в графической части.

10. Разработка циклограммы работы и алгоритма функционирования комплекса

Отличительной особенностью роботизированного технологического процесса является необходимость его разработки более подробно, с указанием наряду с входящими в него операциями и переходами, состава и характера перемещений каждой детали, а также мониторинга оборудования, оснастки и инструмента.

Такое полное и детальное представление необходимых перемещений и функций позволяет

уточнить требования к промышленным роботам, технологическому оборудованию, средствам загрузки и другому вспомогательному оснащению;

правильно распределить функции между роботами, технологическим оборудованием и средствами оснащения;

разработать аппаратную часть системы управления и программное обеспечение задач управления;

оптимизировать режимы работы РТК.

С этой целью разрабатывается подробный алгоритм функционирования РТК. Алгоритм функционирования представляет собой совокупность правил, по которым информация, поступающая в управляющее устройство, перерабатывается в сигналы управления. В нем должны быть указаны не только все основные перемещения и действия робота, но и вспомогательные переходы и операции (обдув кулачков, смазка, удаление отходов, контрольные операции и т.д.). Этот алгоритм позволяет сформулировать требования к системе управления роботом, а также определить места установки датчиков и контрольных устройств. Основой для создания алгоритма является технологический процесс обработки деталей. При этом алгоритм управления должен охватывать как манипуляции ПР по загрузке, разгрузке основного технологического оборудования и укладке деталей в тару, так и операции межоперационного транспортирования.

Для разработки циклограммы необходимо рассчитать время использования каждого перехода работы ПР и время работы пресса .

t=l/V, с.

где: l-величина перемещения, м.

V-скорость перемещения, м/с

V=0,16 м/с из технических характеристик ПР

Время поворота руки ПР t=90/400=0,225с.

Время подъема руки ПР t=0,012/0,16=0,075с.

Включение, выключение захвата ПР t=0,2с.

Время работы пресса t=1,2 с.

Время цикла t_ц=1,7с.

Циклограмма РТК представлена в графической части.

11. Разработка автоматизированной системы управления

Оборудование, входящее в состав РТК как правило имеет автономные управляющие устройства. Исключение составляют вспомогательные устройства. Это вспомогательное оборудование создаётся разработчиками РТК. Для управления вспомогательным оборудованием могут быть использованы типовые управляющие устройства ПР (ЭЦПУ-6030; УЦМ-331; УПМ-552).

Задачей системы управления РТК в целом является обеспечение совместной работы оборудования, входящего в состав комплекса. Для решения этой задачи могут быть использованы либо стойки управления ПР, либо системы управления основным технологическим оборудованием, либо автономные системы управления на основе персонального компьютера.

Выбор и проектирование автоматизированной системы управления РТК производится на основе алгоритма функционирования комплекса и задач управления.

К основным задачам, решаемым системой управления РТК или отдельными ГПМ, можно отнести:

приём, хранение и передача информации (УП, отдельных команд);

пуск (останов) оборудования;

тестирование оборудования;

ввод управляющих программ в оборудование;

синхронизация работы оборудования;

контроль заготовок (наличия, идентификации, размеров), измерение размеров обрабатываемой детали;

контроль базирования и точности установки заготовки;

контроль инструмента (наличия, идентификации, целостности, износа, ресурса, точности установки);

проверка режимов обработки;

корректировка управляющих программ по результатам контроля режимов обработки, состояния инструмента, размеров детали;

формирование запросов на обслуживание транспортом; учёт готовых деталей;

контроль параметров СОЖ (наличия, расхода);

диагностирование оборудования и прогнозирование его технического состояния;

контроль наполнения сборника отходов;

формирование аварийного сигнала о наличии огня и дыма.

Системы управления РТК строятся по иерархическому принципу. Большинство систем имеет три основных уровня - верхний, средний и нижний. На верхнем уровне устанавливается центральная ЭВМ, в функции которой входят автоматизированное проектирование, технологическая подготовка производства, диспетчирование и т.п. На среднем уровне располагаются распределители-концентраторы, занимающиеся распространением данных, поступающих от центральной ЭВМ, между устройствами управления нижнего уровня, и осуществляющие сбор и статистическую обработку данных с нижнего уровня. В последнем случае концентратор является по существу фильтром информационных потоков, направленных от устройств управления нижнего уровня к центральной ЭВМ.

Центральный распределитель на некоторое время может брать на себя функции центральной ЭВМ в части диспетчирования и контроля за оборудованием нижнего уровня. Такая возможность имеет существенное значение при выходе из строя центральной ЭВМ или канала связи с верхним уровнем, так как в этом случае поддерживается нормальная работа нижнего уровня, а следовательно, и всей РТК.

В качестве распределителей-концентраторов на среднем уровне могут применяться как программируемые командоаппараты (ПК) интеллектуального типа, так и специальные многоканальные распределители.

На нижнем уровне находятся устройства управления (СЧПУ, ПК) производственным оборудованием (станками, ГП-модулями), вспомогательными установками (например, для промывки деталей и т.п.), гибкими измерительными модулями, роботами, устройствами загрузки-разгрузки, транспортными автоматизированными системами и т.д.

Для управления складом, роботизированной транспортной системой с применением автоматических тележек, может использоваться автономная мини- или микроЭВМ. Такая ЭВМ располагается на среднем уровне и связывается с помощью стандартных каналов с центральной ЭВМ. Следует отметить, что функциональные возможности и распределение последних между верхним и средним уровнями носят в известной мере условный характер и устанавливаются в каждом конкретном случае в зависимости от ряда факторов: уровня автоматизации; целей, характера и объёма производства; типа и номенклатуры деталей, серийности и т.п.

В последнее время выявилась тенденция к унификации систем управления РТК, широкому использованию стандартизованных элементов и узлов аппаратного и программного обеспечения, а также структур.

12. Разработка мероприятий и технических средств обеспечения безопасности работы комплекса

При проектировании и эксплуатации РТК необходимо учитывать требования безопасной работы в соответствии с ГОСТ 12.2.078-82. Например, для обеспечения безопасной работы РТК холодной штамповки должна быть предусмотрена сеть контрольно-блокировочных устройств, обеспечивающих следующие функции: невозможность включения пресса при нахождении в зоне штампа руки робота, выключения РТК при попадании в зону штампа посторонних предметов, выключение РТК при отсутствии заготовки и невыходе отштампованной детали из зоны штампа, а также при других повреждениях технических средств. Для РТК с применением ПР большой грузоподъёмности требуется создание специальных ограждений и блокировок, предупреждающих доступ в рабочую зону ПР людей.

13. Описание работы РТК

Работа данного РТК представим в виде последовательных этапов:

Из стеллажного склада кран-штабелер подает заготовки в таре на перегрузочный стол. Далее транспортная тележка по мере необходимости забирает с перегрузочного стола тару с заготовками и транспортирует ее к перегрузочному столу оператора, затем устанавливает тару с заготовками на перегрузочный стол.

Оператор загружает заготовками вибрационное загрузочное устройство.

Вибрационное загрузочное устройство, ориентируя заготовки, подает их на приемную позицию робота, на данном этапе осуществляется контроль положения заготовки на позиции захвата роботом (контактный электрический датчик) и контроль количества захваченных заготовок (упор в лотке ВЗУ).

Робот, с помощью электромагнитного схвата, берет заготовку и устанавливает ее в пресс.

Пресс выполняет технологическую операцию. Перед этим осуществляется контроль положения заготовки в матрице штампа с помощью пневматического датчика. Контроль нахождения ползуна пресса в верхнем положении осуществляется контактными конечными выключателями, причём сам пресс может сработать только при нахождении ПР в исходном положении, когда захваты находятся вне рабочего пространства пресса.

Затем с помощью пневмосдува готовая деталь удаляется в емкость для готовых деталей. Пневмодатчик устанавливается на пути перемещения детали из штампа в тару на лотке, и останавливают работу РТК при отсутствии сигнала о прохождении детали.

Оператор заполняет пустую тару готовыми деталями.

8. Перегрузочное устройство транспортной тележки забирает тару с готовыми деталями и транспортирует ее на перегрузочный стол стеллажного склада. Затем кран -штабелер забирает тару и устанавливает ее в свободную ячейку стеллажа.

14. Оценка экономической эффективности работы комплекса

Экономическая эффективность может быть определена путём расчёта коэффициента производительности или экономической прибыли по методике, приведённой в.