Система управления робототехническим комплексом на базе вертикально фрезерного УЧПУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система управления робототехническим комплексом на базе вертикально фрезерного УЧПУ

Аннотация

Объём: страниц: иллюстраций: таблиц: приложений.

Объект разработки: Система управления робототехническим комплексом на базе вертикально-фрезерного станка Shaublin 100 CNC

Цель разработки: улучшение условий труда рабочих, уменьшение затрат, улучшение качества выпускаемой продукции.

Разработаны:

компоновка робототехнического комплекса;

схема пневматическая;

магазинное загрузочное устройство;

автоматизированное станочное приспособление;

схема электрическая принципиальная;

алгоритм функционирования комплекса;

мероприятия по организации производства;

мероприятия по обеспечению экологичности и безопасности.

Рассчитаны:

элементы электрической принципиальной схемы;

технико-экономические показатели.

Введение

В настоящее время в различных отраслях машиностроения особенно остро стоит вопрос о повышении производительности труда, эффективности производства, а также увеличение выпуска продукции при одновременном снижении затрат с учетом полной сертификации качества выпускаемой продукции.

Одним из важнейших направлений решения этих задач является механизация и автоматизация производства. Особенное значение придается сокращению ручного, малоквалифицированного и тяжелого физического труда, облегчению его условий. Этого можно достичь путем модернизации существующего оборудования, усовершенствования технологических процессов, создания автоматических поточных линий, станков, участков.

Эффективность средств автоматизации осуществляется за счет применения автоматических загрузочно-разгрузочных устройств, промышленных роботов-манипуляторов.

Назначением проектируемого РТК является автоматизация технологического процесса фрезерования корпусных деталей, загрузка заготовок и выгрузка изделия, передача от станка к станку без участия человека.

Разработка робототехнического комплекса для фрезерования корпусных деталей позволит решить многие проблемы, возникающие в данный момент на производстве:

изменить характер труда рабочих - замена монотонного, тяжелого физического труда на более легкий;

позволит обслуживать одновременно несколько РТК одному оператору.

использование современной системы управления (СУ) позволит повысить степень надежности РТК и, следовательно, сократить время простоя оборудования;

внедрение ПР. приведет к увеличению объемов выпуска продукции;

экономия на заработной плате, служебно-бытовых помещениях, производственных площадях окупит затраты на капитальные вложения в оборудование.

Важным требованием, предъявляемым к организации производства, является соблюдение регламента, обеспечивающего выпуск продукции требуемого качества. В. процессе организации производства и труда создаётся чёткий регламент, предусматривающий закрепление операций за рабочими, обладающими должной квалификации, определяется состав оборудования и оснастки, с помощью которых выполняется каждая операция. За соблюдением этого регламента осуществляется жёсткий контроль. Для того чтобы производить продукцию высокого качества, необходимы качественное сырьё и материалы, оборудования. Отклонение от параметров используемых материалов неизбежно приводит к нарушению требований, предъявляемых к качеству продукции. Обеспечение соответствующего качества сырья является функцией работников материально-технического снабжения. Они же отвечают за сохранность материалов в процессе их транспортировки, хранения и подготовки их к производству. В ряде случаев в особо ответственных производствах применяют входной контроль материалов и полуфабрикатов, поступающих в производство.

Высокому качеству продукции соответствует чёткая организация контроля за производством. Служба технического контроля должна гарантировать должное качество работы на всех стадиях производства. В современных условиях актуальна профилактика снижения качества продукции, предупреждение всех возможных отклонений от нормальных условий производства.

Организация и реализация мер, направленных на повышение потребительских свойств продукции, осуществляется комплексной системой управления качеством продукции.

Таким образом, данная разработка целесообразна как с социальной, так и с производственной точки зрения.

1. Техническое задание

1.1 Наименование и область применения

Анализ станка: Оборудование и СУ

Настоящее техническое задание распространяется на робототехнический комплекс для фрезерования корпусных деталей на базе вертикально-фрезерного станка Shaublin 100 CNC.

1.2 Основание для разработки

Проектирование РТК обусловлено постоянно возрастающими требованиями к производительности оборудования, необходимостью снижения себестоимости продукции за счет увеличения объемов производства и высвобождения основных и вспомогательных производственных рабочих, обслуживающего персонала.

1.3 Цели и назначение разработки

Целью разработки является создание РТК на базе станка Shaublin 100 CNC для автоматизации технологических процессов механообработки.

Назначение РТК - автоматическая загрузка заготовок в рабочую зону технологического оборудования (ТО); автоматическое удаление готовой детали или полуфабриката из рабочей зоны ТО. Все операции должны осуществляться автоматически по заданному программой работы РТК алгоритму без участия рабочего.

Задачи, решаемые разработкой:

автоматизация загрузки технологического оборудования;

снижение травматизма рабочих (удаление их из опасной зоны);

уменьшение численности основного и вспомогательного персонала;

улучшение условия труда рабочих;

повышение производительности комплекса.

1.4 Источники разработки

Разработка ведётся на основе:

требований на проектирование РТК, разработанных предприятием;

анализа материалов по РТК, имеющихся на предприятии (технических паспортов оборудования, существующих технологий производства);

изучения работы по техническому обслуживанию и эксплуатации оборудования, установленного на предприятии.

1.5 Исходные данные

Для уменьшения затрат на основное оборудование предлагается использовать установленные на участке вертикально-фрезерный обрабатывающий центр Shaublin 100 CNC.

1.6 Технические требования

Требования к конструктивному исполнению

Конструктивные модули РТК должны иметь унифицированные быстроразъёмные стыковочные элементы, обеспечивающие возможность и удобство объединения их в различные конфигурации в зависимости от характера решаемой задачи.

Приспособление, устанавливаемое на стол станка должно обеспечивать возможность автоматического закрепления-раскрепления обрабатываемой детали. По возможности приспособление должно обеспечивать обработку ряда типовых деталей без переналадки станка.

В конструкции РТК должны быть использованы передаточные механизмы, направляющие, комплектующие и материалы, обеспечивающие минимальную массу подвижных частей конструкций при сохранении её прочности и надёжности.

Составные части манипулятора должны иметь надёжную защиту от попадания загрязняющих веществ на направляющие и датчики. Конструкция оборудования, входящего в РТК, должна быть технологичной в изготовлении.

Требования к устройству управления

Устройство управления должно обеспечивать обмен информацией с другими устройствами управления, в том числе других уровней.

Устройство управления должно обладать достаточным объёмом памяти.

Устройство управления должно содержать программные и встроенные аппаратные средства диагностирования, обеспечивающие контроль функционирования и поиск дефектов основных блоков.

Требования к ПР.

не менее 3-х степеней подвижности;

точность позиционирования не более 0.5 мм;

номинальная грузоподъёмность ПР. не менее 2 кг

Требования к приспособлению.

вес не более 150 кг;

габариты: длина - не более 700 мм, ширина - не более 600 мм,

высота - не более 300 мм;

Требования к кабелям

Все кабели должны иметь надёжную защиту от механических повреждений.

Требования к условиям эксплуатации

Климатические условия:

- температура от 10°С до 30°С;

- влажность до 87%.

2. Выбор робота

2.1 Выбор основного технологического оборудования

В проектируемом РТК для фрезерования корпусных деталей в качестве основного технологического оборудования используем вертикально-фрезерный обрабатывающий центр Shaublin 100 CNC. Данное оборудование уже установлено на участке и не требует капитальных вложений.

2.1.1 Назначение и область применения

Вертикальный обрабатывающий центр предназначен для фрезерных и сверлильных работ.

2.1.2 Технические характеристики

Таблица 2.1 - Технические характеристики станка

Рабочая зона
Перемещение по X, мм	1020
Перемещение по Y, мм	540
Перемещение по Z, мм	540
Высота торца шпинделя от стола, мм	155-695
Рабочий стол
Длина стола, мм	1120
Ширина стола, мм	540
Нагрузка на стол макс, кг	700
Т - образные пазы, мм	18 х 3
Расстояние между пазами, мм	160
Шпиндель
Конус для инструмента	ISO 40
Скорость вращения макс, об/мин'	8000-15000
Мощность шпинделя макс, кВт	13
Передача крутящего момента	ремень
Макс. Крутящий момент, Нм	82,7
Подачи
Холостые подачи по X, макс, м/мин	16.5
Холостые подачи по YZ, макс, м/мин	16.5
Рабочие подачи по оси XYZ, м/мин	12.7
Двигатели привода подач макс, кВт	1,6
Усилие резания по осям макс, Н	8896
Автосменщик инструмента
Тип стандартного автосменщика	'Карусельный'
Количество инструмента, шт.	20
Диаметр инструмента макс, мм	89
Масса инструмента макс, кг	6
Время смены (инстр./инстр.), сек	6.5
Точность
Точность позиционирования, мм	0,005
Повторяемость, мм	0,002
Дополнительные показатели
Объем бака для СОЖ, л	360
Ширина открывания двери, мм	900
Масса станка, кг	5500

2.2 Выбор промышленного робота (ПР)

В проектируемом РТК заменяем рабочих на повторяющихся монотонных операциях по загрузке заготовок. Требования предъявляемые к ПР:

не менее 3-х степеней подвижности;

достаточная точность позиционирования;

стоимость манипулятора, его установки подключения и обслуживания

номинальная грузоподъёмность ПР не менее 2 кг

Из всего разнообразия парка ПР будем рассматривать лишь модели отечественных производителей, т.к. зарубежные аналоги дороже, соответственно дороже и запасные части к ним, а отечественные детали порой является не возможно подобрать из-за несовместимости стандартов, что ведет к увеличению вложений на ремонт оборудования.

2.2.1 Назначение, область применения и технические характеристики Итекар

Технические характеристики робота Итекар указаны в приложении А.

2.2.2 Назначение, область применения и технические характеристики Универсал 5.02

Предназначен для операций загрузки-разгрузки, транспортировки в термо- и механообработке. Технические характеристики указаны в приложении Б.

2.2.3 Назначение, область применения и технические характеристики Циклон 3.02

Предназначен для операций загрузки-разгрузки, транспортировки в холодной штамповке, кузнечном производстве, механообработке. Технические характеристики указаны в приложении В.

Всем условиям ТЗ удовлетворяет промышленный робот Циклон 3.02, предназначенный для операций загрузки-разгрузки, транспортировки в холодной штамповке, кузнечном производстве, механообработке, обеспечивающий:

необходимую точность позиционирования: ±0.1;

необходимую номинальную грузоподъёмность: 2 кг;

обладает высоким быстродействием (таблица 2.2);

имеет приемлемые габаритные размеры 1100x840x1250.

2.2.4 Альтернативные методы загрузки - разгрузки

Применение бесштокового ленточного цилиндра серии MY1M или практически любого другого бесштокового цилиндра позволяют преодолеть необходимую длину в отличие от штоковых пневмоцилиндров, но имеют недостатки в связи, с которыми от них пришлось отказаться:

- необходимость закрепления несущей части в рабочей зоне,

- попадание стружки и СОЖ на направляющие и др. части пневмоцилиндра,

- отсутствие перемещения по оси Z.

CDY1S

MGG

Рис. 2.1 Виды пневмоцилиндров

2.3 Выбор загрузочного устройства

Загрузочное устройство предназначено для автоматической ориентации и поштучной выдачи заготовки на рабочую позицию обработки, сборки, контроля и т.д.

Прежде всего, загрузочное устройство должно обеспечить постоянство выдачи заготовок в заданном ритме, что обеспечит непрерывность работы технологического оборудования. Должна обеспечиваться стопроцентная ориентация заготовок и их поштучная выдача под захват робота.

Для разрабатываемого комплекса наиболее применимы магазинные и бункерные загрузочные устройства.

В бункерном загрузочном устройстве (БЗУ) заготовки загружаются навалом с определённой периодичностью оператором, располагаются в ёмкости (бункере) в неориентированном положении и в них необходим механизм автоматической ориентации.

Магазинное загрузочное устройство (МЗУ) -- это такое устройство, в котором плоские заготовки находятся в ориентированном положении в один ряд. Из магазина изделие поштучно поступает непосредственно к питателю.

Учитывая технологию, вес, конструктивные параметры заготовки, а так же значительное время обработки детали, выбираем загрузочное устройство магазинного типа. Загрузочное устройство предназначено для поштучной выдачи детали в позицию схвата робота.

Рассмотрим несколько вариантов МЗУ обеспечивающих поштучную выдачу ориентированных заготовок.

Рис 2.2 Схема механизма поштучной выдачи

В качестве привода отсекателя используется пневмоцилиндр простого действия.

МЗУ состоит из шибера 4, ограничиваемого упорами, накопителя 3, планки 6, которая перемещает шибер и пневмоцилиндра 1. Шиберное МЗУ устанавливается на стол, который регулируется по высоте, что позволит точно настраивать его под позицию захвата. К столу крепится лоток 5.

Максимальное количество загружаемых заготовок в накопитель 15штук.

При подаче сжатого воздуха в правую полость пневмоцилиндра 1 шток 6 посредством планки 7 перемещает шибер 4 в крайнее левое положение, создавая возможность нижнему изделию 2 опуститься. Во время обратного хода штока шибер 4 перемещается до упора, а изделие 2 располагается в зоне захвата ПР на лотке 5.

Рис 2.3 Схема механизма поштучной выдачи

В качестве привода в этом случае используется электромагнит.

МЗУ состоит из отсекателей 1 и 2, которые заходят в отверстия магазина 3, и шарнирно связанны с качающейся на оси 4 планкой 5. Планка 5 получает перемещение от подвижной части питателя в качестве, которого служит электромагнит 6.

К недостаткам отсекателей типа штифтов относится возможность проскальзывания нескольких заготовок за один период действия. Производительность таких отсекателей не превышает 100-150заготовок, но из за длительного процесса механообработки этот фактор не является недостатком.

Здесь заготовка подается непосредственно в раскрытый захват ПР. что исключает ее перекос, смешение и уменьшает время цикла, что является решающим в выборе МЗУ

3. Компоновка робототехнического комплекса (РТК)

3.1 Разработка компоновки робототехнического комплекса

Компоновка РТК - это качественный и количественный состав основного и вспомогательного оборудования, входящего в состав РТК, а также его взаимосвязанное расположение. Робототехнический комплекс можно определить как обособленную систему основного и вспомогательного технологического оборудования, в котором робот является главным средством механизации, расположенную на ограниченном участке производственной площади и предназначенную для автоматизированного выполнения определённых технологических операций. Исходными данными при разработке компоновки РТК являются:

-требования автоматизируемого технологического процесса;

-технические характеристики робота (длина перемещений, система координат, точность позиционирования и т.д.) и его габариты;

-характеристики основного оборудования.

Компоновку РТК разрабатываем из условий максимального перемещения руки робота. Траектория движения исполнительного органа робота должна быть минимальной по протяжению и простой по форме для достижения максимальной производительности. Учитывая удобство обслуживания РТК оператором, пульт управления располагаем в удобном для наблюдения месте. По требованиям безопасности устанавливаем ограждения, исключающие нахождение людей в опасной зоне.

По выставленному ПР (в данном случае выбор пал на промышленный робот Циклон 3.02) выставляется магазинное загрузочное устройство и самотечный лоток - скат, по которому готовые детали будут удалятся из рабочей зоны



Робототехнические комплексы можно разделить на три группы:

роботизированная позиция;

роботизированный участок;

роботизированная линия.

Выбираем структуру РТК типа роботизированная позиция.

Рисунок 3.1 - Структура РТК:

1 - вертикально-фрезерный станок Shaublin 100 CNC; 2 - самотечный лоток; 3 - магазинное загрузочное устройство;4- промышленный робот «Циклон -3.02»

3.2 Конструкция магазинного загрузочного устройства

Магазинное загрузочное устройство предназначено для загрузки плоских заготовок в фиксированном положении и поштучной выдачи нижней заготовки на позицию захвата (см. чертёж МЗУ).

Привод устройства выбираем электромагнит.

МЗУ состоит из отсекателей 1 и 2, которые заходят в отверстия магазина 3, и шарнирно связанны с качающейся на оси 4 планкой 5. Планка 5 получает перемещение от подвижной части питателя в качестве, которого служит электромагнит 6.

Рисунок 3.2 Магазинное загрузочное устройство

Заготовка подается на лоток непосредственно в раскрытый захват ПР. что исключает ее перекос, смешение и уменьшает время цикла, что является решающим в выборе МЗУ.

Кроме того, к преимуществам этого МЗУ следует отнести отсутствие дополнительных механизмов перемещения изделий по накопителю и возможность загрузки накопителя сверху. Последнее обстоятельство позволяет работать без потерь времени на смену кассет и исключает необходимость в многопозиционных магазинах.

промышленный робот управление электрический

3.3 Конструкция автоматизированного станочного приспособления

3.4 Разработка схемы пневмоавтоматики РТК

Пневмоавтоматика РТК состоит из системы подготовки воздуха, модулей манипуляторов, станочного приспособления и ограждением станка, которые объединены в одну общую сеть и представлены на чертеже "Система управления комплексом. Схема пневматическая принципиальная".

Система подготовки воздуха включает в себя магистральный влагоотделитель и узел подготовки воздуха.

Узел подготовки воздуха состоит:

вентиль 1548Р ДУ=15 ГОСТ 18722-73;

фильтр - влагоотделитель 22-16x40 ГОСТ 1437-72;

редукционный клапан 122-12 ТОСТ 18468-73;

манометр;

реле давления РД-4/25.

Рисунок 3.3 - Система подготовки воздуха:

В1 - вентиль; Ф1 - фильтр-влагоотделитель; КР1 - редукционный клапан; Ml, M2 - манометры; MP - маслораспылитель; РД - реле давления

3.5 Конструкция накопителя

Самотечный лоток - скат, по которому, готовые детали удалятся из рабочей зоны

Рисунок 3.4 - Самотечный лоток - скат. 1 - деталь, 2 - рольгант

Самотечный лоток - скат наиболее удобен и доступен, так как не используются никакие привода, а работает лишь сила тяжести, под действием которой готовые детали скатываются по роликам и удаляются из рабочей зоны. Длина рольганта рассчитана из учета вмещаемости МЗУ, и при загрузке 15 заготовок d=150мм., составляет 2500мм. Благодаря чему не требует вмешательство рабочего в течение смены для разгрузки и загрузки.

3.6 Технические расчеты

3.6.1 Расчет и выбор предохранителей

Для расчета максимального тока предположим, что включены все распределители и СУ.

Выбираем плавкий предохранитель ПК-45-5 (1н=5 А).

3.6.2 Расчет и выбор теплового реле

Реле серии РТТ применяются для защиты трехфазных двигателей от перегрузок. Расчет теплового реле по току производится по формуле:

где I - ток, потребляемый двигателем, А; Р - мощность электродвигателя, Вт; U - напряжение питающей сети, В;

ц - угол между векторами фазного напряжения и фазного тока;

з- Коэффициент полезного действия двигателя. Для двигателя 4A90.L4 Рн=2,2 кВт Частота вращения - 1500 об/мин з=92,5% cos ц=0,92

Ток, потребляемый электродвигателем гидростанции:

По найденному значению потребляемого тока выбираем реле серии РТТ ТУ 16-64Э.024-85.

Выбираем РТТ III-УХЛ4, 4,5

Пределы тока несрабатывания: 4,23ч4,70

4. Автоматизация комплекса

4.1 Технические требования к системе управления

Система управления (СУ) РТК для фрезерования корпусных деталей должна отвечать следующим техническим требованиям:

-СУ должна обеспечить 15 входов с датчиков, расположенных на оборудовании РТК:

восемь датчиков контролируют движения ПР Циклон-3.02;

один датчик контролирует наличие детали в схвате;

один датчик контролирует давление в пневмосети;

один датчик контролирует установку детали в приспособление

один датчик контролирует наличие деталей в МЗУ

один датчик контролирует положение электромагнита МЗУ

один датчик контролирует ограждение станка

-СУ должна обеспечить 23 выходных сигналов на рабочие органы РТК;

-СУ должна обеспечить основные режимы работы: автоматический, ввод программы и просмотр программы;

СУ должна иметь клавиатуру ручного ввода и дисплей;

СУ должна обеспечить цикловое управление.

4.2 Выбор системы управления

Развитие промышленного оборудования идёт по пути повышения уровня автоматизации выполняемых операций, что предъявляет особые требования к электроавтоматике.

В настоящее время для реализации функций электроавтоматики в системах управления технологическим оборудованием (станки, автоматические линии и т.п.) широко применяются программируемые контроллеры. Программируемые контроллеры относятся к программным средствам реализации алгоритмов управления оборудованием и предназначены для работы непосредственно в производственных условиях цехов. С этой целью они снабжены необходимыми средствами защиты от помех и гальваническими развязками по входу и выходу, схемами согласования по уровню сигнала и усиления по мощности. Эти средства выполнены в виде сменных блоков-модулей для подключения входных сигналов (модули ввода) и исполнительных элементов (модули вывода), которыми комплектуется программируемый контроллер.

Широкое применение программируемых контроллеров объясняется значительными преимуществами по сравнению с традиционными средствами автоматики (реле, дискретные логические элементы, интегральные микросхемы):

-сокращение сроков проектирования и изготовления системы управления;

сокращения сроков монтажа и наладки оборудования у потребителя;

повышение надежности и долговечности работы оборудования;

уменьшения стоимости оборудования;

-уменьшение габаритных размеров и требуемых производственных площадей;

-возможность работы непосредственно в цеховых условиях;

-возможность подключения исполнительных устройств (электромагниты, контакторы и т.д.) за счет встроенных силовых ключей;

-возможность расширения системы управления за счет подключения дополнительных блоков и модернизации системы за счет замены части блоков.

Рассмотрим преимущества и недостатки нескольких вариантов СУ, которые возможно применить для решения нашей задачи.

4.2.1 Устройство управления Контур -1

«Контур-1» предназначен для циклового позиционного управления манипуляторами и технологическим оборудованием.

Областью наиболее эффективного применения «Контур-1» является управление РТК и автоматическими линиями при автоматизации технологических процессов в условиях серийного и мелкосерийного производства.

Технические характеристики:

1.Тип управления:

цикловой;

программно - логический. 2. Программируемые функции:

управление выходами на исполнительные устройства;

приём информации, поступающей от датчиков состояния оборудования;

формирование выдержек времени;

управление счётчиками;

обращение к подпрограммам;

организация условных и безусловных переходов по программе;

связь с управляющим вычислительным комплексом высшего ранга по интерфейсу последовательной передачи информации RS232.

3. Сервисные функции:

редактирование программ. 4.Режимы работы:

автоматическое управление;

ручное управление;

пошаговое выполнение программы;

программирование;

просмотр программы.

Число клавиш для ввода информации - 54.

Дискретность задания выдержек времени - 0,05 с.

Наработка на отказ не менее 10000 ч.

Серийный срок службы до списания не менее 10 лет.

9.Питание - сеть переменного тока 220 В, частота 50 Гц.

Потребляемая мощность не более 250 Вт.

Габаритные размеры, мм:

длина - 700;

ширина - 600; высота- 1400.

Масса-95 кг.

4.2.2 Устройство циклового программного управления МПЦУ

МПЦУ предназначено для циклового двухпозиционного управления манипуляторами и технологическим оборудованием.

Областью наиболее эффективного применения МПЦУ является управление РТК и автоматическими линиями при автоматизации технологических процессов в условиях серийного и мелкосерийного производства.

Технические характеристики:

1.Тип управления:

цикловой;

программно - логический.

2. Программируемые функции:

управление выходами на исполнительные устройства;

приём информации, поступающей от датчиков состояния оборудования;

формирование выдержек времени;

управление счётчиками;

обращение к подпрограммам;

организация условных и безусловных переходов по программе.

3.Сервисные функции:

-редактирование программ.

4.Режимы работы:

автоматическое управление;

ручное управление;

пошаговое выполнение программы;

программирование;

просмотр программы.

Число клавиш для ввода информации -- 17.

Дискретность задания выдержек времени - 0,1 с.

Наработка на отказ не менее 5000 ч.

Серийный срок службы до списания не менее 10 лет.

9.Питание - сеть переменного тока 220 В, частота 50 Гц.

Потребляемая мощность не более 200 Вт.

Габаритные размеры, мм:

длина-483;

ширина-385;

высота - 202.

12.Масса- 18 кг.

4.2.3 Программируемый контролер Simatic S7-300

В настоящее время широкое распространение получили программируемые логические контроллеры SIMATIC фирмы Siemens, отличающиеся большим разнообразием функциональных возможностей. Изучив предлагаемую продукцию данной фирмы для решения задачи автоматизации системы управления технологическим процессом, наиболее предпочтительным по соотношению функциональность\стоимость является программируемый контроллер SIMATIC S7-300.

Технические характеристики: 1.Тип управления:

цикловой;

программно - логический. 2. Программируемые функции:

управление выходами на исполнительные устройства;

приём информации, поступающей от датчиков состояния оборудования;

формирование выдержек времени;

управление счётчиками;

обращение к подпрограммам;

организация условных и безусловных переходов по программе.

3.Сервисные функции:

-редактирование программ.

4.Режимы работы:

автоматическое управление;

ручное управление;

программирование;

просмотр программы.

Дискретность задания выдержек времени - 0,01 с.

Наработка на отказ не менее 15000 ч.

Серийный срок службы не менее 15 лет.

Питание - сеть постоянного тока 24 В.

Габаритные размеры, мм:

длина - 40;

ширина - 125;

высота- 130.

Масса-0,28 кг.

Проведем сравнительный анализ по техническим характеристикам, и учтем все достоинства программируемого контроллера SIMATIC S7-300, а именно:

высокий уровень надежности;

уменьшение габаритных размеров и требуемых производственных площадей в десятки раз;

сменные блоки-модули, которые определяются пользователем в зависимости от требуемого числа и вида каналов ввода-вывода. Возможность подключения до 32 модулей расширения;

возможность подключения дополнительного оборудования;

быстрое редактирование программ;

простое программирование при помощи инструкций языка STEP 7.

Таким образом, выбираем в качестве системы управления, программируемый контроллер SIMATIC S7-300.

4.3 Выбор исполнительных органов по роду тока, мощности, типу исполнения

4.3.1 Выбор электромагнитов для пневмораспределителей

Техническая характеристика электромагнитов применяемых в пневмораспределителях серии ПВ64:

Время срабатывания при номинальных значениях давления и расхода для пневмораспределителей с электроуправлением, с:

а)с магнитами переменного тока - 0,03;

б)с магнитами постоянного тока - 0,3; Электромагнит переменного тока:

а)тип - МТ 6202К;

б)напряжение, В - 32, ПО, 220, 230, 240, 380, 400, 415, 440, частота 50 Гц;

в)напряжение, В - 110, 220, 440, частота 60 Гц;

г)допустимое число циклов в час - 1200; Электромагнит постоянного тока:

а)тип - ЭУ6201;

б)напряжение, В - 12, 24, 48, ПО;

в)допустимое число циклов в час - 3600; Герметичный электромагнит переменного тока:

а)тип - МА 1204 Эвиг;

б)напряжение, В - 36, ПО, 220, 230, 240, 380, 400, 415, 440, частота 50 Гц

в)напряжение, В - ПО, 220, 240, частота 60 Гц;

г)допустимое число циклов в час - 7200.

Учитывая производительность РТК и не внося в принципиальную схему РТК дополнительных элементов (понижающего трансформатора) выбираем электромагнит для пневмораспределителей типа ЭУ 6201 постоянного тока НОВ:

мощность - 45 ВА;

время срабатывания - 0,3сек.;

допустимое число циклов в час - 3600.

4.3.2 Выбор датчиков положения

Одним из основных элементов средств очувствления являются датчики внутренней и внешней информации. Датчики выполняют задачу преобразования физических величин процесса в сигналы, воспринимаемые устройством управления.

Датчик обычно представляет собой аппаратный блок, служащий для преобразования физических величин, описывающих состояние механизмов и их рабочей среды, в форму, удобную для обработки на ЭВМ.

По характеру взаимодействия с окружающей средой датчики условно классифицируются на контактные, бесконтактные и визуальные.

Датчики ПР должны удовлетворять целому комплексу требований: обладать высокой чувствительностью и надёжностью, компактностью и возможностью в весьма ограниченном пространстве, устойчивостью конструкции для обеспечения простоты регулирования и обслуживания, хорошими массогабаритными показателями, малой потребляемой мощностью, незначительными изменениями характеристик, отсутствием обратного воздействия на контролируемый объект, низкой стоимостью.

Для контроля за состоянием МЗУ, приспособлением выбираем индуктивные датчики BERO фирмы SIMENS.

Рисунок 4 Датчики бесконтактные фирмы BERO

Датчики BERO являются бесконтактными выключателями, не содержащих деталей подверженных механическому износу, и практически не чувствительным к влиянию окружающей среды, поэтому могут использоваться в промышленных условиях повышенной сложности во многих областях автоматизации.

Индуктивные датчики BERO обеспечивают экономичный метод бесконтактного обнаружения металлических объектов. Данные датчики используются в первую очередь при высоких требованиях к надежности, точности срабатывания, срока службы, частоты коммутации и т.д. Они применяются в тех областях промышленности, где металл играет особо важную роль.

Индуктивные датчик - 10…34В DC, IP67, тип М18

Для контроля давления в пневмосистеме применяем реле давления типа 23 ГОСТ 19486-74

Реле давления предназначено для контроля давления в пневматических системах, осуществляемого воздействием на контакты микровыключателя, включенного в электрическую цепь управления.

Технические характеристики:

Номинальное давление,

МПа (кгс/см2) - 1(10)

Диапазон контролируемых давлений,

МПа (кгс/см2) - 0,10-1,0 (1,0-10)

Род тока - переменный или постоянный

Номинальный ток, А - 2,5

Напряжение, В

переменного, 50 Гц - до 350

постоянного, 50 Гц - до 220

Наработка на отказ, циклов - 106

Установленный ресурс, циклов - 6,3(106

Масса, кг - 0,76

4.3.3 Выбор элементов развязки

Для обеспечения выдачи управляющих команд необходимой мощности на обслуживаемое оборудование и механизмы РТК и полную гальваническую и электромагнитную развязку цепей управления и мощных выходных цепей применяется блок выходных усилителей (блок согласования), построенный на тиристорах, оптронах и реле.

Возможны следующие типы развязки:

1. Тиристорная развязка

Рисунок 4.1Тиристорная развязка



Выходные команды ПК SIMATIC S7-300 сигнал = 24 В. С учетом выбранных электромагнитов пневмораспределителей Uk=110B, выбираем в качестве элемента развязки реле РЭН 35.

Реле РЭН 35 - поляризованное, герметичное, двухпозиционное, одностабильное, с четырьмя переключающими контактами, предназначено для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока частотой от 50 до 10000 Гц.

Реле РЭН 35 соответствует требованиям ГОСТ 16121-86 и техническим условиям РФ 4.510.144 ТУ.

Условия эксплуатации:

температура окружающей среды от - 60 до +125°С.

циклическое воздействие температур - 60 и +125°С.

повышенная относительная влажность до 98%при температуре +35°С.

атмосферное давление от 1,33-104 до 300000 Па.

-ударная прочность.

При одиночных ударах с ускорением не более 5000м/с2 - 9 ударов при длительности действия ударного ускорения 0,1 - 2мс. При этом допускается размыкание размыкающих контактов и не должны замыкаться замыкающие контакты. При многократных ударах с ускорением не более 1500м/с2 - (4000±332) ударов при длительности действия ударного ускорения 1 - 5мс.

Требования к надёжности:

минимальный срок службы и срок сохраняемости реле в условиях отапливаемого хранилища, а также вмонтированных в защищенную аппаратуру (ЗИП) - 15 лет.

Технические характеристики:

-ток питания обмотки - постоянный. Сопротивление изоляции между токопроводящими элементами и корпусом, МОм не более - 200. При максимальной температуре - 200 МОм.

рабочее напряжение - 27±3, В

температура окружающей среды, °С - 60 ... +125

атмосферное давление, Па - 95760

время непрерывного или суммарного нахождения обмотки под напряжением, ч - 1000

-испытательное переменное напряжение между токоведущими элементами, между токоведущими элементами и корпусом, В:

в нормальных климатических условиях - 700 между обмоткой и корпусом - 500

частота срабатывания, Гц не более -0,167

напряжение на разомкнутых контактах, В - 6-f-36

ток допустимый, А -1 5

вид нагрузки - активная

число коммутационных циклов -7-107.

4.4 Описание работы контроллера SIMATIC S7-300

4.4.1 Описание контроллера SIMATIC S7-300

Рисунок 4.4 - Модульный контроллер SIMATIC S7-300

Обзор

-модульный программируемый контроллер для решения задач автоматизации низкого и среднего уровня сложности.

-широкий спектр модулей для максимальной адаптации к требованиям решаемой задачи.

-использование распределенных структур ввода-вывода и простое включение в сетевые конфигурации.

-удобная конструкция и работа с естественным охлаждением.

свободное наращивание функциональных возможностей при модернизации систем управления.

высокая мощность благодаря наличию большого количества встроенных функций.

Области применения

S7 300 находит применение для автоматизации машин специального назначения, текстильных и упаковочных машин, машиностроительного оборудования, оборудования для производства технических средств управления и электротехнического оборудования, в системах автоматизации судовых установок и систем водоснабжения и т. д.

Конструктивные особенности

Программируемые контроллеры S7-300 могут включать в свой состав:

модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемых задач в программируемом контроллере могут использоваться различные типы центральных процессоров.

специальные модули (SM), предназначенные для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов, в том числе FailSafe и модули со встроенными Ex-барьерами. Поддерживаются отечественные ГОСТ градуировки термометров сопротивления.

коммуникационные процессоры (СР) - это интеллектуальные модули, выполняющие автономную обработку коммуникационных задач для промышленных сетей AS-Interfase, PROFIBUS, Industrial Ethernet и интерфейс PtP. Применение загружаемых драйверов для СР 341 позволяет расширить коммуникационные возможности контроллера поддержкой обмена данными в сетях MODBUS RTU и Data Highway. Для организации модемной связи в составе программируемого контроллера S7-300 могут использоваться коммуникационные модули семейства SINAUT ST7

функциональные модули (FM) - интеллектуальные модули, оснащенные встроенным микропроцессором и способные выполнять задачи автоматического регулирования, взвешивания, позиционирования, скоростного счета, управления перемещением и т. д. Целый ряд функциональных модулей способен продолжать выполнение возложенных на них задач даже в случае остановки центрального процессора.

-интерфейсные модули (IM) для подключения стоек расширения к базовому блоку контроллера, что позволяет использовать в системе локального ввода-вывода до 32 модулей различного назначения. Модули IM 365 позволяют создавать 2-рядные конфигурации, модули IM 360 и IM 361 -2-, 3-, и 4-рядные конфигурации.

- блоки питания (PS) для питания контроллера от сети переменного или постоянного тока.

Конструкция контроллера отличается высокой гибкостью и удобством обслуживания:

-все модули устанавливаются на профильную шину S7-300 и фиксируются в рабочих положениях винтами. Объединение модулей в единую систему выполняется с помощью шинных соединителей (входят в комплект поставки каждого модуля), устанавливаемых на тыльную часть корпуса.

-произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках.

Фиксированные посадочные места занимают модули PS, CPU, и IM.

Наличие съемных фронтальных соединителей, позволяющих производить быструю замену модулей без демонтажа их внешних цепей и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей. Механическое кодирование фронтальных соединителей исключает возможность возникновения ошибок при замене модулей.

-применение гибких и модульных соединителей TOP Connect, существенно упрощающих выполнение монтажных работ и снижающих время их выполнения.

Рисунок 4.5 - Конструкция контроллера SIMATIC S7-300

Для программирования и конфигурирования S7-300 могут использоваться пакеты STEP 7 или STEP 7 Lite. Пакет STEP 7 Lite применяется для программирования и конфигурирования контроллеров S7-300, используемых в качестве автономных систем управления, не содержащих СР и FM.

Кроме того, для программирования контроллеров S7-300 может использоваться также весь набор программного обеспечения Runtime, a также широкий спектр инструментальных средств проектирования.

4.4.2 Характеристика контроллера SIMATICS7-300 (CPU312)

Диапазон рабочих температур:

при горизонтальной установке 0...60°С

при вертикальной установке 0...40°С

Диапазон хранения и транспортировки "минус"40..."плюс"70° С Относительная влажность 5... 95°%

Атмосферное давление 795... 1080 ГПа

Изоляция

-цепи 24 В Испытательное напряжение = 500 В

- цепи 230 В Испытательное напряжение ~1460 В

Напряжение питания:

номинальное значение = 24 В

допустимый диапазон изменений 20.4...28.8 В

Потребляемый ток:

на холостом ходу, типовое значение 60 мА

номинальный 0.6 А

Потребляемая мощность, типовое значение 2.5 Вт

Рекомендуемая защита цепей питания, не менее 2 А

Рабочая память 16 Кб

Загружаемая память (ММС) 64 Кб...8 Мб

Количество флагов 1024

Количество таймеров 128

Количество счетчиков 128

Макс, количество каналов ввода-вывода дискретных сигналов 256

Макс, количество каналов ввода-вывода аналоговых сигналов 64

Встроенный интерфейс MPI

Габариты 40x125x130 мм

Масса 0.27 кг

4.4.3 Программное обеспечение программируемого контроллера SIMATIC S7-300

STEP 7 -- это базовый пакет программ, включающий в свой состав весь спектр средств, необходимых для конфигурирования аппаратуры и промышленных сетей, настройки параметров, программирования, диагностики и обслуживания систем управления, построенных программируемых контроллеров SIMATIC S 7-300. Отличительной особенностью пакета STEP 7 является возможность разработки комплексных проектов автоматизации, базирующихся на использовании множества программируемых контроллеров, промышленных компьютеров, устройств и систем человеко-машинного интерфейса, устройств распределенного ввода-вывода, сетевых структур промышленной связи. Ограничения на разработку таких проектов накладываются только функциональными возможностями программаторов или компьютеров. При необходимости STEP 7 может дополняться инструментальными средствами проектирования, значительно упрощающими разработку сложных проектов.

STEP 7 содержит полный спектр инструментальных средств, необходимых для выполнения всех этапов разработки проекта, а также последующей эксплуатации системы управления.

Редактор программ STEP 7 позволяет выполнять разработку программ на языках Statement List (STL); Ladder Diagram (LAD); Function Block Diagram (FBD), отвечающих требованиям стандарта IEC 61131-3. Более того, для специальных задач могут использоваться дополнительные языки программирования высокого уровня или технологически ориентированные языки.

STEP 7 объединяет все файлы данных в блоки. В пределах одного блока могут быть использованы другие блоки. Механизм их вызова напоминает вызов подпрограмм. Это позволяет улучшать структуру программы пользователя, повышать их наглядность, обеспечить удобство их модификации, перенос готовых блоков из одной программы в другую. STEP 7 Lite - это недорогое программное обеспечение для реализации простых, автономных систем на базе контроллеров SIMATIC S7-300/C7, а также станций ET200S/ET200X с интеллектуальным интерфейсным модулями, работающих без связи с сетью PROFIBUS.

Пакет прост и функционален за счет дружественного графического и интуитивно-понятного интерфейса для конфигурирования,

программирования и диагностики контроллера. Программы, созданные в STEP 7 Lite, могут быть обработаны в STEP 7.

Таблица 4.1 - Программное обеспечение

Программный пакет	STEP 7 Lite	STEP 7
Целевые системы	SIMATIC S7-300/C7/ET200S/ET200X	SIMATIC S7-300/400/C7/WinAC
Поддержка функциональных и коммуникационных модулей	Нет	Есть
Операционная система	Windows 2000Professional/XP Professional
Объём ОЗУ PG/PC, Мбайт, не менее	32	64
Объём, занимаемый на винчестере, Мбайт	60	200-380

4.5 Разработка функциональной схемы комплекса

Функциональная схема РТК представлена на рисунке 4.6 где:

1 - магазинное загрузочное устройство;

2 - промышленный робот;

3 - станок;

4 - промышленный робот;

5 - самотечный лоток - скат;

Рисунок 4.6 - Функциональная схема комплекса

4.6 Разработка структурной схемы комплекса

Структурная схема отражает связь программируемого контроллера SIMATIC S7-300 с сигналами ввода и вывода, поступающих от датчиков технологического оборудования и управляющих технологическим оборудованием соответственно.

Структурная схема РТК представлена на чертеже.

4.7 Разработка принципиальной электрической схемы

Принципиальная электрическая схема РТК состоит из трех основных модулей:

модуль входных сигналов;

модуль выходных сигналов;

блок развязки.

Принципиальная электрическая схема РТК представлена на чертеже.

4.8 Разработка алгоритма работа комплекса

Для создания управляющей программы, разрабатываем алгоритм работы РТК.

Для избежания "зацикливания" или просто останова программы при неисправном датчике, применяем счетчики системы управления и сравнения состояния счетчика с заданным значением.

Например:

Рисунок 4.7 - Обычная проверка условия

Рисунок 4.8 - Проверка с использованием подпрограммы

Такое построение алгоритма позволит при совпадении значения счетчика и установки перейти на подпрограмму останова или "аварии", отключить исполнительный элемент и подать звуковой или световой сигнал оператору.

4.9 Описание принципиальной схемы комплекса

При начале работы оператор включает QF1. Манипулятор с помощью функциональных команд выставляется в исходное положение и включается автоматический цикл.

Производится проверка наличия заготовки в МЗУ, при ее наличии, поступает команда на электромагнитный отсекатель, который подаёт заготовку на лоток под захват робота. Рука робота находится в следующем режиме команд: «Рука втянута» и «Схват разжат». После того, электромагнит МЗУ сработал деталь падает под раскрытый схват робота, при наличии сигнала от SQ4 включается команда «Зажим схвата». После проверки SQ1, производится подача заготовки на станок в приспособление. Затем контролируется установка детали в приспособление (SQ2).

При положительном ответе подается сигнал на разжатие схвата робота и вывод его из рабочей зоны станка. Далее происходит зажим детали в приспособлении (YA6) и закрытие ограждения станка (YA2). Затем станок начинает обработку заготовки. После выполнения обработки промышленный робот Циклон-3.02 втягивается и располагает заготовку над самотечным лотком - скатом.

Производится проверка счетчика обработанных деталей, если условие выполняется то команда «Стоп. Деталей нет», если же нет, то цикл повторяется

5. Организационно-экономическая часть

5.1 Расчет экономической эффективности системы управления

РТК на базе вертикально-фрезерного станка Shaublin 100 CNC

Автоматизация производства на основе внедрения промышленных роботов на стадии интенсивного развития. Степень автоматизации повышается, и во всех развитых странах стремятся к минимальному участию человека в технологических процессах, созданию автоматических производственных комплексов.

Робототехнические системы - одно из эффективных средств автоматизации. По сравнению с другими они обеспечивают большую гибкость технических и организационных решений, малые сроки компоновки и пуска в производство. Благодаря возможности быстрой переналадки применение робототехнических систем наиболее эффективно в условиях частой смены объектов производства, а также для автоматизации ручного низкоквалифицированного труда.

В данном дипломном проекте решается задача автоматизации процесса фрезерования корпусных деталей, путём создания робототехнического комплекса. Это ведёт к сокращению основных производственных рабочих, в результате чего уменьшаются затраты на заработную плату.

В проектируемом РТК для фрезерования корпусных деталей в качестве основного технологического оборудования используем вертикальный обрабатывающий центр Shaublin 100 CNC, загрузка заготовок осуществляется роботом «Циклон-3.02» из магазинного загрузочного устройства. Передача обработанной на станке детали осуществляется самотечным лотком - скатом. За работой комплекса следит оператор.

Построение системы управления на базе программируемого контроллера позволит повысить надёжность и гибкость управления. Увеличится ритмичность производства за счёт снижения человеческого фактора. Уменьшение количества простоев, простота обслуживания и ремонта приведёт к снижению себестоимости продукции.

Задачи, решаемые проектом:

повышение надёжности;

повышение гибкости управления;

снижение себестоимости продукции;

высвобождение основных производственных рабочих;

улучшение условий труда.

5.2 Исходные данные для технико-экономического расчёта

Таблица 5.1 - Исходные данные для экономического анализа

Наименование	Обозначение в формулах	Единица размерности	Величина по вариантам	Источник информации
			I (базовый)	II
1	2	3	4	5	6
1. Тип или модель оборудования	?	?	Обрабатывающий центр	РТК на базе обрабатывающего центра	ТП
2. Балансовая стоимость единицы оборудования			3000000	?	Предприятие
3. Нормативный срок службы оборудования			10	10	Предприятие
4. Стоимость 1 здания, занятого оборудованием			6000	6000	Предприятие
5. Стоимость 1 площади служебно-бытовых помещений			7000	7000	Предприятие
6. Количество смен		?	3	3	ТП
7. Категория ремонтной сложности механической/электрической части оборудования	/	?	82/96	99/112	Метод. пособие
8.Среднегодовые затраты на текущий ремонт и межремонтное обслуживание на одну единицу ремонтной сложности механической/электрической части	/		125/110	125/110	Предприятие
9. Годовой объем выпуска изделия			5000	5000	Предприятие
10. Норма штучно-калькуляционного времени			0,45	0,4	Предприятие
11. Время проведения процесса			1,5	1	Предприятие
12. Производственная площадь, занимаемая оборудованием			10	17	Предприятие
13. Годовые затраты на содержание производственного помещения			6000	6000	Предприятие
14. Суммарная установленная мощность высоковольтного отсека			5,67	6,45	ТП
15. Цена электроэнергии			2,3	2,3	Предприятие
16. Действительный годовой фонд времени работы оборудования			1820	1820	Метод. пособие
17. Величина оклада оператора			12000	12000	Предприятие
18. Норма народно-хозяйственной эффективности капиталовложений		?	0,2	0,2	Метод. пособие
19. Коэффициент загрузки оборудования во времени		?	0,75	0,86	ТП
20. Коэффициент выполнения норм		?	1,1	1,1	ТП

5.3 Организационный анализ применения системы

В базовом варианте процесс загрузки выгрузки, а также закрепление детали на станке производился вручную, также ручное включение исполнительных элементов, а, следовательно, влияние человеческого фактора (внимательность оператора, его квалификация).

5.4 Целесообразность применения второго варианта

Применение ПР Циклон 3.02 для загрузки разгрузки станка, магазинно-загрузочного устройства , полностью автоматического приспособления для фиксации детали в рабочей зоне, и самотечного лотка - ската для отведения готовых деталей. Работа которых объединена программируемым контроллером, управляющей всеми исполнительными элементами, сокращает время загрузки - выгрузки детали, исключает ошибки оператора. Задача оператора сводится к включению установки и системы управления, а также запуску управляющей программы. Контроль процесса осуществляется оператором, сидя на рабочем месте, т. к. вся необходимая информация с датчиков сведена на монитор.

В качестве управления всеми исполнительными элементами РТК используем программируемый логический контроллер SIMATIC S7-300 фирмы «SIMENS».

5.5 Экономический анализ вариантов объекта конструирования

5.5.1 Расчет количества оборудования

Расчетное количество однотипного оборудования для выполнения годовой программы выпуска деталей рассчитывается по формуле:

, (5.1)

где ? норма штучно-калькуляционного времени;

? годовой объем выпуска деталей;

? действительный годовой фонд времени работы оборудования;

? коэффициент загрузки оборудования по времени;

? коэффициент выполнения норм.

;

Коэффициент использования оборудования при изготовлении деталей определяется по формуле:

, (5.2)

где ? принятое количество оборудования.

;

.

5.6 Расчет количества работников

Количество основных работников (операторов) рассчитывается по формуле:

,(5.3)

где ? время проведения процесса;