Назначение и классификация манипуляторов

 

При размерной обработке деталей на станках необходимо выполнение большого числа разнообразных вспомогательных операций, связанных с перемещением деталей, их ориентацией, зажимом, фиксацией, доворотом, захватом и т.д. Манипуляторами будем называть устройства, предназначенные для выполнения на станках вспомогательных технологических операций над деталями или инструментами. По мере повышения степени автоматизации обработки деталей в машиностроении роль манипуляторов возрастает. Особенно велико их значение в полностью автоматизированном изготовлении деталей машин, поскольку именно манипуляторы обеспечивают автоматизацию потока деталей при их проходе через все технологические процессы производства. Система автоматического производства деталей может быть разделена на несколько основных подсистем, в числе которых важное место принадлежит подсистеме манипулирования обрабатываемыми деталями.

Элементарные вспомогательные технологические операции, из которых складываются все более сложные операции, представлены в табл. 4. Примеры потока обрабатываемых деталей за счет устройств, осуществляющих последовательность элементарных вспомогательных операций, приведены на рис. 31. Все элементарные вспомогательные операции обозначены символами, а основные технологические операции квадратами в двойной рамке. Если несколько элементарных операций осуществляются одним манипулирующим устройством, то они объединены пунктиром.

Однооперационные манипуляторы, выполняющие лишь одну вспомогательную операцию (транспортирование, зажим, поворот, фиксацию и т.д.), нашли широкое применение в крупносерийном и массовом производстве. Там же используют и несложные манипуляторы, объединяющие две-три элементарные вспомогательные операции.

Многооперационные манипуляторы, выполняющие сложный набор вспомогательных операций, иногда с возможностью изменения их последовательности, перспективны в условиях мелкосерийного производства. Определенные типы многооперационных манипуляторов получили название автооператоров и универсальных манипуляторов с ЧПУ (промышленные роботы).

Конструкция манипулирующих устройств, а часто и сами способы манипулирования в значительной мере зависят от основных параметров обрабатываемых деталей – формы, габаритов, массы, материала, шероховатости поверхности. Подавляющее большинство деталей машиностроения можно классифицировать. Пример распределения деталей типа тел вращения и призматических по форме дан в табл. 5.

Таблица 4

Операции манипулирования

 

Символ	Операция	Символ	Операция
	Бункерование     Укладка в магазин   Адресное складирование   Транспортирование     Отделение от потока (отсечка)     Ориентация     Поворот		Разделение потока   Соединение потоков   Подача на упор (фиксация)   Захват     Зажим   Разжим   Переворот

 

Рис. 31. Манипулирующие устройства к станку:

а – к специальному сверлильному; б – к шлифовальному

 

Таблица 5

Классификация транспортируемых деталей

 

Деталь	Соотношение размеров	Эскиз	Деталь	Соотношение размеров	Эскиз
Шар	-		Стакан	L»D
Шар со скосом или с отверстием	-	Шайба со скосом	L<D
Вал	L/D>1	Кольцо со скосом
Ролик	-	Болт с головкой	L>D
Втулка	L»D	Призма	В»Н»L
Шайба	L<D	Коробка
Кольцо	Брус	В»Н<L
Вал с уступом	L>D	Пластина
Ролик с уступом	L»D	Пластина с отверстием	В<Н>>L

 

Накопители и отсекатели

 

Для бесперебойного снабжения станков заготовками и обеспечения потока обрабатываемых деталей в автоматизированном производстве необходим первоначальный запас заготовок. В некоторых случаях запас частично обработанных деталей целесообразен между участками станков в автоматических линиях.

Тип накопителя и его конструктивное оформление зависят от характера и параметров обрабатываемых деталей. Наиболее просто решается вопрос в тех случаях, когда обрабатывают детали из проволоки или ленты, которые поставляют в бунтах. Несколько сложнее накопление штучных заготовок и деталей.

Бункеры применяют в качестве емкости для накопления однородных деталей сравнительно небольших размеров. К недостаткам бункеров следует прежде всего отнести возможность механического повреждения поверхности находящихся в них деталей. Для последующей выдачи деталей из бункера применяют захватно-ориентирующие устройства, которые обычно располагают в самом бункере и образуют, таким образом, вместе с ним многооперационное манипулирующее устройство.

Взаимная подвижность деталей в бункере, которую обычно называют сыпучестью, уменьшается с увеличением массы и габаритов деталей, а также при усложнений их формы. Сыпучесть характеризуется углом естественного откоса и ограничивает допустимое число слоев деталей в бункере, т.е. его рабочую высоту. На рис. 32 приведена кривая, полученная на основе статистической обработки фактических данных.

 

 

Рис. 32. Допустимое число рядов деталей в бункере

в зависимости от наибольшего их размера

 

Допустимое по условию взаимной подвижности число слоев деталей в зависимости от их наибольшего размера ограничивает целесообразность применения бункеров при наибольшем размере деталей 150 мм, так как однорядное расположение деталей превращает бункер в магазин. Достаточно большое число рядов допустимо для небольших деталей, с наибольшим размером не свыше 10 мм. Именно для таких небольших деталей следует применять бункеры. Конструкции бункеров отличаются многообразием в связи с особенностями ориентирующих устройств, обеспечивающих дальнейшую подачу деталей из бункера в ориентированном виде.

Магазины используют для создания запаса ориентированных в пространстве деталей. Вместе с тем магазины выполняют и функции транспортных устройств. Если перемещение деталей происходит свободно, под действием собственной массы, то магазины называют самотечными, или лотками. В магазинах-транспортерах перемещение деталей осуществляется принудительно.

Лотки обеспечивают транспортирование ориентированных деталей при вертикальном или наклонном расположении лотка. Детали перемещаются либо со скольжением (лотки-склизы), либо на основе трения качения (лотки-скаты). Угол наклона лотков должен превышать угол трения. Для лотков-склизов его принимают обычно в пределах 20-25°, а для лотков-скатов при чистой поверхности деталей и тщательном изготовлении лотков 5-7, а при значительной шероховатости угол наклона следует увеличивать до 7-15°.

Ширина лотка должна превышать размер детали для свободного ее перемещения, но вместе с тем не должно быть и слишком большого перекоса и связанного с ним возможного заклинивания детали (рис. 33).

 

Рис. 33. Рекомендуемые значения относительного зазора в лотках

 

Магазины-транспортеры с принудительной подачей заготовок широко используют для деталей значительной массы и сложной формы. Для создания потока деталей к металлорежущим станкам наибольшее распространение получили цепные, штанговые, реечные, винтовые механизмы, по существу своему относящиеся к транспортным устройствам.

Адресные магазины получают распространение в автоматических станочных системах с числовым программным управлением. Связь между магазином подобного рода и станками осуществляется универсальными устройствами типа штабелеров или универсальных манипуляторов с программным управлением.

Для единичной подачи штучных заготовок применяют отсекатели, отделяющие одну деталь из всего потока и пропускающие эту деталь далее в зону обработки. В зависимости от формы и размеров деталей, направления потока деталей конструкции отсекателей весьма разнообразны (рис. 34, а - г), но все они просты и надежны в работе.

 

Рис. 34. Делители потока

 

В некоторых случаях возникает необходимость разделения общего потока деталей на несколько отдельных потоков. Для этой цели используют делители потока.

 

Ориентирующие устройства

При произвольной загрузке деталей в бункер они занимают различное положение. В зависимости от их формы существует вероятность того или иного их положения. На рис. 35 показана вероятность положения на торце цилиндрических деталей в зависимости от соотношения длины и диаметра. Для передачи деталей из бункера в зону обработки в ориентированном виде применяют специальные ориентирующие устройства.

Используются ориентирующие устройства в виде вращающихся дисков, секторов с возвратно-поступательным или качательным движением, лопастных механизмов и т.п. Подобные устройства перемешивают детали в бункере и захватывают лишь те из них, которые ориентированы должным образом.

Ориентация деталей возможна также и при их транспортировании. Используются несимметричность формы деталей и расположение центра тяжести. Примеры ориентирующих устройств, совмещенных с транспортными, приведены на рис. 36. Общим в принципе их действия является то, что неправильно ориентированные детали сбрасываются с транспортного устройства и возвращаются к началу потока, а далее следуют лишь правильно ориентированные детали.

Ориентирующие устройства, подобные приведенным на рис. 36, б, получили широкое распространение при вибрационном транспортировании деталей и относятся к так называемым пассивным ориентирующим устройствам. Активные ориентирующие устройства придают деталям должное положение в пространстве вне зависимости от их исходного положения при поступлении в ориентирующее устройство (рис. 36, а, в).

 

Таблица 6

Коэффициенты заполнения h и скорости перемещения v деталей

в ориентирующих устройствах

 

Тип ориентирующего устройства	v, м/с	h
Крючковое............................	0,5	0,6
Дисковое:
с вырезами.......................	0,4	0,35
зубчатое.........................	0,25	0,35
с карманами......................	0,20	0,6
с радиальными пазами..............	0,15	0,45
Секторное, шиберное	0,20	0,12

 

Рис. 36. Примеры ориентирующих устройств в вибрационных бункерах:

а, в – активная ориентация; б – пассивная ориентация

 

Принцип принудительного изменения положения детали используют при необходимости переориентации (вторичной ориентации) деталей в ходе технологического процесса обработки на станках. Встречаются ориентирующие устройства, использующие действие магнитного поля.

Транспортные устройства

 

Для принудительного перемещения деталей с одной рабочей позиции в другую могут быть применены самые различные транспортеры, однако при обработке на станках получили распространение лишь некоторые из них. В табл. 7 приведены наиболее широко употребляемые в металлообработке транспортеры и указаны типы, деталей, для перемещения которых их целесообразно использовать.

Таблица 7

Транспортеры для обрабатываемых деталей

Название	Схема	Шары	Валя, штанги	Ролики	шайбы, кольца	Болты с головкой	Призмы, коробки	Брусья	Пластины
Лоток- скат (а)		·		·	·
Лоток- склиз (б)		·	·	·	·	·	·	·
Транспортер: роликовый			o	o	·		·	·	·
ленточный		o	o	·	·		·	·	·
Вибро-транспортер			o	o	·		o	·	·
Цепной			·	·	·		·	·	·
Штанговый			·	·	o		·	·	·
Элеватор		·	o	·	·	·	·	·	·
· – применяются часто o – применяются редко

Ленточные транспортеры отличаются высокой производительностью (до 10 тыс т/ч) и позволяют перемещать детали на значительное расстояние. Они пригодны для транспортирования деталей любой формы. При малой массе и простоте конструкции они обеспечивают почти бесшумную работу. К недостаткам ленточных транспортеров следует отнести неточность ориентации деталей, недолговечность ленты и значительные габариты транспортера, что приводит к нецелесообразности его применения при малом расстоянии транспортирования. Ленточные транспортеры пригодны для горизонтального транспортирования либо для транспортирования с небольшим уклоном (до 20°).

Цепные транспортеры применяют обычно для перемещения крупногабаритных деталей большой массы. К их недостаткам следует отнести ограниченную долговечность из-за износа шарниров и невысокие рабочие скорости вследствие возникновения динамических нагрузок. Наибольшее распространение цепные транспортеры получили при сквозном перемещении деталей и автоматических линиях из агрегатных станков, для возврата спутников при большой протяженности автоматической линии, для инструментальных магазинов при значительном запасе инструмента.

Элеваторы являются разновидностью цепных транспортеров, используемых для вертикального перемещения деталей или перемещения под большим углом. К пластинам цепи крепят полки или захваты для деталей, а катки цепи перемещаются в закрытых направляющих. Элеваторы нередко применяют в сочетании с лотками для транспортирования деталей типа тел вращения от станка к станку.

Вибротранспортеры получили широкое распространение при транспортировании сравнительно небольших деталей. К их достоинствам следует отнести универсальность, высокую надежность. Принцип действия вибротранспортера основан на том, что лотку сообщаются колебания, за каждый цикл которых детали проскальзывают или совершают микрополет.

Для вынужденных колебаний лотка используют обычно электромагнитные вибраторы с частотой колебаний 50 или 100 Гц. Лишь при транспортировании крупных деталей иногда применяют более низкие частоты 16-25 Гц. Средняя скорость перемещения деталей, которая зависит от угла наклона лотка а, коэффициента трения между деталью и лотком и угла направления колебаний в различных конструкциях вибротранспортеров, лежит в пределах 0,5-10 м/мин. При этом характерно, что скорость перемещения не зависит от массы деталей. Угол наклона лотка принимают равным 3°.

Вибротранспортеры, выполненные в виде винтового лотка вибробункера, стандартизованы для деталей машиностроения размерами 3-70 мм и массой до 60 кг.

Роликовые транспортеры выполняют со свободно вращающимися роликами и с принудительным их вращением.

Роликовые транспортеры применяют, как правило, для перемещения тяжелых деталей. Для улучшения работы роликовых транспортеров целесообразно уменьшать массу роликов и трение в их опорах.

При большой длине свободного качения деталей на наклонном роликовом транспортере они могут набрать скорость, недопустимую по соображениям безопасной остановки в конце пути. Поэтому для ограничения скорости перемещения часть роликов выполняют притормаживающими.