Тема 6 Применение мехатронных систем (МС) в автоматизированном технологическом оборудовании

Основная задача мехатроники наряду с созданием собственно средств робототехники заключается и в создании технических систем и комплексов, основанных на использовании этих средств. Как было отмечено при изложении истории развития мехатроники, несмотря на непрерывное расширение сферы применения МС основной областью их применения по-прежнему пока остается промышленность и, прежде всего, машиностроение и приборостроение. Здесь появились первые средства автоматизации и сосредоточено до 80% всего мирового парка робототехнических средств. Промышленные роботы (ПР) подразделяются на технологические, которые выполняют основные технологические операции, и вспомогательные, занятые на вспомогательных операциях по обслуживанию основного технологического оборудования. Технологические комплексы с такими роботами называются роботизированными технологическими комплексами (РТК). Термин "робототехнические системы" (РТС) означает технические системы любого назначения, в которых основные функции выполняют роботы.

При изучении вопросов применения МС в промышленности следует определить вид технологического процесса (комплекс: механообработки, холодной штамповки, ковки, литья, прессования пластмасс, термической обработки, сварки, транспортный, контроля и испытаний и т.д.).

Роботизированным участкам, линиям и цехам присущи следующие качества: наличие транспортно-складской системы и единой системы управления. Эти системы материально и информационно связывают отдельные технологические ячейки, автоматизированные склады (материалов, заготовок, инструмента, отходов производства, готовой продукции) и другие части комплекса в одну согласованно действующую систему. Кроме того, такие комплексы должны включать помимо систем управления в реальном времени непосредственно технологическим оборудованием расположенные над ними уровни иерархии управления, решающие задачи программирования и оперативно-календарного планирования.

На рис. 2.1 показан пример простой линейной компоновки однопоточной роботизированной технологической линии холодной штамповки с непосредственной связью между составляющими линию ячейками. В ней отсутствует межоперационная транспортная система, а предметы производства передаются от одной ячейки к другой непосредственно входящими в них вспомогательными ПР. Такие линии с непосредственной жесткой связью между ячейками просты, однако требуют строго определенного взаимного расположения основного технологического оборудования.

Рис. 2.1. Схема однопоточной роботизированной технологической линии холодной штамповки с линейной компоновкой: ТО — основное технологическое оборудование; ПР — промышленный робот; М — магазин поштучной выдачи заготовок

Данная компоновка характерна для технологических процессов с малым циклом обработки предметов производства на технологическом оборудовании (единицы, десятки секунд), что свойственно, в частности, процессам холодно-листовой штамповки. Для технологических процессов с большей длительностью обработки на технологическом оборудовании часто применяют другой тип построения комплексов с обслуживанием одним ПР нескольких единиц технологического оборудования.На рис.2.2 показан вариант такого комплекса с круговой компоновкой, в котором один ПР обслуживает 3 металлорежущих станка, расположенных вокруг него.

Рис. 2.2.Схема роботизированного технологического участка механической обработки с круговой компоновкой

 

Как уже говорилось, по мере совершенствования МС происходит устойчивый рост доли ПР, применяемых на основных технологических операциях. Хотя внедрение ПР на основных промышленных операциях требует значительно больших (в 3-4 раза) затрат, чем на вспомогательных операциях, именно здесь достигается наибольшая эффективность применения ПР при высвобождении рабочих мест. Велик и социальный эффект в связи с вредностью для человека ряда таких операций (например окраска, сварка) или их монотонностью (например, сборка на конвейере).В машиностроении основными типами технологических комплексов в которых ПР получили распространение на основных операциях, являются комплексы сборки, сварки, нанесения покрытий, шлифования, зачистки, клепки. К таким комплексам относятся комплексы для бурения в горном деле, монтажа огнеупоров в металлургии, для монтажа и облицовочных работ в строительстве, упаковки штучной продукции в легкой и пищевой промышленности.

Сборочные робототехнические комплексы. Этот тип робототехнических комплексов по своему значению является, пожалуй, наиболее важным. Сборочные операции в машиностроении составляют до 40% себестоимости изделий, а в приборостроении больше — до 50—60%. Вместе с этим, степень автоматизации сборочных работ сегодня весьма низка в связи с ограниченными возможностями, которые имеют здесь традиционные средства автоматизации в виде специальных сборочных автоматов. Такие автоматы применимы главным образом в массовом производстве, в то время как, например, в машиностроении до 80% продукции относится к серийному и мелкосерийному производству. Поэтому создание гибких сборочных комплексов на ПР является одним из основных направлений в автоматизации сборочных операций.

К сборочным операциям относятся механическая сборка, электрический монтаж, микроэлектронная сборка. Процесс сборки состоит из следующих последовательных взаимосвязанных операций:

- загрузка собираемых деталей в загрузочные и транспортные устройства (обычно с их ориентацией);

- перемещение деталей к месту сборки;

- базирование, т. е. фиксация в строго определенной позиции, с ориентацией деталей на сборочной позиции;

- собственно операция сборки, т. е. сопряжения деталей, включая закрепление;

- контрольно-измерительные операции в ходе сборки;

- удаление собранного узла со сборочной позиции для перемещения на следующую позицию, если сборка не закончена.

На рис. 2.3 показан пример сборочного робототехнического комплекса, построенного на базе универсального ПР. Комплекс включает несущую раму, поворотный стол, загрузочные и ориентирующие устройства, устройства крепления оснащения, кабельные узлы, устройство управления комплексом, блоки синхронизации и связи с ЭВМ.

Рис. 2.3. Робототехнический комплекс для сборки контурных катушек радиоприемников: 1 — загрузочное устройство (тара); 2 — промежуточная точка; 3 — разгрузочное устройство; 4 — устройство группового управления; 5 — роторный стол; 6 — загрузочное устройство; 7 — ванна для очистки; 8 — ванна для пайки; 9 — ванна для флюсования

 

Для выполнения собственно операций сборки применены универсальные пневматические ПР типа МПС-9С. Комплекс предназначен для сборки контурных катушек бытового радиоприемника, ПР в его составе выполняют следующие операции:

- выборку каркасов катушек из кассеты;

- флюсование выводов обмоток;

- пайку выводов;

- промывку выводов;

- установку каркасов на ложементы поворотного стола;

- надевание кольца;

- навинчивание буксы;

- закручивание сердечника;

- надевание экрана;

- маркировку катушки;

- установку в кассеты готовой контурной катушки.

Смена кассет на рабочих позициях автоматизирована с помощью разгрузочно-загрузочных устройств. Сборочные элементы подаются на рабочие позиции с помощью вибробункеров, в которых выполняются их ориентация, накапливание и поштучная выдача. Для обеспечения условий собираемости и снижения требований к точности изготовления сборочных элементов, оснастки и приспособлений манипуляторы ПР оснащены вибромодулями. За один рабочий цикл 10 ПР выполняют все технологические операции по принципу параллельно-последовательной сборки. В конце цикла происходит перемещение координатного устройства, которое подает в позицию захвата первого ПР и в позицию сброса десятого ПР соответствующие ячейки подающей и приемной кассет, а также перемещение на один шаг роторного стола, на специальных ложементах которого производится сборка контурной катушки. Длительность работы комплекса — 10 с.

Применение подобных сборочных комплексов на порядок повышает производительность труда, дает экономию производственной площади, позволяет осуществить комплексную автоматизацию сборочного производства в целом. Переналадка комплекса осуществляется заменой рабочих органов ПР и их управляющих программ. Применение здесь на всех операциях одного типа универсального ПР расширяет номенклатуру собираемых изделий, хотя сами ПР при этом оказываются более сложными и избыточными по своим возможностям применительно к каждой отдельной выполняемой ими операции. Поэтому переход от специальных ПР к универсальным оправдан при уменьшении серийности выпускаемых изделий.

Кроме машиностроения и приборостроения МС и робототехника находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства: в угольной и горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, строительстве, легкой и пищевой промышленности, на транспорте. Важность развития МС в этих областях очевидна уже из того факта, что здесь используется большая часть трудовых ресурсов страны, а степень автоматизации еще достаточна низка. Сегодня развитие применения МС в не машиностроительных отраслях происходит, прежде всего, путем использования опыта машиностроительных отраслей по применению робототехнических систем на тех же или аналогичных операциях — для обслуживания основного технологического оборудования, на погрузо-разгрузочных работах, при выполнении таких основных операций, как нанесение покрытий, сварка, сборочно-монтажные работы и т. п. Опыт создания и применения МС, специально предназначенных для этих отраслей, пока невелик. Общее количество используемых в немашиностроительных отраслях МС и манипуляторов не превышает 20% их общего парка. Анализ показывает, что только за счет использования МС общепромышленного применения эта величина может быть увеличена примерно в двое.

Однако для основной части производств в этих отраслях требуются МС специальных типов. В табл. 2.1 приведены примеры применения МС и робототехники в немашиностроительных отраслях. Анализ технических требований к МС, необходимым для этих отраслей, и условий их эксплуатации показывает, что в отличие от машиностроения здесь значительно меньше возможностей для применения МС с чисто программным управлением, а требуются прежде всего МС - очувствленные и с адаптивным управлением. Это объясняется тем, что в этих отраслях существуют значительно большая неопределенность и изменчивость, как параметров объектов манипулирования, так и внешней среды в целом. Здесь требуется большая доля мобильных роботов (в том числе для передвижения на открытой местности), роботов повышенной грузоподъемности и для работы в экстремальных условиях.

В горном деле важной задачей является создание мехатронных комплексов для безлюдной выемки полезных ископаемых. Это позволит высвободить сотни тысяч горняков от работы в тяжелых и опасных подземных условиях, повысить в 4—10 раз производительность труда, существенно снизить себестоимость добычи и свести к минимуму потери руды. В состав таких комплексов должны входить системы для установки крепи-опалубки в забое, роботы — бурильщики шурфов, роботы-взрывники, роботы — погрузчики горной породы, роботы для проведения выработок. Подобные системы должны быть мобильными, снабжаться, как правило, развитой системой очувствления, включая техническое зрение, несколькими манипуляторами и иметь взрывобезопасное исполнение.

Таблица 2.1. Примеры использования мехатронных систем и робототехнических комплексов в различных отраслях народного хозяйства

Операция	Тип и средства робототехники и МС
Угольная и горнодобывающая промышленность
Установка крепи в забое	Мобильный робот с техническим зрением и двумя манипуляторами
Бурение шурфов	Многоманипуляторный мобильный робот с навигационной системой
Отделение угля от породы	Робот с техническим зрением и другими средствами очувствления
Погрузка горной массы	Мобильный робот-погрузчик
Погрузо-разгрузочные работы в обогатительном производстве	Мобильный робот-погрузчик
Металлургия
Загрузка чушек и металлолома в печь	Манипулятор с управлением от оператора
Ремонт огнеупорной клади печей и домен	мобильный робот
пробивки корки шлака и устранение анодного эффекта при электролизе алюминия
Извлечение штырей в электролизерах и их переустановка
Укладка и обвязка пакетов чушек, их погрузка и доставка
Лесозаготовительное производство
Валочно-пакетирующие работы на лесосеках	Манипулятор с управлением от оператора
Деревообрабатывающее производство
Погрузочные работы	МС, аналогичные применяемым в машиностроительном производстве
Строительная промышленность
Укладка кирпичей	Робот-каменщик
Сортировка кирпича на конвейере
Загрузка печей кирпичами и выгрузка	МС с техническим зрением и дальномерной системой
Облицовочные работы	Робот для монтажа облицовочных плиток
Монтаж металлокон-струкций (зданий, мостов, резервуаров и п.т.)	Робот-монтажник-высотник
Окрасочные работы	робот-маляр
Легкая и пищевая промышленность
Обслуживание основного технологического оборудования (прядильных и швейных машин; агрегатов, форми-рующих синтетические нити; прессов горячей вулканизации, печей для обжига керамических изделий и т.д.)	МС, аналогичные применяемым в машиностроительном производстве и приборостроении
Внутрицеховые погрузочно-разгрузочные и транспортные роботы
Раскрой кожи и других материалов
Увкладка в тару конфет, овощей при консервировании и т.п.
Погрузочно-разгрузочные работы в холодильниках
Транспорт
Погрузочно-разгрузочные работы	МС, аналогичные применяемым в машиностроительном производстве и в приборостроении
Регламентное обслуживание железнодорожных путей
Шагающие транспортные машины
Агропромышленное производство
Уборка овощей и фруктов	Робот с техническим зрением для работы в комплексе с прореживателями
Прополка и прореживание овощей
Обслуживание теплиц	Мобильный робот (для выращивания рассады, уборки продукции)
Товарная доработка плодоовощной продукции (сортировка и загрузка в контейнеры)	МС с техническим зрением и другими сенсорными системами
Обслуживание свиноводческих комплексов и комплексов для крупного рогатого скота
Дойка и санитарная обработка вымя коров, стрижка овец
Погрузочно-разгрузочные работы с сельскохозяйственной продукцией, сеном. силосом удобрениями и т.п.	МС, аналогичные применяемым в машиностроительном производстве
Вождение тракторов и других сельскохозяйственных машин	Робот-тракторист
Медицина
Хирургия (микрохирургия, дистанционная хирургия, стерильная хирургия)	Прецизионные МС и манипуляторы
Внутриполостная и внутрисосудистая диагностика	Мобильные микророботы
Протезирование конечностей
Реабилитация инвалидов и больных	МС для массажа и физических упражнений
Уход за больными и инвалидами	Робот-сиделка
Помощь при передвижении слепых людей	Робот-поводырь
Сфера обслуживания
Погрузочно-разгрузочные работы	МС, аналогичные применяемым в машиностроении
Охрана помещений	МС с техническим зрением и другими сенсорными датчиками
Мойка окон высотных зданий
Уборка помещений	Бытовые роботы
Уход за детьми	Робот-нянька и роботы-игрушки