Применение промышленных роботов в индустрии

Министерство образования  и науки Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт экономики, управления и права

Кафедра управления промышленными предприятиями

Допускаю к защите

Руководитель

_____В.Ю. Конюхов___

«______» ___________2012г.

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Индустриальные  технологии, системы 

и оборудования промышленного  производства»

на тему «Применение  промышленных роботов в индустрии»

Выполнил студент группы  МОИм-12-1     ___________     Н.А. Дейкин

Руководитель к.т.н.   ____________    В.Ю. Конюхов

Курсовой проект защищен  с оценкой   _______________________

Иркутск, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Робототехника в качестве нового научно-технического направления  появилась в результате крупнейшего  прогресса в развитии механики и  вычислительной техники. Любой промышленный робот манипулятор представляет собой уникальный класс машин, которые отвечают за выполнение функций информационных и рабочих машин. 

Промышленные роботы или ПР нашли широкое применение на производстве, а именно в отрасли машиностроения. Так как в наше время производство все больше автоматизируется с целью его усовершенствования, именно в этих целях востребованы ПР, как составная часть автоматизированного производства.

Промышленный робот  является частью роботизированного технологического комплекса или же РТК. Не для кого сейчас не секрет, что применение промышленных роботов значительно упрощает процесс производства, со времени своего появления от  первых промышленных роботов и до нынешних умных машин ПР они сразу же заслужили уважение и востребованность со стороны машиностроительных предприятий, и уже сегодня нельзя представить себе полноценное автоматизированное производство без этой не мало важной составной части.

1. Характеристика промышленных роботов

Появление робототехники  определено потребностями непрерывно развивающегося общества. Следует заметить, что их удовлетворение возможно исключительно на основе последующего увеличения производительности труда. Одним из наиболее важных резервов подобного роста в условиях дефицита рабочей силы считается автоматизация и комплексная механизация производства. 

Значительные успехи автоматизирования машиностроения в крупносерийном и массовом производстве на базе применения автоматических неперепрограммируемых  устройств предоставили возможность  получить высочайшую производительность труда при относительной низкой себестоимости продукции. Но примерно 75 % сегодняшней продукции машиностроения производится средними и малыми сериями. 

Другими словами, в таких  условиях нельзя использовать стандартные  средства автоматизации – достижение требуемой гибкости производства достигается благодаря применению ручного труда. 

На сегодняшний день дифференциация производства на огромное количество простых операций, которые  многократно повторяются, привела  к утомительным, монотонным, трудовым действиям, реализуемыми на конвейере  людьми. Труд, который лишен творческого содержания, опасный для жизни и монотонный, обязан быть уделом роботов. На текущий момент всевозможные сборочные роботы получили максимальное распространение в промышленности.

Именно поэтому их достаточно часто называют промышленными. Эксперты заявляют, что уже накоплен значительный опыт эксплуатации таких машин, предоставляющий возможность отметить следующие их преимущества. 

Во-первых, увеличение безопасности труда, что считается одним из первоочередных предназначений роботов. Не для кого не секрет, что подавляющее количество несчастных случаев на производстве приходится на всевозможные травмы рук, к примеру, во время загрузочно-разгрузочных операций. 

Использование промышленных роботов манипуляторов поможет  улучшить условия труда, который является потенциально опасным для человеческого здоровья: при наличии вредных химических веществ, радиоактивных материалов, в литейных цехах, при переработке асбеста, хлопка и т.д. 

Процедура эксплуатации роботов предусматривает интенсификацию рабочего процесса, увеличение производительности труда, стабилизацию ее на протяжении целой смены, повышение коэффициента сменности главного технологического оборудования, что приведет к высоким показателям производства. Другими словами, будет изменяться в положительную сторону качество продукции. 

Так, к примеру, повысится  в разы качество сварных швов, что  объясняется строгим соблюдением  режима. Уменьшаются потери от брака, который связан с ошибками оператора. Не стоит забывать и о том, что  имеется возможность экономии материалов. 

Допустим, во время окраски  автомобиля рабочими лишь 35 % краски поступает  непосредственно на транспортное средство, остальная распыляется вентиляцией  на рабочем месте. С использованием роботов формируются принципиально  новые технологические процессы и производства, максимально снижающие отрицательные воздействия на человека. 

Но эффективность использования роботов манипуляторов проявляется лишь в том случае, если предусмотрена его грамотная организация с внешней средой и обслуживаемым оборудованием. Главной задачей робототехники является не просто создание роботов, но и организация полностью автоматизированного производства.

Следует отметить тот  факт, что внедрение роботов в  любое современное производство неизменно связано с разнообразными трудностями. Для начала стоит сказать, что роботы еще крайне дороги и не всегда максимально эффективны. 

К примеру, сварочные  роботы не всегда могут полностью  заменить рабочих, обслуживающих технологическое  оборудование или совершающих технологическую операцию, а может исключительно освободить его от монотонной работы, поменяв её содержание и характер. 

Главными факторами  экономической эффективности подобных устройств, которые учитываются  при их расчете, считаются как  социальные, так и производственные. Эта особенность является характерной для роботов и отличает их от прочих вариантов инновационной техники, благодаря чему создана уникальные межотраслевые методы оценки экономической эффективности при их разработке, эксплуатации и хранении.

Промышленный робот — автономное устройство, состоящее из механического манипулятора и перепрограммируемой системы управления, которое применяется для перемещения объектов в пространстве в различных производственных процессах. Промышленные роботы являются важными компонентами автоматизированных гибких производственных систем (ГПС), которые позволяют увеличить производительность труда. В составе робота есть механическая часть и система управления этой механической частью, которая в свою очередь получает сигналы от сенсорной части. Механическая часть робота делится на манипуляционную систему и систему передвижения:

• Манипулятор — это механизм для управления пространственным положением орудий и объектов труда.

Манипуляторы включают в себя подвижные звенья двух типов:

- звенья, обеспечивающие поступательные движения

- звенья, обеспечивающие  угловые перемещения 

Сочетание и взаимное расположение звеньев определяет степень  подвижности, а также область  действия манипуляционной системы  робота.

Для обеспечения движения в звеньях могут использоваться электрические, гидравлический или пневматический привод.

Частью манипуляторов (хотя и необязательной) являются захватные  устройства. Наиболее универсальные  захватные устройства аналогичны руке человека — захват осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской. Для захвата же множества однотипных деталей (что обычно и происходит при применении роботов в промышленности) применяют специализированные конструкции. Вместо захватных устройств манипулятор может быть оснащен рабочим инструментом. Это может быть пульверизатор, сварочные клещи, отвёртка и т. д.

• Система передвижения

Внутри помещений, на промышленных объектах используются передвижения вдоль монорельсов, по напольной  колее и т. д.

Для перемещения по наклонным, вертикальным плоскостям используются системы аналогичные «шагающим» конструкциям, но с пневматическими  присосками.

2.  Управление промышленным роботом

Управление бывает нескольких типов:

1. Программное управление — самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются. Для программирования таких роботов могут применяться среды программирования типа VxWorks/Eclipse или языки программирования например Forth, Оберон, Компонентный Паскаль, Си. В качестве аппаратного обеспечения обычно используются промышленные компьютеры в мобильном исполнении PC/104 реже MicroPC. Может происходить с помощью ПК или программируемого логического контроллера.
2. Адаптивное управление — роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д.
3. Основанное на методах искусственного интеллекта.
4. Управление человеком (например, дистанционное управление).

Принципы управления ПР:

Современные роботы функционируют  на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом.

Иерархия системы управления роботом  подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим поведением робота, расчётом необходимой траектории движения манипулятора, поведением отдельных его приводов, и слои, непосредственно осуществляющие управление двигателями приводов.

Подчинённое управление служит для построения системы управления приводом. Если необходимо построить систему управления приводом по положению (например, по углу поворота звена манипулятора), то система управления замыкается обратной связью по положению, а внутри системы управления по положению функционирует система управления по скорости со своей обратной связью по скорости, внутри которой существует контур управления по току со своей обратной связью. Современный робот оснащён не только обратными связями по положению, скорости и ускорениям звеньев. При захвате деталей робот должен знать, удачно ли он захватил деталь. Если деталь хрупкая или её поверхность имеет высокую степень чистоты, строятся сложные системы с обратной связью по усилию, позволяющие роботу схватывать деталь, не повреждая её поверхность и не разрушая её. Управление роботом может осуществляться как человеком-оператором, так и системой управления промышленным предприятием (ERP-системой), согласующими действия робота с готовностью заготовок и станков с числовым программным управлением к выполнению технологических операций.

3. Классификация и конструктивно технологические параметры ПР

Классификация промышленных роботов:

1. По виду производства ПР делят на специальные, специализированные и универсальные.
• Специальные ПР выполняют определенную технологическую операцию или вспомогательную модель оборудования;
• Специализированные ПР выполняют операции одного вида, например сварку, сборку и обслуживают определенную группу моделей оборудования;
• Универсальные ПР являются наиболее усовершенствованными представителями промышленных роботов, служат для выполнения разных операций и функционируют с оборудованием различного назначения ( разнородных операций ).
2. По грузоподъемности различают ПР на сверхлегкие (грузоподъемность не более 1 кг.), легкие (грузоподъемность от 1 до 10 кг.), средние (грузоподъемность от 10 до 200 кг.), тяжелые (грузоподъемность от 200 до 1000 кг.) и сверхтяжелые (где грузоподъемность свыше 1000 кг.).
3. По возможности передвижения ПР подразделяют на стационарные и подвесные.
• Стационарные имеют ориентирующие и транспортирующие движения;
• Транспортирующие ПР дополнительно к этим двум движениям (ориентирующие и транспортирующие) и координатные перемещения.
4. По числу степеней подвижности ПР, выпускают роботы с 2-мя, 3-мя, 4-мя и более степеней подвижности.
5. По способу установки ПР делят на встроенные (хотя встроенные промышленные роботы и считаются компактными в плане габаритов, но при этом они обслуживают только один станок), подвесные (возможность обслуживания до 2-х станков) и напольные (возможность обслуживания до 2-х и более станков, но при этом они имеют более сложные задачи, например обеспечить смену инструмента.
6. По виду привода ПР подразделяют на роботы с электрическим, гидравлическим, пневматическим и комбинированным приводам.
7. По виду управления ПР различают:
• Роботы с погромным управлением (цикловым, числовым, позиционным и контурным);
• Роботы с адаптивным управлением (промышленные роботы с адаптивным управлением имеют измерительные устройства и устройства для восприятия внешней среды, управляющая программа или УП в этом случае не должна содержать всю необходимую информацию).
8. По способу программирования различают ПР программируемые обучением ( по методу обучения оператор, управляя промышленным роботом приводит его захватное устройство или ЗУ из одного конечного положения в другое через серию точек, которые фиксируются в запоминающем устройстве промышленного робота и при обработке следующих деталей захватное устройство будет двигаться по этим точкам) и аналитические (путем расчета программ).

4. Типовые конструкции ПР

Конструкция механической системы ПР зависит от служебного назначения, привода, системы управления и   ряда других факторов.  Напольные  ПР с качающейся выдвижной рукой работают в сферической и цилиндрической системах координат  (рис. 1, а). 

Рис. 1. Типовые  конструкции напольных ПР:

а — с качающейся выдвижной рукой, б — с горизонтальной выдвижной рукой и консольным механизмом подъема, в — с горизонтальной выдвижной рукой, установленной на подъемной каретке,  г — с многозвенной рукой.

Напольные ПР с горизонтальной выдвижной рукой  и консольным  механизмом подъема  наиболее распространены. ПР с пневматическим  приводом и выдвижной рукой (рис. 1, б) работает в цилиндрической  системе координат. Рука 2 ПР представляет собой пневмоцилиндр с выдвижным штоком, на конце которого установлено захватное устройство 3. На основании 7 расположены механизм поворота вокруг  вертикальной оси и механизм вертикального подъема руки.  Поворот вокруг вертикальной оси выполняется двумя пневмоцилиндрами, соединенными цепной передачей с блоком звездочек, смонтированным на поворотной колонне. Такие ПР выпускают в одно-,  двух-, трехруком исполнении. 

Напольные ПР с горизонтальной выдвижной рукой  7, установленной на подъемной каретке 2 (рис. 1, в), работают в цилиндрической  системе координат и могут обслуживать один или два станка. В ПР такого рода используют все виды приводов рабочих органов и их  комбинации, а также все известные виды систем управления. Грузоподъемность различных конструкций ПР от 1 до 1000 кг, число степеней подвижности от трех до семи. 

Напольные работы с многозвенной рукой работают, как правило,  в ангулярной системе  координат, оснащаются гидравлическими  или  электрическими приводами и  управляются посредством позиционной  или контурной системы (рис. 1, г). 

Портальные  ПР. Преимуществами этих ПР является экономия  производственной площади и удобство обслуживания. Использование опорных систем большой длины позволяет компоновать участки с групповым обслуживанием станков одним ПР при линейном расположении оборудования.  ПР строят на основе агрегатно-модульного принципа. Новые модели ПР создаются на базе унифицированных агрегатных узлов и блоков. Это обеспечивает широкий диапазон конструкции ПР с техническими параметрами, которые наиболее полно соответствуют конкретным требованиям производства. На рисунке 2 даны варианты  принципиальных схем компоновок ПР, построенных на основе использования девяти различных модулей. 

Захватные устройства ПР. Эти устройства предназначены для захватывания и удержания в определенном положении объектов манипулирования (заготовок или инструментов). ПР комплектуют набором типовых захватных устройств, которые можно менять в зависимости от конкретного рабочего задания. 

Захватные устройства ПР классифицируют по принципу действия  и по способу управления, характеру базирования объекта  манипулирования, степени специализации. 

По  принципу действия захватные устройства подразделяют на  механические, магнитные, электромагнитные, вакуумные с эластичными  камерами. По способу управления различают неуправляемые  командные, жесткопрограммируемые и адаптивные захватные устройства.

Рис. 2. Варианты принципиальных схем компоновок различных ПР

Неуправляемые захватные устройства – устройства с постоянными магнитами или с вакуумными присосками без принудительного разряжения в виде разрезных упругих валиков, подпружиненных клещей и т. д. Эти устройства используют в массовом производстве при манипулировании с объектами небольшой массы и габаритных размеров. 

На  рисунке 3, б показаны примеры неуправляемых механических  захватных устройств, в которых удержание детали осуществляется за  счет упругого воздействия зажимных элементов, а удаление производится посредством дополнительных приспособлений.

Рис. 3. Захватные  устройства ПР:

а, б — неуправляемые механические, в — клещевой командный, г — широкозахватное центрирующее  со сменными губками, д — для установки заготовки в патрон токарного станка с ЧПУ, е — центрирующее с захватной камерой, ж — вакуумное.

Командные захватные устройства управляются  только командами  на захватывание или опускание объекта. На рис. 3, в показано  клещевидное командное захватное устройство с рычажными механизмами.  В жесткопрограммируемых захватных устройствах, управляемых  системой управления ПР, усилие зажима и величина перемещения  губок могут регулироваться в зависимости от заданной программы. 

На  рис. 3, г показано широкозахватное центрирующее захватное  устройство со сменными губками, которые позволяют манипулировать  объектами различной формы. На штоке 4 пневмоцилиндра установлена планка 5, на которой шарнирно закреплены тяги 2, связанные с рычагами 3, К последним крепятся держатели 6, несущие сменные губки 7. Пе реналадка на другой тип объекта манипулирования выполняется перестановкой осей тяг 2 в дополнительные отверстия планки 5 сдвигом держателей 6 по  рычагам 3 и сменой держателей  6 или губок 7. При загрузке токарных станков с ЧПУ применяют центрирующие захватные устройства (рис. 3, д), оснащенные подпружиненными упорами для фиксации объекта по торцу в момент смены баз. На рис. 3, е показано  центрирующее захватное устройство с расширяющейся эластичной  камерой 2, которая закреплена на корпусе 1 пружинными кольцами 3.  При подаче сжатого воздуха через отверстия в корпусе камера раздувается и удерживает объект за счет силы трения.  В вакуумных захватных устройствах (рис. 3, ж) для захвата изделий применяют различные виды присосок из резины или пластмасс. Для создания вакуума используют насосы различного типа, в большинстве случаев эжекторные, работающие под действием сжатого воздуха.  Электромагнитные захватные устройства по конструкции и области применения примерно аналогичны вакуумным, обладающим более простой конструкцией, более высокой скоростью захвата изделий и силой притяжения на единицу площади поверхности. Однако их можно применять только для изделий из магнитных материалов. 

5. Движения в ПР

Различают следующие движения в промышленных роботах:

1. Транспортирующие – в направлениях XY, jxy, jzx

Транспортирующие движения служат для перемещения ЗУ в различные  точки рабочего транспорта;

2. Ориентирующие – в направлениях jyz и Q

Ориентирующие движения передают  захватному устройству (ЗУ) необходимое положение в заданной точке рабочей зоны;

3. Координатное – Y, X

Координатные движения обеспечивают перемещения ПР между отдельными производственными позициями. Рабочие движения промышленных роботов направлены на удержание объекта и перемещения его в заданных направлениях. Система координат ПР определяют компоновочную схему ПР и форму рабочей зоны: прямоугольная плоская, прямоугольная пространственная, полярная, цилиндрическая, сферическая.

6. Технические характеристики ПР

1. Грузоподъемность промышленного робота определяется наибольшей массой изделия (например, детали, инструмента или приспособления), которым он может манипулировать в пределах рабочей зоны;

2. Число степеней подвижности промышленного робота определяется общим числом поступательных и вращательных движений манипулятора, без учета движений зажима-разжима его схвата. Большинство промышленных роботов в машиностроении имеет до пяти степеней подвижности;

3. Рабочая зона определяет  пространство, в котором может  перемещаться схват манипулятора. Обычно оно характеризуется наибольшими перемещениями захватного устройства вдоль и вокруг каждой оси координат.

Мобильность промышленного  робота определяется его способностью совершать разные по характеру движения: перестановочные (транспортные) перемещения  между рабочими позициями, находящимися на расстоянии, большем, чем размеры рабочей зоны манипулятора; установочные перемещения в пределах рабочей зоны, определяемой конструкцией и размерами манипулятора; ориентирующие перемещения схвата, определяемые конструкцией и размерами кисти - конечного звена манипулятора. Промышленные роботы могут быть стационарными, не имеющими перестановочных перемещений, и передвижными, обеспечивающими все названные виды движений

7. Целесообразность использования ПР

• достаточно быстрая окупаемость 
• исключение влияния человеческого фактора на конвейерных производствах, а также при проведении монотонных работ, требующих высокой точности;
• повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества;
• возможность использования технологического оборудования в три смены, даже 365 дней в году;
• рациональность использования производственных помещений;
• исключение воздействия вредных факторов на персонал на производствах с повышенной опасностью;

Список используемой литературы

1. Ансеров, Ю.М., Салтыков, В.А., Семин, В.Г. Машины и  оборудование машиностроительных предприятий / Ю.М. Ансеров, В.А. Семин, В.Г. Семин. – Л.: Политехника, 1991 г. – 365 с.
2. Дальский, А.М, Арутюнова, И.А., Барсукова, Т.М. Технология конструкционных материалов / А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова. – М.: Машиностроение, 1985 г. – 448 с.
3. Довбня, Н. М., Кондратьев, А. Н., Юревич, Е. И.. Роботизированные технологические комплексы в ГПС / Н. М. Довбня, А. Н. Кондратьев, Е. И. Юревич. –  Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1990 г. – 302 с.
4. Иванов, А. А., Сафронов, В. В. Роботизированные сборочные комплексы / А. А. Иванов, В. В. Сафронов. – Н. Новгород: Нижегород. Гос. Техн. Ун-т, 1995 г. – 370 с.
5. Михайлов, О.П., Орлова, Р.Т., Пальцев, А.В. Современный электропривод станков с ЧПУ и промышленных роботов / О.П. Михайлов, В.Т. Орлова, А.В. Пальцев. – М.: Высшая школа, 1989 г. – 111 с.
6. Осьмаков, А.А. Технология и оборудование производства электрических машин / А.А. Осьмаков. – М.: Высшая школа, 1971 г. – 344 с.
7. Черпаков, Б.И. Робототехнические комплексы / Б.И. Черпаков. – М.: Высшая школа, 1989 г. – 85 с.