Станки с числовым программным управлением

Отличным примером, содержащем в себе все современные достижения электромеханики, являются станки с числовым программным управлением (ЧПУ).

Cтанки с ЧПУ — оборудование, выполняющее различные технологические операции по заданной программе. Помимо металлорежущих (например, фрезерные или токарные), существует оборудование для резки листовых заготовок (лазерная и гидроабразивная резка), для обработки давлением. Использование систем ЧПУ повышает производительность труда, резко увеличивает выход годных заготовок, а так же снижает риск рабочих на производстве.

Рисунок 5 – Токарный станок с ЧПУ

Если на станке выполняются несколько операций, то такая машина называется обрабатывающим центром. Такие станки включают в себя приводы позиционирования обрабатывающего инструмента и приводы подачи заготовки, работа которых проходит по технологически необходимой программе. В обрабатывающих центрах предусматривается устройство автоматической смены инструмента. Таким образом станок с ЧПУ представляет собой систему электромеханических устройств, основу которых составляют высокоточные автоматизированные электроприводы. Работа этих электроприводов объединена единой технологической задачей и управляется вычислительным устройством – системой числового программного обеспечения.

Промышленные роботы

В результате развития станков с ЧПУ появились промышленные роботы. 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.

Появление станков с числовым программным управлением (ЧПУ) привело к созданию программируемых манипуляторов для разнообразных операций по загрузке и разгрузке станков. В 1954 году американский инженер Д. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт. Вместе с Д. Энгельбергом в 1956 г. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Ее название «Unimation» (Юнимейшн) является сокращением термина «Universal Automation»(универсальная автоматика).

В 1962 году в США были созданы первые промышленные роботы «Юнимейт» и «Версатран». Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку. Некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса.

«Юнимейт» имел 5 степеней подвижности с гидроприводом и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. Перемещение объектов массой до 12 кг осуществлялось с точностью 1,25 мм. В качестве системы управления использовался программоноситель в виде кулачкового барабана с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд управления, и кодовые датчики положения. В режиме обучения оператор задавал последовательность точек, через которые должны пройти звенья манипулятора в течение рабочего цикла. Робот запоминал координаты точек и мог автоматически перемещаться от одной точки к другой в заданной последовательности, многократно повторяя рабочий цикл. На операции разгрузки машины для литья под давлением «Юнимейт» работал с производительностью 135 деталей в час при браке 2 %, тогда как производительность ручной разгрузки составляла 108 деталей в час при браке до 20 %.

Робот «Версатран», имевший три степени подвижности и управление от магнитной ленты, мог у обжиговой печи загружать и разгружать до 1200 раскаленных кирпичей в час. В то время соотношение затрат на электронику и механику в стоимости робота составляло 75 % и 25 %, поэтому многие задачи управления решались за счет механики. Сейчас это соотношение изменилось на противоположное, причем стоимость электроники продолжает снижаться. Предлагаются необычные кинематические схемы манипуляторов. Быстро развиваются технологические роботы, выполняющие такие операции как высокоскоростные резание, окраска, сварка. Появление в 70-х гг. микропроцессорных систем управления и замена специализированных устройств управления на программируемые контроллеры позволили снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение в промышленности. Этому способствовали объективные предпосылки развития промышленного производства.

Рисунок 6 – Современным промышленный робот

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.

Механическая часть

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, сварочная головка, 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.

Управление

Управление бывает нескольких типов:

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.

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.

· Основанное на методах искусственного интеллекта.

· Управление человеком (например, дистанционное управление).

Принципы управления

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

Подчинённое управление cлужит для построения системы управления приводом. Если необходимо построить систему управления приводом по положению (например, по углу поворота звена манипулятора), то cистема 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.

Действия промышленного робота

Среди самых распространённых действий, совершаемых промышленными роботами можно назвать следующие:

· перемещение деталей и заготовок от станка к станку или от станка к системам сменных палет;

· сварка швов и точечная сварка;

· покраска;

· выполнение операций резанья с движением инструмента по сложной траектории.

Промышленный робот является устройством, производящим некие манипулятивные функции, схожие с функциями руки человека.

Достоинства использования:

· 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, 365 дней в году;

· рациональность использования производственных помещений;

· исключение воздействия вредных факторов на персонал на производствах с повышенной опасностью.

Список используемой литературы

 

1. Свободная энциклопедия Wikipedia [Электронный ресурс], режим доступа http://ru.wikipedia.org, свободный.

2. Д. Ловин «Создаем робота-андроида своими руками», перевод с английского Мельникова Г.М., издательский дом «ДМК-пресс», 2007 г.

3. Козырев Ю. Г. «Промышленные роботы: Справочник» , издательствокий дом «Машиностроение», 1988 г.

4. Готшальк О.А. «Системы автоматизации и управления. Конспект лекций», 1998 г.