Современные мехатронные модули. Лекция 3. 5. Вопросы дистанционного управления мобильной техникой применение сетевых технологий беспроводной передачи данных
 Скачать 0.8 Mb.
|
|
Современные мехатронные модули Мобильные роботы Существующих мобильных роботов можно разделить на несколько групп по типу движения: ▪ антропоморфные роботы (человекоподобные, шагающие на двух ногах); ▪ паукообразные роботы (шагающие на нескольких ногах/конечностях); ▪ колесные/гусеничные роботы (от двух и более колес, от двух и более гу- сениц, их комбинации); ▪ летающие роботы (вертолетоподобные (n-коптеры), самолетоподобные). Рассмотрим подробнее совокупность задач, которые должны быть пос- тавлены и решены при разработке таких роботов. 1. Теория математического моделирования и теория управления: ▪ формирование математических моделей движущихся объектов; ▪ синтез стабилизирующих законов управления; ▪ решение оптимизационных задач с учетом различных критериев; ▪ синтез адаптивных законов управления и управления с прогнозом. 2. Системы сбора и обработки данных: ▪ настройка системы сбора и обработки данных, настройка интерфейсов; ▪ фильтрация шумов. 3. Вопросы теории распознавания визуальной, аудио-, видеоинформации: ▪ изучение методов распознавания изображений; ▪ обработка звука и видео. 4. Вопросы реализации алгоритмов в режиме реального времени. 5. Вопросы дистанционного управления мобильной техникой: ▪ применение сетевых технологий беспроводной передачи данных; ▪ разработка приложений под смартфоны для управления мобильной тех- никой. 6. Вопросы исследования и проектирования цифровых систем. Промышленные роботы и робототехнические комплексы Характерной особенностью научно-технического прогресса в развитии машиностроительного производства является переход от функционирова- ния отдельной машины к системе машин для полного изготовления изделий или группы изделий. При создании системы машин достигается автомати- зация как основных, так и вспомогательных операций. При этом повышается производительность, ритмичность производства, увеличивается выпуск и улучшается качество продукции, но в то же время предъявляются более высокие требования к технологичности изделий, уровню организации произ- водства и оперативно-календарному планированию, к системе технической подготовки производства и квалификации кадров. При построении технологического оборудования с широким использо- ванием промышленных роботов, выполняющих транспортные и (или) техно- логические функции, создается новый тип систем машин — робототизи- рованные технологические комплексы (РТК). В РТК роботы выполняют загрузку-разгрузку станков, прессов и других ма- шин и основные технологические операции: сборку, окраску, контроль, свар- ку, зачистку заусенцев и др., для чего они оснащаются специальными инс- трументами. Станочные системы различных видов, включающие одну и более единиц технологического оборудования при наличии в их составе промышленных роботов, принято называть роботизированными комплексами. Роботи- зированный комплекс состоит из оборудования, в пределах которого изде- лия перемещаются поштучно. Началом (входом) комплекса и его окончанием (выходом) являются накопители различного рода. Структура робототехнического комплекса может быть различной в за- висимости от состава технологического оборудования, вспомогательных ус- тройств промышленных роботов. В состав робототехнического комплекса, в котором промышленные ро- боты выполняют транспортные функции, входят соответствующее техно- логическое оборудование, различного рода накопители и сами промыш- ленные роботы. Промышленные роботы могут работать совместно с от- дельным оборудованием (прессами, установками для сварки и др.). В этом случае такие операции, как сварка, окраска, сборка, могут выполняться не- посредственно на позиции входа-выхода заготовки, на специальной позиции или на транспортном конвейере, имеющем тактовое перемещение. Робототехнические комплексы различаются по характеру производства, в котором они применяются. Для вновь создаваемых производств с новой технологией разрабатывается заново все основное оборудование, а для действующего производства, автоматизируемого на базе серийных промыш- ленных роботов, изменение основного оборудования минимально. По виду технологического процесса робототехнические комплексы могут создаваться для механообработки, холодной штамповки, ковки, литья, прес- сования пластмасс, термической обработки, сварки, сборки, контроля, испы- тания и др. Робототехнические комплексы подразделяются по типу основного техно- логического оборудования (полуавтоматы, автоматы с цикловым управлени- ем, станки с ЧПУ и т. д.), типу применяемых роботов (числу манипуляторов, подвижности в пределах комплекса, типу управления) и числу единиц обслу- живаемого оборудования. Робототехнический комплекс характеризуется двумя показателями: 1) объемом партий продукции, которые могут выпускаться без переналад- ки комплекса; 2) номенклатурой — перечнем выпускаемых видов продукции. Компоновка робототехнических комплексов в зависимости от разме- щения технологического оборудования и промышленных роботов может быть линейной, круговой, линейно-круговой. По степени участия человека робототехнические комплексы могут быть двух видов: 1) человек выполняет некоторые технологические операции (основные или вспомогательные); 2) человек участвует в управлении комплексом. В первом случае робототехнический комплекс будет не автоматическим, а автоматизированным. Промышленные роботы используются в составе роботизированных тех- нологических комплексов, гибких производственных модулей (ГПМ), роботи- зированных технологических линий (РТЛ) и роботизированных технологи- ческих участков (РТУ). Робототехнические комплексы механической обработки. Создание робототехнических комплексов в механообработке в условиях серийного производстве целесообразно на основе групповой обработки деталей, ти- пизации технологических процессов и подбора номенклатуры технологичес- кого оборудования, обеспечивающего механическую обработку основных по- верхностей деталей и пригодного для эксплуатации в РТК. Робототехнические комплексы механической обработки состоят из метал- лорежущих станков и другого технологического оборудования, в функции ко- торого входит комплексная обработка деталей, а также промышленных ро- ботов, транспортных устройств (конвейеров, стационарных позиций и т. д.). В РТК механической обработки следует выделить три вида станочных сис- тем: станки, обслуживаемые одним или несколькими роботами, робототех- нические линии, робототехнические участки. Промышленные роботы для загрузки и межоперационного тран- спортирования деталей, паллет, инструментов в гибких производс- твенных ситемах (ГПС). Технологическое оборудование в большинстве ГПС используют в сочетании с промышленными роботами. Работа ГПС осуществляется следующим образом: в загрузочно-разгру- зочном устройстве паллеты автоматически загружаются из накопителя за- готовками (по 4 шт. на каждую), транспортируются роботом к отдельным по- зициям обработки и там подаются в зажимные приспособления, расположен- ные на столе станка. После обработки все четыре детали захватываются ро- ботом и перемещаются к моечной камере, где очищаются от налипшей стружки. Затем паллеты автоматически загружаются с помощью загрузочно- разгрузочного устройства, причем полностью обработанные детали помеща- ются в накопитель кассетного типа. Пустые паллеты перед последующей заг- рузкой деталями еще раз транспортируются роботом в моечную камеру и там вновь промываются. Для переналадки на другой тип деталей в общем случае необходимо лишь заменить паллеты и переналадить накопители готовых деталей, что может быть осуществлено вручную. Робототехнические комплексы кузнечно-прессовых операций. Ос- новными областями использования промышленных роботов в кузнечно- штамповочном производстве являются автоматизация холодной листовой штамповки и обслуживание горячештамповочных прессов. Автоматизация холодной листовой штамповки. В настоящее вре- мя робототехнические комплексы создаются на базе различного кузнечно- прессового оборудования, серийно выпускаемого заводами машиностро- ительного комплекса. К такому оборудованию относятся: прессы однокри- вошипные открытые простого действия; прессы однокривошипные закрытые двойного действия; прессы кривошипно-коленные чеканочные; прессы вин- товые с дугостаторным приводом; прессы кривошипные горячештамповоч- ные; прессы гидравлические для прессования изделий из реактопластов; прессы-автоматы для прессования изделий из порошков твердых сплавов. Отличительной особенностью листоштамповочных прессов является их большое быстродействие (до 60 и более ударов в минуту). Пределом быс- тродействия для выпускаемых в настоящее время промышленных роботов небольшой грузоподъемности можно считать 60 … 70, для более тяжелых — 1 0 … 20 циклов/мин, что в определенной мере ограничивает технические воз- можности прессов. В то же время для холодной листовой штамповки, как правило, не требу- ются промышленные роботы с большим числом степеней подвижности и с высокой точностью. Последнее объясняется тем, что в большинстве слу- чаев точная укладка заготовки достигается элементами штампа-ловителя, трафаретами и др. Обычно для таких роботов используются системы цикло- вого управления. Широкое использование промышленных роботов при автоматизации про- цессов холодной листовой штамповки объясняется следующими причинами: ▪ простотой конструкции механических прессов для холодной листовой штамповки; доработка, как правило, сводится к незначительным изме- нениям в системе их подключения; ▪ отсутствием необходимости фиксировать заготовки в зоне обработки с помощью специальных зажимных устройств, как, например, при обра- ботке резанием; следовательно, при автоматизации операций холодной листовой штамповки требуется не разработка специальных автоматичес- ких зажимных устройств, а лишь незначительное изменение конструкций штампов: введения фасок, дополнительных фиксаторов, трафаретов и др.; ▪ относительно высокой стойкостью штампов, что исключает необхо- димость сплошного контроля качества изделий; ▪ простотой и однообразием манипуляций, выполняемых с заготовками при работе на универсальных прессах, что позволяет использовать про- мышленные роботы с цикловой системой управления и двумя — че- тырьмя степенями подвижности. На робототехническом комплексе при холодной листовой штамповке вы- полняются следующие технологические операции: подача верхней заготовки из стопы, уложенной в магазине, на уровень захвата ее рукой робота; захват заготовки из исходной позиции магазина и перенос ее в рабочую зону прес- са; укладка заготовки в штамп; штамповка изделия; вынос отштампованного изделия из рабочей зоны пресса; сброс изделия в тару. Обслуживание горячештамповочных процессов. Внедрение роботов на большинстве операций, связанных с горячей формовкой металлов, было обусловлено в первую очередь безопасностью обслуживания и контролем качества. Так, например, условия работы в кузнечно-прессовых цехах счита- ются самыми тяжелыми для рабочих. Основным видом роботизированного кузнечно-прессового оборудования в настоящее время являются кривошипные горячештамповочные прессы, где на основе промышленных роботов автоматизируются все вспомога- тельные операции: загрузка нагревательных устройств, транспортирование нагретой заготовки в зону формообразования, передача поковки из ручья в ручей, транспортирование и укладка в обрезной пресс, складирование по- ковки и отходов. Робототехнические комплексы литейного производства. Основное направление в области робототехники для литейного производства — это внедрение промышленных роботов модульной конструкции, имеющих доста- точное число степеней подвижности, невысокую стоимость, надежных при эксплуатации, снабженных развитой контрольно-измерительной системой, устройствами восприятия и переработки информации на базе микропроцес- соров, а также создание гибких предметно-специализированных робототех- нических литейных комплексов из оборудования с ЧПУ и промышленных ро- ботов. В литейном производстве различных отраслей промышленности целесо- образно роботизировать следующие производственные операции: ▪ плавку (разделка и загрузка шихты; футеровка печей и ковшей); ▪ заливку форм (установка грузов и съем их с форм, заливка форм с раз- личным расположением литниковых чаш, передача залитых форм на ох- лаждающий конвейер); ▪ приготовление формовочных и стержневых смесей; ▪ изготовление форм (установка стержней в формы, опрыскивание подмо- дельных плит и обдувка форм, окрашивание форм); ▪ изготовление стержней (установка каркасов в ящики, обдувка стержней и стержневых ящиков, окрашивание стержней, подача стержней из ма- шины на транспортные устройства, обслуживание машин для изготовле- ния стержней методом холодного отверждения); ▪ выбивку форм (съем отливок с решетки и навешивание на транспортное устройство); ▪ обрубку и зачистку отливок; ▪ термообработку, контроль и последующую обработку отливок; ▪ погрузочно-разгрузочные операции, грунтовку и окрашивание отливок. Робототехнические комплексы гальванопокрытий. Нанесение гальванопокрытий относится к числу вредных производств, поскольку ра- бочим приходится иметь дело с растворами кислот, щелочей и других хи- мических веществ, например ядовитых, цианистых соединений. Для выполнения тяжелых и многократно повторяющихся операций по ус- тановке, снятию и переносу из ванны в ванну подвесок (корзин, контейнеров) с деталями, которые подвергаются подготовительным (обезжиривание, травление, промывка) и основным (цинкование, никелирование, меднение, хромирование) операциям, с успехом могут быть использованы универ- сальные роботы. Роботы устанавливаются либо стационарно, либо на подвижной рельсо- вой тележке. С помощью тележки промышленный робот перемещают вдоль ряда ванн. Применяют также некоторые модели подвесных транспортных ро- ботов, предназначенных для группового обслуживания оборудования; специ- ализированные промышленные роботы, работающие в составе автомати- ческих линий гальванопокрытий. Для нормальной эксплуатации роботы должны быть защищены от корро- зирующего воздействия испарений химических растворов, находящихся в ваннах. Автоматическая линия гальванопокрытий является по существу техно- логическим комплексом, оснащенным роботами. Каждый такой комплекс сос- тоит из ряда ванн с технологическими растворами, сушильной камеры, под- готовительной стойки, роботов, командоаппарата для их управления, рельсового пути. Робототехнические сварочные комплексы. Взависимости от способа получения неразъемного сварного соединения различают сварку плавлени- ем и сварку давлением. В первом случае соединение деталей происходит расплавлением их кромок на небольшом участке, а во втором — сдавли- ванием соединяемых поверхностей деталей, которые, как правило, нагрева- ют, чтобы снизить деформацию. В машиностроении в основном применяют дуговую и контактную точеч- ную сварку. Робототехнические комплексы дуговой сварки. Технологические операции дуговой сварки относятся к одним из наиболее распространенных, а в ряде отраслей, например в судостроении, тяжелом транспортном ма- шиностроении, дуговая сварка занимает главенствующее положение. Значительный объем сварных изделий делает необходимым применение сварочных ПР. Автоматизация процессов дуговой сварки с помощью ПР дает следующие технико-экономические преимущества по сравнению с другими сварочными процессами: 1) увеличивается машинное время сварки с 40 до 80 %; 2) уменьшает продолжительность цикла на 30 … 50 %; 3) улучшается качество сварного соединения; 4) достигается гибкость производственной системы (особенно для мелко- серийного производства). Кроме того, автоматизация дуговой сварки необходима для освобождения человека от вредных условий производства (сильное ультрафиолетовое из- лучение, брызги расплавленного металла, вредные для здоровья газы). Многозвенная кинематика руки робота дает возможность перемещать за- крепленную в ней сварочную горелку по сложным траекториям. С появлени- ем сварочных промышленных роботов расширились границы автоматизации процессов сварки, оказалось возможным приступить к комплексной авто- матизации сварочного производства и созданию сварочных ГПС. Сварочный робототехнический комплекс включает в себя автоматический манипулятор горелки, систему управления всем комплексом, позиционер (манипулятор изделия) и сварочное оборудование, сопряженное с системой управления комплекса. Промышленные роботы дуговой сварки имеют различное конструктивное исполнение, их манипуляторы обладают, как правило, пятью-шестью сте- пенями подвижности. При дуговой сварке используются роботы портального и напольного типов. Роботы портального типа в основном предназначены для сварки крупногабаритных изделий с протяженными швами, например корпусов, каркасов, рамных конструкций. Они хорошо встраиваются в ро- ботизированные линии и участки. В настоящее время большое распространение получили сварочные ро- боты антропоморфной конструкции, все степени подвижности которых вра- щательные. Эти роботы отличаются высокими скоростями холостых переме- щений (до 1,5 м/с) и хорошими манипуляционными возможностями. Для проведения сварки в наиболее удобном положении и для доступа ко всем швам свариваемого изделия сварочные роботы оснащаются манипу- ляторами изделия (позиционерами), которые представляют собой одно- или двухкоординатные кантователи. Манипуляторы изделия являются как бы дополнительными степенями подвижности робота, работают с ним по единой программе, управление ими осуществляется от системы управления робота. Кинематическая структура, компоновка и грузоподъемность манипулятора изделия, размещение его в рабочей зоне робота зависят от размеров, массы и конструктивных особен- ностей свариваемых изделий, организации конкретного сварочного произ- водства. Роботизация операций контактной сварки. Наиболее распростра- ненным видом контактной сварки, автоматизируемой с помощью промыш- ленных роботов, является контактная точечная сварка, которая получила на- ибольшее распространение в автомобильной промышленности. Это связано с наличием большого объема такой сварки при изготовлении кузовов авто- мобилей, возможностью замены квалифицированного и высокооплачива- емого сварщика машиной, улучшением качества сварки, повышением ста- бильности производства, возможностью построения гибкого производства с небольшими затратами при переходе на сварку других моделей автомоби- лей. Такие же преимущества имеет применение производственных роботов в тракторном, сельскохозяйственном, строительно-дорожном машиностро- ении. Для осуществления операций контактной точечной сварки чаще всего ис- пользуются универсальные роботы с позиционной или позиционно-кон- турной системой управления. Как правило, эти роботы имеют антропомор- фную конструкцию. Большинство промышленных роботов служат для перемещения свароч- ного инструмента относительно жестко зафиксированного обрабатываемого изделия и выполнения этим инструментом непосредственно операции кон- тактной сварки. Робототехнические комплексы нанесения лакокрасочных покры- тий. На операциях нанесения лакокрасочных покрытий находят применение специализированные и универсальные окрасочные роботы. Специализиро- ванные окрасочные роботы предназначены для окраски плоских и приводи- мых к ним поверхностей (крышки, фланцы, боковины и др.). Их применяют в машиностроении в условиях крупносерийного и массового производства. Специализированные окрасочные роботы представляют собой верти- кальные или горизонтальные колонны, на каретке которых укреплены элек- тростатические поступательные краскораспылители. Каретка совершает возвратно-поступательные движения, а рабочий орган (краскораспылитель) имеет горизонтальный или вертикальный ход. Специализированные окрасочные роботы имеют следующие характерис- тики: исполнение — вертикальное или горизонтальное; скорость переме- щения распылителей — 5 … 90 м/мин; регулирование скоростей — бессту- пенчатое. Типовой окрасочный комплекс в общем случае состоит из следующих ос- новных частей: окрасочной камеры, промышленного робота, оснащенного краскораспылителем, кабины оператора, системы подачи краски и подготов- ки воздуха, устройств ориентации и опознавания изделий, пульта управле- ния, шкафа силовых электрических цепей и блока электроавтоматики. Робототехнические комплексы сборочных операций. Сборка — за- вершающий этап производства, во многом определяющий стоимость и ка- чество продукции. Стоимость сборки можно уменьшить путем организационно-технических мероприятий, сокращения объема пригоночных и регулировочных операций, применения механизированных сборочных приспособлений и инструмента, увеличения объема автоматизации и механизации сборочных процессов. Причем кардинальным решением совершенствования сборочного произ- водства является его автоматизация. При применении автоматизированного оборудования к объектам сборки предъявляются специфические требования по их технологичности: ▪ взаимозаменяемость сборочных единиц, которые, в свою очередь, могут быть собраны независимо друг от друга; ▪ возможность проведения последовательной сборки, когда с одной или несколькими базовыми деталями последовательно сопрягаются другие детали; ▪ минимальное число направлений сборки, простота траекторий движений соединения; ▪ максимальная свобода доступа сборочного инструмента. Процесс автоматической сборки с помощью промышленных роботов под- разделяется на несколько э т а п о в: 1) накопление в различных устройствах (паллетах, магазинах, бункерах, кассетах и др.), конструкция которых зависит от конфигурации габаритов объектов сборки; 2) захватывание детали (объекта) роботом, оснащенным захватом или сборочным инструментом; 3) транспортирование с помощью промышленного робота на позицию сборки и от нее к позиции накопления (выдачи); 4) ориентация, которая может происходить как при предварительной под- готовке объектов к сборке, так и в ходе технологического процесса; 5) сопряжение деталей с помощью промышленного робота или на специ- альном сборочном оборудовании. Существует три основные концепции построения робототехнических сбо- рочных систем. 1. Вся сборочная операция расчленяется на элементарные, каждая из ко- торых выполняется узкоспециализированным роботом. Эта концепция наш- ла широкое распространение при автоматизации массового производства. 2. Промышленный робот-сборщик располагается в центре комплекса. Вокруг него располагается различное вспомогательное оборудование с не- обходимым запасом деталей. Робот в соответствии с программой извлекает детали и осуществляет их сборку, используя при этом стационарные мон- тажные приспособления и оснастку. 3. Весь сборочный процесс расчленяется на группы элементарных опе- раций. При этом для сборки каждой сборочной группы используется специ- ализированный робот. В этом случае работа всех роботов осуществляется центральной управляющей ЭВМ. Транспортные мехатронные средства Мехатронные модули находят все более широкое применение в раз- личных транспортных системах. Ограничимся кратким анализом только лег- ких транспортных средств (ЛТС) с электроприводом. К этой группе относятся электровелосипеды, роллеры, инвалидные коляски, электромобили с авто- номными источниками питания. Легкие транспортные средства являются альтернативой транспорту с двигателями внутреннего сгорания и используются в настоящее время в экологически чистых зонах (лечебно-оздоровительных, туристических, выставочных, парковых комплексах), а также в торговых и складских по- мещениях. Технические характеристики образца электровелосипеда: ▪ максимальная скорость — 20 км/ч; ▪ номинальная мощность привода — 160 Вт; ▪ номинальная частота вращения — 160 мин −1 ; ▪ максимальный крутящий момент — 18 Н ∙ м; ▪ масса двигателя — 4,7 кг; ▪ аккумуляторная батарея — 36 В, 6 А ∙ ч; ▪ максимальная нагрузка — 120 кг; ▪ движение в автономном режиме — 20 км. Основой для создания ЛТС являются мехатронные модули типа «мотор— колесо» на базе, как правило, высокомоментных электродвигателей. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ (В ТЕТРАДИ): 1. Укажите группы мобильных роботов, классифицируемых по типу движения. 2. Укажите признаки классификации робототехнических комплексов. 3. Укажите производственные операции, которые целесообразно роботизировать в литейном производстве. 4. Укажите, что принято называть роботизированными комплексами. 5. Укажите показатели, которыми характеризуется робототехнический комплекс. 6. Укажите варианты компоновки робототехнических комплексов в зависимости от размещения технологического оборудования и промышленных роботов. 7. Укажите виды станочных систем в робототехнических комплексах механического обработки. 8. Укажите, что входит в комплекс автоматической линии гальванопокрытий. 9. Укажите способы получения неразъёмного сварного соединения. 10. Укажите преимущества автоматизации дуговой сварки по сравнению с другими видами сварки. 11. Укажите, как осуществляется управление манипуляторами изделия при выполнении сварки с помощью промышленного робота. 12. Укажите характеристики специализированных окрасочных роботов. 13. Укажите виды исполнения специализированных окрасочных роботов. |