В практике изготовления сварных металлоконструкций ши­роко применяют цапковые двухстоечные кантователи и манипу - 2 2014 33
ляторы-позиционеры с механическим и пневматическим приво­дом.

Типовая конструкция сварочного двухстоечного кантователя с различными компоновками привода показана на рис. 6,а — в, а пневматические схемы привода даны на рис. 19.

По конструктивному исполнению пневматические приводы делят на три типа: 1) с неполноповоротным пневмомотором и

Рис. 19. Пневматическая схема привода кантователя: 1—Благоотделитель; 2—маслораспылитель; 3—кран управления; 4—дрос­сель с обратным клапаном

приводной звездочкой на конце штока (рис. 19,а); 2) с цилинд­ром двустороннего действия со встроенной в его среднюю часть реечной передачей (рис. 19,6); 3) с силовым органом, состоя­щим из цилиндра одностороннего действия и реечной передачи (рис. 19, б).

Пневматические приводы имеют ряд недостатков: не обеспе­чивается плавность поворота, большие габаритные размеры си­лового органа (при необходимости создать значительные уси­лия), чувствительность к падению давления в воздушной сети и к влажности сжатого воздуха.

Для обеспечения плавного перемещения поршня в начале его хода в пневматическую схему введен регулируемый дроссель с обратным клапаном (рис. 19, а), который создает дополнитель­ное сопротивление в нерабочей полости цилиндра. Та же цель достигается установкой дросселя (без обратного клапана) после крана управления в магистрали сброса воздуха в атмосферу 34

(рис. 19, б), постановкой демпферов на штоке или в крышках цилиндров.

Наиболее часто применяют механизмы поворота с гидропри­водом. Их преимущество — легкость создания больших крутящих моментов, необходимых при повороте тяжелых узлов.

Наибольшее распространение благодаря своей простоте и на­дежности нашли механизмы поворота кантователей с электроме­ханическим приводом.

Для вращения пово­ротной платформы мани­пулятора часто исполь­зуют электродвигатели постоянного тока, позво­ляющие регулировать число оборотов для обес­печения заданной скоро­сти сварки. Подъем же стола и его наклон осу­ществляется от асинхрон­ных электродвигателей.

Основными парамет­рами манипуляторов яв­ляются грузоподъемность и крутящие моменты отно­сительно оси вращения и опорной плоскости план­шайбы. Манипулятор под­бирают по трем парамет­рам свариваемого изде­лия: по весу, расстоянию от центра тяжести до опорной плоскости планшайбы и от центра тяжести до оси вра­щения. По весу свариваемых изделий устанавливают грузо­подъемность манипулятора, а затем определяют значения кру­тящих моментов по формулам

Af„=OK Mn=GH,

где Мо — момент относительно оси вращения, кге-м; Мп—мо­мент относительно опорной плоскости планшайбы, кге-м; G — вес свариваемого изделия, кге; q — расстояние от центра тяже­сти изделия до оси вращения, м; Н — расстояние (высота) от центра тяжести изделия до плоскости планшайбы, м.

Если свариваемое изделие крепится через промежуточное приспособление, то вес свариваемого изделия должен быть при­нят с. учетом веса приспособления, а величина И должна быть принята с учетом его высоты. Полученные расчетные значения моментов не должны превышать величины допускаемых момен­тов, указанных в паспорте манипулятора или типаже.

Из рис. 20 видно, что с удалением центра тяжести от поверх­ности планшайбы (по оси л) или с удалением центра тяжести от оси вращения (по оси У) допускаемый вес изделия умень­шается.

Манипуляторы обычно имеют плавно регулируемую скорость вращения планшайбы в широком диапазоне, так как сваривае­мые на них узлы могут быть разного диаметра к могут иметь разные толщину и катет шва. Частота вращения п планшайбы (об/мин) манипуляторов может быть определена по формуле

0Д884£>’

где ь'св — скорость сварки, м/ч; D — диаметр кругового шва, мм.

Стабильность заданной скорости сварки обеспечивается си­стемой обратной связи с тахогенератором, соединенным е элек­тродвигателем набором шестерен.

Выбор минимального по мощности привода и повышение его эксплуатационной надежности существенно зависит от конструк­ции манипулятора с закрепленным па его поворотной платформе изделием. Для уменьшения влияния на механизм привода инер­ционных масс конструкция манипулятора должна обеспечивать минимальное смещение центра тяжести всей поворотной систе­мы, причем в момент включения привода инерционные силы могут быть значительными, поэтому их следует учитывать при выборе мощности привода (при расчетах передачи на прочность). Устранение влияния инерционных сил достигается совмещением центра тяжести вращающихся масс с осью вращения, рациональ­ным размещением на поворотной платформе сварив;. мого изде­лия либо постановкой противовесов.

В качестве предохранительного звена в конструкции манипу­лятора должен быть предусмотрен срезывающийся палец. Рас­чет механического привода манипулятора в зависимости от при­нятой конструктивной схемы приведен в табл. 3.

Таблица 3 Формулы для расчета механического привода манипулятора Типаж кан­тователей Эскиз Расчетная формула С при­водными роликами у г~ * G (Я М, ф — /її + 11 1 cosa V г / Л4..р п Nxn = 0,7355—— Лп 71 620-гj

В формулах: Л1пр — приведенный момент манипулятора, кгс • см; Aft — момент тре« «ия скольжения, кгс ■ см; Мл — момент, необходимый для преодоления статической не - уравновешенности вращающейся платформы с изделием, кгс-см; Afs— суммарный мо­мент от трения качения роликов по бандажам колец относительно оси колец, кгс • см; Л1, — момент трения скольжения на цапфах роликов относительно оси колец, кгс - см; С—вес изделия, кгс; R — радиус изделия (кольца), см; г—радиус ролика, см; іч — радиус цапфы, см; г£ — радиус цапфы роликов, см; о — расстояние от центра тяжести вращающихся частей до оси цапф манипулятора (до оси колец), см; Рв — осевая сила аажатия изделия, кгс; р — допустимое давление, кгс/см2 {сталь по стали 130—200, сталь по бронзе 60—90, сталь по чугуну 15—25); л —частота вращения изделия, об/мин; І — длина цапфы, см; £> — средний диаметр бегивой дорожкк шариков упорного под­шипника, см; Dc — диаметр внутреннего кольца радиального подшипника, см; й — диа­метр цапфы, см; С — диаметр шарика, см; fr—коэффициент трения качения; / — коэф­фициент трения скольжения; к — коэффициент, учитывающий инерционные силы, «—1.2-г-1,3; с —угол наклона роликов, град; ті —КПД всех передаточных звеньев от электродвигателя к изделию.

Промышленный робот — манипулятор автоматического - деист-- вия, оснащенный системой цифрового программного управления., В нем совмещаются большая гибкость исполнительных органов,, обладающих обычной для манипуляторов высокой лодвижно - сью, и легкость переналадки их двигательных функций. Роботьь предназначены для выполнения разнообразных работ при мини­мальном участии человека в акте управления. Они являются уни­версальными автоматами, в состав которых входят три основных функциональных узла: рабочие органы — «руки», вычислитель­ная машина, управляющая ими, и устройства сбора информации? о среде, сообщающие роботу способность адаптации к ней.

Промышленный робот обладает памятью, имеет специальную, систему обучения. Управление группой роботов может осущест­вляться от одной центральной электронной цифровой вычисли­тельной машины. Американские фирмы «Unimate» и AMV в на­чале 60-х годов создали первые модели сложных программируе­мых роботов.

Роботы прошли испытания в промышленных условиях и, по> расчетам зарубежных фирм, их ежегодный выпуск к концу 70-х годов составит тысячи единиц.

Открываются широкие возможности в применении оборудова­ния, оснащенного цифровым программным управлением (ЦПУ), для решения задач автоматизации мелкосерийного и серийного» производства. Если на первых порах роботы заменяли человека на утомительных и опасных работах, то в дальнейшем сфера их применения охватила и также производственные операции, как: покраска, сварка, подача исходных материалов и снятие гото­вой продукции.

Задачу автоматического перемещения и обработки деталей, при выполнении производственных процессов в машиностроении! на первых порах решали с помощью механизмов, имеющих не­редко сложные и оригинальные кинематические связи. Большие сложности при этом возникают при необходимости узчеиения - операций цикла.

Второй этап развития автоматических устройств стал воз­можным после появления автоматических устройств, обладаю­щих памятью и способных выполнять ряд сложных операций, быстро переналаживаться на другой цикл и не реагировать на изменение внешних условий.

Рабочий орган должен подобно руке человека перемещать, объект в заданную точку пространства и определенным образом, ориентировать этот объект; причем «рука» робота должна обла­дать достаточной маневренностью, грузоподъемностью, точно­стью позиционирования и скоростью. «Кисть» на конце руки» робота состоит из зажимных устройств, способных удерживать, детали и узлы. В такой кисти могут быть один или два набор at. 38

«пальцев» или же вакуумные (или магнитные) присоски (см. рис. 21, в).

К. роботу можно подсоединять разные кисти для выполнения различных работ. При этом замена кистей может выполняться автоматически, без участия человека. Зажимные кисти фирмы «Andreiden Geselscbafi» (ФРГ) имеют три и пять пальцев. Кисть с тремя пальцами позволяет захватывать до 80% тех предметов, которые могут удерживаться рукой человека.

Роботам-манипуляторам в зависимости от их конструкции и назначения придается от двух до шести степеней свободы. Кро­ме того, в некоторых роботах, например, в роботах фирмы «Уег - satran», обеспечиваются дополнительные степени свободы за счет перемещения вдоль направляющих салазок. Число степеней сво­боды рабочего органа и самого робота достигает восьми.

Рука робота может вращать кисть и перемещаться по верти­кали и по горизонтали. Сама кисть может сжиматься или разжи­маться, поворачиваться и наклоняться вперед и в стороны, как кисть человеческой руки.

Перемещение рабочего органа может быть прерывистым (от точки к точке) и плавным. У роботов с плавным перемещением рабочего органа последний, как правило, движется по контуру, определенному той задачей, которую выполняет робот. Робот с прерывистым движением рабочего органа предназначается в большинстве случаев для прямолинейного перемещения деталей от одной операции к другой. Погрешность установки рабочего органа для такого робота может не превышать нескольких сотых миллиметра.

В качестве привода исполнительных органов робота хорошо зарекомендовали себя э лектрогидр авлические устройства, соче­тающие такие качества, как большая выходная мощность при малой инерционности, надежность в работе и возможность элек­трического управления. В зависимости от типа памяти и испол­нительных звеньев система управления может быть цифровой, .аналоговой или смешанной. Роботы второго поколения, имею­щие в системе управления мини-ЭВМ, оснащены «телеглазом».

Роботы повышенной сложности могут быть запрограммирова­ны на повторяющийся останов рабочего органа в 200—3000 точ­ках рабочей зоны, а не в 20—30 точках, как у простых роботов. Их сравнительно легко запрограммировать на работу в режиме «обучения». В этих роботах с регулированием по замкнутому контуру, а не по разомкнутому, как в простых роботах, выделе­ны отдельные устройства управления для руки и кисти.

Чтобы соблюдать правильную траекторию движения руки аїри повторяющихся рабочих операциях, робот должен обладать памятью: на вращающемся магнитном барабане, на цилиндри­ческих магнитных тонких пленках, как в роботах «Unimale», на потенциометрах, как в роботах «Versatran» фирмы «AMV», или

на металлоокисных полупроводниках (МОП) сдвиговых реги­страх, разработанной шведской фирмой «Relab».

Кроме того, используются полупроводниковые запоминаю­щие устройства (ЗУ), связанные с мини-ЭВМ, как в работе фир­мы Cavassaci Corporation (Япония) или «Sindstrand Corpora­tion» (США).

К устройствам памяти необходимо отнести также простые конечные выключатели и механические упоры с предварительной установкой положения, используемые в большинстве недорогих роботов. В роботе «Unimate» функцию программирования вы­полняет транзисторный логический блок, считывающий инфор­мацию из ЗУ на цилиндрических магнитных пленках. В роботе «Versatran» и многих других последовательность выполняемых операций задается посредством переключения короткозамыкаю - щих штырей и электронной коммутационной панели, от которой управляются логические схемы на реле.

Конкретный вариант системы управления определяется тех­нико-экономическими показателями. На рис. 21 представлены основные (базовые) компоновочные схемы промышленных DO - ботов [12].

Технический интерес представляет промышленный робот для манипулирования сварочными клещами (рис. 22). Он имеет за­поминающее (программирующее) устройство для управления рабочими и вспомогательными движениями инструмента [14].

При составлении программы можно использовать обратную связь — после установки инструмента с помощью кнопок управле­ния гидравлическим сервоприводом в требуемой точке его рас­положение кодируется и записывается на программу. Емкость накопителя позволяет запомнить несколько различных про­грамм. Зона обслуживания робота 220° в горизонтальной пло­скости, 57° в радиальной плоскости, 1050 мм в радиальном на­правлении. Масса инструмента до 11,3 кг; точность его установ­ки ±1,2 мм; радиальная скорость 0,76 м/с; вертикальная ско­рость 1,27 м/с; скорость вращения инструмента и поворота кон­соли 110° в секунду.

Загрузочные устройства (роботы) с программным управлени­ем выполняют разнообразные транспортные и технологические операции. Устройства с программным управлением «Versatran» представляют собой перемещающуюся по напольным или под­весным направляющим стойку, несущую горизонтальную механи­ческую руку (рис. 21, а) с захватом.

В зависимости от исполнения цикл работы робота состоит из комбинации следующих движений: перемещение всего устрой­ства по направляющим, вертикальное перемещение механиче­ской руки по стойке, горизонтальное прямолинейное перемеще­ние захвата, поворот механической руки в горизонтальной пло­скости, поворот захвата относительно механической руки, зажим - разжим захвата,

Управление — горизонтальное или контурное. Величина го­ризонтального перемещения руки — до 1000 мм, вертикального — до 750 мм; точность позиционирования ±0,5 мм. Максимальный поворот механической руки 240е. 1 рузспсдъемность — до 60 кг •при длине механической руки 1100 мм.

Устройства применяют в производстве, где условия работы тяжелы, вредны и опасны для здоровья человека: при штампов­ке, ковке, точечной сварке, литье под давлением и т. д.

Некоторые устройства оборудованы запоминающими система - ми на магнитном барабане различной емкости, обеспечивающи­ми запоминание от 128 до 1024 команд, записанных методом «сам ообслуживания ».

Такой метод программирования применяет фирма «Unimate». Устройства этой фирмы (см. рис. 21,6) представляют собой смонтированную на корпусе механическую руку с гидравличе­ским приводом, действующую по программе по пяти координат­ным осям.

Основные движения механической руки следующие: поворот •относительно корпуса вокруг вертикальной оси, поворот относи­тельно корпуса вокруг горизонтальной оси (наклон), горизон­

тальное прямолинейное перемещение захватов механической ру­ки, поворот захватов вокруг вертикальной оси, разжим-зажим захватов.

Самые маленькие (по размерам) роботы серии 2000 имеют руку, которая может выступать от точки подвески почти на 2,5 м и перемещать нагрузку на шаг 0,12 мм. Такой гидромеханиче-

Рис. 22. Робот фирмы «Кика» (ФРГ’):

/—сервоусилитель; 2—сервоклапан; 3—фотоэлектрическое коди­рующее устройство; 4—гидропривод; 5—зажимное устройство; б—программирующее устройство; 7—кнопка «пуск—стоп»; 8— управляющая и контролирующая система; 9—гидронасос

:кий робот имеет массу около 1400 кг, высоту 1,5. м и размеры? эснования 1,5x1,2 м.

Роботы все шире внедряются в сферу сварочного производ­ства. Так, роботы фирмы «Unimate», оборудованные сварочными •слешами, успешно используются в сварочных линиях на заво­дах многих фирм. По мнению представителей фирмы «General Vlotors», надежность сварки при использовании роботов так же зысока, как при использовании любого другого автоматического» оборудования.

Большое внимание уделяется повышению точности сварочно - 'О оборудования и встройке в него систем управления процес­сом сварки. Японская фирма «Matusita», например, разработала жепериментальную замкнутую систему с запоминающим устрой­ством на ленте для управления сваркой в среде углекислого газа. Система работает в следующем порядке: квалифицированный сварщик пускает машину и выполняет цикл сварочного процес - а, а система управления использует импульсы для записи на [енту режимов сварки. После этого менее квалифицированный >

сварщик может работать на сварочной машине по программе, не ориентируясь на показания приборов, которые автоматически регулируют параметры процесса сварки

Фирма «Walritronik» (США) использует ЭВМ для управле­ния работой большого числа сварочных постов в поточной линии. Регулируются режимы сварки гг последовательность работы сва­рочных постов.

Робот АЗ шведской фирмы «R. Kainfelf» оснащен шаговым искателем, который может управлять 30 движениями. Кроме го - го, можно осуществить несколько независимых от него ЦИКЛОВЫХ оперений. Грузоподъемность устройства 5 кг; точность позицио­нирования— 0,15 мм; горизонтальное передвижение руки 750, 3000 и 1200 мм, вертикальное 300 мм.

Поворотный фланец захватывающего устройства соединен с двумя сдвоенными цилиндрами, а также с девятиступенчатой спсі смой упоров для управления конечными положениями. Са­мо захватывающее устройство снабжено сменными губками, позволяющими производить захват изделий различных конфигу­раций.

Этой же фирмой выпущена серия упрощенных устройств грузоподъемностью до 65 кг (обычно работает с грузом до 15 кг) и точностью позиционирования ±0,05 мм. Устройство ос­нащено электрическими (а не электронными) и гидравлическими приборами управления, что облегчает его наладку, программи­рование и ремонт. Перемещение рабочего органа по горизонта­ли почти 1300 мм.

Коэффициент использования устройства во многом опреде­ляется принятой планировкой оборудования. Если устройство установлено стационарно, то оборудование целесообразно рас­полагать вокруг устройства в зоне действия его исполнительно­го механизма. Большое значение при этом имеет число управ­ляемых координат. Если устройство имеет возможность переме­щения, то расположение оборудования не играет особой роли. Однако в обоих случаях группировка оборудования должна пре­дусматривать последовательность операций и минимальное меж­операционное транспортирование.

Эффективность устройств повышается благодаря их быстро­действию.

Для рассматриваемых устройств характерно торможение ис­полнительного органа в конце хода и повышенная транспортная скорость на основном участке пути, с принудительной фиксацией изделия в захвате №

Выводы. 1. Автоматизация процесса сборки — основное на­правление совершенствования сборочно-сварочного производ­ства.

Применение позиционеров и другого сборочно-сварочного технологического оборудования дает значительный эффект в результате сокращения времени на кантовку изделия. Кроме то­

го, создается возможность выполнения почти любого сварочного» шва, в нижнем, удобном для сварки, положении. Сварочные вра­щатели и манипуляторы сообщают изделию вращение с задан­ной рабочей скоростью.

2. Наибольшую трудоемкость составляют элементы сбороч­ных операций, связанные с подачей и взаимной ориентацией собираемых деталей. Эффективной мерой снижения трудоемко­сти сборочного процесса является создание узлов автоматиче­ской ориентации и подачи в зону сборки деталей.

3.Конструктивное исполнение сварочной технологической» оснастки должно обеспечить сборку и сварку изделия, минуя опе­рацию прихватки. Тем самым сокращается объем вспомогатель­ных операций и повышается качество изготовленных изделий.

4.При создании манипуляторов в первую очередь следует учитывать возможность их переналаживания в пределах групп изделий, обладающих технологической общностью. С этой цельк> надо использовать принцип агрегатирования на базе типовых унифицированных узлов.

5. Сварочные манипуляторы должны обеспечивать удобство - загрузки и выгрузки готовых изделий с применением средств межопер ациоиного транспорта.

6. Сборочно-сварочная технологическая оснастка должна быть оборудована приточно-вытяжной вентиляцией (преимуще­ственно встроенной в оснастку).

7.Для обеспечения плавности работы подъемно-поворотных механизмов следует использовать в качестве рабочего органа гидроприводы.

8. Применение промышленных роботов для автоматизации и механизации сварочных технологических процессов исключает проектирование и изготовление специальных манипуляторов, за­грузочных и транспортных устройств. Роботы для сварки (осо­бенно дуговой) необходимо оснащать специальными датчиками и системами, позволяющими корректировать программу путем слежения по стыку, контролировать качество шва и автоматиче­ски регулировать режим сварки.

Опыт показывает, что целесообразно совмещать управление движением электрода и режимом сварки в едином программи­рующем устройстве. Внедрение же роботов третьего поколения, оборудованных ЭВМ с телевизионным устройством, самостоя­тельно решающих возникающие в процессе работы задачи, повы­сит коэффициент автоматизации производственного процесса. [2]

нее их закрепление, исключающее нарушение размеров и гео­метрии всего свариваемого узла от действия сварочных дефор­маций; б) величины сварочных деформаций, так как через сило­вые механизмы отводится теплота от сварочной ванны в техно­логическую оснастку; в) вспомогательное время на сборку узла в сборочно-сварочной оснастке.

Анализ эксплуатации силовых механизмов сборочно-свароч­ной технологической оснастки на предприятиях тракторного и автомобильного машиностроения позволил определить типаж наиболее используемых механизмов зажима и ориентации, пред­ставляющих технический интерес при разработке новой и модер­низации существующей сборочно-сварочной оснастки.

Зажим деталей в сварочной оснастке (приспособлениях) вы­полняется как ручным способом, так и механизированным управ­лением (от силового источника) при помощи винтовых, клино­вых и рычажных элементов.

Конструктивное исполнение зажимов очень многообразно, однако по способу получения усилия зажатия их можно разде­лить на механические, пневматические, гидравлические н маг­нитные.

К механическим зажимам относятся клиновые, винтовые, ры­чажные и другие механизмы.

Клиновые механизмы — наиболее простые в изготовлении; они позволяют создавать значительные усилия зажима. Их сле­дует изготовлять самотормозягцимися, т. е. угол скоса клина должен быть меньше угла трения. В сочетании с пневматически­ми приводами клиновые механизмы создают компактные и на­дежные в эксплуатации устройства.

Винтовые зажимы — наиболее распространенный тип механи­ческих зажимов; они являются силовыми звеньями приспособле­ний; должны обладать достаточной прочностью и жесткостью. В связи с этим, основные элементы зажимов следует рассчиты­вать. Винты в зажимных устройствах изготовляют с треуголь­ной, прямоугольной, трапецеидальной резьбой. При работе они испытывают напряжение сжатия, растяжения и кручения. Винг должен быть самотормозящимся.

Рычажные зажимы — очень разнообразные по конструкции быстродействующие механизмы. Очень часто их используют в качестве элементов усиления.

Эксцентриковые зажимы — применяют в оснастке серийного производства. Основное их достоинство — быстрота действия. В сборочно-сварочных приспособлениях используют только круг­лые эксцентрики, устанавливаемые в горизонтальной или верти­кальной плоскостях. В силовом отношении они аналогичны кли­новым зажимам. Наиболее распространены эксцентрики само - тормозящего типа.

Пневматические и гидравлические зажимы широко применя­ют в сборочно-сварочной оснастке. Основное их достоинство —

быстрота срабатывания, дистанционное управление, а в совокуп­ности с другими видами зажимов они обеспечивают надежное закрепление изделия.

В основном такие зажимы используют для закрепления круп­ногабаритных изделий. Их конструкция зависит от типа приспо­собления, характера закрепления детали, способа подачи рабо­чего органа и т. д.

В установках, где процесс сварки протекает под слоем флю­са, гидравлический привод силовых органов использовать не ре­комендуется. Масло, попадая в систему флюсоотсоса, спекается с флюсом, проходные сечения шлангов подачи флюса забивают­ся, подача его в зону сварного шва прекращается. В результате нарушается нормальный цикл работы сварочной установки. В этих случаях наиболее целесообразно применять пневматиче­ские приводы с клиновыми усилителями.

Правильный подбор механизмов зажима и ориентации дета­лей имеет большое значение для уменьшения сварочных дефор­маций, а также для освобождения загрузочной зоны приспособ­ления.

Конструктору, проектирующему сборочно-сварочную оснастку, необходимо помнить, что все детали приспособлений, находящие­ся в зоне сварки, а также резьба силовых элементов, должны бьпь надежно защищены от действия сварочных брызг.