1. Применение промышленных роботов на погрузочно-разгрузочных работах

Промышленные роботы на погрузочно-разгрузочных работах получают все более широкое применение. Например, на 300 маши­ностроительных предприятиях США 45% всех ПР применяют на погрузочно-разгрузочных операциях, а в Швеции — до 50%.

На рис. 3.12 показаны структурно-компоновочные схемы раз­личных типов стационарных и передвижных ПР, которые могут быть использованы на погрузочно-разгрузочных и транспортных операциях. Манипуляторы монтируются на рельсовом ходу (рис. 3.12, а), на монорельсовых тележках (рис. 3.12,6, в), на фермах мостовых кранов (рис. 3.12, в, ж), передвижных (рис. 3.12, г, з) и стационарных (рис. 3.12, в) порталах. Кинематические схемы ПР обеспечивают обслуживание различных геометрических зон: ци­линдрической, прямоугольной, сферической и т. д.

Рис. 3.12. Основные конструктивные схемы промышленных роботов:

а — напольно-стреловая; б — тельферно-стреловая; в — мосто-стреловая; г — портально-стре­ловая; д — портально-шарннрно-стреловая; е — тельферно-шарннрная; ж — мосто-шарнир­ная; з — портально-шарнирная. Стрелками указаны переносные и межпозиционные степени

свободы движения руки

Рассмотрим конкретные примеры применения ПР на ПРСТ-опе- рациях.

Несколько типов манипуляторов разработаны ВНИИПТмашем для загрузки и разгрузки подвесных грузонесущих конвейеров. К их числу относится робот модели МАК-1 грузоподъемностью 50 кг. Он является роботом первого поколения подвесного типа с жесткой программой выполнения рабочих движений. Робот состо­ит из тележки 2 (рис. 3.13), колонки 3, механической руки 4 с гру­зозахватным устройством l.

Рис. 3.13. Конструктивная схема промышленного робота МАК-1

При выполнении рабочего цикла робот совершает четыре вида движения: подъем, поворот, выдвижение руки и перемещение па­раллельно движению подвесного конвейера с той же скоростью. Разгружая подвесной конвейер 5, манипулятор подает грузы на на­польные транспортные средства, укладывает их в контейнеры, на поддоны, размещает в заданном порядке в штабель.

Анализ конкретных погрузочно-разгрузочных задач на грузоне- сущих конвейерах позволил определить для робота МАК-1 мини­мально необходимое число независимых перемещений: оказалось, что в общем случае для большинства перегрузочных операций до­статочно трех независимых перемещений. В отдельных случаях, на­пример для укладки взятия грузов в ящичную тару, достаточно че­тырех независимых перемещений. Для переориентации грузов в процессе перегрузки нужны дополнительные вращательные дви­жения рабочего органа — схвата.

Линейные перемещения следующие: движение вдоль конвейера по оси Ох, которое необходимо для синхронного движения манипу­лятора совместно с конвейером во время погрузочно-разгрузочной операции; движение от точек погрузки-разгрузки на конвейере к на­польному транспорту, поддону, таре и т. п. для обслуживания не­скольких погрузочно-разгрузочных точек, расположенных вдоль грузонесущего конвейера: перемещение схвата перпендикулярно к грузонесущему конвейеру по оси 0у, которое необходимо для введе­ния схвата'в зону грузовых подвесок конвейера и вынесения груза из зоны обслуживания загрузочных позиций технологического обо­рудования, конвейеров, поддонов и др.; вертикальное движение по оси Ог, которое необходимо для опускания схвата на груз, обслужи­вания нескольких грузовых мест на подвеске 6 конвейера, располо­женных вертикально, опускания груза на поддон, в тару и т. д.

Для укладки грузов в ящичную тару манипулятор изготовляет­ся с длинной рукой — по глубине тары, опускающейся в вертикаль­ном направлении. Для переориентации перегружаемых грузов ма­нипулятор может быть также выполнен с вращательными движе­ниями на схвате.

Наибольшее перемещение схвата ПР-МК-50: по оси Ох— 500 мм, по оси 0у — 6000 мм вдоль подвесного конвейера, по оси 0г — 800 мм. Скорость линейных перемещений 0,3 м/с, поворота руки 7,5 об/мин, точность позиционирования ±3 мм, мощность электро­двигателя 3 кВт.

ВНИИПТмашем разработана также конструкция манипулятора для обслуживания грузонесущих подвесок конвейеров ШБМ-15 гру­зоподъемностью 150 кг и МАК-2-320 грузоподъемностью 320 кг, ос­нащенных сменными вакуумными и электромагнитными захватами. Манипулятор МАК-2-320 имеет следующие характеристики: скоро­сти передвижения 30 м/мин, выдвижения вилок 20 м/мин, угол по­ворота 180°, время цикла 1 мин, масса 800 кг. ВНИИПТмашем разработаны промышленные роботы-манипуляторы грузоподъемно­стью 5—50 т, скоростью: подъема 10 м/мин, движения 10 м/мин, поворота 2 об/мин.

Для выполнения погрузочно-разгрузочных и складских работ научно-производственным объединением «Комплекс» созданы ав­томатические манипуляторы модели КШ-63 грузоподъемностью 63 кг, КШ-160М-1 грузоподъемностью 125 кг. Указанные манипу­ляторы обслуживают зону на высоте До 1,6 м и в радиусе до 3 м, имеют четыре степени свободы движении и автоматическую систе­му уравновешивания груза. Последняя особенность имеет сущест­венное значение при работе на различных вылетах стрелы. Мани­пуляторы КШ-63 и КШ-160М-1 оснащены устройством техническо­го зрения, позволяющим анализировать визуальную информацию о линейных размерах и ориентации транспортируемых грузов, на­ходящихся на конвейере.

Известны примеры успешного применения ПР на погрузочно- разгрузочных работах за рубежом. Изготовляются роботы-манипу­ляторы грузоподъемностью 68 кг, предназначенные для укладки грузов на поддоны: 48 изделий укладывается в восемь рядов по шесть мест в каждом ряду поддона. Точность позиционирования головки схвата ±0,75 мм, управление механизмами автоматическое, с перфоленты. Манипулятор состоит из вертикальной колонны, по которой передвигается каретка с рукой. Угол поворота колонны 240°, захватное устройство выполняет до шести различных движе­ний. Для манипулятора разработана адаптивная система управле­ния с оптимизацией рабочих движений, обеспечивающей переме­щение груза оптимальной траектории.

Разрабатываются специальные конструкции ПР, предназначен­ные для обслуживания массивов стеллажей. Бортовые системы уп­равления такими ПР имеют интерфейс с управляющими централь­ными ЭВМ, на которые возлагаются функции стратегического уп­равления складом. На рис. 3.14 показана технологическая схема модуля складской системы с промышленным роботом-комплектов- щиком.(ФРГ) мод. «Короб».

П

Рис. 3.14. Модуль авто­матизированного склада с промышленным робо­том:

1 — секция одноярусного хранения грузов; 2 — элек­тронное оборудование; 3 — концевые выключатели; 4 — транспортный робот; 5 — ме­ханизм подачи поддонов и приема грузовых пакетов; 6 — стеллаж; 7 — конвейер; 8 — канал связи; 9 — интер­фейс с «интеллектом»; 10 — управляющая ЭВМ

ри перемещении ПР вдоль стеллажа, в ячейках которого хра­нятся поддоны с материалами в коробках, он останавливается в соответствии с заданной программой у тех или иных ячеек, выдви­гает вакуумный схват, захватывает им соответствующую коробку и укладывает ее на свой поддон (см. рис. 3.14). Формирование грузового пакета осуществляется в соответствии со схемой их раскладки. Причем эта схема определяется вычислительным устройст­вом ПР с таким расчетом, чтобы из разных по размерам и массе (до 25 кг) упаковок можно было сформировать стандартный гру­зовой пакет.

В ячейки памяти системы управления ПР записаны координаты всех мест хранения и адреса ячеек стеллажей и находящихся в них грузов, из которых комплектуется пакет. На этапе разработки, о котором идет речь, ПР «Короб» работал только по жесткой про­грамме.

В перспективе управление всеми шестью степенями подвижно­сти, которыми обладает ПР «Короб», будет возложено на ЭВМ. Причем одну из степеней свободы имеет ходовая платформа-тележ­ка. Диалог пользователя с ЭВМ предполагается осуществлять че­рез дисплеи с помощью программ приема заказов на комплектова­ние грузовых пакетов. В память центральной ЭВМ вводятся все необходимые для формирования грузовых пакетов в автоматиче­ском режиме данные об имеющихся в наличии на складе тех или иных грузах указанием их геометрических параметров, а также ад­ресов ячеек стеллажей и координат их мест размещения на поддо­нах, на которых они хранятся. Расчетная производительность ПР «Короб» — шесть грузовых единиц в минуту.

Существенным элементом технологии ПР на погрузочно-разгру­зочных работах является опознавание формы и ориентации грузов в процессе формирования и расформирования пакетов. Опишем процесс опознавания и перемещения неориентированных различной формы изделий, выполняемых рукой ПР, оснащенной системой сен­соров. Вначале механическая рука выполняет поисковые движения для обнаружения коробки, которая имеет размер больший, чем размер груза. Коробка представляет собой контейнер. Идентифици­ровав коробку, автомат определяет ее ориентацию и размеры, а также соответствующую этому моменту позицию руки. В память ЭВМ записывается данная информация. После этого рука направ­ляется для отыскания груза, имеющего форму куба.

В момент контакта с грузом определяется его позиция, размер, что необходимо для ориентирования схвата относительно груза. Затем срабатывает захват, и механическая рука перемещает груз к месту расположения контейнера-коробки. Перемещение происхо­дит до контакта груза с контейнером-коробкой. В этот момент система опознавания ориентирует положение груза относительно ко­робки и опускает его в контейнер. Далее процесс перемещения гру­зов и заполнения контейнера повторяется. В процессе поиска, опо­знавания и транспортирования груза система управления контро­лирует его позицию относительно препятствий, расположенных на траектории движения.

О том, как осуществляется технология пакетирования грузов на поддоне, можно проследить на примере применения манипуляцион­ного робота мод. «Кавасаки-Юнимейшн 3030» (Япония) грузоподъ­емностью 30 кг. Робот функционирует в прямоугольной системе координат, имеет четыре степени свободы движения. Устройство уп­равления для записи программы располагает стандартными дис­ками. На дисках может быть записано до 510 операций. Основные технические характеристики ПР: максимальная скорость движения по координатам =0,9 м/с, =0,45 м/с, =0,9 м/с; зона обслу­живания по данным координатам соответственно 3000Х2000Х ХІ200 мм, максимальный угол поворота 180°, скорость поворота 0,250 об/мин.

Существенная особенность робота — возможность функциониро­вания в режимах обучения и самообучения. При обучении реали­зуются два варианта работы — нормальный и укладка груза на поддон. В нормальном режиме рука перемещается в зоне подачи груза от одной точки к другой, которые выбираются человеком. Сигналы о координатах этой точки записываются в памяти робота. В режиме укладки груза на поддоне, в зависимости от параметров пакетируемых грузов, вычисляется начальное положение груза, а затем последующие положения. Нормальный режим фиксируется в виде основной программы, а второй — в виде подпрограммы.

Рис. 3.15. Пакетирование грузов обучающимся промышленным роботом:

а — траектория движения схвата; б — схема размещения грузов на поддоне: в —диаграм­ма переходных процессов; г — диаграмма с участком установившегося движения

Основной способ обучения ПР приведен на рис. 3.15. Рассмот­рим схему движения ПР при его отработке. Груз, подлежащий за­грузке на поддон, ориентируется на определенной позиции 1 в точ­ке М. Затем он транспортируется на поддон по маршруту АВС. Движение руки по ломаной МРМ (рис. 3.15, а) записывается в па­мяти как основная программа, поскольку данный участок пути от­носится к нормальному режиму движения, а движение по маршру­ту РАБС АР — в виде подпрограммы, так как этот путь соответст­вует укладке груза на поддон.

При загрузке поддона для каждой единицы груза запоминается четыре элементарных операции, соответствующих позициям А, В, С и А. Координата точки В выбирается в зависимости от парамет­ров груза, в частности его массы. В этой точке для обеспечения вы­сокой точности позиционирования скорость опускания груза умень­шается.

При самообучении реализуются три режима. В первом режиме схват ПР при перемещении к точке А фиксируется на высоте и нажатием клавиши на пульте управления, в результате чего в памяти записывается программа перемещения по пути АВСА. При работе во втором режиме рука и схват робота не перемещаются, а записываются координатные точка С и информация положения груза в точках А и В на высоте и .

Третий режим реализуется при матричной схеме укладки грузов на поддоне. В этом случае после фиксирования груза в точках А и В при дальнейшем перемещении груза к точке С устанавливается определенный шаг размещения грузов Ах и Аг/ в направлениях осей Ох, 0у на поддоне, которыми определяется точность позициониро­вания (рис. 3.15, б).

Максимально возможная запись информации о позициях груза на поддоне— 16 числовых разрядов в направлениях Ох и 0у. После обучения и накопления в памяти ПР достаточного числа операций включают исполнительный режим работы. Предварительно уста­навливают величину Аг вертикального шага при пакетировании гру­зов в несколько ярусов. По данным ∆х, ∆у, ∆г определяют новые координаты точек В и С, и таким образом составляется полная программа формирования пакета на поддоне.

Технология использования ПР и схема рабочих движений его исполнительных механизмов полностью описывается циклограммой, представляющей собой график рабочего цикла. Циклограмма стро­ится в следующей последовательности: строят зависимости испол­нительных механизмов для типичных ситуаций функционирования ПР, в результате анализа которых определяют периоды разгона _Р, торможения _Т и установившегося движения _у и соответствую­щим этим периодам участки путей L.

Н

Рис. 3.16. Циклограмма движений робота

а рис. 3.15, в изображены зависимости для случая, когда исполнительный механизм работает только в режиме разгона и за­медления. Интервал ( , ) на рис. 3.15, г соответствует установишемуся режиму движения. Следует отметить, что оба графика по­строены для идеального случая — абсолютно жесткой системы, ког­да не учитывается «упругая податливость», и в конце движения на участке t₂, работа механизма осуществляется на постоянной и пол­зучей скорости. Явление «упругой податливости» объясняется на­личием люфтов и зазоров в передачах, возникновением колебаний, которые, однако, затухают при эффективном демпфировании.

После определения продолжительности элементов цикла оп­ределяют возможность совмещения отдельных движений: подъем схвата и поворот руки, движение схвата по горизонтали и поворот и т. д. С целью сокращения продолжительности рабочего цикла ПР устанавливают величину интер­валов совместной работы испол­нительных механизмов.

На « заключительном этапе строят совмещенные циклограм­му движений ПР и зависимости v(t), ω (здесь угловая

скорость поворота). Такая схема в обобщенном виде приведена на рис. 3.16. В итоге определяет­ся продолжительность рабочего цикла и производительность ПР. На рис. 3.17, а приведена техно­логическая схема пакетирования грузов робота, который снимает упаковки с конвейера и укладывает их на поддон. Робот в дан­ной ситуации обслуживает объемно-цилиндрическую зону и поэ­тому его кинематическая структура соответствует варианту, по­казанному на рис. 3.2, в.

На рис. 3.17, б построена циклограмма, соответствующая данной технологической схеме.

В результате проведенного анализа перспектив развития робо­тотехники можно дать следующие рекомендации по технико-эксплуа­тационным требованиям и параметрам, предъявляемым к ПР при погрузочно-разгрузочных операциях ТСК.

В ближайшей перспективе необходимо ориентироваться на три типоразмера ПР: первый тип А грузоподъемностью 80—100 кг, вто­рой тип Б — 800—1000 кг, третий тип В — 5000 кг и более.

Сфера действия ПР первого типа: укладка и разборка пакетов, грузовые операции с пакетированными грузами, передача грузов с конвейера на конвейер. ПР второго типа предназначены для пере­работки пакетированных тарно-штучных грузов. Предполагается, что робот данного типоразмера будет иметь наиболее обширную сферу применения на погрузочно-разгрузочных и складских опера­циях. Робот грузоподъемностью 5000 кг может быть предназначен для манипулирования с пакетами, кассетами и специальными кон­тейнерами, в которых перевозятся лесоматериалы, металлы, тяже­ловесные грузы.

Условиям работы с перечисленными грузами конструктивно в наибольшей степени отвечают компоновочные схемы ПР, построен­ные на базе конструкций мостовых портальных кранов (см. рис. 3.12, в, г, ж, з).

Рассмотрим некоторые параметры и основные технико-эксплуа­тационные требования, предъявляемые к погрузочно-разгрузочным манипуляторам. Вначале уточним функции ПР в ТСК и поточно­транспортных системах робота класса А. Пакетоформирующие и расформировывающие агрегаты размещают на выходе производст­венных конвейеров и на входе транспортных систем, передающих грузы в зоны потребления. Манипуляторами класса В оснащают мостовые и козловые краны, стеллажные краны-штабелеры и робо­тизированные электро- и автопогрузчики. Роботы класса Б в транс­портно-распределительных системах ТСК целесообразно использо­вать на их входе при разгрузке транспортных средств и на выходе при загрузке их пакетами.

Принимая во внимание специфику выполнения погрузочно-раз­грузочных операций, малогабаритные авто- и электропогрузчики целесообразно оснащать автоматическими манипуляторами с сен­сорными элементами.

Создание микропроцессорной техники будет, бесспорно, способ­ствовать реальному осуществлению такого решения. Имеющиеся примеры конструирования роботизированных авто- и электропо­грузчиков с автоматическими манипуляторами и программирова­нием маршрутов движения по трассе подтверждают практическую

возможность и экономическую целесообразность применения этих средств.

При использовании ПР на стационарных позициях возникают трудности, связанные с загрузкой и разгрузкой транспортных средств. Стационарный автомат, устанавливаемый у вагонов или автомобиля, необходимо дополнить машиной, которая должна вы­полнять загрузку и разгрузку транспортных средств. Вместе с тем стационарные ПР, которые, естественно, имеют более простую конструкцию, могут оказаться полезными и более эффективными при использовании их в перегрузочных узлах конвейерных систем.

Для того чтобы работать с неориентированными на своих по­зициях грузами относительно заданных положений, роботы долж­ны иметь четыре степени свободы движений руки и две степени свободы движения кисти руки.

Для точного позиционирования руки и схвата относительно груза точность позиционирования ПР должна составлять ±(2—3) мм. Набор сенсорных устройств помимо тех, которые контролируют пройденный рукой или схватом путь или угол пово­рота, должен включать датчики, определяющие положение, фор­му груза, расстояние схвата от груза. Сенсоры должны реагиро­вать в момент контакта схвата с поверхностью и грузом, переда­вать информацию об этом в систему управления и обеспечивать идентификацию объекта.

Для выбора оптимальной траектории движения руки и схвата и обеспечения совмещения рабочих движений ПР оснащают микро­процессором, выполняющим функции оптимизатора. Системы управления ПР второго и третьего поколений должны быть спа- собны к самообучению. Такие свойства полезны при работе с неориентированными грузовыми единицами и при планировании трассы движения робота. При строгой ориентации грузов на их исходных и конечных позициях, при стандартных размерах грузо­вых единиц могут применяться роботы первого поколения, осна­щенные системами циклового программного управления с фикси­рованной последовательностью операции. Зоны действия ПР клас­са А — высота подъема схвата, радиус сферы обслуживания, угол поворота обусловливаются условиями формирования и расформи­рования пакетов груза (размерами поддона, расстоянием верти­кальной оси поворота руки от точек взятия и укладки грузов; до­пустимой высотой пакета).

Скоростные характеристики устанавливаются в зависимости от предельно допустимых динамических усилий, возникающих при переходных процессах, и определяются эксплуатационно-экономи­ческими соображениями: стоимостью, возможностью и практиче­ской целесообразностью реализации высоких скоростных парамет­ров. Продолжительность рабочего цикла ПР (не более 6—8 с) обеспечивает сопоставимую с пакетоформирующей машиной про­изводительность в пределах 480—600 упаковок в 1 ч. При этом роботы по сравнению с пакетоформирующими и разборочными автоматами отличаются более высокой технологической гибкостью.

Параметры ПР класса Б, определяющие зону его действия, должны учитывать обслуживание транспортных средств при раз­мещении в них пакетов в два яруса. При вылете руки ПР, равном 1500—1800 мм, обеспечивается полное обслуживание всей площади кузова вагона или автомобиля при загрузке и разгрузке транспорт­ных средств. Необходимы установочные движения робота по фрон­ту работ.

При выборе скоростных параметров ПР класса Б следует руко­водствоваться теми же соображениями, что и для ПР класса А. В существующих конструкциях отечественных и зарубежных мо­делей роботов, сходных по грузоподъемности и назначению, достиг­нуты скоростные характеристики, реализация которых позволяет перерабатывать 100—120 пакетов в 1 ч, или 40—50 т/ч. Собствен­ная масса ПР устанавливается на основании анализа и обобщения статистических данных, характеризующих этот параметр у суще­ствующих и запроектированных роботов сходной грузоподъем­ностью. Что касается манипуляторов, установленных на стеллаж­ных и мостовых фермах штабелеров, то их характеристика и параметры приведены в литературе (7].

Для достижения достаточной экономической эффективности и конкурентоспособности ПР класса В, установленные на крановых установках и стеллажных кранах-штабелерах, должны по быстро­действию и другим технико-экономическим характеристикам пре­восходить существующие типы грузозахватных устройств.

В границах каждого класса могут быть созданы несколько моделей ПР, отличающихся некоторыми параметрами, конструк­тивными решениями и областью применения.