Современные роботы в машиностроении / А.С.Климов, О.В.Бойченко, А.Г. Схиртладзе

В книге представлен мировой и отечественный опыт применения промышленных роботов в машиностроительном производстве. Изложены принципы построения роботизированных технических систем и комплексов. Описано устройство наиболее применяемых в мировой промышленности роботов, даны их характеристики.

Книга является учебным пособием для студентов технических вузов по дисциплине «Автоматизация процессов в машиностроении» и при выполнении дипломного проекта по специальности. Она может быть использована инженернотехническими работниками, занимающимися автоматизацией и механизацией машиностроительных производств и процессов.

Введение

В последние десятилетия робототехника заняла ведущее место в автоматизации современного промышленного производства. Ее развитие, несмотря на отдельные спады и взлеты, отличается высокой стабильностью.

Расширение применения роботов в промышленном производстве обусловлено не только стремлением к повышению производительности, но и насущной необходимостью обеспечить высокое качество продукции и стабильность этого показателя при больших партиях или при частых изменениях объектов производства. По мнению экспертов, серьезными стимулами роста инвестиций в производство и применение промышленных роботов также являются:

-непрерывное снижение стоимости промышленных роботов на фоне роста стоимости рабочей силы, обусловленные развитием современного общества;

-недостаток квалифицированной рабочей силы по ряду профессий;

-освобождение работающих на производстве от тяжелого, интенсивного и монотонного труда, особенно на сборочных операциях;

-возможность улучшения экологической обстановки и снижения вредного влияния производства, особенно сварочного, на здоровье производственного персонала.

Инженерные и технологические разработки средств робототехники, в основном, концентрируются собственно на промышленных роботах, имеющих наибольший спрос и уже сложившиеся области эффективного применения в производстве. При снижении стоимости промышленных роботов весомые успехи отмечаются в повышении их служебных характеристик, гибкости и надежности. Самые же значительные достижения наблюдаются в области систем управления роботами, благодаря использованию в них новых поколений микропроцессоров, которые обеспечивают увеличение их функционально-производственных возможностей. Вот почему кажется трудно осуществимым написание серьёзного учебного пособия по элементам систем программирования и управления роботом – оно просто не будет успевать за прогрессом. Эту часть робототехники нужно оставить оперативным и постоянно обновляющимся методическим указаниям к практическим и лабораторным работам.

Построение механической части роботов изменяется не так стремительно, как их интеллект и программирование, а принципы построения механической части остаются достаточно стабильными для того, чтобы их можно было зафиксировать в учебном пособии. Однако сами роботы и тенденции их применения в современной промышленности существенно изменились за последние пять лет. Вот почему появилась необходимость в написании данного учебного пособия, которое включает в себя материал по следующим темам:

1.Общие вопросы робототехники.

2.Состав промышленного робота.

3.Промышленные роботы для погрузочно-разгрузочных, транспортноскладских работ, сборки и вспомогательных технологических операций.

4.Роботы для дуговой сварки.

5.Роботы для контактной точечной сварки.

6.Вопросы безопасности при работе с роботизированными комплексами и

системами В пособии представлена масса справочного материала по роботам, которого

будет достаточно для понимания общей картины состояния современной робототехники и направлений её развития, выбора необходимого робота в качестве средства автоматизации технологического процесса на производстве или в дипломном проекте по специальности.

Авторы данного учебного пособия желают Вам успехов в изучении и освоении представленного материала и надеются, что данное пособие послужит толчком для дальнейшего изучения сложного и интересного мира промышленных роботов.

Глава 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РОБОТОТЕХНИКИ

1.1. Роботы в современном мире

По данным Международной Федерации робототехники на начало 2000 г. в мире было выпущено около миллиона промышленных роботов и около 800 тыс. из них находятся в эксплуатации, составляя общемировой парк промышленных роботов всех типов.

Как видно из проведенного анализа динамики роста стоимостного объёма рынка промышленных роботов (табл. 1.1 и 1.2) в 1999 г. на рынке было реализовано более 81,5 тыс. роботов на сумму более 5,1 млрд. долл. США. При этом средняя стоимость одного робота непрерывно снижается: если в 1991 г. она составляла 103 тыс. долл. США, то в 1995 г. - уже 74 тыс. долл. США, а в 1999 г. – 62 тыс. долл. США. Наиболее дорогие роботы выпускают фирмы США (90…100 тыс. долл. США), а наиболее дешевые (30…35 тыс. долл. США) - фирмы Республики Корея. В 2003 году на мировом рынке было продано около 120 тыс. промышленных роботов, при этом общий мировой парк роботов составил порядка 900 тыс. штук.

Таблица 1.1 Стоимостный объем мирового рынка промышленных роботов и рынка

ряда стран, млн. долл. США

Как видно из табл. 1.2, основной парк промышленных роботов сосредоточен в Японии, США, странах ЕС и Азиатско-Австралийского региона. За исключением нескольких стран, все регионы имеют в 1999 г. положительные по сравнению с 1998 г. темпы прироста ежегодно устанавливаемых промышленных робо-

тов и численности общего парка, составляющие для мира в целом +17,9% и +4,9% соответственно. Прогноз на 2003 г. предусматривает среднегодовой темп прироста количества устанавливаемых в мире роботов около 15%, а темп прироста парка

– примерно 6…7%.

Однако, начиная с 1998 г. заметно некоторое сокращение парка роботов в Японии: так, в 1999 г. падение составило 2,3%, а к 2003 г. прогнозируется снижение еще на 4% по сравнению с 1999 г. Отчасти это также объясняется расширяющейся практикой выведения из эксплуатации промышленных роботов первых поколений и установкой прогрессивных многоцелевых роботов с повышенным качеством функционирования (скорость, воспроизводимость, точность, надежность) и микропроцессорными системами управления.

Таблица 1.2 Количество ежегодно устанавливаемых промышленных роботов и их

общий парк (регионы и страны мира)

Общая численность парка действующих роботов в различных странах мира отличается весьма значительно. Достаточно корректно сопоставление уровня роботизации промышленности различных стран мира принято проводить по такому условному показателю, как "плотность роботов", то есть количество роботов, приходящихся на 10 тыс. человек, работающих в промышленности. Как видно из табл. 1.3, самую высокую "плотность" промышленных роботов всех типов (280…102 ПР на 10 тыс. чел.) имели в 1999 г. четыре страны: Япония, Сингапур, Республика Корея и Германия. На предприятиях Сингапура применяются, в основном, простейшие роботы для несложных сборочно-монтажных операций в ра-

диоэлектронной промышленности, а по плотности прогрессивных типов роботов он занимает одно из последних мест среди других стран.

Робототехника - направление стабильно развивающееся, в первую очередь в промышленном производстве. В других областях применения роботов, как, например, сфера сервиса и производственно-технического обслуживания, индустрия развлечений и индивидуальное обслуживание, производство специализированных роботов и их рынок находятся еще на начальной стадии развития.

Таблица 1.3 Отношение количества роботов к числу работающих в промышленно-

сти стран мира

Технологические области применения промышленных роботов достаточно разнообразны, и, учитывая это, Международная федерация робототехники (IFR) приняла достаточно четкую систему классификации промышленных роботов по областям их технологического применения или видам операций:

-неопределенные (000);

-процессы литья (110), в т.ч.: фасонное литье (111) прочее (119)

-процессы литься пластмасс (130);

-процессы термической обработки (140);

-процессы штамповки и ковки (150);

-процессы сварки (160), в т.ч.:

дуговая сварка (161) точечная сварка (162)

газовая / плазменная сварка (163) лазерная сварка (164)

прочие (169)

- процессы распыления (170), в т.ч.:

окраска и нанесение покрытий (171); герметизация и склеивание (172); прочие (179)

-механическая обработка (180), в т.ч.: установка и съём (181)

резка, шлифовка, зачистка и полирование (182) прочие (189)

-специальные процессы (190), в т.ч.:

лазерная и плазменная резка (191) гидроабразивная резка (192) прочие (199)

- сборка (200), в т.ч.:

механическая сборка и соединение (201) сортировка, монтаж, резка (202) сцепление и прихватка (203)

пайка мягким припоем (204)

управление сборочными операциями (205) прочие (209)

-процессы складирования и упаковки (210);

-измерение, контроль и диагностика (220);

-обработка материалов (230);

-обучение, образование, научные исследования (240);

-прочие (900)

Как видно из представленной классификации, она охватывает основные технологии физико-химической и механической обработки конструкционных материалов, а также такие вспомогательные процессы и операции промышленного производства, как метрология и контроль, упаковка, складирование, транспортирование и др.

Доля сварочных роботов (IFR 160) всего составляет приблизительно 47% от общего парка промышленных роботов (рис. 1.1), причем наиболее распространены роботы для контактной точечной сварки (IFR 162) – 30%. В основном они применяются в автомобилестроении при изготовлении кузовов автомобилей. Роботы для дуговой сварки (IFR161) составляют около 17% от общего числа роботов в мире.

Второй (по численности парка) после сварки областью применения промышленных роботов является обслуживание оборудования и сборка, в которую

входят процессы термической обработки (IFR 140), штамповки и ковки (IFR 150), механической обработки (IFR 180), сборки (IFR 200). На ней задействовано порядка 20% всех роботов. В основном они применяются при загрузке станков, обслуживании прессов, печей.

Третьей по численности группой являются роботы для складирования и упаковки (IFR 210). В основном это роботы средние (грузоподъёмность до 200 кг) и тяжёлые (грузоподъёмность до 1000 кг).

Рис. 1.1. Применение роботов на операциях современного производства

Впечатляющие темпы развития робототехники в конце ХХ века, сопровождающиеся снижением их стоимости, расширением областей применения, увеличением разнообразия выполняемых ими технологических операций и повышением качества функционирования. Робототехника выросла в такой степени, что она является опорой современного автоматизированного промышленного производства, в частности в автомобилестроении. Все это создает отличные перспективы для производства и сбыта промышленных роботов на ближайшие 5-10 лет.

Наиболее представительной группой промышленных роботов, как показано выше, являются роботы, предназначенные для сварочных и родственных технологических операций. Именно сварочные роботы из года в год "осваивают" новые области применения в производстве благодаря использованию таких самых прогрессивных в сварочном производстве технологий, как лазерная сварка и резка (в том числе и под водой), гидроабразивная и плазменная резка, нанесение припоев и клеев, поверхностная обработка и др.

Одновременно растет конструктивное разнообразие сварочных роботов и расширяется их технологическая функциональность. При этом существенно меняются схемы производства сварных изделий и элементов конструкций. Создаются роботизированные поточные линии со встроенными сварочными ячейками и специальными порталами для перемещения роботов и др. Роботизация промышленного производства и, в частности, сварочного производства - это, безусловно, наиболее прогрессивный и экономически эффективный путь его развития.

1.2.Анализ современных фирм-роботопроизводителей

Внастоящее время на мировом рынке действует несколько крупных фирмроботопроизводителей, которые выпускают промышленные роботы различной номенклатуры и ведут жёсткую конкурентную борьбу за потребителя. Для современного инженера необходимо ориентироваться в них.

Такими фирмами являются:

ABB - одна из ведущих и известных фирм в Европе в области производства робототехники. Производит роботов для: монтажа, манипулирования, точечной и дуговой сварки, складирования, упаковки, лакировки, окраски и т.д.

Взависимости от выполняемой работы, могут быть монтированы на потолок, стену или пол. Язык программирования: Rapid. Он является относительно удобным и развитым языком программирования, снабжен корректором синтаксиса и логики, возможно создания диалога с обслуживающим персоналом.

KUKA - не менее известная фирма в Европе, в области робототехники с широким спектром применения роботов: манипулирование, монтаж, полирование, дуговая сварка, точечная сварка, складирование, шлифование, и т.д. В зависимости от выполняемой работы, могут быть монтированы на потолок, стену или пол. Язык программирования: KUKA-Control-Panel (KCP). Удобный язык программирования адаптированный под Windows 95. Снабжен

корректором синтаксиса и логики. Имеется возможность создания диалога с обслуживающим персоналом.