Робототехнические комплексы сборочных операций

Сборка - завершающий этап производства, во многом определяющий стоимость и качество продукции.

Сборочные работы в различных отраслях машиностроения составляют 40—50 % общей трудоемкости изготовления изделия, что объясняется низким уровнем их автоматизации и механизации. При этом уровень механизации не превышает 25—40 %, а автоматизации, используемой в основном в условиях крупносерийного и массового производства, 5—7 %.

В условиях серийного производства, удельный вес которого в общем валовом продукте составляет 70 %, стоимость сборки существенно выше, чем в массовом производстве, главным образом вследствие большого объема пригоночных и доводочных операций и значительной трудоемкости межоперационного и межцехового транспортирования.

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 производства 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

Изменяя конструкцию деталей, иногда даже незначительно, можно более эффективно использовать автоматическое сборочное оборудование, уменьшить число сборочных головок, сократить операцию сборки, уменьшив количество сборочных операций и упростив их.

В то же время, изменяя конструкцию изделий, можно усложнять технологический процесс изготовления, поэтому окончательное решение по изменению конструкции объектов сборки должно приниматься по результатам технико-экономических расчетов.

К деталям, предназначенным для автоматической сборки, предъявляются следующие требования:

• простота конструкции, обеспечивающая удобство складирования и ориентации;

• наличие на сопрягаемых поверхностях направляющих элементов, облегчающих соединение;

• наличие ярко выраженных базовых поверхностей, размеры которых и расположение их относительно сопрягаемой поверхности должны быть выдержаны с необходимой точностью;

• стойкость к повреждениям при воздействии сборочного инструмента и оснастки;

• унификация и стандартизация;

• гарантия качества деталей.

Тип и конфигурация базовой детали определяют конструкцию сборочного приспособления и схему базирования. Условия сборки, выбор базовых поверхностей для захватывания и установки присоединяемой детали, а также последовательность сборки зависят от пространственного расположения поверхностей сопряжения. Наиболее подготовленными к автоматической сборке являются две типовые схемы.

Одна из таких схем представляет собой комплект с охватывающей базовой деталью, в которую последовательно устанавливаются распорные втулки, уплотнительные манжеты, пружинные кольца и другие детали, или предварительно собранные комплекты или изделия, например подшипники качения. В качестве базовой могут служить детали коробчатой формы, фланцы, блоки зубчатых колес и т.п.

Вторая группа комплектов представляет собой сборочную единицу с базовой деталью типа вала - втулки, на которую устанавливаются отдельные детали или предварительно собранные комплекты и изделия.

Выделение из изделий типовых комплектов позволяет применить методы групповой технологии и повысить эффективность автоматизации сборки в серийном производстве.

Таким образом, от того, на каком уровне и с использованием каких принципов будет сконструирован сборочный узел машины и сама машина, зависит успех автоматизации ее сборки. Процесс автоматической сборки с помощью промышленных роботов подразделяется на несколько этапов:

• накопление в различных устройствах (налетах, магазинах, бункерах, кассетах и т.п.), конструкция которых зависит от конфигурации и габаритов объектов сборки;

• захватывание детали (объекта) роботом, оснащенным захватом или сборочным инструментом;

• транспортирование с помощью промышленного робота на позицию сборки и от нее к позиции накопления (выдачи);

• ориентация, которая может происходить как при предварительной подготовке объектов к сборке, так и в ходе технологического процесса;

• сопряжение деталей с помощью промышленного робота или на специальном сборочном оборудовании.

Существует три основные концепции построения робототехнических сборочных систем:

1. Вся сборочная операция расчленяется на элементарные, каждая из которых выполняется узкоспециализированным роботом. Эта концепция нашла широкое распространение при автоматизации массового производства. В этом случае не требуется сложного периферийного оборудования для подачи и ориентации деталей и средств адаптации.

2. Промышленный робот — сборщик располагается в центре комплекса. Вокруг него располагается различное вспомогательное оборудование с необходимым запасом деталей. Робот в соответствии с программой извлекает детали и осуществляет их сборку, используя при этом стационарные монтажные приспособления и оснастку.

3. Весь сборочный процесс расчленяется на группы элементарных операций. При этом для сборки каждой сборочной группы используется специализированный робот. В этом случае работа всех роботов осуществляется центральной управляющей ЭВМ.

Промышленные роботы, применяемые для автоматической сборки изделий машиностроения, выполняют основные и вспомогательные операции, т.е. соединение и транспортирование деталей и изделий.

Для операции соединения промышленные роботы используют захваты, сборочный инструмент и приспособления. Эти устройства вместе с промышленными роботами, а также накопители деталей, транспортирующее, технологическое, контрольное и другое оборудование составляют сборочный РТК. Возможность легкой и быстрой переналадки сборочных| комплексов — главная их особенность, которая является решающей в условиях серийного многономенклатурного производства.

По структурному признаку сборочные РТК подразделяются на однопозиционные и многопозиционные, т.е. с концентрацией или дифференциацией операций процесса сборки.

Компоновка комплекса зависит в первую очередь от числа деталей в сборочной единице, их размеров и массы, а также от годовой программы выпуска и номенклатуры собираемых изделий.

При однопозиционной сборке простых узлов изделий с выпуском 0,5—1 млн. шт / год транспортные операции (такие, как подача деталей из накопителей в сборочное приспособление, установленное на технологическом оборудовании, и удаление собранного изделия) могут осуществляться одним или двумя промышленными роботами с помощью захватов.

При сборке в мелкосерийном производстве узлов изделий в количестве десятков тысяч штук в год предпочтительнее схемы одно- и двухпозиционной сборки, выполняемые одним промышленным роботом последовательно с помощью быстро- сменных захватов и сборочных инструментов. Набор захватов и инструментов, необходимых для сборки партии изделий одного типоразмера, устанавливается в инструментальный магазин при наладке РТК.

Для сборки сложных изделий с годовой программой выпуска порядка нескольких сотен тысяч штук в год может быть применена многопозиционная схема с круговой или линейной траекторией перемещения собираемого изделия соответственно на круглом делительном столе или конвейере, обслуживаемом автоматическими манипуляторами или промышленными роботами, число которых определяется в основном количеством деталей в изделии.

К конструктивным особенностям промышленных роботов для сборки относятся:

• возможность автоматической смены захватов и сборочных инструментов;

• широкий диапазон скоростей перемещения исполнительных звеньев;

• адаптация к определенным условиям захватывания и соединения деталей (возможность встройки различных датчиков и наличие функциональных связей между ними и системой управления промышленным роботом);

• контроль качества сборки (возможность встройки в конечное звено робота датчиков контроля технологических параметров объекта сборки) ;

• повышенная точность позиционирования или наличие устройств компенсации погрешности позиционирования при соединении деталей.

Специфика условий выполнения операций соединения разнообразных по конструкции деталей с помощью промышленных роботов предопределяет создание специализированного сборочного инструмента достаточно широкой номенклатуры.

В зависимости от области применения используют сменный или быстросменный сборочный инструмент, различающийся местом и способом крепления. С помощью сменного инструмента выполняется одна и та же операция сборки деталей во всей партии собираемых изделий, затем инструмент снимается, и закрепляется в конечном звене промышленного робота вручную при наладке оборудования на сборку очередной партии изделий. Быстросменный инструмент автоматически сменяется в цикле сборки одного изделия и поэтому может применяться для сборки изделий разного типа.

Для успешного соединения деталей с возможно меньшими удельными затратами на единицу продукции и наибольшей производительностью сборочный инструмент для промышленных роботов должен соответствовать следующим требованиям:

• унификация по элементам базирования деталей и месту присоединения к роботу;

• допустимая по условиям сборки погрешность захватывания деталей;

• надежность захватывания и транспортирования детали на сборочную позицию;

• обеспечение компенсации погрешности взаимного расположения сопрягаемых поверхностей перед соединением;

• легкость регулировки и переналадки для присоединения однотипных деталей в установленном диапазоне размеров;

• возможность встраивания элементов контрольных устройств и средств адаптации.

Автоматическое соединение деталей обусловливает высокие требования к точности взаимного расположения сопрягаемых поверхностей и траектории перемещения. Неточность взаимного расположения сопрягаемый поверхностей определяется погрешностями позиционирования подвижных узлов сборочного оборудования, взаимного расположения сопрягаемой и базирующей поверхностей деталей, установки базовой детали в приспособлении и присоединяемой детали в инструменте, базирования деталей в накопителях и транспортно-подающих устройствах.

В связи с трудностью достижения необходимой точности взаимного расположения сопрягаемых поверхностей на переналаживаемом программируемом оборудовании прибегают к компенсации указанных погрешностей.|

Погрешности взаимного расположения деталей при сборке компенсируют двумя принципиально различными способами:

1) активным — с применением датчиков, которые измеряют усилия и моменты, возникающие при сопряжении деталей, и дают команды на дополнительные перемещения узлов робота или оборудования сборочного комплекса;

2) пассивным — с применением кинематических элементов и устройств, устанавливаемых непосредственно на сборочном приспособлении или инструменте и выполняющих автоматический поиск сопрягаемых поверхностей, для чего на сопрягаемых деталях необходимо иметь соответствующие вспомогательные поверхности: фаски, скосы и т.п.

Первый способ наиболее универсален, но применим при оснащении сборочного оборудования соответствующими механизмами перемещения и широким набором средств адаптации. Второй способ менее универсален, но значительно проще и требует меньших затрат времени на выполнение сборочной операции, а средствами очувствления оснащаются лишь устройства поиска детали и контроля ее наличия на сборочной позиции.

Кроме компенсации погрешности расположения деталей при сборке необходим контроль:

• наличия в захватных инструментах сопрягаемых деталей и их правильной ориентации;

• качества сборки, в том числе требуемых усилий сопряжения;

• собираемости деталей, что позволяет осуществить селективную сборку, когда из массы деталей выбираются такие, которые по своим параметрам обеспечивают возможность автоматической сборки. Это также позволяет упростить вспомогательное оборудование, применяя системы, производящие анализ и выбор требуемых деталей в режиме адаптивного управления. Кроме того, используют совместное управление несколькими роботами, согласуя их движения при сборке изделий.

30