Изучение и анализ критериев компактности промышленной робототехники
Введение
Актуальность темы. В настоящее время в робототехнике наблюдается тенденция к миниатюризации и применению нанотехнологий. Миниатюрные роботы могут проникать в узкие образования (щели, отверстия) и двигаться в них, что позволяет применять их для выполнения различных задач в ограниченных пространствах, например трубах малого диаметра, имеющих размер порядка нескольких миллиметров. Конструкция минироботов зачастую сильно отличается от их макроразмерных аналогов. В качестве маршевых двигателей минироботов обычно используются двигатели, обеспечивающие линейное перемещение без использования трансмиссии, например электромагнитный или пьезоэлектрический. С помощью применения современных нанотехнологий можно улучшить технические характеристики как отдельных узлов миниробота, например устройств сцепления с поверхностью, так и робота в целом.
Происходящие на сегодняшний день изменения в процессах производства миниатюрных компонентов электроники и механики предопределяют ускоренное развитие автоматизированных микротехнологических модулей и микросборочных систем и, в частности, микроробототехнических комплексов (МРТК), построенных на базе мобильных и стационарных микророботов. Практически во всех отраслях промышленности вопросы миниатюризации исполнительных устройств и механизмов являются одними из приоритетных задач; важнейшее значение они имеют для малоресурсных технологических процессов в нанотехнологиях, микроэлектронике, генетике и т.д.
Принципы построения и методы проектирования микросистем, и построения их систем управления наиболее полно отражены в работах отечественных ученых - академика Д.Е. Охоцимского, академика Ф.Л. Черноусько, академика И.М. Макарова, В.М. Лохина, П.П. Мальцева, В.А. Лопоты, А.В. Тимофеева, А.С. Ющенко, Е.И. Юревича, В.Г. Градецкого, В.Е. Павловского, И.В. Рубцова и др, а также в работах зарубежных ученых - T. Фукуда, М. Хаттори, C. Фатикова, П. Дарио, Б.Ж. Нельсона, Х. Верна, У. Рембольда, Х. Ямамото, А. Ковача др.
Несмотря на выполненные ранее исследования, влияние рабочих параметров на функциональные характеристики таких роботов изучено недостаточно, известные методы расчета не обеспечивают достаточно точное соответствие с экспериментом.
Актуальность темы исследования заключается в необходимости выполнения обзора касательно критериев компактности промышленной робототехники с целью выяснения способов улучшения их технических характеристик.
Цель работы заключается в изучении и анализе критериев компактности промышленной робототехники.
Исходя из поставленной цели и темы работы возникают следующие задачи:
-изучить применение робототехники в промышленности;
-сформулировать требования к критериям в промышленной робототехнике;
-сформулировать критерии компактности промышленной робототехники;
-провести сравнение промышленных роботов по критериям компактности;
-проанализировать отношение критерия компактности к другим характеристикам промышленной робототехники;
-определить возможные направления развития характеристик компактности промышленной робототехники;
-рассмотреть программные решения для оценки компактности робота;
-провести сравнительную оценку компактности различных моделей промышленных роботов.
Методы исследования. При выполнении исследований использованы методы теории автоматического управления, теории искусственного интеллекта, системного анализа, теории алгоритмов, теории информации и т.д.
Объектом исследования выступают показатели компактности роботов.
Предметом исследования является промышленная робототехника.
Глава 1. Критерии сравнения в промышленной робототехнике
1.1Применение робототехники в промышленности
Автоматизация производства в машиностроении представляет собой самостоятельную комплексную проблему. Ее решение направлено на создание нового совершенного оборудования, технологических процессов и систем организации производства, функционирование которых неразрывно связано с улучшением условий труда, ростом качества продукции, сокращением потребности в рабочей силе и с систематическим повышением прибыли.
Современные средства автоматизации должны развиваться в двух направлениях: автоматизация выпускаемого и действующего оборудования в целях повышения его эффективности и создание новых автоматизированных технологических комплексов и процессов, позволяющих решить задачу повышения производительности, надежности и точности выполнения работ при обеспечении необходимой и экономически оправданной гибкости производства.
Эффективность автоматизации прямо зависит от того, насколько рационально организован производственный процесс в целом, как комплексно и полно на всех звеньях технологической цепочки внедрены средства автоматизации, от того, насколько принятая система организации и управления производством позволяет принимать решения на низшем уровне (в целях ликвидации внеплановых простоев). Автоматизация требует рассматривать производственный процесс как единую систему.
Следовательно, эффективность автоматизации может быть достигнута только при комплексном подходе к разработке автоматизированных производственных систем. Путь к этому - в создании одностаночных и многостаночных комплексов «станок (группа станков) - приспособление - средства автоматизации», что позволит в дальнейшем перейти к системе модульного построения из таких комплексов более сложных производственных систем: автоматизированных линий, участков, цехов и т.п.
Отработка технических решений по созданию автоматизированных технологических комплексов, по-видимому, должна вестись прежде всего применительно к серийному производству (оно составляет до 40 % общемашиностроительного производства), поскольку они могут быть применены также в массовом и крупносерийном производстве. При этом необходимо отметить и тенденцию к постоянному снижению объемов выпускаемой продукции из-за ее морального старения, изменения спроса и т.д. Сегодня даже автомобилестроение из отрасли с традиционно массовым производством переходит к организации, больше соответствующей крупносерийному характеру выпуска продукции. Очевидно, что по мере совершенствования технических решений, разработанных для условий серийного производства, внедрения новых исходных средств автоматизации и элементной базы, появится возможность их использования и для автоматизации мелкосерийного производства.
Таким образом, развитие автоматизации в серийном производстве не только будет способствовать подъему производительности труда в этой области, но и окажет существенное влияние на уровень мелкосерийного и массового производства.
Промышленные роботы (ПР) - универсальное средство комплексной автоматизации производственных процессов, с помощью которого обеспечивается быстрая переналадка последовательности, скорости и видов манипуляционных действий. Поэтому применение ПР наиболее эффективно в условиях частой смены объектов производства, а также для автоматизации ручного низкоквалифицированного труда. Они находят все более широкое применение, заменяя человека (или помогая ему) на участках с опасными, вредными для здоровья, тяжелыми или монотонными условиями труда. Особенно важно то, что ПР можно применять для выполнения работ, которые не могут быть механизированы или автоматизированы традиционными средствами. Однако ПР - всего лишь одно из многих возможных средств автоматизации и упрощения производственных процессов. Они создают предпосылки для перехода к качественно новому уровню автоматизации - созданию автоматических производственных систем, работающих с минимальным участием человека.
Сегодня роботы применяют практически во всех отраслях хозяйства, однако наибольшее распространение они получили в промышленности, прежде всего - в машиностроении.
Промышленные роботы дают возможность автоматизировать не только основные, но и вспомогательные операции, чем и объясняется постоянно растущий интерес к ним.
Высокая эффективность автоматизации за счет применения промышленных роботов может быть достигнута только при комплексном подходе к созданию и внедрению роботов, обрабатывающего оборудования, средств управления, вспомогательных механизмов и устройств и т.д. Проводить значительный объем организационно-технологических мероприятий ради единичного внедрения ПР нерентабельно. Только расширенное применение ПР в составе сложных роботизированных систем оправдано технически, экономически и социально.
Одной из основных причин разработок и внедрения роботов является экономия средств. По сравнению с традиционными средствами автоматизации применение роботов обеспечивает большую гибкость технических и организационных решений, снижение сроков комплектации и запуска в производство автоматизированных станочных систем. Как показывает опыт, использование роботов, например, для автоматической установки и снятия деталей, позволяет рабочему обслуживать от четырех до двадцати металлорежущих станков. Таким образом, роботы необходимо рассматривать как важный фактор обеспечения многостаночного обслуживания, а значит, и экономии рабочей силы. Наибольший экономический эффект может быть достигнут при обслуживании роботом нескольких станков или при организации двух-трех сменной работы.
С экономическими вопросами, возникающими при применении роботов, тесно связан и социальный аспект их использования. При определении целесообразности применения роботов в том или ином случае (особенно при необходимости замены рабочего на участках с опасными, вредными для здоровья условиями труда) превалирующими должны быть интересы человека, его безопасность и удобство работы. Необходимо также учитывать и фактор непрерывного роста уровня общеобразовательной и специальной подготовки работающих. Роботы должны освободить человека от выполнения бездумной механической работы и скомпенсировать потребность в низкоквалифицированном труде.
Основные предпосылки расширения применения ПР следующие:
-повышение производительности труда, качества продукции и объемов ее выпуска благодаря снижению времени выполнения операций и обеспечению постоянного режима «без усталости», росту коэффициента сменности работы оборудования, интенсификации существующих и стимулированию создания новых высокоскоростных процессов и оборудования;
-изменение условий труда работающих путем освобождения от неквалифицированного, монотонного, тяжелого и вредного труда, улучшения условий безопасности, снижения потерь рабочего времени от производственного травматизма и профессионально-технических заболеваний;
-экономия и высвобождение рабочей силы для решения других технико-экономических и хозяйственных задач.
Промышленные роботы и роботизированные комплексы являются основными компонентами гибких производственных систем, представляющих собой высший уровень автоматизации в машиностроении.
Термин «робот» придумал чешский писатель Карел Чапек (от чешского «работник»). Проанализируем тенденции развития робототехники в мире и долю в это развитие России.
а) промышленная робототехника
На рис. 1. представлена общая статистика и тенденция численности роботов в мире.
Рис. 1.1 Популяция роботов в мире
Из рис. 1.2 видно, что лидером по числу промышленных роботов является, безусловно, Япония.
Россия, по числу промышленных роботов, находится на одном уровне с Финляндией.
Таким образом, можно сделать, что у России есть потенциал в разработке и внедрении промышленных роботов. Однако такая задача не стоит на уровне государства, а частному бизнесу проще внедрить отлаженные промышленные роботы импортного производства, получив при этом качественный сервис.
Рис. 1.2 Распределение промышленных роботов по странам за 2011 год
1.2 Требования к критериям в промышленной робототехнике
В целом роботы по использованию в различных сферах деятельности делят на три группы:
)человекоподобные (бытовые);
)информационные (исследовательские), предназначенные для сбора информации в средах, опасных или не доступных для человека;
)промышленные, предназначенные для автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности.
Промышленные роботы (ПР) имеют большое число классификационных признаков. Рассмотрим основные из них:
) По характеру выполняемых операций:
-технологические (производственные);
-вспомогательные (подъемо-транспортные);
-универсальные.
-По степени специализации:
-универсальные (многоцелевые);
-специализированные;
-специальные (целевые).
-По способу управления:
-с «жесткой» программой (I поколение);
-адаптивные (II поколение);
-интегральные (III поколение).
-По области применения (по виду производства):
-механообработка;
-кузнечно-прессовое производство;
-литейное производство;
-сборка;
-сварка;
) По грузоподъемности (главный параметр ПР). Под номинальной производительностью ПР понимается наибольшее значение массы предметов производства или технологической оснастки, при котором гарантируется их захватывание, удержание и обеспечиваются установленные значения эксплуатационных характеристик ПР.
Если ПР имеет несколько рук, то оценивается грузоподъемность каждой руки.
По грузоподъемности (ГОСТ 25204-82) промышленные роботы подразделяются на:
-сверхлегкие - до 1 кг (0,08; 0,16; 0,32; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0);
-легкие от 1кг до 10кг (1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0);
-средние от 10 до 200 кг (12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200);
-тяжелые от 200 до 1000 кг (250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000);
-сверхтяжелые - свыше 1000 кг (ряд R10 по ГОСТ 8032-56, начиная с 1250).
) По числу степеней подвижности:
-с одной степенью подвижности;
-двумя степенями подвижности;
-с n степенями подвижности.
Число степеней подвижности манипулятора робота определяется как совокупность числа степеней свободы кинематической цепи манипулятора ПР в системе координат, относительно которой задаются геометрические характеристики рабочей зоны ПР.
Степени подвижности манипулятора делят на:
-переносные, используемые для перемещения рабочего органа в пространстве;
-ориентирующие, используемые для изменения положения РО в пространстве.
Как правило, достаточно 3-4 переносных степени подвижности (что дает больше сотни структурно-кинематических схем манипулятора). Для полной ориентации объекта достаточно 3-х вращательных ориентирующих степеней подвижности.
) По мобильности (по возможности перемещения):
-стационарные;
-подвижные (установленные на транспортное средство).
) По конструктивному исполнению (по способу установки):
-напольные;
-подвесные (портальные, тельферные);
-встроенные (пристаночные).
) По виду основных координатных перемещений ПР разделяются на группы роботов, манипуляторы которых работают:
-в прямоугольной системе координат;
-в цилиндрической системе координат;
-в сферической системе координат;
-в угловой системе координат;
-в комбинированной системе координат.
Каждой из систем координат соответствует вполне определенная кинематико-компоновочная схема манипулятора, вид которой определяется конструктивным исполнением поступательных и вращательных звеньев.
) По типу силового привода:
-пневматические;
-гидравлические;
-электромеханические;
-комбинированные.
) По характеру программирования скоростей и перемещений (по виду управления):
-жестко программируемые;
-гибко программируемые.
При жестком программировании исполнительное устройство управляется по неизменной заранее введенной программе.
При гибком программировании - программа может изменяться на основе поставленной цели и информации об объектах управления и производственной среде.
При жестком программировании выделяют:
-цикловое управление, при котором движение рабочего органа происходит в упорядоченной последовательности с помощью путевых выключателей или времязадающих элементов (число точек обычно - две, три);
-позиционное управление, при котором движение РО происходит по заданным точкам позиционирования без контроля траектории движения между ними (цикловое управление является частным случаем позиционного).
-контурное управление, при котором движение РО происходит по заданной траектории с установленным распределением по времени значений скорости.
-комбинированное управление.
) По способу программирования:
-программируемые обучением (наиболее распространенный способ);
-программируемые аналитически;
-самообучение.
В первом случае управляющая программа формируется в режиме диалога СПУ с оператором. Оператор с помощью пульта управляет роботом, последовательно отрабатывая требуемые операции. При этом информация о движениях ПР заносится в запоминающее устройство СПУ робота.
При втором методе программа составляется на основе предварительных расчетов.
В третьем способе: программа формируется на основе информации о состоянии внешней среды.
Управляющая программа - это последовательность инструкций на некотором формальном языке. В общем виде для функционирования ПР необходима следующая информация:
-о последовательности выполнения шагов программы;
-о пространственном положении отдельных степеней подвижности;
-о времени выполнения отдельных шагов программы и отдельных управляющих команд.
Материальным носителем программы могут быть:
-механические устройства (упоры, кулачки, копиры и т.д.);
-коммутаторы (штекерные панели, барабаны, коммутаторные поля и т. д.);
-быстросменные программоносители (перфоленты, магнитные ленты, диски и т. д.).
) По быстродействию и точности движений. Эти два параметра взаимосвязаны и характеризуют динамические свойства роботов. Между быстродействием и точностью позиционирования имеется определенное противоречие.
Быстродействие определяется скоростью передвижения по отдельным степеням подвижности:
-малое быстродействие - до 0,5 м/с (до 90 град/с);
-среднее (60-65 % ПР) - от 0,5 до 1 м/с (от 90 до 270 град/с);
-высокое (20 % ПР) - более 1м/с (более 270 град/с).
Быстродействие современных ПР нельзя считать достаточным, оно должно быть повышено не менее чем в 2 раза.
Точность манипулятора характеризируется результирующей погрешностью позиционирования (при дискретном движении) или отработкой заданной траектории (при непрерывном движении).
Чаще всего точность характеризуется абсолютной погрешностью.
Малая - при линейной погрешности > 1 мм;
Высокая - менее 0,1 мм (около 15 %).
Погрешность манипулирования ПР, предназначенных для выполнения наиболее грубых, например, транспортных движений, превышает 1 мм.
По сравнению с рукой человека недостатком современных ПР является снижение точности с увеличением скорости хода манипулятора. У человека эти параметры в значительной мере развязаны благодаря разделению движений на грубое (быстрое) и точное (медленное).
Наряду с классификационными параметрами ПР характеризуются параметрами, обусловливающими их технический уровень.
Техническая характеристика содержит следующие основные показатели:
-номинальная грузоподъемность, кг;
-тип привода;
-число степеней подвижности;
-геометрическая характеристика рабочей зоны;
-тип системы управления;
-максимальная абсолютная погрешность позиционирования, мм;
-надежность и др.
Показатели привода:
-давление рабочего тела Р, МПа;
-расход рабочего тела Q, м3 /с;
-напряжение питания U, В;
-потребляемая мощность W, Вт.
Показатели степени подвижности:
-максимальное перемещение L, j, мм, град;
-время перемещения t, с;
-максимальная скорость V, w, м/с, град/с;
-максимальное ускорение a, ε, м/с2, град/с2;
-максимальная абсолютная погрешность позиционирования D, мм.
Показатели устройства управления:
-объем памяти;
-число одновременно управляемых движений по степеням подвижности;
-число каналов связи с внешним оборудованием:
-на вход nвх;
-на выход nвых.
-число программируемых точек:
-при прямом ходе - nпр;
-при обратном ходе - nобр.
Показатели захватного устройства:
-усилия захватывания S, Н;
-время захватывания tзахв, с;
-время отпускания tотп с;
-характерные размеры захватываемого предмета:
-максимальный диаметр - dmax, мм;
-минимальный диаметр - dmin, мм.
Показатели надежности:
-установленная безотказная наработка t, ч (наработка на отказ);
-установленный срок службы:
-до капитального ремонта Ткап, лет;
-до списания Тсп