Выбор захватных устройств при автоматизированном монтаже сборочной оснастки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЫБОР ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ МОНТАЖЕ СБОРОЧНОЙ ОСНАСТКИ

К.А. Однокурцев, К.Н. Шудыкин

Иркутский государственный технический университет

Аннотация

Поставлена задача автоматизации безэталонного монтажа сборочной оснастки с применением промышленного робота. Рассмотрены основные типы монтируемых элементов конструкции сборочной оснастки и виды захватных приспособлений промышленного робота для автоматизированного монтажа. Проведен анализ технических характеристик захватных устройств для монтажа различных элементов конструкции сборочной оснастки. Выбран тип захвата и предложены варианты конструкции пальцев захвата. Приведены примеры захвата монтируемых элементов захватными устройствами. захват конструкция оснастка робот

Ключевые слова: захватное устройство (ЗУ); сборочная оснастка; безэталонный монтаж; автоматизация; координатное позиционирование; промышленный робот.

Abstract

The article is devoted to the problem of automation of non-template mounting of assembly tooling using an industrial robot. It considers the basic types of mounted elements of assembly tooling's construction and types of gripping devices of industrial robot for automated mounting. The authors analyse technical characteristics of grippers for mounting of different elements of assembly tooling's construction. The authors select a type of gripper and propose some modifications of gripper's claws. The authors provide example of mounted elements grip with grippers.

Keywords: gripping device; assembly tooling; non-template mounting; automation; coordinate positioning; industrial robot.

Сборочная оснастка используется в самолетостроении для установки и фиксации деталей самолета в сборочном положении с заданной точностью [1]. Для обеспечения заданного расположения сборочных баз в конструкции сборочной оснастки выполняется монтаж элементов ее конструкции на жестком несущем каркасе (рис. 1).

Рис. 1. Пример конструкции монтируемой сборочной оснастки:

1 - несущий каркас; 2 - монтируемые элементы

В технологии безэталонного монтажа выполняется установка монтируемых элементов сборочной оснастки по данным электронной модели. При этом для контроля координат монтируемых элементов используется лазерный трекер, а позиционирование выполняется с помощью ручных или автоматизированных технических средств. В данной статье рассматривается перспективный вариант технологии безэталонного монтажа, в котором позиционирование монтируемых элементов выполняется промышленным роботом.

Каркас сборочной оснастки обычно выполнен в виде прямоугольной рамы, установленной вертикально. Характеристики монтируемых элементов приведены в табл. 1. Монтируемыми на раму элементами являются:

- установочные кронштейны;

- рубильники или ложементы [2].

Таблица 1 Монтируемые элементы сборочной оснастки

Взаимодействие робота с монтируемым элементом сборочной оснастки осуществляется посредством захватного устройства. Его выбор определен формой и массой изделия. Захват должен удержать деталь и в то же время не нанести ей повреждений. Разные виды захватов предназначены для удерживания определенных видов объектов. К захватному устройству робота предъявляются следующие требования [3]:

- универсальность (возможность применения для наибольшей номенклатуры объектов);

- надёжность удерживания объекта при выполнении перемещений и при последующей фиксации на каркасе сборочной оснасти;

- отсутствие повреждений для удерживаемого объекта;

- безопасность использования для персонала.

Существуют различные виды захватных устройств, отличающиеся по принципу действия и по конструкции.

Виды захватов по принципу действия:

- механические;

- магнитные;

- вакуумные.

Механические захваты наиболее распространены. По типу привода механические захватные устройства подразделяют на конструкции с пневмоприводом, гидроприводом и электроприводом. Пневмопривод удобен простым подводом энергии к захватному устройству (один шланг), при этом легко регулируется усилие зажима, такие захватные устройства имеют возможность работать в агрессивных средах и в зоне высоких температур. Гидравлический привод обеспечивает большие усилия захвата, он компактен и легко регулируется, что предопределяет широкое его распространение. Электрический привод требует специальных малогабаритных двигателей постоянного тока.

Магнитные захватные устройства делятся на:

- ЗУ с постоянными магнитами;

- электромагнитные ЗУ.

Захватные устройства с постоянными магнитами надежны и не расходуют энергии, но для разъединения деталей требуются специальные механизмы (рисунок 2).

Рис. 2. ЗУ с постоянным магнитом и механизмом для разъединения деталей

Электромагнитные ЗУ применяют для захватывания ферромагнитных деталей разной формы (рис. 3).

Рис. 3. Электромагнитные захватные устройства:

а - для удержания плоских деталей; б - для цилиндрических деталей; 1 - обмотка; 2 - корпус

Преимущества электромагнитных захватных устройств: большая сила притяжения на единицу поверхности, высокая точность базирования благодаря жесткости сердечника, быстрота захватывания детали, простота конструкции: катушка и сердечник могут быть легко изготовлены потребителем.

Недостатки электромагнитных захватных устройств: пригодны только для намагничивающихся материалов, сопутствует остаточный магнетизм.

Если детали тонкие и их форма не позволяет производить захват за боковые стенки, то применяют вакуумные или магнитные захватные устройства. Вакуумные ЗУ наиболее подходят для захвата и удержания плоских деталей с гладкими поверхностями. Они имеют пониженную точность из-за эластичности присосок. Конструкция их более сложная по сравнению с магнитными ЗУ: необходима герметичность соединений, требуются присоски и трубопроводы.

Использовать вакуумные ЗУ для захвата рубильников или кронштейнов не рационально, т.к. их поверхность имеет небольшую шероховатость. Кроме того, сложно обеспечить надежность захвата деталей с использованием данных ЗУ.

Сводные данные по различным типам ЗУ представлены в табл. 2.

Таблица 2 Результирующая таблица преимуществ и недостатков ЗУ

Для захвата рассмотренных монтируемых элементов подходят механические и магнитные захватные устройства, так как они обладают необходимыми преимуществами по сравнению с вакуумными захватами. Однако для захвата рубильников, которые изготовлены из немагнитного алюминиевого сплава возможно использование только механических ЗУ. Для стальных кронштейнов можно использовать как магнитные, так и механические ЗУ.

Наиболее подходящими для использования при автоматизированном монтаже сборочной оснастки являются механические захваты с пневматическим приводом, поскольку они обладают достаточным усилием сжатия, не требуют сложной системы управления и имеют сравнительно низкую стоимость.

Механические захваты по конструкции делятся на:

- параллельные (линейное перемещение пальцев);

- угловые (поворот пальцев на углы до 40°);

- радиальные (поворот пальцев на углы до 90°);

- трёхточечные (линейное перемещение трёх пальцев по принципу патрона);

- сильфонные (резиновая трубка для фиксации в отверстии).

Рис. 4. Виды пневматических схватов

Захваты параллельного типа обеспечивают достаточную величину раскрытия пальцев и достаточное усилие для удержания детали. Угловые и радиальные захваты требуют переналадки на детали другой толщины, поэтому для монтажа различных кронштейнов лучше всего использовать захваты параллельного типа.

Также механические захватные устройства можно оснастить датчиками внешней информации: о наличии объекта манипулирования, его форме, массе, усилии удержания и т.п.

Величина усилия зажима для параллельного захвата определяется исходя из значений массы монтируемого элемента, его шероховатости, ориентации захвата в пространстве, ускорений при позиционировании промышленным роботом. Зная все эти параметры можно рассчитать необходимое усилие зажима для определенной детали, и после этого подобрать захват с достаточной удерживающей силой.

Для обеспечения надежности захвата детали жестким захватным устройством (т.е. не оснащенным упругими элементами) необходимо, чтобы удерживающая сила на губках была больше векторной суммы всех сил, действующих на перемещаемый предмет. Результирующая сдвигающая сила R складывается из:

1) веса перемещаемой детали (где m - масса перемещаемой детали, кг;

g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения), постоянной по величине и направленной вертикально вниз;

2) силы инерции (где - ускорение перемещения детали, возникающее при разгоне и торможении промышленного робота, м/с²), направленной коллинеарно вектору ускорения а;

3) силы аэродинамического сопротивления ( - коэффициент пропорциональности; - площадь перемещения детали,; V - скорость перемещения, м/с), учитываемой при скорости более 0,3 м/с и направленной коллинеарно вектору скорости V;

4) прочих сил N_np, возникающих при установке и фиксации детали на каркасе сборочного приспособления, для нежестких захватных устройств - реакция в упругих элементах.

В лабораторных условиях позиционирование рубильника (см. п. 2 табл. 1) выполняется в вертикальном положении, и его поворот в горизонтальное положение не предусмотрен, поэтому дополнительно возникающий при этом крутящий момент не учитывается.

При выборе захватного устройства важен также его собственный вес, так как с уменьшением веса ЗУ увеличивается максимальная допустимая масса объекта манипулирования.

Предположим, необходимо вычислить силу захвата кронштейна массой m = 5 кг. Для осуществления автоматизированного монтажа достаточно ускорения м/с². Вычислим усилие захвата по следующей формуле:

;

где m-масса рубильника, m = 5 кг, k-коэффициент запаса, примем k = 20 для пневматических поршней [3], g - ускорение силы тяжести g = 9,81 м/с ², a - ускорение звеньев робота, а = 0,98 м/с ².

Таким образом, получим значение усилия захвата:

Н.

Для данного случая удобно использовать параллельный захват с пневматическим приводом PGN-plus 160 фирмы Schunk (рис. 5), так как он допускает захват детали массой до 8,2 кг и обеспечивает усилие зажима детали силой до 1640 Н [4].

Рис. 5. Захват Schunk PGN-plus 160

В зависимости от конструкции пальцев, выбранный захват может быть использован для удерживания любых конструктивных элементов сборочной оснастки в пределах допустимой полезной нагрузки.

Масса используемых рубильников при отработке позиционирования в лабораторных условиях не превышает 8 кг и для их удержания по техническим параметрам подходит тот же захват Schunk PGN-plus 160. При необходимости для захвата рубильников, масса которых превышает 8 кг, можно использовать Захват Schunk PGN-plus 200 грузоподъемностью до 13,5 кг [4].

Для надежного удержания элементов имеющих большую массу и моменты инерции (например, рубильников, см. п. 2 табл. 1), ЗУ параллельного типа предлагается оснастить пальцами с расширенной рабочей частью и двумя фиксирующими конусами на каждом пальце (рисунок 6). Такая конструкция пальцев предотвратит проворачивание монтируемого элемента в пальцах захвата и повысит точность позиционирования элементов. Дополнительно должны быть выполнены отверстия либо конические углубления на монтируемом элементе сборочной оснастки, ответные фиксирующим конусам захватного устройства.

Рис. 6. Конструкция пальцев захвата

Для захвата установочных кронштейнов (см. п. 1 табл. 1) предлагается вариант конструкции пальцев вилочного типа (рис. 7). Захват детали производится за боковую сторону вилки по обе стороны от отверстия. Само же отверстие служит для крепления отражателей лазерного трекера и не должно перекрываться пальцами захватного устройства.

Рис. 7. Захват кронштейна

Захват рубильника (см. п. 2 табл. 1) может производиться по схеме указанной на рисунке 8. Чтобы рубильник не проворачивался, пальцы захвата имеют большую ширину и две пары точек фиксации.

Рис. 8. Захват рубильника

Таким образом, в данной работе был проведен анализ различных типов захватных устройств и выбран оптимальный вариант для захвата монтируемых элементов сборочной оснастки. Приведены примеры захвата для различных объектов позиционирования.

Предлагаемое в этой работе захватное устройство Schunk PGN-plus 160 является покупным изделием. Им может быть укомплектован промышленный робот, предназначенный для осуществления автоматизированного монтажа сборочной оснастки [5]. Данная работа выполняется в рамках договора №389/12 от 15.11.2012 г. «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением иркутского государственного технического университета», дополнительное соглашение №6 «Разработка и внедрение комплекса автоматизированного монтажа сборочной оснастки». Указанный договор заключён согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 15 ноября 2012 г. №218, 3 очередь.

Для выбора геометрических размеров разработанных пальцев для захватов использовались объемные электронные модели, выполненные в CAD-системе NX 9.0. При подборе параметров оборудования от сторонних производителей использовались данные из указанных объемных электронных моделей, выполненных в CAD-системе NX 9.0, и паспортные данные соответствующего оборудования.

Библиографический список

1. Современные методы и средства монтажа сборочной оснастки»: учебно-методическое пособие / сост. Р.Х. Ахатов, А.С. Говорков. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 76 с.

2. Чьен Х.В. Определение состава базирующих элементов сборочного приспособления при сборке авиационного изделия / Х.В. Чьен, М.В. Лаврентьева // Вестник ИрГТУ. 2013. № 11 (82). С. 74-80.

3. Захватные устройства и инструменты промышленных роботов: учебное пособие / Ю.Г. Козырев. М. : КНОРУС, 2010. 312 с.

4. Официальный сайт компании SCHUNK [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ru.schunk.com.

5. Ахатов Р.Х. Технология монтажа сборочной оснастки с применением промышленного робота / Р.Х. Ахатов, К.А. Однокурцев, Е.В. Зыкова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, № 1 (5). С. 1284-1291.

Размещено на Allbest.ru