Очерк о развитии программного управления металлообрабатывающими станками и промышленными роботами в Украине в 60 х и 70 х гг.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЧЕРК О РАЗВИТИИ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИМИ СТАНКАМИ И ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ В УКРАИНЕ В 60 Х И 70 Х ГГ.

станок металлообрабатывающий вал кулачковый

Малиновский Б.Н., Скурикин В.И., Спыну Г.А.

Институт кибернетики им.В.М.Глушкова

НАН Украины, г.Киев, Украина.

Анализ развития методов автоматизации технологического оборудования, в частности металлообрабатывающих станков свидетельствует, что на первом этапе, до пятидесятых годов, применялись аналоговые методы построения системы управления. Ярким примером может служить принцип моделирования движения рабочих органов с помощью разнообразных, иногда очень сложных, кулачковых и распределительных валов. Такой принцип позволял воспроизвести все движения рабочих органов станка с необходимой, но ограниченной точностью, зависящей от точности изготовления кулачков и всех кинематических звеньев привода.

Однако аналоговый принцип страдает большим недостатком. Трудность изготовления механических кулачков и последующей наладки очень велика. Если это обстоятельство допустимо в массовом и крупносерийном производстве, то в мелком и серийном производстве это совершенно неприемлемо и экономически невыгодно. Следует отметить, что удельный вес массового и крупносерийного производства относительно невелик, по различным данным, он не превышает 15-25% в различных отраслях машиностроения.

В сороковых годах был предложен способ вычерчивания кулачков (копиров) на бумаге и последующего считывания профиля с помощью различных фотоэлектронных устройств. Несмотря на то, что такой способ значительно дешевле, чем изготовление кулачков из металла, он не нашел широкого применения, т.к. точность вычерчивания аналоговой модели-чертежа ограничена и невелика, а в процессе считывания вносятся дополнительные ошибки. Ожидаемого положительного эффекта получить не удалось.

Примеров, которые приводили к неудачным попыткам решить проблему с помощью аналоговых методов управления оборудованием можно привести много.

А интересы промышленности требовали максимальной гибкости оборудования, точности и уверенной возможности применять его в условиях мелкосерийного и серийного производства, когда количество обрабатываемых изделий одной партии невелико (от единиц до десятков единиц). Особенно остро эта проблема звучала в самолетостроении, ракетостроении и судостроении.

В начале пятидесятых годов произошел переход от аналоговых средств управления к цифровым, широкое использование программного управления с применением ЭВМ, символизировал новый этап научно-технического прогресса, особенно в области автоматизации производственных процессов.

“Инженер института физики Украинской Академии наук Г.А. Спыну сконструировал оригинальный токарный станок. Рабочему достаточно изготовить на этом станке одну деталь, после чего без вмешательства человека станок может изготовить любую партию таких деталей. Когда токарь вытачивает первое изделие, магнитный барабан записывает все действия станка. Он как бы запоминает движения рук рабочего. Если потом поставить станок на автоматический режим, специальный механизм прочитает сделанные на магнитном барабане записи и пошлет в органы, совершающие переключения станка, соответствующие импульсы”. (РИС. 1).

Так писал академик А.А. Благонравов в газете “Труд” в октябре 1956 г.

Можно сказать, что в этом станке впервые в мире была реализована идея: технологический процесс обработки изделия был преобразован в последовательность электрических сигналов (электрическую модель), записан с помощью магнитной записи и мог быть воспроизведен любое количество раз.

Программирование на этом станке осуществлялось при обработке первой детали методом “обучения”, как это принято называть в настоящее время. (Рис. 2)

Работы в этом направлении Г.А. Спыну начал в Институте физики АН УССР еще в 1948 г. В первом варианте запись сигналов производилась на командоаппарате с магнитной лентой, а затем был создан более совершенный образец системы программного управления с накопителем на магнитном барабане.

Первая публикация об этом появилась в 1951 г. [1].

Уместно отметить, что первая публикация об автоматическом станке с программным управлением в США появилась только в 1953 г..

В настоящее время, по прошествии примерно 40 лет, числовое программное управ-ление металлорежущими станками и другим обору-дованием развилось и усовершенствовалось, стало общепризнанным направлением научно-технического прогресса, создано громадное количество соответствующих станков и систем управления.

На основании изложенного, анализируя большое количество фактического материала и опубликованных работ, можно с полной достоверностью сказать, что идея программного управления оборудованием с помощью накопителя с использованием магнитной записи впервые зародилась на Украине. Эта идея была сформулирована как следствие, процесса становления и развития вычислительной техники.

В дальнейшем, на базе ранее выполненных исследований, в 1958 году был создан институтом автоматики Госплана УССР (г.Киев) и Киевским заводом станков-автоматов опытный образец токарно-револьверного автомата с программным управлением 1341П, предназначенный для изготовления деталей в условиях мелкосерийного и серийного производства [2].

Система программного управления обеспечивала управление станком по координатно-ступенчатому методу. Носителем программы была перфокарта и барабан “магнитных упоров”. Перфокарта обеспечивала управление всем циклом обработки, а размеры обрабатываемой детали записывались на барабане “магнитных упоров”. Запись информации осуществлялась при наладке, а воспроизведение происходило с помощью магнитной головки при достижении суппортом нужного размера. Точность остановки суппорта в нужном положении составляла 0,05 мм.

Этот станок демонстрировался в 1959 г. во Франции на международной выставке в Марселе и получил высокую оценку (Рис.3).

Автоматизированная система “Авангард”

Дальнейшим развитием программного управления и вычислительной техники было создание в Украине первой интегрированной системы проектирования и изготовления судокорпусных деталей, положившей начало исследованиям и разработкам по созданию робототехнических систем и автоматизированных систем проектирования изделий и технологических процессов. Работы по созданию этой системы выполнялись:

* от ВЦ НАН УССР, а затем Института Кибернетики АН УССР -Б.Н. Малиновским, В.И. Скурихиным, Г.А. Михайловым, Ю.Т. Коцюбой, Ю.И. Опрыско и др.;

* от Института автоматики Госплана УССР Г.А. Спыну, Ю.К. Васильевым, В.Е. Гизилой, И.Б. Ботвиновским, Ю.А. Прокофьевым, Г.Я. Вайнбергером, К.С. Ковтуновичем и др.;

* от Николаевского завода имени 61 коммунара Г.И. Мацкевичем, А.Н. Доброчинским, Б.И. Ивановым, П.Н. Кольченко и др.

Эта работа началась в 1958 г. по инициативе специалистов Николаевского завода, которые предложили ее Институту автоматики. Учитывая важность работы и большой объем вычислительной техники был создан тройственный союз, который и выполнял эту работу около пяти лет. [4]

Корпус современного судна собирается из большого количества отдельных деталей, изготовленных из листовой стали,

Как правило, детали имеют достаточно сложную конфигурацию, контуры которых описаны отрезками прямых, дугами окружностей и кривыми второго и высших порядков. Точные геометрические размеры отдельных деталей находятся графическими построениями на плазовой плоскости. Исходным документом при этом является теоретический чертеж судна. Эти работы выполняются на плазе - площадке, сопоставимой с размерами судна, они производятся вручную и преимущественно рабочими высокой квалификации. Следующим основным этапом существующей технологии является составление карт раскроя (Рис.4) и изготовление комплекта копиров по рабочим эскизам всех деталей судового набора. Копиры могут быть различными: натуральной величины, в уменьшенном масштабе, изготовленные из дерева или металла, а также вычерченные на бумаге.

В дальнейшем, в соответствии с принятой технологией, по ранее изготовленным копирам на специальных копировальных станках вырезаются детали. Разметка и маркировка выполняются вручную.

Отметим следующие основные недостатки этой технологии:

1) процесс разворачивания криволинейных деталей на плоскость, осуществляемый графическим методом рабочими высокой квалификации на плазе, требует больших затрат ручного труда и характеризуется весьма малой производительностью;

2) размещение деталей на отдельных листах вручную, с минимальным отходом металла не всегда выполняется лучшим образом;

3) большая трудоемкость процесса изготовления или вычерчивания копиров приводит к неоправданным затратам ручного труда и большому времени, необходимому на этапе подготовки производства;

4) применение метода копирования не позволяет осуществить полной автоматизации процесса газопламенной вырезки деталей из листового проката, так как информация о включении и выключении кислорода и ацетилена не может быть получена от копира (чертежа) и поэтому управление режимом резки приходится производить вручную.

Коренное решение проблемы дает применение электронных вычислительных машин в сочетании с программным управлением. Речь идет об автоматизации всего комплекса технологических операций, начиная от плазовых операций и кончая готовой деталью. Задача делится на три основные части:

* автоматизация процесса изготовления деталей на станках автоматах с цифровым программным управлением;

* автоматизация составления карт раскроя и этапа подготовки программ с применением ЭВМ;

* автоматизация плазовых работ (согласование линий теоретического чертежа, развертка проекций деталей на плоскость, расчет сварочных деформаций и т.д.).

В 1961 году Институт автоматики Госплана УССР и Николаевский судостроительный завод разработали и изготовили новый газорезательный автомат с программным управлением “Авангард”. Станок предназначен для автоматизации разметки листов металла, маркировки и вырезки плоских деталей сложной конфигурации из листового проката. Одновременно обрабатываются два листа двумя инструментами; возможна установка большего количества инструментов. Разметка и маркировка осуществляются пневмокермерами с электромагнитным управлением, а резка - кислородно-ацетиленовым пламенем. Предусмотрена возможность применения в будущем плазменной резки.

Конструкция станка (рис.5), разработана на Николаевском заводе. Подвижная часть автомата смонтирована на тележке, которая перемещается по специальным направляющим вдоль обрабатываемых листов. Поперечное движение суппортов осуществляется от ходовых винтов, расположенных вдоль консолей. Суппорты могут перемещаться в одинаковом направлении или в противоположном, обеспечивая одновременную вырезку одинаковых или “зеркальных” (левой и правой) деталей. На тележке смонтированы приводы продольной и поперечной подач, система подачи рабочих веществ к резкам, система охлаждения и смазки, вспомогательный путь управления.

Система программного управления автоматом размещена в отдельном шкафу (Рис. 6). Это цифровая система разомкнутая, шагового типа с оригинальными силовыми шаговыми электродвигателями в качестве исполнительных органов. [3]

В качестве программоносителя применяется стандартная 35-миллиметровая перфорированная магнитная лента. Программа обработка записывается на семи дорожках. На четырех дорожках в цифровом коде записываются команды движения рабочих органов автомата по двум координатам, а на остальных трех - технологические команды, управляющие включением разметочного инструмента, подачей газовой смеси, зажиганием и другими вспомогательными операциями. Технологические команды записаны в виде гармонических колебаний необходимой длительности. Цена единичного шага при реэке составляет 0,2 мм. После усиления и формирования сигналов, считанных с ленты, команды движения поступают в коммутатор, распределяющий импульсы тока по обмоткам управления шаговых электродвигателей продольной и поперечной рабочей подачи. Шаговые электродвигатели типа ЭШД являются специальными двухроторными машинами с распределенными обмотками на статоре и роторе. В диапазоне рабочих подач электродвигатели надежно отрабатывают любое заданное количество шагов, при этом предельный темп работы машин в 1,5 раза превышает требуемый по условию технологии резки. Момент на валу ЭШД составляет 3 кгм.

Система программного управления отличается надежностью и простотой. Точность перемещения исполнительных органов (газовых резаков) по контуру находится в пределах + 0,5 мм. Применение газорезательного автомата с цифровым программным управлением позволяет полностью автоматизировать технологический процесс вырезки деталей из листовой стали. Оборудование автомата устройствами для подачи листов и уборки готовых деталей обеспечивает возможность установки его в поточную линию. Вторая и третья задачи решаются с помощью комплекса вычислительных машин, состоящего из универсальной вычислительной машины и специальной вычислительной машины-интерполятора, снабженного графическим устройством масштабного воспроизведения программ.

Вычислительный комплекс и система соответствующих программ разработаны институтом кибернетики АН УССР.

В качестве основного устройства комплекса использована полупроводниковая управляющая машина широкого назначения “Днепр” (рис.7). В блок пассивной памяти ЭВМ записываются наиболее часто применяемые программы вычислений (автоматическая раскладка деталей на листе, расчет эквидистант и опорных точек, развертки и др).

Интерполятор, входящий в вычислительный комплекс как его составная часть, выполнен на полупроводниках и обеспечивает запись программ обработки на магнитную ленту (семь дорожек - четыре для записи программ движения, три для записи восьми технологических команд.), программы движения записываются в виде унитарного кода (две дорожки на одну координату), а технологические команды в виде гармонических колебаний с частотой около 800 пер/сек. Запись производится на повышенных скоростях по отношению к скорости воспроизведения. Параметрическое представление кривых и надлежащий расчет опорных точек дают возможность обеспечить резку листа с постоянной скоростью. Система программирования предусматривает замену дуг окружностей и кривых параболами второго порядка. Вычисление опорных точек на окружностях и кривых, с учетом ширины реза, производится автоматически на ЭВМ.

Интерполятор снабжен графическим устройством масштабного изображения программ обработки (Рис.8). Непосредственно после записи на магнитную ленту программа считывается и в масштабе (1:1; 1:10; 1:25) графическим путем изображается на бумаге в виде карты раскроя. Такое устройство позволяет осуществлять контроль записи и облегчает организацию работ, так как каждая лента сопровождается чертежом с контрольным рисунком. Графическое воспроизводящее устройство представляет собой прямоугольный стол с габаритными размерами 1455 х 1135 х 1120 мм. Перемещение каретки с чертежным приспособлением осуществляется двумя шаговыми электродвигателями. Точность изображения 0,2 мм, скорость вычерчивания до 600 мм/мин.

Использование вычислительного комплекса в судостроительной промышленности вызвал существенные изменения во всей технологии плазовых работ. В частности, могут автоматически выполняться: согласование теоретического чертежа, развертка проекций деталей на плоскость, расчет сварочных деформаций, автоматическое составление карт раскроя, маркировка и разметка и др.

Одной из основных задач, возникающих при эксплуатации вычислительного комплекса, является задача подготовки исходных данных о деталях. Система первичных документов, применяемых для этой цели, должна давать возможность быстро заносить исходные данные, обеспечивать полноту и наглядность сведений, а также однотипность форм записи для разных деталей.

Функциями ЭВМ являются следующие вычисления; расчет длин участков кривых с учетом точности вычислений на интерполяторе, обеспечение постоянства скорости движения по контуру и ширины реза. Вычисляются коэффициенты квадратичного полинома, определяются координаты начал и концов участков, а также число элементарных шагов. Все эти величины перфорируются в виде кадров на перфоленте, которая затем используется в интерполяторе.

Автоматизация процесса подготовки данных для интерполятора не является единственной целью при использовании ЭВМ. Весьма эффективно применение вычислительных машин для автоматизации составление карт раскроя. В полном объеме задача ставится в следующем виде: исходя из имеющегося на складе листового металла определить месторасположение вырезаемых деталей на листах так, чтобы оставался минимум отходов. В такой постановке для деталей произвольной формы задача трудно разрешима. Приемлемым способом является создание алгоритма расположения деталей на листе, повторяющего в какой-то степени операции рабочего. Алгоритм раскладки, разработанный в институте кибернетики АН УССР, дает удовлетворительные результаты для деталей типа многоугольников (детали с контурами, содержащими кривые, ЭВМ заменяет эквивалентными многоугольниками(. Предложенный “жесткий” алгоритм обеспечивает экономию металла на 1,5-2% по сравнению с ручной раскладкой при значительном сокращении трудоемкости, например 70 деталей ЭВМ “Днепр” “разложила” на 10 листах за 5 минут. Результаты вычислений выдаются в виде таблицы которая перфорируется, и полученные перфокарты прикладываются к массиву перфокарт, соответствующих рекомендованным на данный лист деталям.

ЭВМ автоматически выполняет также операции по развертке проекций деталей теоретического чертежа на плоскость по всем существующим методам, применяемым в судостроении. При высокой точности вычислений обеспечивается сокращение затрат времени в 10-50 раз. Возможности вычислительного комплекса перечисленными задачами не исчерпываются. С помощью ЭВМ могут быть выполнены расчеты, связанные с согласованием теоретического чертежа, со спуском корабля, с вводом судна в док, с определением оптимальных размеров судна и др.

Проведенные исследования показали, что затраты на оборудование и внедрение новой технологии покрываются в течение первого года эксплуатации.

Изучая проблемы программного управления станками, авторы пришли к выводу, что оценка эффективности систем программного управления по увеличению производительности механического оборудования не является полной. Цифровой метод, зарекомендовавший себя в станках с программным управлением, дает значительные экономические преимущества, если он используется во всех сферах подготовки и планирования технологии, начиная с начальной стадии проектирования. Лишь при комплексном использовании средств вычислительной техники можно получить правильное представление об экономической эффективности разрабатываемых систем автоматизации, основанных на принципах программного управления.

Автоматизированная система “Авангард” была введена в промышленную эксплуатацию в марте 1965 г. Точность исполнения размеров деталей на газорезательном станке не выходила за пределы допуска (+ 1,0 мм), система управления с шаговыми двигателями в течении промышленной эксплуатации работала надежно. Эффективность применения системы находилась в зависимости в зависимости от организации работ, серийности выпускаемой продукции и загрузки комплекса. “Государственная комиссия отметила большое народнохозяйственное значение и перспективность работ, проводимых Черноморским Совнархозом и Госкомитетом по Судостроению СССР с привлечением других организаций по внедрению вычислительной техники и программного управления для автоматизации проектирования и изготовления деталей судокорпусной промышленности” (из акта Государственной Комиссии).

Важное достижение, которое было получено в процессе создания автоматизированной системы “Авангард” - создание на Николаевском судостроительном заводе специального технологического вычислительного центра (ТВЦ) для подготовки программ для газорезательных станков.

В последующем область деятельности этого ТВЦ значительно расширилась, и в настоящее время он занимает важное место в судостроительной промышленности Юга Украины.

Робототехника

В машиностроительных предприятиях существует целый ряд технологических процессов, отличающихся очень большой трудоемкостью и выполняемых в, так называемых, экстремальных условиях (повышения радиоактивность, высокая температура, большой уровень шумов, вибраций и т.д.). К очень утомительным и монотонным процессам относятся контактная точечная и дуговая сварка, обслуживание прессов, штампов и ковочных машин, окраска больших изделий, установка заклепок и многое другое.

И вот тогда родилось новое научно-техническое направление “робототехника”, иначе говоря создание автоматических манипуляторов с цифровым программным управлением, получившим название промышленные роботы. Это направление начало стремительно развиваться, охватывая кроме машиностроения, все новые и новые области производства и другие области народного хозяйства.

По мнению специалистов, разработка и внедрение промышленных роботов, роботов II и III поколений позволит на новом, более высоком научно-техническом уровне решить задачу создания систем комплексной автоматизации на промышленных предприятиях, пересмотреть распределение функций между человеком и машиной, существенно повысить производительность труда. Это одна из движущих сил автоматизации и вместе с тем одно из важнейших средств для глубоких социально-экономических преобразований в сфере труда. [7,8]

Робототехника молодая наука, существующая всего около 20 лет. И, как всякое новое направление, она еще не полностью оформилась. До настоящего времени нет совершенно однозначных понятий, терминологии, не всегда четка сложившаяся система взглядов, ведутся горячие дискуссии по ряду вопросов. Как и во всяком новом научном направлении, есть еще “белые пятна”.

В нашей стране создалось напряженное положение с трудовыми ресурсами, сложилась тяжелая демографическая ситуация стала совершено ясной экономическая недопустимость дальнейшего сохранения значительной доли ручного, немеханизированного труда, которая только в промышленности достигает 40 процентов и более.

Такое положение сложилось не потому, что важной проблеме механизации и автоматизации вспомогательных, транспортных операций не было уделено должного внимания. Дело объясняется тем, что механизация и особенно автоматизация таких операций представляют собой чрезвычайно трудную научно-техническую задачу. Особенно это касается мелкосерийного и серийного производства с часто изменяющейся программой.

Действительно, только за последние десятилетия усилиями ученых, инженеров и рабочих было создано большое количество совершенных машин-автоматов для выполнения основных технологических операций. Наиболее ярким примером могут служить металлообрабатывающие станки с числовым программным управлением и обрабатывающие центры.

Современный фрезерный станок с числовым программным управлением может за короткое время изготовить деталь такой сложной формы, которую человек либо вообще не может сделать на обычном универсальном металлорежущем станке с ручным управлением, либо должен затратить на это много времени. Однако часто приходится наблюдать, как на этот совершенный станок вручную устанавливается заготовка и снимается готовая деталь. Такое положение можно объяснить следующим образом.

Как показал опыт создания и эксплуатации промышленных роботов в различных странах, они используются главным образом для автоматизации именно вспомогательных, транспортных операций в условиях мелкосерийного и серийного производства и поэтому могут помочь в значительной степени устранить существующий “перекос” и создать автоматизированные транспортно-складские системы (АТСС) и в целом системы комплексной автоматизации, которые принято сейчас называть гибкими производственными системами (ГПС).

Чтобы обучить человека такой простой операции, как, например, взять заготовку из бункера, где они лежат “навалом”, неориентированные в пространстве, необходимо весьма малое время. И процедура эта одна из самых простых в производственном цикле. Однако при автоматизации этой простой вспомогательной операции возникают очень большие трудности, и до настоящего времени эта задача не имеет общего решения. Объясняется это тем, что тут в полном объеме возникает проблема распознавания образов, появляются большие сложности в создании математической модели “сцены” и не менее большие трудности в разработке математического обеспечения такой автоматической системы. Решения, полученные в настоящее время в различных организациях, позволяют создавать такие устройства, вводя ряд серьезных ограничений.

Таким образом, исторически сложился неравномерный уровень автоматизации основных и вспомогательных, транспортных операций. Такой “перекос”, в частности, тормозит создание систем комплексной автоматизации мелкосерийного и серийного машиностроительного (дискретного) производства.

Промышленные роботы в сварочном производстве

Особенности процессов сварки с точки зрения применения промышленных роботов. Сварка - технологический процесс, широко применяемый во всех отраслях народного хозяйства для изготовления новых и ремонта эксплуатируемых механизмов, конструкций и оборудования. Преимущества сварных конструкций общепризнанны, их повсеместно применяют взамен литых, клепаных и кованых. Эти преимущества позволяют уменьшить расход металла, снизить затраты труда, упростить конструкцию оборудования и сократить сроки изготовления. Значительно расширяются возможности механизации основных технологических операций, появляются благоприятные перспективы автоматизации.

Разработано и внедрено множество различных видов и способов сварки (рис. 9). Сваркой соединяют различные металлы, их сплавы, некоторые керамические материалы, пластмассы и разнородные материалы. Широко применяется сварка металлов и их сплавов при сооружении новых конструкций, ремонте различных изделий, машин и механизмов, создании двухслойных материалов.

Сваривать можно металлы любой толщины. Сварку можно выполнять на земле, в космосе и под водой в любых пространственных положениях.

В настоящее время одной из наиболее актуальных является задача разработки, создания и внедрения систем комплексной автоматизации процессов сварочного производства. Значительная роль в решении этой задачи отводится промышленным роботам. На первом этапе выбор видов и способов сварки, где применение промышленных роботов наиболее целесообразно и оправдано, должен проводиться с учетом предварительно сформулированных критериев и оценок. К ним следует отнести: степень распространенности данного вида и способа сварки; невозможность пребывания человека в зоне сварки; гигиеническую оценку работы человека, в тем числе и степень утомляемости; наличие вредной радиации, токсических выделений, высокой температуры и т. п.; технико-экономическую эффективность автоматизации; предпосылки создания систем комплексной автоматизации; необходимость выполнения комплекса движений и динамические характеристики (скорость, точность, перемещаемые массы и т. д.); обеспеченность предприятия кадрами специалистов.

Проведение исследования в этом плане вызывает определенные трудности. Некоторые критерии определяются чрезвычайно просто. Примером может служить электронно-лучевая сварка (ЭЛС), которая выполняется в вакууме 0,133...0,013 Па, так что пребывание человека в этих условиях невозможно. Некоторые критерии могут быть определены только соот-ветствующим, иногда довольно сложным расчетом. К таким относятся технико-экономическая эффективность и предпосылки создания систем комплексной автоматизации. Обеспеченность предприятия кадрами специалистов относится к социальным факторам и должна оцениваться соответственно.

Приведенные соображения позволяют в настоящее время приблизительно оценить перспективность применения промышленных роботов для автоматизации процессов сварки. Не исключено, что в ходе развития и решения этой проблемы появятся новые соображения, которые сейчас не попадают в поле зрения. На основании же изложенного можно сделать следующие выводы: 1) применение промышленных роботов целесообразно во всех случаях, когда человек не может находиться в зоне сварки без специального защитного оборудования (электронно-лучевая сварка, сварка взрывом, сварка в космосе и под водой), при этом технико-экономическая эффективность отойдет на второе место; 2) применение промышленных роботов целесообразно для автоматизации контактной точечной, дуговой, дуговой точечной и электронно-лучевой сварки.

Контактная и дуговая точечная сварка могут быть автоматизированы промышленными роботами с позиционными устройствами управления, а дуговая и электронно-лучевая -требуют создания устройств контурного управления. В условиях индивидуального и мелкосерийного производства механизировать и автоматизировать процессы сварки целесообразно с применением групповых технологических процессов.

Узлы и изделия сварочного производства целесообразно предварительно классифицировать по следующим признакам: материал сварной детали; сортамент заготовки; форма сварной детали; ее масса; вид сварки; тип сварного соединения. Следует отметить, что. сварные детали, а в целом и сварочное производство имеют ярко выраженный отраслевой характер и поэтому нецелесообразно создавать единый классификатор для всех отраслей.

Весь комплекс операций сварочного производства можно разделить на шесть этапов: заготовительные, сборочные, сварочные, отделочные, вспомогательные (транспортные) и контрольные. Автоматизировать собственно сварочные операции наиболее трудно, остальные операции можно автоматизировать на основании опыта, полученного в других типах производств. В настоящее время наиболее широко применяются промышленные роботы для автоматизации контактной точечной и дуговой сварки.

Контактная точечная сварка. В тех случаях, когда свариваемые детали имеют небольшие размеры и массу, применяют стационарные одноточечные машины. Рабочий вводит деталь между электродами и перемещает ее, осуществляя сварку по заданному контуру. Если же изделие имеет большие размеры и массу, например кузов легкового или кабина грузового автомобиля, сварку выполняют с помощью подвесных сварочных клещей, которые сварщик перемещает по заданному контуру.

При создании роботов для контактной точечной сварки необходимо учитывать требования к сварному соединению, определяемые ГОСТ 15878-79.

Уровень автоматизации процесса контактной точечной сварки весьма высок. Однако суммарное время собственно процесса сварки не превышает 20...30 % продолжительности всего цикла. Все остальное время приходится на вспомогательные операции, связанные с перемещением сварочных клещей (изделия). Из этого следует; что для уменьшения общей продолжительности сварки, т. е. для повышения производительности труда, нужно сосредоточить усилия на автоматизации именно вспомогательных операций.

Уровень механизации и автоматизации вспомогательных операций в условиях мелкосерийного производства очень низок. Как правило, они выполняются вручную, связаны с затратами значительной мускульной энергии и относятся к категории тяжелого физического труда. Качество сварных соединений при ручном перемещении клещей часто не соответствует предъявляемым требованиям.

Вспомогательные движения при контактной точечной сварке (перемещение электрода в пространстве) как объект автоматизации можно охарактеризовать несколькими параметрами. Производительность этого процесса в первую очередь определяется количеством точек, сваренных в единицу времени при заданном качестве сварного соединения. В отличие от других способов, при контактной точечной сварке вспомогательные операции не совмещены во времени с собственно процессом сварки. Можно сказать, что перемещение при этом способе сварки осуществляется по позиционному методу - от точки к точке. Значение и соблюдение всех параметров этого перемещения (скорости, ускорения, траектории движения) желательны, но не обязательны, важен конечный результат.

Как известно, успешное применение первых промышленных роботов началось именно с контактной точечной сварки кузовов легковых автомобилей. Для изготовления кузова современного легкового автомобиля нужно сварить 5000...12000 точек в зависимости от модели и конструкции кузова. Если в условиях крупносерийного и массового производства эффективно применение многоэлектродных (многоточечных) машин, то в условиях серийного и мелкосерийного производства использование такого специализированного оборудования нецелесообразно. Поэтому сварка кузовов осуществлялась специальными подвесными сварочными клещами вручную. Все попытки автоматизировать эту утомительную и тяжелую операцию успеха не имели и только применение промышленных роботов позволило добиться блестящих результатов. В настоящее время в СССР и за рубежом есть автоматизированные производства с применением промышленных роботов для контактной точечной сварки.

Промышленный робот для сварки, созданный в ИЭС им. Е.О.Патона АН УССР

Работы в институте начаты были в 1970 г. Первая статья Б.Е. Патон, Г.А. Спыну “Промышленные роботы для сварки” была опубликована в журнале “Автоматическая сварка” №9 за 1972 г.[9], затем работы публиковались а целом ряде статей, а в 1977 г. вышла в свет монография “Промышленные роботы для сварки” Б.Е. Патон, Г.А. Спыну, В.Г. Тимошенко (Киев, “Hayкова .думка”).[10]

Большой научный задел в области разработки научных основ автоматизации производственного оборудования в период создания первого металлорежущего станка с программным управлением и системы “Авангард”, в частности, позволил предложить новую и оригинальную идею программирования “обучении”, т.е. в процессе изготовления первой детали. В короткое время были сформулированы принципы и структуру системы управления промышленным роботом. Уместно отметить, что в настоящее время этот принцип нашел широкое применение в робототехнике и стал одним из основных способов программирования промышленных роботов.

Параллельно был проведен анализ сварочного производства, выделены контактная, точечная и .дуговая сварка плавлением, как первоочередные задачи роботизации.

Первый в СССР и на Украине опытный образец промышленного робота для контактной точечной сварки имел сферическую компоновку, электрогидравлический шаговый привод и оригинальную цифровую систему управления с накопителем на магнитной ленте. Эта система разрабатывалась и изготавливалась в Институте электросварки. Механическая часть промышленного робота изготавливалась по чертежам ИЭС на инструментальном производстве Горьковского автозавода. На этом же заводе проводились предварительные производственные испытания и в 1975 г. опытный образец был принят Государственной комиссией.

Основные технические характеристики.

Количество управляемых координат - 5

Максимальная скорость перемещения по радиусу - 1 м(мин Максимальная скорость поворота - 40 град/сек

Скорость контактной точечной сварки - 80 точек/мин

Точность позиционирования + 1 мм

Грузоподьемность - 15 кг.

Задание программы - “обучение” с промежуточным накопителем информации. “Обучение” осуществляется оператором с помощью выносного пульта управления и устройства обучения. Траектория движения рабочего органа задается частотой и количеством импульсов, которые преобразовыва-ются, усиливаются и поступают на шаговые электродвигатели. Система цифрового программного управления представлена на рис. 10.

Упрощенная кинематическая схема приведена на рис. 11, общий вид промышленного робота ИЭС-690 с указанием основных размеров на рис. 12, а фотография с клещами для сварки на рис. 13.

Помимо метода “обучения”, программирование промышленного робота может осуществляться с помощью так называемого “аналитического” метода. В этом варианте программа рассчитывается на ЭВМ, а затем вводится в систему цифрового управления в готовом виде. Такой метод позволяет создать программу для сложной траектории движения, внести все технологические параметры сварки и приблизится к оптимальному режиму работы.

При зажиме клещей для контактной точечной сварки на специальную горелку, робот может быть использован для дуговой сварки плавлением.

В 1977 г. опытный образец промышленного робота ИЭС-690 демонтировался на ВДНХ СССР на выставке “Автопром-77”, где получил золотую медаль.

Созданный в Институте электросварки АН УССР совместно с Горьковским автозаводом промышленный робот был началом развития отечественного роботостроения в сварочном производстве, а его конструкция и производственные показатели отражены в одном из лучших каталогов “современные промышленные роботы” Москва, “Машиностроение”, 1984.

Литература

1. Спыну Г.А. Автоматизация технологических процессов на принципе, магнитной записи". Производственно-технический бюллетень" Министерства вооружения СССР, Москва, 1951 г., №7.

2. Спыну Г.А., Кобус Ю.И., Програмне керування металлорізальними верстатами. Сб. “Автоматизація в промисловості” Держ. видавн. технчної літератури УРСР, Київ, I960 р.

3. Спыну ГА, Гизила BE и др. Программное управление процессом изготовления судокорпусных деталей. "Автоматика и приборостроение", н/т сб. №1, Институт технической информации. Киев, 1961 г.

4. Малиновский Б.Н., Скурихин В.И., Спыну ГА. Цифровой метод в технологии проектирования и изготовления судокорпусных деталей. В сб. "Вычислительная техника для автоматизации производства". Машгиз, М,1964 г.

5. Спыну Г.А. Промышленные роботы. Уч. пособие, 2 е издание, "Вища школа", Киев,.1991 г.

6. Костюк В.И., Спыну Г.А. и др. (підручник) для ВУЗ, Київ, "Вища школа",1994 р.

7. Патон Б.Е., Спыну Г.А. Промышленные роботы для сварки. "Автоматическая сварка", №9, Киев, 1972г.

8. Патон Б.Е., Спыну Г.А., Тимошенко В.Г. Промышленные роботы для сварки. Монография, "Наукова думка", Киев, 1977 г.

Размещено на Allbest.ru