Содержание 

Введение                                                                                                                   3

1 Выбор базового варианта автоматизированных средств загрузки                  4 

1.1 Служебное назначение промышленных роботов                                           4

1.2 Выбор промышленного робота                                                                        5

1.3 Описание ПР, принцип работы и область применения                                 7

1.4 Выбор захватного устройства                                                                          9

1.5 Разработка проектного варианта автоматизированных средств загрузки   9

2 Расчет действующих сил усилий привода и конструктивных элементов    11

2.1 Силовой расчет захватного устройства                                                         11

2.2 Назначение привода и особенности его применеия                                     12

3 Крепление ЗУ                                                                                                      14

Заключение                                                                                                             15

Список использованных источников                                                                   16

Приложение

Введение

Основным направлением развития машиностроения является увеличение выпуска продукции и рост ее качества при одновременном снижении трудовых затрат. Это обеспечивается путем совершенствования существующих и внедрения новых видов оборудования и технологических процессов, средств их механизации и автоматизации, а также улучшения организации и управления производством.

Работа над созданием и совершенствованием средств автоматизации должна развиваться в двух направлениях: создание средств автоматизации выпускаемого и действующего в настоящее время оборудования с целью повышения его эффективности; создание новых автоматизированных технологических комплексов, где увязаны вопросы повышения производительности, надежности, точности выполнения работ, а также уровня автоматизации операций с необходимой и экономически оправданной гибкостью для быстрой наладки с целью адаптации к изменяющимся производственным условиям.

Уровень и способы автоматизации зависят от вида производства и его серийности, оснащенности техническими средствами.

Эффективность автоматизации за счет применения робототехники может быть достигнута только при комплексном подходе к созданию и внедрению промышленных роботов, обрабатывающего оборудования, средств управления, вспомогательных механизмов и устройств и т.п. Только расширенное применение промышленных роботов в составе сложных роботизированных систем будет оправдано технически, экономически и социально. По сравнению с традиционными средствами автоматизации, применение промышленных роботов обеспечивает большую гибкость технических и организационных решений, снижение сроков комплектации и запуска в производство гибких автоматизированных систем.

С экономическими вопросами, возникающими при применении промышленных роботов, тесно связан и социальный аспект их использования. При установлении целесообразности применения роботов в том или ином случае на первое место должны выдвигаться интересы человека, его безопасности  и удобства работы.

Основными предпосылками применения промышленных роботов являются:

- облегчение труда  рабочего с конечной целью освобождения его от неквалифицированного, монотонного, а также тяжелого труда;

- повышение производительности труда и качества выпускаемой продукции за счет интенсификации технологических процессов и обеспечения постоянного режима работы оборудования в две и три смены;

- создание предпосылок для следующего качественного скачка в организации производства и перехода к полностью автоматизированному гибкому производству.

1 Выбор базового варианта автоматизированных средств загрузки

1.1  Служебное назначение промышленных роботов

Промышленный робот – это автоматическая машина, представляющая собой  совокупность манипулятора и перепрограммируемого устройства управления и предназначенная для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека при перемещении предметов производства и технологической оснастки.

Промышленные роботы классифицируют по следующим признакам:  специализации, грузоподъемности, числу степеней подвижности, возможности передвижения, способу установки на рабочем месте, видам системы координат, привода, управления, способу программирования.

По специализации промышленные роботы подразделяют на специальные, специализированные и универсальные, по грузоподъемности – на сверхлегкие (с номинальной грузоподъемностью до 1 кг.), легкие (от 1 до 10 кг.), средние (от 10 до 200 кг.), тяжелые (от 200 до 1000 кг.). По способу установки на рабочем месте промышленные роботы подразделяют на напольные, подвесные и встроенные.

Все промышленные роботы имеют «руку», которую называют манипулятором, механизм для захвата и подачи предмета обработки или средства обработки.

Роботы бывают трех разновидностей: с жесткой программой действия, управляемые человеком-оператором, с искусственным интеллектом.

Первая разновидность роботов точно исполняет команды, заложенные в устройство для выполнения конкретной, например вспомогательной операции (загрузка оборудования, снятие детали). При изменении же, например, расстояния до станка необходимо переделать программу и обучить робота заново.

Вторая разновидность роботов получает команды от человека- оператора, например при выполнении операций с радиоактивными веществами. Команды от человека робот получает с помощью биотоков (биохимические роботы).

Третья разновидность – роботы с искусственным интеллектом или интегральные роботы, имеющие ЭВМ с большим набором программ. Эти устройства воспринимают информацию об окружающей среде (температуру, расстояние, рельеф, форму), обрабатывают ее в соответствии с набором имеющихся программ и принимают соответствующее решение.

Применение роботов в производственных процессах  позволяет освободить человека от выполнения тяжелых, однообразных и опасных для жизни операций.

Специальные промышленные роботы предназначены для выполнения строго конкретных операций, например, установка и съем изделия; специализированные для того или иного процесса, например, сборочные роботы; универсальные, обладающие свойством быстрой переналадки. Самое простое программное устройство у специальных роботов.

Манипулятор робота совершает движение в пространстве и очерчивает своей крайней точкой зону, которая называется рабочей зоной.

Робот обычно состоит из следующих элементов: манипулятора, системы управления, чувствительных элементов, средств передвижения.

Манипуляторы имеют подобно рукам человека много степеней подвижности. Следовательно, возможно очень большое число вариантов кинематических схем исполнительных рук роботов. Все степени подвижности манипулятора должны быть управляемы. Кроме различия в распределении степеней подвижности вдоль руки робота существенное значение имеет также и различие в соотношении геометрических размеров отдельных ее звеньев. Кинематическая схема руки должна обеспечивать захват в любой точке заданной рабочей зоны и любую необходимую ориентацию захвата в каждой точке.

Приводные механизмы робота нужны, чтобы обеспечить движение захватного механизма и руки. Расположены такие механизмы различным образом. Их помещают непосредственно в шарнирах или на звеньях руки, около каждого шарнира. Такое расположение выгодно для приводов малой подвижности, т.е. при небольшой грузоподъемности руки.

Применяется компоновка всех приводов в едином моторном блоке на корпусе манипулятора, около плечевого сустава. Она требует тросовой, реечной или сельсинной передачи движений от моторного блока ко всем шарнирам; это предпочтительно для более мощных приводов. Применяют и комбинированный вариант компоновки приводов.

Перемещения в приводных механизмах роботов в основном обеспечивают электродвигатели постоянного тока. Их отличает высокая надежность в работе, хорошие регулировочные свойства  с широким диапазоном скоростей, реверсирование. Создан тип электропривода – в виде единого компактного модуля – электродвигателя, редуктора и части корректирующих устройств. Модуль при большом передаточном отношении должен иметь минимальные габариты, коэффициент трения и люфты. Это обеспечит  его вписывание внутрь шарнира руки или около шарнира.

Основные узлы и агрегаты робота монтируются на специальной раме или жестком кожухе. Раму крепят к полу или подвесу неподвижно, но она может и перемещаться с помощью колес, роликов по полу, по направляющим рельсам или платформам. Пульт управления конструируют выносным или на роботе. Выносные пульты могут обслуживать сразу несколько специальных роботов, работающих по жесткой программе действия.

Для приведения  механизмов робота в действие имеются гидроцилиндры и пневмоцилиндры, а для обеспечения плавности хода движущихся частей используют гидро- и пневмоцилиндры. Величину хода штоков контролируют  упоры.

1.2 Выбор промышленного робота.

Промышленный робот с ЧПУ М20П.40.01 предназначен для автоматизации установки – снятия заготовок и деталей, смены инструментов и других вспомогательных операций при обслуживании станков. Устройство данного типа может обслуживать один или два станка и образовывать вместе с накопительными и транспортными устройствами гибкий производственный обрабатывающий комплекс, предназначенный для продолжительной работы без участия оператора.

Техническая характеристика

1. Номинальная грузоподъемность, кг                                                                20

2. Число степеней подвижности                                                                          5

3. Наибольшие линейные перемещения, мм:

по вертикальной оси                                                                                    500

по горизонтальной оси                                                                                500

4. Наибольшее угловое перемещение, град:

руки относительно вертикальной оси                                                        300

кисти оносительно продольной оси                                                    90;+180

кисти относительно поперечной оси                                                        ±3,5

5. Диапазон скорости линейных перемешений, м/с:

по вертикальной оси                                                                         0,005...0,5

по горизонтальной оси                                                                     0,008...1,0

6. Диапазон скорости угловых перемещений, град/с:

руки относительно вертикальной оси                                                          60

кисти относительно продольной оси                                                           60

кисти относительно поперечной оси                                                           30

7. Наибольшая абсолютная ошибка позиционирования, мм                            ±1

8. Усилие зажима схвата, Н                                                                         350;500

9. Время зажима-разжима, с                                                                                   2

10. Диапазон размеров, захватываемых деталей по наружному диаметру, мм                                                                           

1. ..268

11. Масса (без устройства ЧПУ), кг                                                                   570

На рисунке 1.1 изображена планировочная схема загрузки заготовки с конвейера на вертикально-сверильный станок.

Рисунок 1.1 – Схема загрузки

Компоновочная схема промышленного робота показана на рисунке 1.2.

Данная оптимальная компоновка и конструктивное исполнение манипулятора были выбраны в зависимости от назначения промышленного робота и особенностей его согласования с конкретным технологическим оборудованием.

Рисунок 1.2 – Компоновочная схема промышленного робота

1.3 Описание ПР, принцип работы и область применения

Промышленный робот М20П.40.01 состоит из манипулятора, сменных схватов и устройства с ЧПУ, выполненного в виде автономной стойки. Манипулятор промышленного робота включает в себя следующие сборочные единицы, некоторые из которых могут быть различного исполнения: механизм поворота; механизм подъема и опускания; механизм выдвижения руки; балансир; блок поворота (кисть руки)4 блок подготовки воздуха.

Устройство ЧПУ позиционного типа обеспечивает управление перемещениями руки в цилиндрической системе координат, цикловое управление движениями кисти и зажимом-разжимом схвата, а также подачу команд пуска циклов работы станков, другого технологического оборудования и приема ответных команд после выполнения этих циклов.

Возможны три режима работы промышленного робота:

- «обучение» - возврат в нулевую точку, ручное управление и шаговое перемещение по каждой оси координат, скорости перемещений, количества обрабатываемых деталей (циклов) и др.;

- «автомат» - автоматическое управление по заданной программе;

- «редактирование» - подготовка и корректирование данных управления роботом.

Типовой рабочий цикл промышленного робота при смене заготовки на токарном станке включает в себя следующие этапы: подвод руки промышленного робота к патрону станка – захват обработанной детали – отвод руки в исходную точку – подвод руки к тактовому столу – опускание детали – захват очередной заготовки – подвод заготовки к подводу станка – освобождение заготовки после зажима ее в патроне – отвод руки в исходную точку – начало цикла обработки на станке.

Наибольшее количество одновременно управляемых координатных перемещений может быть: 1– в режиме позиционирования (электродвигатели поворота, подъема-опускания или выдвижения руки) или 2- в режиме циклового управления (гидродвигатели блока поворота кисти руки и схвата).

Механизм поворота ПР М20П.40.01. На основании робота крепится червячный редуктор, соединенный через зубчатую муфту с электродвигателем.

На выходном валу червячного редуктора установлена зубчатая шестерня. Она входит в зацепление с цилиндрическим зубчатым колесом, которое соединено с валом. Таким образом, вращение электродвигателя постоянного тока  через червячный редуктор и пару цилиндрических прямозубых шестерен передается валу, служащему опорой для механизма подъема и опускания руки. Контроль угла поворота для управления скоростью осуществляется при помощи путевых переключателей.

Механизм подъема и опускания руки. Корпус, включающий в себя механизм выдвижения руки, перемещается вверх и вниз по двум направляющим, которые закреплены в верхней и нижней плитах. На верхней опорной плите установлено подмоторное основание, внутри которого находится электромагнитный тормоз. Электродвигатель постоянного тока, установленный на подмоторном основании, через зубчатую муфту соединен с шариковым винтом. Гайка шариковой винтовой пары закреплена в корпусе узла выдвижения руки. Таким образом,  вращение электродвигателя преобразуется в поступательное движение руки вверх или вниз.

Для защиты винта от пыли и грязи используется гофрированная оболочка. Резиновые амортизаторы позволяют смягчить удар в конце хода руки в верхнем и нижнем положении. Для управления скоростью перемещения используются путевые переключатели, наезжающие на упоры.

Механизм выдвижения руки. К задней стенке корпуса прикреплен кронштейн, на котором установлен электродвигатель постоянного тока. Вращение электродвигателя  через зубчатый ремень передается винту шариковой винтовой пары. Гайка шариковой винтовой пары соединена с кронштейном. К верхнему концу этого кронштейна прикреплена скалка, перемещающаяся вперед или назад во втулке. Нижний конец кронштейна с роликами движется по направляющей, которая исключает поворот скалки.

Внутри пустотелой скалки проходит трубка для подачи сжатого воздуха во внутреннюю полость, а оттуда к механизму поворота кисти и схвата.

Амортизаторы смягчают удар в конце хода руки – скалки. Контроль положения руки для управления скоростью перемещения осуществляется при помощи путевых переключателей.

Длина хода скалки зависит от исполнения механизма выдвижения руки.

На рисунке 1.1 изображена планировочная схема загрузки заготовки на вертикально-сверлильный станок. Нулевая точка отсчета была выбрана на расстоянии 800 мм от пола, то есть промышленный робот производит загрузку заготовок на вертикально-сверлильный станок с конвейера.

1.4 Выбор захватного устройства

При выборе автоматизированного средства загрузки - захватного устройства (ЗУ) робота, учитываем требования надежности захватывания и удержания объекта, стабильности базирования, недопустимость повреждения детали.

Исходя из этих требований и параметров заданной детали, определяем, что необходимо центрирующее или базирующее ЗУ. Отвечающими этим требованиям являются механические и электромагнитные ЗУ. Однако, хотя электромагнитные устройства просты по конструкции и обеспечивают высокую точность базирования, при их использовании возникает опасность загрязнения и повреждения поверхностей детали и захватного устройства вследствие явлений остаточного магнетизма. Выбираем механическое ЗУ.

Из механических ЗУ выбираем группу ЗУ командного типа, т.к. неуправляемые и неприводные не подходят вследствие того, что разжим рабочих элементов таких ЗУ происходит при контакте с заготовкой, из-за чего могут быть повреждены поверхности детали. Из командных ЗУ широко применяются надежные и простые по конструкции клещевые рычажные и клещевые реечные. Первые дают значительное увеличение усилия зажима детали (которое в данном случае не требуется вследствие небольшой массы детали), а реечные имеют меньшие габаритные размеры.

1. 5 Разработка проектного варианта автоматизированных средств загрузки.

Захватные устройства промышленных роботов и манипуляторов служат для захватывания и удержания в определенном положении объектов манипулирования. Эти объекты могут иметь различные размеры, форму, массу и обладать разнообразными физическими свойствами, поэтому захватные устройства относятся к числу сменных элементов промышленных роботов. Как правило, промышленные роботы и манипуляторы комплектуют набором типовых захватных устройств, которые можно менять в зависимости от требований конкретного рабочего задания. Иногда на типовой захват устанавливают сменные рабочие элементы (губки, присоски и т.п.).

При необходимости промышленные роботы оснащают специальными захватными устройствами, предназначенными для выполнения определенных операций. К захватным устройствам предъявляются требования общего характера и специальные, связанные с конкретными условиями работы. К  числу обязательных требований относятся надежность захватывания  и удержания объекта, стабильность базирования, недопустимость повреждений или разрушений объектов. Прочность захватных устройств должна быть высокой при малых габаритных размерах и массе. Особое внимание должно быть обращено на надежность крепления захватного устройства к руке промышленного робота. К захватным устройствам для промышленных роботов, работающих в условиях серийного производства, предъявляются дополнительные требования: широкодиапазонность (возможность захватывания и базирования деталей в широком диапазоне массы, размеров и формы), обеспечение захватывания близко расположенных деталей, легкость и быстрота замены. В ряде случаев необходимо автоматическое изменение усилия удержания объекта в зависимости от массы детали.

В данном курсовом проекте было выбрано захватное устройство по принципу действия – механическое, по типу привода – гидравлическое, с реечным передаточным механизмом.

Данный схват позволяет изменять положение детали при установке ее, например, из накопителя в патрон станка.

Хвостовик схвата унифицированного типа крепится в шпинделе кисти руки при помощи байонетного замка и фиксатора, который под действием пружины входит в паз во фланце. В расточке корпуса установлен  поршень, который перемещается под действием тяги, связанной с головкой привода. К поршню с помощью пальцев крепятся рычаги шарнирного параллелограмма, на длинном плече которого на подшипниках установлен вал с фланцем. К фланцу винтами крепятся сменные губки. В верхней части  одного из рычагов шарнирно установлен гидроцилиндр, шток которого также шарнирно связан с валом. При выдвижении штока гидроцилиндра вал вместе с губкой поворачивается на угол, определяемый ходом поршня. Установленное положение губок фиксируется.

2 Расчет действующих сил усилий привода и конструктивных элементов

2.1 Силовой расчет захватного устройства.

Для определения сил, действующих в местах контакта заготовки и элементов захватного устройства необходимо рассмотреть рисунок 2.1 – схему зажима заготовки плоскими губками

Рисунок 2.1 – Схема зажима заготовки плоскими губками

Значение силы действующей в местах контакта заготовки и губок будет определяться по формуле:

Рассчитаем силу зажима, она должна быть достаточной, чтобы исключить сдвиг заготовки (рисунок 2.1).

SF_ix = 0: kp - F_тр1 - F_тр2 = 0; F_трi = Qf_i;

                                             (2.1)

где k - общий коэффициент зажима, k = k₁ × k₂ × k₃ ,

где k₁ - коэффициент безопасности, k₁ = 1,7;

 k₂ - коэффициент, зависящий от максимального ускорения, с которым робот перемещает закрепленную в захвате заготовку, k₂ = 1,4;

 k₃ - коэффициент передачи, зависящий от конструкции захвата и расположения в нем заготовки, k₃ = 1

f_1,2 - коэффициент трения, f_1,2 = 0,15;

Н.

Рисунок 2.2 – Расчетная схема

Определим усилие на штоке захватного устройства (рисунок 2.2).

                                                (2.2)

где l = 0,15 м, d = 0,03 м - размеры захвата.

Подставляя числовые значения, получим:

 Н

Определим диаметр силового привода - гидроцилиндра.

;

                                            (2.3)

где p - давление масла на поршень, p = 5 МПа;

 h - КПД гидроцилиндра, h = 0,9.

мм,

принимаем D_ц = 45 мм (из стандартного ряда), диаметр штока 32 мм.

2.2 Назначение привода и особенности его применения.

Выбор типа привода является частью общей задачи разработки и создания робота новой конструкции. При этом необходимо учитывать:

- характер нагрузки на привод;

- кинематические параметры манипуляторов, т.е. необходимые угловые и линейные перемещения, скорости, законы движения рабочего органа (механизма);

- число точек и точность позиционирования или точность воспроизведения траектории;

- физическое состояние объекта, перемещаемого рабочим органом манипулятора (твердое, хрупкое, жидкое тело);

- условия эксплуатации робота и прежде всего характеристики окружающей среды: пожароопасность, загрязнение, температуру, механические воздействия, ресурс, экономичность и другие факторы.

Определенных границ использования приводов каждого типа не существует. Предпочтительно применение пневматических и электрических приводов в роботах с грузоподъемностью до 20 кг, что определяется рядом особенностей их характеристик.

Энерговесовые, точностные, динамические характеристики роботов во многом определяются типом используемого привода. Кроме того, тип привода определяет и возможности системы управления или степень интеллектуальности робота.

Приводы рассматриваемых типов широко применяются в различных областях техники. Однако использование приводов в промышленных роботах имеет специфические особенности.

1) Современные промышленные роботы имеют большое число степеней подвижности (как правило, 6-7); каждая из них обеспечивается исполнительным двигателем привода. Для выполнения общей конкретной технологической операции необходимо групповое управление исполнительными двигателями привода, т.е. с точки зрения управления, привод робота рассматривается как система.

2) Широко применяется диапазон нагрузок на привод с преобладанием инерционных нагрузок. Это во многом  предопределяет выбор типа привода. При большой грузоподъемности робота – свыше 100 кг – применяются в основном электрогидравлические приводы.

3) Требуется высокая точность исполнительного органа манипулятора при позиционировании и хорошее качество переходного процесса. При этом чтобы исключить  возможность ударов рабочего органа, отработка траектории или заданной координаты должна производиться без перерегулирования. Если учесть, что манипулятор не имеет несколько кинематических пар, то к приводу предъявляется требование многократно увеличенной точности.

4) Требуются большие ресурсы работы при значительных динамических нагрузках и безрегламентной эксплуатации.

5) Привод длительно работает в заторможенном режиме.

3 Крепление ЗУ.

Рекомендуется два исполнения мест крепления захватного устройства: сменные и быстросменные. Конструкции мест крепления и размерные ряды разнообразны. В качестве конструктивного исполнения мест крепления сменных ЗУ рекомендовано фланцевое крепление, на руке ПР выполняется фланец с центрирующим отверстием по оси с резьбовыми отверстиями вокруг него. Такая конструкция позволяет размещать часть ЗУ внутри руки ПР, осуществлять связь с ЗУ, не имеющих встроенного привода, с приводом находящимся в руке, являясь при этом простой и универсальной.

Рисунок 3.1 – Крепление захватного устройства

Примем основные размеры мест крепления сменных ЗУ согласно РТМ 2РОО-1-78.

        Для D = 120 мм:

                D₁=140 мм;

                d₁ = M10 ;

                D₂ = 160 мм;

                h = 8 мм.       

        Заключение

Проанализировав исходные данные для расчета и проектирования промышленного робота, в качестве типового робота в данном курсовом проекте был выбран промышленный робот типа «М20П.40.01», выполняющего следующие операции: загрузку (разгрузку) станка заготовками, перебазирование и раскладку заготовок и деталей в магазине, а также их поиск перед загрузкой в станок.

Исходя из габаритных размеров станка, были рационально выбраны габаритные размеры промышленного робота.

В процессе выполнения курсового проекта был спроектирован портальный промышленный робот; было выбрано и рассчитано захватное устройство манипулятора; рассчитан гидравлический привод. Проанализировав исходные данные для проектирования можно сделать вывод, что данный промышленный робот соответствует всем требованиям получения необходимой детали. А именно-выбран наиболее оптимальный привод, что способствует снижению, как себестоимости готовой детали, так и снижению трудоемкости, повешению установки детали на станок, точности обработки.

Список использованных источников

1. Обработка металлов резанием. Справочник технолога. Под общей ред. А.А. Панова. М.: Машиностроение, 1988. - 736 с.

2. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы. Справочник. М.: Машиностроение, 1988. - 392 с.

3. Белянин П.Н., Издон М.Ф., Жогин А.С. Гибкие производственные системы. М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

4. Промышленные роботы в машиностроении. Альбом схем и чертежей. Под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Машиностроение, 1987. - 140 с.

5. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1985. – 656 с.

6. Современные промышленные роботы: Каталог/ Под ред. Ю.Г.Козырева, Я.А.Шифрина. – М.: Машиностроение, 1984. – 152 с., ил.