CC BY
12
IV МЕХАН1ЗАЦ1Я, АВТОМАТИЗАЦ1Я ТА РОБОТИЗАЦ1Я
УДК. 681.865.8
Канд. техн. наук Л. М. Мартовицький, канд. техн. наук А. I. Сочава, канд. техн. наук В. I. Глушко, канд. фiз.-мат наук З. М. Шаына,
Г. В. Клименко, Р. О. Фролов
Запор1зький нацюнальний техн1чний уыверситет, м. Запор1жжя
РОЗШИРЕННЯ ФУНКЦ1ОНАЛЬНОСТ1 ПРОМИСЛОВИХ РОБОТ1В
Функцiональнi можливостi наявних та нових промисловихроботiв можна розширити за рахунок замти старог системи керування 13 «жорсткою» логiкою - сучасною, на базi мiкроконтролерiв, а також додаванням до мантуляцшног системи iнших технологiчних можливостей: вимiру ваги та температури об'екта манiпулювання, пiдвищення точностi позицтвання та жорсткостi матпуляцшног системи конструкцтними методами, розширення рухомостi за принципом « безопорностi» робота.
Ключовi слова: промисловий робот, функцiональнiсть, мiкроконтролерне керування, тензодатчики, термопара, безопорний манiпулятор.
СучаснД автоматизованД виробництва вимагають високого рДвня функцюнальносп вДд виконавчих та об-слуговувальних органДв, машин та пристосувань якщо не на рiвнi, то близько до функцюнальносп людини. ЦД вимоги стосуються як високо! рушшно! функцДональ-ностi так i штелектуально! розвиненостi машин. Особливо все це актуально щодо допомiжних виробничих операцiй, таких як: транспорта^ завантажувально-роз-вантажувальт, тарно-пакувальнi, складськД та Дн. Цд опе-раци, на вДдмДну вДд основних технологДчних операцiй, е малоавтоматизованими та високозатратними.
Одним i3 засобiв автоматизацп виробництв е робо-тизацДя, тобто автоматизацiя процесiв за допомогою промислових роботДв (ПР). Функцiонально розвиненД роботи Дз штучним iнтелектом та з елементами чутли-восп добре вДдповДдають умовам високоавтоматизова-ного сучасного виробництва, але вони е висококош-товними виробами. В умовах економДчно! кризи, навДть у високорозвинених кра!нах, основним економДчним напрямом е економДя ресурсДв та затрат, що вДдповДдае тотальнш концепцп отримання максимально! користД при мДнДмальних каштальних вкладеннях. Тобто робо-тизацДя мДнДмальними та простими засобами, за допомогою наявних дешевих та простих промислових ро-ботДв, якими е роботи типу МП-9С, з певним рДвнем реконструкцп, е одним з найбДльш виправданим напрямом автоматизацп виробництва.
В ковальськДй справД е потреба в безпечному для людини вивантажуванш простими засобами з нагрДваль-но! печД заготДвок, розпрггих до певно! температури для здшснення подальших технологДчних операцДй. Для цьо-го потрДбно контролювати гарантоване захоплення за-готДвки схоплювачем ПР та здшснювати досить точний контроль температури заготовки. Таким простим та де-
шевим засобом з високим рДвнем автоматизацп е промисловий робот МП-9С.
Простота конструкцп цього манДпулятора та його висока експлуатацДйна надшшсть визначили його ши-роке використання у виробництвД. Але з роками поруч Дз надДйною та простою в обслуговуваннД механДчною частиною манДпулятора морально застарДв електрон-но-цифровий програмний пристрДй ЕЦПП-6030, що побудований на базД мДкросхем Дз «жорсткою» логДкою та призначений для керування тДльки рухами ланок ма-шпуляцшно! системи (МС), тому перш за все слДд ре-конструювати стару систему керування за допомогою програмованих мДкроконтролерДв МП-9С з мДкроконт-ролерним керуванням AVRATmega R20 (рис. 1).
Рис. 1. Принципова схема робота МП-9С з мДкроконтролером:
1 - маншулятор; 2 - мжроконтролер; 3 - з'еднувальний кабель; 4 - станина; 5 - повДтряний фДльтр; 6 - компресор; 7 - блок реле; 8 - схоплювач з тензодатчиками та термопарою; 9 - аналого-цифровий перетворювач (НХ711 та МАХ6675); 10 - ПК - персональний комп'ютер
© Л. М. Мартовицький, А. I. Сочава, В. I. Глушко, З. М. Шаына, Г. В. Клименко, Р. О. Фролов, 2017
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2017
Робот складаеться Í3 манiпулятора з пневмоприводами та електронно-цифровим програмувальним при-строем ЕЦПП-6030 з цикловою системою керування. Робот функцiонуе в цилiндричнiй системi координат, мае три ступеш рухомостi та привiд вiдкривання схоп-лювача. Максимальна похибка позiцiювання складае ± 0,1 мм. Максимальна емшсть програм дорiвнюе 30 крокам, яш виконуються послiдовно.
Манiпулятор приводиться в рух за допомогою семи електропневматичних клапанiв. Кожний рух здiйснюе вщповвдний пневмоцилiндр, окрiм замикання схоплю-вача. Замикання схоплювача манiпулятора вщбуваеть-ся за допомогою пружини. Для перемикання електро-клапанiв використовуеться постiйний струм напругою 24 В, а живлення мiкроконтролера - 5 В. Тому для уп-равлiння електроклапанами було використано блок iз 7 електромагштних реле низько! напруги. Керiвнi сигна-ли вiд мiкроконтролера по черзi вмикають вiдповiднi електромагнiтнi реле, що замикають ланцюг живлення вщ зовтшнього джерела на 24 В.
Як м^оконтролер була використана готова плата Arduino Nano на базi ATmega328 через ряд переваг:
- компакттсть, розмiри плати дозволяють розмюти-ти И в серединi корпусу машпулятора;
- наявнiсть досить великого числа цифрових виходiв, що дае можливють щд' еднати велику к1льк1сть датчиюв та реле;
- вбудований завантажувач програм;
- проста та розповсюджена мова програмування С++.
Для програмування мiкроконтролера використовуеться середовище розробки Arduino, тсля чого цик-лова програми завантажуеться з комп'ютера на мжро-констролер. Оск1льки всi елементи керування щд'еднат паралельно, а живлення електропневматичних клапатв береться iз зовнiшнього джерела, залишаеться можли-вим керувати машпулятором як вiд £ЦПУ - 6030, так i ввд мiкроконтролера.
Для створення функцiй чутливостi в пальцях (губках) схоплювача змонтовано тензодатчики, що допома-гае визначити наявнють об' екта манiпулювання в схоп-лювачi та визначити його вагу. Крiм того, тут же змонтовано гарячий спай стандартно! хромель-алюмшево! термопари, що дозволяе при контакп з розжареною заготовкою в схоплювачi визначити i! температуру (рис. 2).
Пропонуеться манiпулятор ПР, в якому функщональ-ними перевагами е га тдвищена жорстшсть га гочнiсгь позицшвання. Манiпулятор (рис. 3) включае в себе основу 1, функцюнальш ланки, виконат у виглядi ексцен-трикових платформ 2-4. Двигуни 5-7 та зубчасп пере-дачi 8-13 слугують для забезпечення обертання платформ. Платформи з'еднанш мiж собою та з основою круговими рухомими опорами кочення 14-16. Захоп-лювач 17 прикрiплений до внутршньо! платформи з мож-ливiстю ротаци ввд двигуна 18 через зубчасту передачу 19-20 та поздовжнього перемiщення ввд двигуна 21 через кошчну 22-23 та рейкову 24-25 зубчасп передача
Поздовжне перемiщення схоплювача, тобто позищювання його в перпендикулярному до платформ на-пряму, здшснюеться вiд двигуна 21 через кошчну 22-23 та рейкову 24-25 зубчасп передача
Матпулятор працюе таким чином. При подачi сигнала на обробку ексцентриковi платформи 2, 3, 4 отри-мують обертальний рух ввд вщповщних двигунiв через зубчасп пари 8-9, 10-11, 12-13. Платформи обертають-ся вщносно основи 1 i одна вщносно одно!. Оскшьки платформи 2 та 3 мають ексцентриситети е1 та е2, а схоплю-вач прикрiплений до платформи 4 iз сво!м ексцентрисите-том е3, то обертання платформ призводить до перемщення (позищювання) схоплювача 17 по площиш.
8 9 is п
V ц
Рис. 2. Схоплювач з тензодатчиками та термопарою
Рис. 3. Маншулятор з ексцентричними взаемно-рухомими платформами
Застосовування функцюнальних ланок у виглядi екс-центричних повноповоротних платформ дозволяе шдви-щити технологiчнi можливосп, точнiсть позиц1ювання машпулятора, за рахунок повно!' робочо! зони та змен-шення дискрет позицшвання по вiдношенню до дискрет обертання платформ, тобто похибок позицшвання схоплювача. Крiм того, з'еднання ланок круговими ру-хомими опорами забезпечуе статичну жорстшсть на схоплювач^ що додатково збiльшуе точнiсть позицш-вання.
У широковiдомого шарнiрно-ланкового машпуля-тора можливо збiльшити точнiсть позицiювання за рахунок тдвищення жорсткостi в динамiчних режимах. Реконструйований манiпулятор у витягнутому та скла-деному положенш зображено на рис. 4. Машпулятор включае основу 1 та виконавчi ланки 2-4, яш зв'язанi мiж собою обертальними парами 5-7. Кожна ланка мае основнi автономнi приводи 8-10 !х вiдносного обертання, а також забезпечеш схоплювачами 11-13 ввдповщно.
Схоплювачi виконанi з можливiстю ротацп вiд при-водiв 14-16 та додаткових поступальних перемiщень ввд приводiв 17-19 перпендикулярно осi попередньо! ланки. На основi 1 машпулятора може бути встановлено висувш або iншi тимчасовi опори 20 для можливо! фжсаци на них схоплювачiв 11-13.
Манiпулятор працюе таким чином. Виконавчi ланки 2-4 повертаються на основi 1 та ввдносно одне одного, вiд приводiв 8-10 та поступально перемiщуються вщ додаткових приводiв 17-19. Схоплювачi 11-13, яш встановленi на кожнiй ланщ, мають можливiсть ротаци ввд привода 14-16. Будь-який iз схоплювачiв може взя-ти та перемiстити обект 21 або зафiксуватися на висувнш тимчасовiй опорi 20.
Завдячуючи останньому, жорстшсть манiпулятора зростае та шдвишуеться точнiсть позицшвання. Застосовування одночасно дешлькох схоплювачiв також пiднiмае продуктившсть промислового робота.
Подальше розширення технологично! функцюналь-ностi промислових роботiв може рухатися в напряму ввдмови вщ традиц1йних нерухомих опор - стшок в бiк безопорних манiпуляторiв (рис. 5). Схоплювачi 11-15 утримуються на тимчасових опорах, як на стшках. Схоплювачi 13, 16 здiйснюють перемщення об'екпв-вантаж1в 29, 30. Тимчасовi опори можуть бути змшни-ми, переносними, стащонарними або висувними. Переносш опори служать «ногами» при пересуванш манiпулятора. Манiпулятор може також пересуватися спираючись на систему нерухомих опор, конф^ура-цiя розмiщення яких визначить траекторш руху манi-пулятора.
у
№ 77
12 1 217
да 7 ♦ Ш п^ш
/ Г7
б
Рис. 4. Реконструйований шаршрно-ланковий маншулятор у витягнутому а) та складеному б) положеннях
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2017
105
а
Висновок
Ввдповвдний р1вень функцюнальносп промислових робопв може бути досягнуто не тшьки розробкою та виготовленням нових промислових робопв вищих р1вн1в, що е висококоштовним та високозатратним заходом , а й шляхом реконструкцп та оснащения додатко-вими пристроями наявних робопв i замшою старих систем керування i3 «жорстким» програмуванням су-часними мiкроконтролерами.
Список лтератури
1. Механика промышленных роботов : Учеб. пособие для втузов : В 3 кн. / Под ред. К. В. Фролова, Е. И. Воробьева. - М. : Машиностроение, 1987.
2. Современные промышленные роботы : Справочник. -М. : Машиностроение, 1984. - 149 с.
3. Козырев Ю. Г. Промышленные роботы. Справочник / Козырев Ю. Г. - М. : Машиностроение, 1983 - 375 с.
4. А.с. СССР .№1493457 БИА1, Б251 9/00, 11/00, 4.05.1987 Мартовицкий Л. М., Быков В., Кичаев Ю. П., Федеря-кин И. А., Трубачев В. Г., Стебницкий А. В. Манипулятор.
5. А.с. СССР №1364468 БИ А1, Б251 11/00б 09,06,1986 г. Мартовицкий Л. М., Аль Зейр Фарид Махмуд. Манипулятор.
6. А. с. СССР №1613317 БИ А2, Б251 9/00, 11/00, 05.11.1988. Мартовицкий Л. М., Аль Зейр Фарид Махмуд, Ковтун А. Е. Манипулятор.
Одержано 22.12.2017
Мартовицкий Л.М., Сочава А.И., Глушко В.И., Шанина З.М., Клименко А.В., Фролов Р. А. Расширение функциональности промышленных роботов
Функциональные возможности существующих и новых промышленных роботов можно расширить за счет замены старой системы управления с «жесткой» логикой - современной, на базе микроконтроллеров, а также добавлением в манипуляционную систему других технологических возможностей: измерения веса и температуры объекта манипулирования, повышение точности позиционирования и жесткости манипуляционной системы конструкционными методами, расширение подвижности по принципу «безопорности» робота.
Ключевые слова: промышленный робот, функциональность, микроконтроллерное управление, тензодатчики, термопара, безопорный манипулятор.
Martovitskyi L., Sochava A., Glushko V., Shanina Z., Klimenko A., Frolov R. Expansion of the functionality of industrial robots
The functionality of existing and new industrial robots can be expanded by replacing the old control system with «hard» logic-modern, based on microcontrollers, and adding to the manipulation system other technological capabilities: measuring the weight and temperature of the manipulation object, increasing the accuracy of positioning and rigidity of manipulation systems by constructive methods, expansion of mobility by the principle of «robustness» of the robot.
Key words: industrial robot, functionality, microcontroller control, strain gauges, thermocouple, unsupported manipulator.
