В последнее время в обработку металлов активно внедряются гибридные технологические процессы, реализация которых ориентирована на использование многофункциональных производственных комплексов. Это в полной мере соответствует сформировавшейся тенденции возрастания сложности технических систем, обусловленной стремлением увеличения числа выполняемых функций на одном рабочем месте, усложнением состава и структуры операций и средств технологического оснащения, а также увеличением числа функциональных модулей в системе управления при интеграции IT-технологий и гибкой автоматизации. Создание указанных выше систем, обладающих высокой эффективностью, позволяет комплексирование, охватывающее широкий круг вопросов и задач. Основная задача комплексирования – построение многофункциональных производственных комплексов с автономной работой в гибком машиностроительном производстве. При этом минимизируется количество основного и вспомогательного оборудования, производственных площадей и ресурсов, а также сокращается производственный цикл за счет замены маршрутной технологии комплексом «одного рабочего места» для изготовления деталей «под ключ».
Главной особенностью рассматриваемых систем является комплексное использование разнородных компонентов и подсистем, характеризующихся различным способом воздействия на материал заготовки: резание и закалка; точение, шлифование и закалка; гибка, резка и сверление и т.п. В работе [4] приведены примеры подобных систем, при этом их функционально-технологическое комплексирование сводится к одному из вариантов, приведенных на рисунке 1.
Рисунок 1. Схемы функционально-технологического комплексирования обрабатывающих систем
В последние годы целый ряд основных операций в механической обработке стали успешно выполнять промышленные роботы (фрезерование концевыми фрезами, шлифование, полирование и другие) с погрешностью обработки до 0,01мм. Преимущества использования роботов следующие: стоимость робота в несколько раз меньше стоимости 5-координатного станка с ЧПУ; высокая маневренность (в одной роботизированной ячейке можно организовать несколько рабочих зон); гибкость функционирования (вариативность решений «инструмент к детали», «деталь к инструменту» или совместные движения инструмента и детали в процессе выполнения операции); значительно меньшая масса и потребление энергии в процессе работы.
Роботы являются основным рабочим инструментом при обработке концентрированными потоками энергии, доминирующей из которых является лазерная. Роботы с успехом используются для выполнения монтажно-сборочных и контрольно-измерительных операций.
Исходя из сказанного выше и наметившейся тенденции использования комплексированных производственных систем, создание высокоэффективных робототехнических систем для выполнения гибридных операций в производстве, обладающих многофункциональной манипуляционной исполнительной системой, обеспечивающей необходимые параметры управляемого движения и взаимодействия рабочих инструментов, является важной и актуальной задачей [3]. На рисунке 2 приведена концептуальная структура комплексированной робототехнической системы для варианта фрезерной и лазерной базовых операций.
Х0, Х1, Х2, Х3, Х4 – перемещения компонентов системы
Рисунок 2. Концептуальная структура комплексированной робототехнической системы
Основополагающими этапами построения гибридной робототехнической системы являются функциональное и кинематическое комплексирование. На рисунке 3 приведена последовательность функционального комплексирования.
Рисунок 3. Последовательность функционального комплексирования манипуляционной исполнительной системы для выполнения гибридных операций в производстве
Наиболее сложной задачей является определение рационального количества манипуляторов. Для ее решения предлагается использовать следующие соотношения:
; i = , j =;
при ; . (1)
В выражениях (1) обозначено: М – количество манипуляторов; n – число используемых инструментов, не превышающее допустимого значения N; совокупность операций для i-го объекта работ, принадлежащих к обрабатываемой партии ; G – приведенная относительная стоимость единицы машинного времени; V и – объем рабочей зоны и срок окупаемости, ограниченные допустимыми значениями.
Величина предложенного критерий функционального комплексирования G может быть определена по выражению:
(2)
Здесь Qср – средняя стоимость манипулятора; Qм – стоимость единицы машинного времени; ∆Твij – экономия вспомогательного времени на один объект обработки. При выбранное количество манипуляторов М следует считать эффективным.
В зависимости от количества манипуляторов, найденного по выражениям (1) и (2), структура комплексированного роботизированного центра может иметь один из вариантов, представленных на рисунке 4.
МРИ – манипулятор рабочих инструментов; ТМ – технологический манипулятор; ОТМ – основной технологический манипулятор; ДТМ – дополнительный технологический манипулятор; ОР – объект работ; МО – манипулятор оптики; ОГ – оптическая головка; РИ – рабочий инструмент; МРИ- манипулятор смены рабочих инструментов; МЗ – манипулятор смены объектов работ
Рисунок 4. Варианты структуры комплексированных роботизированных центров
Комплексирование манипуляторов в роботизированном центре должно в полной мере соответствовать общим принципам комплексирования технических систем [5]: однородности иерархического уровня; максимальной функциональной замкнутости; наращиваемости аппаратуры; физической однородности распределения функций.
Рассматриваемая совокупность манипуляторов и инструментов является сложной технической системой, внутри которой имеют место разнородные связи и взаимодействия и на которую подаются управляющие входные воздействия и энергия движения. В обобщенной манипуляционной системе указанные компоненты можно отобразить в виде рисунка 5:
Ui, i=1,6 – управляющие воздействия; Sj,j=1,7– стационарная или нестационарная направленная позиционная кинематическая связь; Fk,k=1,7– стационарное или нестационарное направленное силовое воздействие; Pl, l=1,6 – мощность, подводимая к компонентам манипуляционной системы; P5 – мощность лазерного излучения, воздействующего на объект работ; Pm, m=1,7 – мощность, передаваемая во время движения в результате позиционно-силового взаимодействия; и позиционная оптическая взаимосвязь, характеризующая пространственное положение лазерного луча
Рисунок 5. Входные воздействия, связи и взаимодействия в обобщенной манипуляционной системе
Следующим этапом комплексирования является структурный синтез исполнительной кинематической цепи (ИКЦ) манипуляторов. К числу условий, определяющих структуру ИКЦ манипуляторов, относятся: форма и размеры рабочих зон, диапазоны скоростей и ускорений, точность позиционирования и воспроизведения пространственных траекторий, величины сил и моментов, развиваемых исполнительными двигателями, потери энергии. Особые условия к синтезу ИКЦ манипулятора оптики предъявляет специфика транспортировки лазерного излучения: необходимость обеспечения нормального расположения оси сфокусированного отрезка луча к поверхности обработки, малые девиации и потери энергии в оптическом тракте. Кроме этого манипуляторы исполнительной системы должны соответствовать условиям их согласованной работы: соотношению рабочих зон, отсутствию соударения звеньев и сингулярностей как в ИКЦ автономных манипуляторов, так и в случае образования стационарных или нестационарных замкнутых кинематических цепей. Вопросы геометрического синтеза рассматриваемых манипуляторов частично изложены в работах [1, 2].
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-08-01364).
Рецензенты:
Гоц А.Н., д.т.н., профессор, профессор кафедры тепловых двигателей и энергетических установок Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ), г. Владимир.
Кульчицкий А.Р., д.т.н., старший научный сотрудник, главный специалист ООО «Завод инновационных продуктов «КТЗ», г. Владимир.