содержание .. 11 12 13 14 ..

ТЕХНОЛОГИЯ, МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ (С.А.Куркин) - часть 13

ры с вращательным движением вала и гидроцилиндры с поступательным движением поршня. Для ра-

боты гидропривода необходима автономная гидросистема с высоким давлением масла, поэтому всегда

существует угроза нарушения герметичности шлангов и сопряжении движущихся частей.

Электромеханический привод требует применения сложных точных редукторов, но он проще в об-

служивании. Робот с электроприводом обладает высоким быстродействием и точностью позициониро-

вания.

Пневмопривод конструктивно прост. У него меньше, чем у гидропривода, суммарная длина трубо-

проводов, ниже требования к уплотнениям, нет питающей гидростанции. Однако пневмоприводом

трудно осуществлять регулируемые (управляемые) остановки инструмента. Обычные пневмодвигатели

служат для перемещения инструмента по циклу "подвод — отвод" с настройкой длины хода перестав-

ными жесткими упорами. Системы управления движением инструмента робота подразделяются на

цикловые, позиционные и контурные.

Цикловая система управления предназначена для задания определенной последовательности ряда

команд без указания значений перемещений. Цикловая система является простейшим случаем позици-

онной системы с минимальным числом позиций, программируемых по каждому приводу (обычно две —

начальная и конечная).

В роботах с цикловым управлением широко используют пневмопривод. Эти роботы применяют в

основном на вспомогательных операциях по обслуживанию основного технологического оборудования,

при сборке деталей, при погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работах, при укладке и

упаковке готовой продукции.

Позиционная система определяет не только последовательность команд, но и положения всех звень-

ев манипулятора. Она предусматривает позиционирование объекта, т.е. ориентированное расположе-

ние его с заданной точностью в конце отдельного перемещения (в заданной точке) и остановку. После

получения сигнала о правильном выполнении шага происходит переход к следующей точке. Как и по

какой траектории происходит перемещение между заданными точками, не контролируется.

Такая система пригодна для контактной точечной сварки, для сборочных и транспортных опера-

ций.

Многопозиционная система позволяет проходить промежуточные точки без остановок и может ис-

пользоваться для дуговой сварки. Число точек позиционирования инструмента в рабочей зоне ограни-

чивается только объемом памяти запоминающих устройств. В позиционных роботах наибольшее при-

менение нашли гидравлические и электромеханические приводы. Электромеханические приводы обла-

дают наилучшими динамическими качествами. Разработаны также первые позиционные роботы и с

пневмоприводом.

Контурная система управления задает движение в виде непрерывной траектории или контура,

причем в каждый момент времени определяет не только положение звеньев манипулятора, но и вектор
скорости инструмента. Эта система обеспечивает движение инструмента по прямой линии или окруж-
ности путем задания соответственно двух или трех точек этих участков траектории. Это существенно
упрощает обучение робота, так как отдельные участки траектории могут интерполироваться дугами ок-
ружностей и отрезками прямых. В сварочных роботах с контурным управлением используется электро-
привод, который обеспечивает более точное регулирование скорости перемещения горелки.

На рис. 11 ... 14 (листы 63, 64) приведены известные в настоящее время сварочные роботы, выпол-

ненные в различных системах координат.

Сварочный робот "Asea I Rb-6" (Швеция) (рис. 11), выполненный в ангулярной системе координат,

применяется как для дуговой, так и для контактной точечной сварки в зависимости от того, что при-

креплено к руке робота: сварочная горелка или клещи для контактной сварки. Для перемещения рабо-

чего инструмента используются мотор-редукторы 2, 4, 17 и 20. Применение эл° ктропривода в сочета-

нии с жесткой механической конструкцией обеспечивает малую погрешность позиционирования (± 0,2

мм). Поворот руки вокруг вертикальной оси осуществляется от мотор-редуктора 2, установленного на

основании 7, через волновую беззазорную передачу 3, выходное колесо которой связано с поворотным

корпусом 5. Мотор-редуктор 4 через шариковую винтовую пару б поворачивает тягу 7, образующую со

звеньями 9, 10 и 12 шарнирный параллелограмм, обеспечивающий поворот звена 12 вокруг оси криво-

шипа 13. Наклон звена 10 обеспечивается мотор-редуктором 20, движение от которого через шарико-

вую винтовую пару 18 подается на кривошип 79. Для разгрузки приводов предусмотрен урав-

новешивающий груз 8. Внутри звеньев руки размещены тяги 11 и 14 и система кривошипов 13, 15 и

19, образующих систему передач, которые обеспечивают повороты рабочего инструмента вокруг оси I

(кривошипом 15) и на угол а (беззазорной конической передачей 16). Движения звеньев по всем степе-

ням подвижности контролируются датчиками положения. Система управления — позиционная.

Робот (рис. 12) для дуговой сварки фирмы "Shin Meiwa" (Япония), имеющий сварочную горелку и

механизм подачи электродной проволоки, расположенный на устройстве горизонтального перемещения

горелки по оси, имеет базовый механизм, выполненный в прямоугольной системе координат.

Одним из первых роботов, примененных для сварки, был американский робот "Unimate" (рис. 14),

производимый в США и по лицензии США фирмами ФРГ, Франции и Японии. Он выполнен в сфериче-

ской системе координат. Базовый механизм (рис. 13) такого робота состоит из опорной колонны 4, ка-

чающейся траверсы 3 и выдвигающейся руки 1 с кистью 2. Кисть 2 робота может наклоняться и пово-

рачиваться вокруг своей оси.

Траверса, поворачивающаяся вокруг горизонтальной оси, закрепленной в проушинах верхней части

колонны 3 (см. рис. 14), имеет линейные направляющие 5, в которых скользит рука, состоящая из двух

труб 6, соединенных скобой. Поворот колонны осуществляется двумя гидроцилиндрами 2 с помощью

рейки, зацепляющейся с зубчатым колесом колонны. Гидроцилиндр 1 служит для поджима рейки к зуб-

чатому колесу. Гидроцилиндр 4 осуществляет наклон траверсы в вертикальной плоскости. Выдвигает

руку робота гидроцилиндр 7. Гидроцилиндры 8 поворота кисти расположены по бокам траверсы и свя-

заны системой цепей, зубчатых колес и шлицевых валив с соответствующими редукторами кисти. Пе-

ремещения контролируются координатными датчиками КД.

Захватные устройства (листы 65 ... 70). Роботы, используемые для сборки и транспортировки де-

талей, имеют устройства, предназначенные для захватывания и удержания в опредленном положении

объектов манипулирования. Эти устройства должны обеспечить надежность захвата и удержания объ-

екта, стабильность базирования, недопустимость повреждения или разрушения объектов. Пи принципу

действия захватные устройства можно подразделить на механические, вакуумные, магнитные, с эла-

стичными камерами.и др.

Механические захватные устройства могут быть неуправляемыми. Их выполняют в виде пинцетов,

цанг и других устройств, усилие зажатия в которых осуществляется благодаря упругим свойствам за-

жимных элементов, а высвобождение детали — дополнительными устройствами. Такие захваты приме-

няют при манипулировании объектами небольшой массы и габаритов.

Широко применяются командные клещевые захватные устройства (лист 65, рис. 1). Перемещение

губок осуществляется пневматическим, гидравлическим или электрическим приводом.

Клещевые захваты с рычажными передаточными механизмами (рис. 2, а, б) конструируют таким

образом, чтобы получить выигрыш в усилии зажима. Реечный механизм захватного устройства (рис. 3,

а) удобен для углового перемещения поворотных губок при захвате валов. При использовании рычагов,

образующих шарнирный параллелограмм, реечный механизм может обеспечить прямолинейное пере-

мещение губок (рис. 3, б). По сравнению с рычажными реечные механизмы компактнее, обеспечивают

большее раскрытие губок, но не дают выигрыш в усилии зажима объекта.

Для зажима деталей используют и клиновые механизмы (рис. 4, а, б). Захваты для круглых и плоских

деталей разнообразны (лист 66, рис. 5, а ... е).

Можно использовать одно захватное устройство для удержания деталей различной формы, приме-

няя наборы сменных губок (рис. 6, а, б) . Параллельное перемещение губок обеспечивается применени-

ем рычагов, образующих шарнирные параллелограммы (лист 67, рис. 7) .

Диафрагменный захват с рычажным механизмом (рис. 8) при создании вакуума в верхней полости А

камеры обеспечивает подъем мембраны 3 со штоком 4 и зажим детали рычагами 5. Наличие направ-

ляющих 2 и пружины 1 позволяет уменьшить нагрузку на руку робота в момент соприкосновения за-

хвата с деталью и снизить требования к точности позиционирования.

Для захвата круглых деталей удобен трехкулачковый поршневой захват с клиновым механизмом (рис.

9). При создании вакуума в полости захвата поршень 4 поднимается вместе с кулачками 7, которые,
скользя по наклонным плоскостям корпуса 5, зажимают деталь 6. Разжатие кулачков осуществляется
под действием пружин.

Трехпалый захват (рис. 10, а, б), крепящийся к корпусу пневмоцилиндра с помощью болтов 4, отли-

чается возможностью регулировать расстояние между зажимными элементами 1 и 3 сдвигом элемента

1, который крепится к штоку 5 болтами 6. На захвате установлен концевой выключатель 2, который да-

ет роботу сигнал о захвате детали.

Для захвата покоробившихся деталей и увеличения надежности удержания заготовки без измене-

ния усилия зажима применяют захваты (рис. 11, 12, а, б) с самоустанавливающимися зажимными эле-

ментами. Захват с неподвижным нижним зажимным элементом 2 (рис. 11) и самоустанавливающимся

верхним элементом 1, закрепленным при помощи шарнирного подшипника 3, позволяет надежно за-

хватывать деталь с сохранением позиционирования. Самоустанавливающиеся элементы 1 и 2 захвата

на рис. 12,6 (лист 68) могут поворачиваться относительно взаимно перпендикулярных осей.

Для привода в действие захватных устройств применяют и эластичные камеры 7 (рис. 13) .

Захваты с эластичными камерами 2 (рис. 14, а) удерживают деталь 7 (рис. 14, а, б, в) под действием

давления р воздуха или жидкости, подаваемых в камеру. Они применяются для переноса хрупких дета-

лей неправильной формы, например бутылок 7 (рис. 14, в). Удержание деталей может осуществляться

как за внутреннюю (рис. 15, а), так и наружную (рис. 15,6) поверхность. Для захватывания деталей 3а

Наружную поверхность применяют также изгибающиеся эластичные камеры с разной жесткостью сте-

нок (рис. 16, б): наружная стенка такой камеры имеет меньшую жесткость, чем внутренняя. При подаче

сжатого воздуха камеры 7 (рис. 16, а) изгибаются, охватывают деталь 3 и прижимают ее к центрирую-

щей призме 2.

Минимальное сдавливание деталей сложной формы при надежном удержании их обеспечивает за-

хват АД. Перовского (лист 69, рис. 17). Эластичные камеры 7 переменной жесткости при подаче в них

сжатого воздуха сгибают захватывающие элементы 3, состоящие из мягкой оболочки, заполненной ша-

риками малого диаметра. При этом элементы 3 охватывают деталь 2, Фиксация захватывающих эле-

ментов в этом положении и обеспечение требуемой жесткости для удержания деталей осуществляются

при создании вакуума в элементах 3.

Усилие захвата электромагнитных устройств (рис. 18, а, б) можно регулировать плавно электриче-

ски. Эти устройства просты конструктивно, имеют большую точность базирования благодаря жесткости

магнитопровода, быстро захватывают детали, но пригодны только для захватывания магнитных мате-

риалов. Электромагнитное захватывающее устройство (рис. 18, а) имеет катушку 3, надетую на магни-

топровод 2, закрепленный на корпусе 4. Последний перемещается в вертикальном направлении в обой-

ме 7, прикрепленной к кронштейну 5. Пружина 6 обеспечивает безударное прикосновение захвата к

детали.

При использовании постоянных магнитов (рис. 19,а) необходимы устройства для освобождения де-

тали на позиции разгрузки. Так, например, на рис. 19,6 приведена конструкция захвата с постоянными

магнитами 7 и магнито-проводами 8 для деталей с отверстиями. Корпус 3 имеет возможность переме-

щения в вертикальном направлении относительно кронштейна 4, который крепится к руке робота. Для

базирования детали б применяется бобышка 1 с заходным конусом, изготовленная из немагнитного ма-

териала. При контактировании магнитопроводов с деталью б электрическая цепь (рис. 19, в) замыкает-

ся, сигнализируя о захвате. При установке детали на изделие бобышка 1 сначала упирается в изделие

или в приспособление. Корпус 3, продолжая движение вниз, отрывает деталь от магнитопроводов 8 и с

усилием, развиваемым пружиной, прижимает деталь к изделию. Между деталью и магниго-проводами

образуется зазор 4 мм, который препятствует повторному захвату детали при подъеме руки робота.

Вакуумные захватные устройства просты и универсальны, пригодны для удержания деталей из раз-

ных материалов, однако имеют пониженную точность базирования из-за эластичности присосок из ре-

зины или пластика (лист 70, рис. 20, а). Разрежение обычно получают, пропуская воздух из цеховой се-

ти через эжектор (рис. 20, б). Присоску, изображенную на рис. 20, в, можно закреплять под нужным уг-

лом благодаря шаровой опоре. Для удержания больших деталей или деталей, имеющих сложную форму,

можно использовать различные устройства, содержащие несколько захватывающих элементов (рис.

21,12,а...ж), меняя их расположение с помощью специальных устройств.

Захваты 3 или 5 (рис. 21) часто компонуют на общей раме 1. Расстояние между вакуумными элемен-

тами 3 (или электромагнитами 5), закрепленными на кронштейнах 2, можно регулировать болтами 4

(рис. 21).

Датчики положения сварочного инструмента (листы 71 ... 74).

При сборке изделий под сварку возникают погрешности, определяемые точностью изготовления и

точностью позиционирования деталей, имеются и погрешности позиционирования руки робота при по-

даче сварочного инструмента к месту сварки и погрешности, возникающие при воспроизведении робо-

том заданной траектории движения электрода (сварочного инструмента) вдоль предполагаемой линии

сварного соединения. Это нередко приводит к неточной укладке сварного шва, получению шва непра-

вильной геометрии, непровару, что может снижать прочность сварного соединения.

Для направления сварочного инструмента по линии сварного соединения и стабилизации расстоя-

ния между сварочной горелкой и поверхностью изделия применяются различные датчики (лист 71, рис.

1), отличающиеся принципом действия. По способу отыскания линии соединения датчики разделяются

на контактные и бесконтактные.

Контактные датчики могут снимать информацию о месте укладки шва, используя свариваемые

кромки (рис. 2, а, б, г и 3, а, б), линию сплавления валиков или валика с кромкой (рис. 2, б) .

Контактные датчики с копирными роликами 2 (рис. 4) могут быть жестко соединены со сварочной

горелкой 7 и непосредственно задавать положение электрода (рис. 4, а, б, и 8) или позволяют получать

сигнал о линии соединения, который используется для смещения горелки в нужном направлении с по-

мощью управляющих устройств (рис. 4, в). Наряду с непрерывным копированием линии соединения

возможна корректировка положения горелки периодически, как это предусмотрено конструкцией

пневмощупа "Motoman" (рис. 5 ... 8), разработанного специально для дуговой сварки плавящимся элек-

тродом в среде углекислого газа. К пневматическому датчику-щупу сварочная горелка крепится жестко

(лист 72, рис. 8). В начале сварки горелка должна найти правильное исходное положение. При установ-

ке ее рукой робота в исходное положение погрешность корректируется действием усилия, возникающе-

го при выдвижении щупа. Для этого сначала осуществляется разблокировка фиксирующего устройства

5 (рис. 7, а) снятием давления воздуха в кольцевой полости А и сдвиг корпуса 3 с щупом 1 в крайнее

нижнее положение под действием пружины 4 и при подаче воздуха в полость Б. Затем подачей воздуха

в полость В выдвигается щуп до упора его в угол (рис. 7, б), в котором следует уложить шов. При этом

корпус 3 с щупом 1 вместе со сварочной горелкой поворачивается относительно направляющей по-

верхности цилиндра 6, закрепленного на руке робота. Этим осуществляется корректировка, обеспечи-

вающая установку электрода на линию соединения.

Установление заданного вылета электрода происходит путем смещения корпуса 3 относительно на-

правляющей поверхности цилиндра 6 снятием давления в полости Б. При этом перемещение корпуса 3

ограничивается упором его кромки а (рис. 7, в) в поршень 7 щупа. Это правильное положение корпуса

3 с горелкой фиксируется подачей воздуха в полость А и прижатием элементов фиксирующего устрой-

ства 5 к цилиндру 6 (рис. 7, 8). Затем щуп втягивается внутрь корпуса под действием пружины 2 при

снятии давления в полости В. Начинается процесс сварки. В процессе сварки возможна периодическая

корректировка положения электрода аналогичным образом без прекращения горения дуги с остановкой

движения руки робота на 300 мс. На качестве сварки такие остановки обычно не сказываются.

Электромеханический датчик (рис. 9, д) содержит копирующий элемент — щуп 1, который под дей-

ствием пружин, пневмоцилиндров или собственной массы прижимается к копируемой поверхности с

небольшой силой 1 ... 10 Н. Копирование осуществляется впереди места сварки или сбоку от него.

На рис. 9, а ... г показаны различные варианты преобразования механического сигнала в электри-

ческий. В фотоэлектрическом преобразователе (рис. 9, а) поворот щупа 1 в корпусе датчика смещает

светодиод 2 относительно светочувствительных элементов 3; в электроконтактном преобразователе

(рис. 9, б) поворот щупа 1 приводит к замыканию якорем 2 соответствующих групп контактов 3; в пре-

образователе резисторного типа (рис. 9, в) — к смещению движка 2 потенциометра 3; в дифферен-

циально-трансформаторном преобразователе (рис. 9, г) — к перемещению сердечников 2 восприни-

мающих катушек 3. Полученный электрический сигнал используется для перемещения сварочного ин-

струмента в нужном направлении.

Примером датчика такого типа является электромеханический двукоординатный датчик конструк-

ции Института электросварки им. Е. О. Патона (рис. 9,д) с дифференциально-трансформаторными пре-

образователями,расположенными в корпусе 2. Для повышения износостойкости щуп 1 армирован твер-

досплавными пластинками. Корпус датчика и верхняя часть щупа охлаждаются водой. Датчик предна-

значен доя слежения за боковой стенкой и дном разделки глубиной до 300 мм, а также для сварки

обычных стыковых швов с разделкой и угловых швов. Датчик обеспечивает слежение с погрешностью,

не превышающей ± 0,5 мм.

При использовании электромеханических датчиков глубина разделки кромок, копируемой канавки

или незаполненной части разделки должна быть не менее 3 мм (при качественной подготовке кромок и

сборке — не менее 1,5 мм).

К бесконтактным датчикам относятся телевизионные, фотоэлектрические, индуктивные, индукци-

онные, пневматические и др.

Телевизионные датчики 2 (рис. 10, а ... в) снимают информацию о движении сварочной горелки 1

при наличии контрастных линий или границ при подсветке их осветителем 3. Слежение возможно за

линией стыка (рис. 10, а, б), за копирной линией или риской а (рис. 10, в), нанесенной параллельно сва-

риваемой кромке, за границей "черное — белое" на копирной ленте, наклеиваемой на одну из кромок, за

зазором, подсвечиваемым со стороны, обратной расположению датчика (рис. 10, а). Для получения кон-

трастной линии можно окрашивать или зачищать до металлического блеска одну из свариваемых кро-

мок. При слежении по стыку при сборке без зазоров для улучшения видимости на кромках снимают не-

большие фаски.

Телевизионные датчики дают большой объем информации о положении и геометрических парамет-

рах сварного соединения, современны и перспективны. Однако при использовании телевизионных дат-

чиков возникают ложные сигналы, которые создают царапинки, риски и блики на поверхности свари-

ваемых изделий, попадающие в поле зрения передающей камеры. Изменение освещенности поверхно-

сти, подсвечиваемой дугой при сварке, тоже отрицательно влияет на работу систем управления с теле-

датчиком. Наиболее резкие колебания освещенности поверхности наблюдаются при сварке в среде уг-

лекислого газа.

Условия применения фотоэлектрических датчиков аналогичны условиям применения телевизион-

ных датчиков. Для получения сигнала контрастная линия а (лист 73, рис. 11) освещается источником

света 2 через объектив 1. Отраженный световой поток в амплитудно-фазовой следящей системе У892

проходит через объектив 6, диафрагму 5 электромеханического модулятора, окуляр 4 фотоприемника и

попадает на фоточувствительный слой фотоприемника 3. Величина смещения датчика с контрастной

линии оценивается по углу сдвига фаз между сигналом, снимаемым с фотоприемника, и опорным на-

пряжением. При использовании фотоэлектрических датчиков возникают трудности из-за тех же свето-

вых помех, которые мешают применению телевизионных датчиков.

Электромагнитные датчики получают информацию о стыке или поверхности изделия в результате

изменения параметров магнитного поля, созданного самим датчиком. Их можно применять при сварке

стыковых соединений. Ими можно измерять одновременно несколько параметров (смещение с линии

соединения и расстояние до свариваемого изделия). Они пригодны при сварке магнитных и немагнит-

ных металлов, малогабаритны; конструкция их проста.

Электромагнитные датчики подразделяются на индуктивные (рис. 12) и индукционные (рис. 13). В

индуктивном датчике (рис. 12, а) при смещении -х: стыка от средней линии равенство магнитных пото-

ков Ф

и Ф

и сопротивлений катушек L

и L

, нарушается, и возникает напряжение на дифференциаль-

ном выходе (клеммы 1 ... 3). Индуктивные датчики чувствительны к превышению кромок. Для увеличе-

ния точности работы индуктивных датчиков предложены конструкции с незамкнутым магнитопрово-

дом (рис. 12, б), менее чувствительные к превышению кромок h.

Индукционные датчики содержат задающие обмотки W

, питаемые переменным током, и индика-

торные обмотки W

, в которых наводится электродвижущая сила, пропорциональная смещению стыка

относительной плоскости симметриии магнитной системы. Индикаторные обмотки могут располагаться

как на среднем стержне магнитопровода (рис. 13, а), так и на крайних (рис. 13,6).

В Институте электросварки им. Е. О. Патона разработана гамма унифицированных по принципу

действия бессердечниковых индукционных датчиков положения стыкового соединения (рис. 13, в),

датчиков расстояния до поверхности изделия (рис. 13, г) и комбинированных (рис. 13, д), которые дают

информацию одновременно о смещении ∆у , ∆z стыка и расстоянии hи до изделия. На рис. 14, в ... з и

15, а ... г (лист 74) показано размещение датчиков 1 положения стыкового соединения, датчиков 2 рас-

стояния до поверхности изделия и комбинированных датчиков 3 при сварке различных сварных соеди-

нений. В конце шва часть стыка на длине Х

откл

(рис. 15, в, г) сваривается без слежения. Размещение

индукционных датчиков и сварочной горелки на руке робота "Универсал-15М" показано на рис. 16.

Пневматические датчики (рис. 17) используют взаимодействие потока газа, вытекающего из сопла

диаметром d

с поверхностью изделия. Давление р газа в выходном сопле служит сигналом для управле-

ния сварочным инструментом. Величина сигнала сильно зависит от смещения датчика с кромки, от

расстояния до середины зазора и расстояния до изделия. В пневматическом датчике дроссельного типа

(рис. 17, а) воздух под давлением р

подается через дроссель диаметром d

= 0,25 мм. Давление р на вы-

ходе пропорционально расстоянию до изделия х. Расстояние, контролируемое этим датчиком, изме-

ряется десятыми долями миллиметра. Поэтому его можно использовать только на чистых поверхностях.

Струйный датчик (рис. 17, б) контролирует давление отраженной струи и может использоваться на рас-

стоянии х до 6 мм.

Пневматические датчики (рис. 18) компактны и обладают хорошей чувствительностью. Их можно ис-

пользовать для направления электрода по разделке, используя кромку (рис. 19, в) или зазор, для под-

держания постоянным вылета электрода (рис. 19, б), при сварке в узкую разделку (рис. 19, в), при кон-

содержание .. 11 12 13 14 ..