Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Промышленные роботы на погрузочно-разгрузочных работах

Несколько типов роботов для загрузки и разгрузки подвесных грузонесущих конвейеров разработаны ВНИИПТмашем. К их числу относится модель МАК-1 грузоподъемностью 50 кг (рис. 5)— робот первого поколения подвесного типа с жесткой -программой выполнения рабочих движений. Он состоит из тележки 2, колонки 3, механической руки 4 с грузозахватным устройством 1. Робот совершает четыре рабочих движения: подъем, поворот, выдвижение руки и перемещение параллельно движению подвесного конвейера с той же скоростью. Разгружая подвесной конвейер 6", манипулятор подает грузы на конвейер 5 и напольные транспортные средства, укладывает их в контейнеры, па поддоны, размещает в заданном порядке в штабеле. При обслуживании роботом грузонесущих конвейеров" достаточно трех и лишь в отдельных случаях, например для укладки (взятия) грузов в ящичную тару, четырех независимых перемещений. Для переориентации грузов в процессе перегрузки нужны дополнительные вращательные движения самого рабочего органа — схвата.

Линейные перемещения робота следующие: вдоль подвесного конвейера 6 по оси у синхронно с конвейером во время погрузочно-разгрузочной операции; от точек разгрузки-загрузки на конвейере к напольному транспорту, поддону, таре и др. при обслуживании нескольких погрузочных точек, расположенных вдоль грузонесущего конвейера; перемещение схвата перпендикулярно грузонесущему конвейеру по оси х — для ввода в зону грузовых подвесок конвейера 6 и выдачи груза из зоны; обслуживание загрузочных позиций технологического оборудования, конвейеров, поддонов и др.; вертикальное движение по оси z для опускания схвата на груз; обслуживание нескольких грузовых мест на подвеске конвейера, расположенных вертикально; опускание груза на поддон, в тару и др. Наибольшие перемещения схвата по оси х— 500 мм, по осп у — 6000 мм (вдоль подвесного конвейера), по оси z — 800 мм; скорость линейных перемещений 0,3 м/с, частота поворота руки 7,5 об/мин. точность позиционирования ±3 мм, мощность электродвигателя 3 кВт.

Рис. 5 Технологическая схема робота МАК-1

ВНИИПТмашем также сконструирован манипулятор для обслуживания грузонесущих подвесок конвейеров грузоподъемностью 150 кг (модель ШБМ-15), оснащенный сменными вакуумными и электромагнитными захватами. Для погрузочно-разгрузочных и складских работ научно-производственным объединением «Комплекс» созданы автоматические манипуляторы КШ-63 грузоподъемностью 63 кг и КШ-160М-1 грузоподъемностью 125 кг. Они обслуживают зону высотой до 1,6 м и радиусом до 3 м, имеют четыре степени свободы движений и автоматическую систему уравновешивания груза. Последняя нужна при работе на различных вылетах стрелы. Манипуляторы КШ-63 и КШ-160М-1 оснащены устройством корреляционного зрения, позволяющим анализировать визуальную информацию (линейные размеры и ориентация) о транспортируемых на конвейере грузах.

Промышленные роботы получают распространение и для пакетирования грузов на поддонах. Технологию пакетирования можно проследить на примере робота модели Кавасаки-Юнимейт 3030 (Япония) грузоподъемностью 30 кг. Робот с четырьмя степенями свободы движений функционирует в прямоугольной системе координат. Устройство управления располагает стандартными дисками для записи программы, на которых может быть записано до 510 операций. Основные технические характеристики робота: скорости движения вдоль осей координат Ох — 0,9 м/с, Оу — 0,45 м/с, Ог — 0,9 м/с; максимальная зона обслуживания 3000 х 2000 X 1200 мм, максимальный угол поворота

Рис. 6 Схема пакетирования грузов роботом: а – траектория движения захватом; б – матричная схема укладки грузов

180°, частота вращения 0,25 об/мин. Особенность данного робота — возможность функционирования в двух режимах: основном и самообучения. При функционировании в основном режиме реализуются два варианта работы — нормальный и укладка груза на поддон. При нормальном варианте рука вместе с кистью перемещается в зоне подачи груза от одной точки к другой. Вторую точку выбирает человек. Координаты ее записывают в памяти. При укладке на поддон в зависимости от параметров пакетируемых грузов счетно-решающее устройство робота вычисляет начальное, а затем—последующие положения.

Рассмотрим схему движения робота при реализации режима обучения (рис. 6). Груз, укладываемый на поддон, ориентирован на определенной позиции 1, в точке М. Его транспортируют на поддон по маршруту М - Р - А - В-С. Движение руки по ломаной Р-М-Р записывается в памяти как основная программа. При загрузке поддона для каждой единицы груза робот запоминает четыре элементарные операции, соответствующие позициями, В, С и А. Координата hx точки В зависит от параметров груза, в частности от его массы. В этой точке, чтобы обеспечить высокую точность позиционирования, уменьшается скорость опускания груза. При самообучении реализуются три варианта работы. В первом схват робота при перемещении к точке А фиксируется на высотах ht и h„ нажатием клавиши на пульте управления; в памяти записывается программа перемещения по пути А-В-С-А. Во втором варианте рука и схват робота не перемещаются, а записываются координаты точки С, а также информация о положении груза в точках А и В на высоте /г, и)и. Третий вариант реализуется при матричной, перекрестной, схеме укладки грузов на поддоне. После фиксирования груза в точках А и В при дальнейшем перемещении к точке С устанавливается определенный шаг Л.с и Ду размещения грузов на поддоне, который определяет точность позиционирования (рис. 6, б). Максимально возможная запись информации о позициях груза на поддоне — 16 числовых рядов в направлениях Ох и Оу. После обучения и накопления в памяти достаточного числа операций включается исполнительный режим работы. Предварительно устанавливают величину вертикального шага Az при пакетировании грузов в несколько ярусов и определяют новые координаты точек В и С — получается программа формирования пакета на поддоне.

Технологию использования робота и схему рабочих движений его исполнительных механизмов описывает циклограмма — график рабочего цикла. Анализом зависимостей и (/) исполнительных механизмов для типичных ситуаций (рис. 7) определяют периоды разгона t, торможения (т и установившегося движения t соответствующие им участки путей и общую длину рейса. Оба графика на рис. 7 построены для идеального случая, абсолютно жесткой системы, когда в конце движения на участке механизм работает на постоянной установочной скорости. Рассчитав продолжительность элементов цикла /,-, определяют возможность совмещения отдельных движений (подъем схвата и поворот руки, движение схвата по горизонтали и поворот и др.) для сокращения продолжительности рабочего цикла; устанавливают интервалы совместной работы исполнительных механизмов. На заключительном этапе строят совмещенные циклограмму движений и зависимости v (t) и w(t) (w — частота вращения) (рис. 8) и находят продолжительность рабочего цикла и производительность робота.

Технологическая схема пакетирования грузов (циклограмма соответствует ей), когда робот снимает упаковки с конвейера и укладывает их на поддон (в данной ситуации он обслуживает объемно-цилиндрическую зону и поэтому его кинематическая структура соответствует варианту на рис. 1, в), изображена на рис. 9.

Рис. 7 Зависимости v (t): а – для переходных процессов (разгона и торможения); б – на интервале с установившимся движением

Рис. 8 Циклограмма движений робота

Учитывая технологию погрузочно-разгрузочных и складских операций, характеристики грузов и транспортных средств, в ближайшей перспективе необходимо ориентироваться на три класса роботов, отличающихся грузоподъемностью: 60—100 кг, 800—1000, до 5000 кг и более. Сфера действия роботов первого типа: укладка и разборка пакетов, грузовые, операции с пакетированными грузами, передача их с конвейера на конвейер. ПР второго типа предназначены для переработки тарно-штучных грузов, сформированных в стандартные пакеты. Сфера применения манипуляционного робота данного типоразмера будет наиболее обширна на погрузочно-разгрузочных и складских операциях. Манипуляторы грузоподъемностью 5000 кг и более предназначают для работы с пакетами, кассетами и специальными контейнерами, в которых перевозят лесоматериалы,, металлы, тяжеловесные грузы. Монтировать их можно на кранах, кранах-штабелерах и стеллажных штабелерах.

Аргументируем параметры и основные технико-эксплуатационные требования к погрузочно-разгрузочным роботам1 (табл. 1). Промышленные роботы класса А выполняют функции пакеторазборочных и пакетоформирующих автоматов. Их размещают соответственно на входе транспортных систем,

передающих грузы в производство, и на выходе производственных конвейеров. Роботы класса Б предназначены для погрузочно-разгрузочных операций с пакетированными грузами. Их также включают в поточно-транспортные системы, располагая на головных и выходных участках. Роботами-манипуляторами класса В оснащают мостовые и козловые краны, стеллажные штабелеры. Принимая во внимание специфику погрузочно-разгрузочных операций в вагонах и на автомобилях, эксплуатационные и экономические факторы, целесообразно оснащать автоматическими манипуляторами с сенсорными элементами малогабаритные авто - и электропогрузчики.

Рис. 9 Технологическая схема (а) и график рабочего цикла (б) робота

Таблица 1

По принципу действия, функциональным возможностям к роботам приближаются автоматические авто- и электропогрузчики. Например, электропогрузчики с автоматической стабилизацией курса, выпускаемые фирмой Komatsu Forklift (Япония), предназначены для обслуживания стеллажных складов, оснащены бортовым микропроцессором, управляющим исполнительными механизмами. Команды от центральной ЭВМ передаются по индуктивным каналам связи. Для контроля занятости пути и свободности ячеек стеллажей электропогрузчики располагают ультразвуковыми датчиками, которые функционируют в комплексе с бортовыми микропроцессорами. При длительной занятости маршрута движения или ячейки стеллажа датчик положения посылает сигнал в центральную ЭВМ, которая выбирает другую свободную ячейку или маршрут движения. Чтобы работать с неориентированными или недостаточно ориентированными на своих позициях грузами, кинематика робота должна обеспечить четыре степени свободы движений руки и две — кисти руки. У роботов, в основном работающих в стационарном режиме, перемещение носит установочный характер, от одной рабочей позиции к другой, и не программируется системой управления. Для точного позиционирования руки и схвата относительно груза (точность позиционирования ±2—3 мм) набор сенсорных устройств, помимо тех, которые контролируют пройденный путь или угол поворота, включает датчики, определяющие положение, форму груза, расстояние схвата от него. Для выбора оптимальной траектории движения руки и схвата, совмещения рабочих движений робот оснащают оптимизатором. Микропроцессоры—основные технические средства для построения таких оптимизационных схем.

Системы управления манипуляторами должны быть способны к самообучению. Это необходимо для работы с неориентированными грузовыми единицами. Таким образом, по функциональным возможностям погрузочно-разгрузочные роботы относятся к роботам второго поколения. Вместе с тем на первом этапе применения роботехнических систем на погрузочно-разгрузочных и складских операциях при строгой ориентации грузов относительно позиции робота и стандартных размерах грузовых единиц могут быть эффективны относительно простые цикловые системы автоматического управления с фиксированной последовательностью выполнения операций.

Зона действия роботов класса А (высота подъема схвата, радиус сферы обслуживания, угол поворота) обусловливается способом формирования (и расформирования) пакетов груза, размерами поддона, расстоянием вертикальной оси поворота руки от точек взятия и укладки грузов, допустимой высотой пакета. Скоростные характеристики определяются предельно допустимыми динамическими усилиями, возникающими при переходных процессах, эксплуатационно-экономическими соображениями: стоимостью, производительностью и конкурентоспособностью по отношению к пакетоформирующим машинам. Продолжительность рабочего цикла не более 8 с обеспечивает сопоставимую с пакетоформирующей машиной производительность 400—450 упаковок/ч.

Параметры зоны действия роботов класса Б устанавливают, учитывая транспортные средства и двухъярусное размещение пакетов в них. При вылете руки 1500—1800 мм они обслуживают вагон или автомобиль по всей ширине кузова. Выбирая скоростные параметры, следует руководствоваться теми же соображениями, что и для класса А. В существующих отечественных и зарубежных конструкциях моделей, сходных по грузоподъемности и назначению, скоростные характеристики близки к тем, что приведены в табл. 1. Реализация их позволяет перерабатывать до 100—120 пакетов/ч, или в среднем 40—50 т/ч. Собственная масса робота установлена обобщением статистических данных существующих и запроектированных роботов аналогичной грузоподъемности. Характеристики и параметры манипуляторов, установленных на стеллажных и мостовых кранах-штабелерах, приведены в литературе. Заметим, что в границах каждого класса может быть несколько типоразмеров и моделей роботов, отличающихся некоторыми параметрами, грузоподъемностью, сферой обслуживания, скоростными характеристиками, конструктивными решениями и областью применения.

Мы располагаем далеко не полной информацией об экономической эффективности роботов на погрузочно-разгрузочных и складских операциях. Специалисты считают, что в среднем один робот заменяет труд 3—4 рабочих. По данным советских специалистов, стоимость роботов первого поколения в зависимости от грузоподъемности и функциональных возможностей колеблется от 15 тыс. до 60 тыс. руб. Микропроцессорная техника и блочно-модульная структура позволяет существенно уменьшить стоимость, в которой 25—50% (а иногда и более) составляют затраты на систему управления. Полная стоимость промышленного робота слагается из затрат на конструкцию и механизмы, систему управления и вспомогательное оборудование: ориентированные накопители, конвейеры. По данным Экспериментального научно-исследовательского института станков, расчетный срок окупаемости робота при использовании в две смены для обслуживания промышленных агрегатов изменяется от 4 до 15 лет. Интересно рассчитать предельную стоимость промышленного робота, К₀, при которой экономически целесообразно его применять, если задан нормативный срок окупаемости t₀. Так как расчетный срок окупаемости должен быть равен нормативному или меньше его, то

(1)

где ∆с — экономия эксплуатационных затрат. По сравнению с погрузочно-разгрузочной машиной аналогичного назначения

(2)

где f — заработная плата рабочих, выполнявших грузовые операции до применения робота, за год;

q_р — часовая производительность робота, т/ч;

q — часовая производительность труда рабочего до применения робота, т/ч;

а₀ — стоимостный коэффициент, учитывающий расходы на заработную плату операторам робота и силовую энергию;

α — коэффициент, учитывающий затраты на амортизацию и ремонт робота.

Первое слагаемое выражения (2) — экономия затрат на заработную плату, второе — дополнительные расходы на заработную плату операторам и силовую энергию, третье — годовые отчисления на амортизацию и ремонт промышленного робота. После подстановки выражения (2) в (1) и преобразований получим

Результаты технико-экономических расчетов эффективности робота класса А следующие. Исходные данные: годовые отчисления на амортизацию и ремонт 15%, производительность труда рабочего при пакетировании груза вручную 20 т/смена. Предельная стоимость робота, при которой его применение экономически целесообразно: при производительности 6—8 т/ч и нормативном сроке окупаемости 5 лет 15—20 тыс. руб., а при производительности 15 т/ч 35 тыс. руб. Таким образом, промышленные роботы для пакетирования и расформирования пакетов могут конкурировать с пакетоформирующими и пакеторазборочными машинами, эксплуатационная производительность которых обычно в среднем равна 20—25 т/ч, а стоимость — 15—20 тыс. руб.

ВОПРОСЫ к лабораторной работе № 2

1. Классификация роботов.

2. Кинематические схемы робота.

3. Системы управления роботами.

4. Схемы управления транспортным роботом.

5. Использование роботов на погрузочно-разгрузочных работах.

6. Технологическая схема и график рабочего цикла робота.

7. Эффективность работы робота.

⇐ Предыдущая 12