Механическая обработка

Хотя роботы, выполняющие механическую обработку с помощью различных инструментов, встречаются пока реже, чем аналогичное оборудование для транспортировки материалов и заготовок, они продемонстрировали свою эффективность при решении многих задач.

1. Сварка. Это одна из производственных операций, которые чаще всего выполняются с помощью роботов, предназначенных для манипулирования инструментами. Роботы могут осуществлять два различных вида сварки: точечную и дуговую. В обоих случаях робот удерживает в захватном приспособлении сварочный пистолет, который пропускает ток через две соединяемые металлические детали, в результате чего края деталей оплавляются и они привариваются друг к другу.

При точечной сварке сварочный пистолет (в данном случае электрод) создает короткий импульс тока через одну точку на поверхности металлической детали, к внешней или внутренней стороне которой прикреплена вторая часть свариваемого изделия. Такая методика обеспечивает соединение деталей в нескольких отдельных точках. Электрод перемещается из одной точки в другую, и через каждую из них пропускается импульс тока.

При дуговой сварке между отрезком медной проволоки, выступающим из сварочного пистолета, и двумя соединяемыми металлическими деталями возникает электрическая дуга. Пистолет перемещают по заданному контуру, в результате чего сплавление деталей происходит непрерывно, образуя металлический шов требуемого вида. По мере расхода меди в процессе сварки проволока постепенно разматывается с барабана, и поэтому каждая точка шва образуется как бы из нового кусочка меди. Сварочный пистолет - это не только источник электрического тока и проволоки, он еще и осуществляет подачу инертного газа, например гелия, в зону образования дуги. Газ защищает поверхность сплавляемых металлических деталей от окисления, снижающего прочность сварного соединения.

В соответствии с управляющей программой сварочный пистолет может перемещаться, практически не отклоняясь от заданной траектории. И если программа отлажена хорошо, сварочный пистолет прокладывает шов с очень высокой точностью.

Большинство роботов для точечной сварки применяется в автомобильной промышленности. При сборке автомобиля необходимо выполнить огромное количество операций точечной сварки, чтобы надлежащим образом соединить между собой различные детали кузова, например боковины, крышу и капот. На современных автосборочных конвейерах эти детали вначале соединяются временно несколькими прихваточными сварными стыками. Далее кузов перемещается по конвейеру мимо группы роботов, каждый из которых осуществляет сварку в строго определенных точках. Поскольку все кузова, монтируемые на одной производственной линии, идентичны друг другу, для получения высококачественных сварных соединений просто требуется, чтобы робот каждый раз повторял заданную последовательность операций. В системе другого типа, которую впервые применила итальянская фирма "Фиат", детали кузова автомобиля перемещаются по производственному цеху не конвейером, а автоматизированными тележками. В требуемом положении детали удерживаются с помощью набора специальных прижимных приспособлений, называемых фиксаторами.

Запрограммировать робот, предназначенный для сварки кузова автомобиля, весьма непросто. Необходимо не только задать точный маршрут движения манипулятора, прокладывающего сварной шов, но и подготовить инструкции, в соответствии с которыми регулируются сила тока и напряжение в каждой точке маршрута. А эти параметры могут меняться, например, в зависимости от толщины свариваемого металла в конкретной точке или от того, какую форму имеет прокладываемый шов - прямую или криволинейную.

Робот Т³ фирмы 'Цинциннати милакрон' упаковывает газонокосилки 'Минимо' на производственной линии компании 'Флаймо'. Этот робот, кроме того, может клеить картонные коробки. После завершения операции упаковки другой робот Т³ поднимает коробки с газонокосилками и укладывает их на паллеты. Окончив загрузку, робот подтягивает к себе следующую пустую паллету

Специалисты по точечной и дуговой сварке должны принимать во внимание два технических момента, не относящиеся непосредственно к роботам. Прежде всего нужно сконструировать фиксаторы, удерживающие металлические детали в процессе сварки таким образом, чтобы сварка осуществлялась с высокой точностью. Когда сварочным пистолетом манипулирует человек, он способен учитывать небольшие отклонения в положении деталей, зажатых в фиксаторах. Сварщик-человек просто слегка сместит сварочный пистолет, с тем чтобы выполнить стык в требуемом месте. Робот же (если это не устройство второго поколения, наделенное теми или иными "чувствами") не способен принимать подобные решения. Если конструкция фиксатора недостаточно продумана, существует вероятность, что робот неверно расположит сварные Йыки. Кроме того, фиксатор должен быть таким, чтобы манипулятор имел доступ к обрабатываемой детали с разных сторон. Чтобы выполнить сварку в труднодоступной точке детали, рабочий может извлечь ее из фиксатора. Робот на подобную операцию не рассчитан: он должен производить сварку в условиях непрерывного производственного процесса, что создает дополнительные сложности при конструировании зажимных приспособлений.

Робот Т³ фирмы 'Цинциннати милакрон' упаковывает газонокосилки 'Минимо' на производственной линии компании 'Флаймо'. Этот робот, кроме того, может клеить картонные коробки. После завершения операции упаковки другой робот Т³ поднимает коробки с газонокосилками и укладывает их на паллеты. Окончив загрузку, робот подтягивает к себе следующую пустую паллету

Вторая проблема касается допусков на изготавливаемые детали. На предприятиях, где применяется традиционное оборудование, детали, считающиеся идентичными, на самом деле могут несколько отличаться по размеру. Сварщик-человек принимает во внимание эти различия, варьируя последовательность выполняемых операций с учетом истинной формы детали. Нынешним промышленным роботам не под силу вносить такие изменения в характер производственных операций. После того как робот запрограммирован, он следует строго определенному порядку действий. Таким образом, когда сварка выполняется роботами, технические допуски на детали, изготавливаемые на других участках предприятия, должны быть исключительно жесткими, и рабочим, которые прессуют или обрабатывают на станках металлические заготовки, подлежащие сварке, придется повысить точность выполняемых ими операций. Характер воздействия, которое роботы своим появлением оказывают на другие этапы производственного процесса (весьма вероятно, что оно приведет к тесной увязке всех технологических процедур), на техническом жаргоне называется "принципом домино" в робототехнике.

2. Сверление. Как правило, операции сверления выполняются на станках. Обрабатываемая деталь устанавливается на станке, закрепляется и в ней высверливаются требуемые отверстия. Робот позволяет выполнять эту процедуру по-иному и, пожалуй, более эффективно. На практике именно сверло подводится к детали, а не наоборот. При использовании робота в его захватном приспособлении закрепляется рабочий инструмент, который перемещается над поверхностью обрабатываемой детали, высверливая отверстия в нужных местах. Преимущество подобной процедуры проявляется в тех случаях, когда приходится работать с крупногабаритными и массивными деталями или проделывать очень большое число отверстий.

Роботы широко применяются в сварочных операциях. На фотографии установка S-108P фирмы GMF выполняет сварку бамперов для небольших грузовиков на заводе калифорнийской компании 'Фей мэньюфэкчуринг'

Операции сверления играют значительную роль в производстве самолетов; они предшествуют клепке, при которой в отверстия вставляются миниатюрные зажимные детали, скрепляющие между собой два листа металла. В деталях самолетов необходимо просверливать сотни, а то и тысячи отверстий под заклепки, и вполне естественно, что такие операции следует выполнять роботу.

Компания "МЛ авиэйшн" (Слау, Англия) изготавливает детали механизма бомбосбрасывателя, предназначенного для военного самолета "Торнадо". Механизм представляет собой цилиндрическую конструкцию длиной примерно 6 м, к которой требуется приклепать кожух из восьми металлических панелей. В кожухе необходимо просверлить около 3000 отверстий под заклепки. Проблема заключалась в том, как добиться, чтобы робот, оснащенный высокоскоростной сверлильной головкой, проделывал отверстия точно в заданных местах.

Инженеры пришли к выводу, что данную проблему можно решить следующим образом: рабочий просверливает ряд эталонных отверстий (примерно через метр друг от друга) вдоль панелей, которые размещаются надлежащим образом поверх цилиндрической конструкции. Манипулятор с закрепленным в его зажиме сенсорным зондом (а не сверлом) перемещается над поверхностью заготовки, посылая в память робота данные о местоположении эталонных отверстий. Затем робот рассчитывает точные координаты остальных отверстий, исходя из этих базовых точек. Отверстие нужного размера получается благодаря использованию сверла нужного калибра (робот может выбирать любое из нескольких сверл, осуществляя операцию замены рабочего инструмента).

В рассматриваемой системе фирмы "МЛ авиэйшн" робот, завершив операции сверления, выполняет еще две процедуры. Он удаляет оставшиеся в отверстиях крошечные кусочки металла специальным инструментом, затем временно прикрепляет пластины кожуха к цилиндрической конструкции, вставляя зажимы в отверстия пластин. В программе робота содержатся инструкции, которые позволяют ему выбирать с полки инструмент, необходимый для выполнения тех или иных производственных операций. После этого собранные механизмы отправляются на другой участок, где технический персонал проводит их клепку. Однако специалисты фирмы "МЛ авиэйшн" считают, что и эту функцию могли бы взять на себя роботы, если подготовить надлежащим образом технические средства и технологические процессы.

На заводе корпорации 'Форд' в Валенсии (Испания) роботы фирмы ASEA осуществляют точечную сварку кузовов автомобилей 'Фиеста', движущихся по конвейеру. Столь опасные для человека условия работы роботам не страшны

Сварочные участки на большинстве производственных линий автомобильных заводов - настоящий заповедник роботов. На снимке установки НТ³ фирмы 'Цинциннати милакрон' выполняют сварку кузовов автомобилей 'Сиерра' на предприятии корпорации 'Форд' в Дагенеме (Великобритания)

Такого рода автоматизированная клепка осуществляется одной из крупнейших американских аэрокосмических компаний - фирмой "Локхид". На ее предприятии в Бербанке создан производственный участок, где робот выполняет несколько задач. Сначала он собирает нужные конструкции из деталей, а затем скрепляет их заклепками. Система машинного зрения на основе телевизионной камеры "осматривает" полученное изделие, проверяя качество клепки.

Роботизированная сварочная линия на предприятии фирмы 'Фиат': 1 - автоматические операции загрузки (и закрепления) кузовов автомобилей 'Фиат-131' на паллете; 2 - ручная установка нижней поперечины; 3 - установка элементов жесткости и временная прихватка деталей четырехдверных кузовов; 4 - установка элементов жесткости и прихватка деталей двухдверных кузовов; 5 - окончательное закрепление деталей двухдверных и четырехдверных кузовов; 6 - контроль геометрических размеров кузова электронными средствами; 7 - визуальный контроль; 8 - сварка с помощью четырех горизонтально расположенных роботов; 9 - сварка с помощью вертикально расположенного робота; 10,11 - сварка с использованием одного вертикального и двух горизонтальных роботов; 12 - сварка с помощью четырех горизонтальных роботов; 13 - сварка с использованием двух горизонтальных роботов; 14 - сварка тремя горизонтальными роботами; 15 - сварка с помощью двух горизонтальных роботов; 16 - два горизонтальных робота, которые выполняют операции, не завершенные предыдущими установками; 17 - пробивка отверстий для передней подвески; 18,19 - резервные посты, на которых могут быть установлены дополнительные роботы, если потребуется модифицировать производственный процесс; 20 - окончательная проверка кузова; 21 - снятие готового кузова с конвейера. Роботы, установленные на этой 120-метровой производственной линии, выполняют в общей сложности 655 операций сварки для четырехдверных моделей или 625 таких операций для двухдверных автомобилей. Кузова перемещаются с одного роботизированного поста на другой 25 паллетами, которые непрерывно движутся по кругу; производительность всей системы - 68 кузовов в час

Еще одна американская компания "Грумман аэроспейс корпорейшн" (Бетпейдж, шт. Нью-Йорк) использует роботы на операциях сверления и клепки. В установленной там системе автоматической клепки робот перемещается на гусеничном ходу между четырьмя рабочими участками. На каждом участке в зажимных приспособлениях закреплены детали из листового металла, и в соответствии с заложенной в нем программой робот просверливает ряд отверстий в каждом комплекте металлических деталей. Подобную программу можно без труда модифицировать так, чтобы робот сверлил отверстия под заклепки в деталях другого типа.

3. Обработка режущим инструментом. Если роботы оснастить соответствующим инструментом, то они могут не только сверлить, но и резать металл. И здесь также уместна аналогия с традиционными металлорежущими станками. Большинство таких станков удаляют лишний металл с исходных отливок или заготовок, превращая их в детали нужной формы. В подобных случаях оборудование размещается на производственном участке стационарно, а детали на него подает рабочий. Существуют два основных метода обработки исходных материалов. В первом из них режущий инструмент остается неподвижным, в то время как обрабатываемая деталь вращается вокруг своей оси. Таков принцип работы токарного станка. Во втором методе исходный материал закрепляется на специальном основании, а обрабатывающий инструмент вырезает из него необходимую деталь, совершая заданную последовательность движений. Так работает фрезерный станок.

Робот РТ600 фирмы 'Дайнити-сике-су' сваривает рамы больничных кроватей специальной конструкции. Такая установка функционирует на заводе компании 'Эджертон хоспитал экуипмент' недалеко от Лондона

Роботы должны действовать несколько иначе. Как правило, их конструкции недостаточно прочны, так что они не могут длительное время обрабатывать режущим инструментом материалы повышенной твердости. Поэтому инженеры изучают так называемые "бесконтактные" методы резания материалов, подобных металлу или пластмассе. Для этой цели, в частности, используется лазер. В рабочем органе робота закреплен прибор, который направляет высокоэнергетическое когерентное излучение лазера (для чего зачастую применяется волоконно-оптическая система передачи) на обрабатываемую деталь. Лазер может с очень высокой точностью резать пластины из металла, в частности стали. Робот перемещает рабочий орган над обрабатываемым листовым материалом по траектории, определяемой программой. Программой же регулируется интенсивность светового луча в соответствии с толщиной разрезаемого материала.

Робот фирмы 'Цинциннати мила-крон' сверлит монтажные отверстия по периметру акриловых ветровых стекол на авиационном заводе компании 'Мак-доннел Дуглас' в Сент-Луисе. Эти стекла предназначены для установки на истребителях F-15

Другой бесконтактный метод резания основан на использовании струи жидкости. Такой подход впервые применила американская компания "Дженерал моторе". На ее заводе в Адриане (шт. Мичиган) установлена система с 10 роботами, изготавливающая пластмассовые детали нефтеналивных цистерн. Восемь из 10 роботов направляют водяные струи под высоким давлением на перемещаемые конвейером пластмассовые листы. Эти струи прорезают в исходном материале ряд отверстий и щелей, а также удаляют лишние элементы пластмассы. По утверждению представителей компании "Дженерал моторс", подобная роботизированная система весьма экономична, поскольку исключает износ рабочего инструмента и позволяет повысить качество операций резания. Поскольку система управляется программой, которая находится в памяти центрального компьютера, для контроля и обслуживания всех 10 роботов требуются лишь два оператора.

В деталях самолетов имеются тысячи отверстий под заклепки. На снимке робот, установленный на заводе корпорации 'Дженерал дайнемикс', высверливает отверстия в вертикальной части хвостового оперения истребителя F-16

4. Обработка поверхностей. На большинстве предприятий после таких операций, как резание или сверление, производится обработка поверхности только что изготовленных деталей (чаще всего окраска). Это еще один тип производственных операций, которые способен выполнять робот, если его оснастить пульверизатором. В память робота закладывается программа, обеспечивающая выполнение определенной многократно повторяемой последовательности операций. Одновременно программа регулирует скорость разбрызгивания краски. В результате на поверхности обрабатываемой детали образуется равномерное покрытие, причем робот нередко обеспечивает более высокое качество окраски, чем человек, которому свойственна неточность движений. Среди других процедур обработки поверхности можно отметить напыление антикоррозийных жидкостей на листы металла для защиты их от химического или физического воздействия окружающей среды, а также нанесение клеевых составов на поверхности деталей, подлежащих соединению. Автомобилестроительные компании исследовали возможность применения последней операции на этапе окончательной "подгонки" готовых узлов, в частности при монтаже таких компонентов, как хромовые вкладыши на кузове автомобиля. При выполнении подобных операций робот помещают в оболочку, которая защищает его от попадания клея и других связующих веществ. Его можно также "обучить" тому, чтобы он время от времени самостоятельно очищался, погружая захватное приспособление в промывочную жидкость.

Компания 'МЛ авиэйшн' использует робот фирмы 'Фата бизиак энд кар-ру' для сверления и шлифовки отверстий под заклепки. Робот оснащен четырехпо-зиционной управляемой компьютером головкой для периодической подачи инструмента (она изготовлена компанией 'Тейлор хайтек'). Обучающая головка регистрирует определенные, заранее просверленные отверстия и в дальнейшем регулирует движение рабочей головки вдоль заданной траектории

5. Удаление заусенцев и посторонних частиц. Самой "непопулярной" операцией в обрабатывающей промышленности, которая к тому же труднее всего поддается автоматизации, является, пожалуй, удаление заусенцев, или зачистка. Отлитая или обработанная на станке деталь крайне редко отличается достаточно высоким качеством поверхности; как правило, изделия имеют слегка шероховатую поверхность с приставшими к ней посторонними частицами, которые следует удалять на последующем этапе технологического процесса.

Такая чистовая обработка - весьма непростая процедура. Рабочий подносит металлическую деталь к быстро вращающемуся шлифовальному ремню, который стачивает острые края и шероховатости на поверхности изделия. Данная операция занимает важное место в технологическом процессе, однако выполнять ее вручную весьма неприятно.

Одно из новых применений роботов - работа с устройствами для гидравлической резки. На снимке показано, как водная струя, подаваемая под высоким давлением, режет пластмассовые детали на заводе в Адриане (шт. Мичиган), где выпускаются автомобили 'Шевроле'

Возможности использования роботов для окончательной обработки изделий исследовались во многих странах. Основная трудность здесь состоит в том, что роботы не обладают естественной для человека способностью контролировать качество своей работы. Рабочий, к примеру, чувствует, с каким усилием необходимо прижать деталь к шлифовальному ремню, чтобы сточить большой излишек металла, тогда как робот не может менять последовательность своих действий, если он не снабжен соответствующими датчиками. Британская фирма "Уокер кросуэллер", специализирующаяся на изготовлении соединительных элементов водопроводных труб, осуществила проект, который позволил оснастить робот простейшей системой машинного "зрения" в виде телевизионной камеры. Предположим, робот держит какую-то деталь, например латунный водопроводный кран; телекамера передает изображение крана в компьютер, который в свою очередь регулирует прижатие шлифовального ремня, стачивающего неровности на поверхности этой литой детали. Кроме того, компьютер управляет перемещением манипулятора робота. Таким образом, действия всех компонентов системы - телекамеры, основного манипулятора робота и второго манипулятора, регулирующего прижатие шлифовального ремня,- взаимно скоординированы. Компания "Уокер кросуэллер" надеется, что проведенное исследование, в котором также участвовали инженеры из Бат-ского университета, позволит ей внедрить на заводе в Челтнеме роботы, выполняющие окончательную обработку изделий.

Прямое обучение. Это первый из трех методов обучения робота AOIP Kremlin, выполняющего окраску методом распыления. Оператор вручную осуществляет все необходимые перемещения манипулятора, обучая тем самым компьютер робота. Это достигается благодаря тому, что координаты точек, соответствующих ключевым положениям манипулятора в указанной последовательности перемещений, заносятся в память компьютера. В дальнейшем при выполнении производственных операций робот повторяет эту последовательность

6. Испытания и контроль. Эти на первый взгляд простые понятия касаются целого комплекса технологических операций. После того как изготовлена деталь или смонтировано несколько узлов, обычно проводится их испытание с целью выявления возможных дефектов. Участие роботов в подобных операциях представляется вполне естественным. К примеру, они могли бы брать компоненты электрооборудования (например, с конвейера) и подключать их к источнику питания, после чего испытания проводились бы автоматически. Такую последовательность действий для идентичных компонентов можно было бы многократно повторять.

Роботы заняли достойное место в производственных операциях по окраске распылением. На снимке установка TR-3500 фирмы 'ДеВилбисс' наносит антикоррозийное полиуретановое покрытие на боеголовку ракеты 'Сайдуиндер' на военно-воздушной базе Хилл (шт. Юта). Внизу. Робот КОМПАРМ фирмы GEC способен совершать достаточно сложные маневры, подводя рабочий инструмент к труднодоступным точкам. На снимке робот окрашивает надколесные арки автомобиля

Робот мог бы осуществлять при этом более сложные операции. Например, перед проведением электрических измерений, возможно, потребуются те или иные перемещения компонентов испытываемой аппаратуры. Фирма "Тэрнрайт контроле", изготавливающая системы управления для электрических кухонных печей, заключила с исследователями Портсмутского политехникума контракт на разработку устройства для калибровки и испытания портативного регулятора мощности. По существу, подобное устройство должно поворачивать винт, смещающий точку соприкосновения биметаллической пластины внутри регулятора с электрическим выключателем; это необходимо для точной настройки регулятора с учетом режима его работы в электрической печи. Кроме того, такое контрольно-испытательное устройство должно создавать электрический ток в проверяемом регуляторе, имитируя реальные режимы его работы. Контролируя величину этого тока с помощью измерительных приборов, можно судить о качестве изготовления регулятора.

Обучение с помощью автономного краскопульта. Оператор окрашивает изделие с помощью обучающего устройства Syntaxeur, представляющего собой легкий пульт с гибкими сочленениями. В память компьютера робота записывается информация о перемещении этого устройства. В дальнейшем при выполнении производственных операций манипулятор самостоятельно воспроизводит зарегистрированную последовательность движений. Поскольку обрабатываемые детали имеют одинаковую форму, робот наносит практически идеальное покрытие

На испытательном стенде, разработанном портсмутскими исследователями, серводвигатель поворачивает корпус регулятора, ось которого зафиксирована в пневматическом зажиме. В результате внутренние элементы регулятора устанавливаются в положение, необходимое для калибровки, после чего отвертка, удерживаемая манипулятором робота, подстраивает калибровочный винт. Одновременно еще один инструмент, входящий в состав испытательного стенда, корректирует положение упора в регуляторе. Затем автоматически выполняется серия электрических измерений, результаты которых контролируются компьютером. Этот испытательный стенд, который фирма "Тэрнрайт контроле" рассчитывает установить на своем предприятии в Портсмуте в 1986 г., можно применять и для других аналогичных процедур, в частности для калибровки и испытаний миниатюрных электромеханических компонентов.

Дистанционно-контролируемое обучение. При такой методике оператор также пользуется устройством Syntaxeur. Однако в данном случае манипулятор сразу же точно повторяет каждое движение этого устройства. Выполняя нужные движения обучающим краскопультом, оператор может одновременно следить за тем, чтобы робот действовал строго в той же последовательности. В дальнейшем робот повторяет весь процесс, но уже без контроля со стороны человека

Тщательному контролю должны подвергаться и габариты деталей. Все эти измерительные операции являются частью повседневных задач, решаемых на многих предприятиях мира. Роботы способны облегчить их выполнение. Для этой цели роботы оснащаются миниатюрными оптическими датчиками; как правило, это светодиоды, объединенные с полупроводниковыми светочувствительными приборами. Облучая проверяемую поверхность светом определенной частоты, подобный датчик принимает отраженное от поверхности излучение, имеющее ту же частоту. Робот в соответствии с заложенной в нем программой перемещает датчик от одной точки контролируемого изделия к другой. По результатам измерения интервала времени между моментами испускания светового импульса и его приема после отражения рассчитывается форма проверяемой поверхности. Все эти действия автоматически выполняет компьютер данной робото-технической системы.

Робот Т³-586 фирмы 'Цинциннати милакрон' захватывает литую заготовку блока цилиндров двигателя и прижимает ее к шлифовальному ремню, вращающемуся с высокой скоростью. В результате с заготовки удаляются заусенцы и металлические волосовины

Все названные операции осуществляются быстро, практически без участия рабочих и позволяют избежать применения таких "архаичных" устройств, как микрометры или штангенциркули. Подобные робототехнические средства впервые использовала американская компания "Дженерал моторе" для контроля формы и габаритов автомобильных деталей. При использовании такой автоматизированной системы контроля отпадает необходимость в отправке проверяемых изделий на специальные пункты контроля качества - соответствующие процедуры можно осуществлять непосредственно на конвейере, не прерывая производственного процесса.

Безлюдное предприятие