Датчики для сборки

Прецизионная установка детали при сборке методом сенсорной обратной связи

Основными рабочими этапами автоматической сборки являются: транспортировка, снабжение и энергопитание, сборка или монтаж. Автоматизация первых двух этапов может развиваться традиционно в направлении исторически сложившейся технологии и организации производства. Автоматическое выполнение последнего этапа - сборки при широкономенклатурном мелкосерийном производстве - осуществить средствами только механики оказалось довольно трудно. Сборочные операции разделяются на две основные группы: ввод, введение (например, штыря в отверстие) и соединение. Первая группа операций сравнительно просто реализуется при медленном темпе работы, однако точное выполнение операции (с точностью порядка единиц или десятков микрон) вручную довольно трудно осуществить быстро.

Автоматизация установки детали с требуемой точностью была успешно выполнена приблизительно в одно и то же время фирмой Hitachi и Научно-исследовательским институтом "Кикай гидзюцу". За несколько лет до этого в Токийском университете была успешно выполнена операция медленного, плавного введения штыря в отверстие путем использования силовой обратной связи (гл. 3). Характерные примеры выполнения операции ввода штыря в отверстие приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Развитие систем автоматической сборки с помощью роботов (на примере выполнения операции введения штыря в отверстие)

На рис. 5.85 иллюстрируется разработанный в Научно-исследовательском институте "Кикай гидзюцу" способ ввода в отверстие детали. Последняя зажимается и позиционируется роботом в требуемом положении, а затем вводится в отверстие головкой с пневматическим приводом. Пластина с отверстием установлена так, что может смещаться в горизонтальной плоскости относительно дна и боковых стенок установки благодаря вкладышу, который находится под гидростатическим давлением. Вкладыш удерживается на опорной плите на подшипниках качения и может совершать колебательные движения в горизонтальной плоскости с помощью малогабаритного привода. Обычно осевые линии отверстия и вводимой в него детали не совпадают, поэтому деталь опускается головкой и прижимается к отверстию не соосно. В результате изменения парциального давления жидкости вкладыша, удерживающего пластину с отверстием, перепад давления увеличивается со стороны прижима детали к пластине. Если схема следящего привода собрана таким образом, что разности давлений достаточно, чтобы двигатель привода сработал, пластина с отверстием будет смещаться в направлении пониженного давления, обеспечивая соосность детали с отверстием и автоматическое завершение операции.

Рис. 5.85. Устройство системы прецизионной сборки. 1 - сборочная головка (пневмопривод); 2 - сигнал срабатывания сборочной головки; 3 - сигнал прекращения работы сборочной головки; 4 - двигатель; 5 - промышленный робот; 6 - захват

Для определения давления на вкладыш в нем имеются отверстия (четыре на дне, по четыре на левой и правой боковых стенках и по два на передней и задней боковых стенках), в которых установлены датчики давления, однако давление может быть определено даже в том случае, когда задействована только группа датчиков, расположенных на дне. Схема прецизионного управления таким приводом приведена на рис. 5.86.

Рис. 5.86. Блок-схема системы управления прецизионной сборкой

При использовании только донных датчиков легко достигается ввод детали в отверстие с допуском по диаметру 5 мкм и смещением осевой линии (несоосностью) 5 мм при размере фаски на отверстии 0,1 мм. Достоинством данного способа является возможность автоматического введения детали в отверстие при сравнительно большой их несоосности.

Другой способ прецизионной установки детали (рис. 5.87) , исключает смещение пластины с отверстием в боковом направлении (влево-вправо), однако манипулятор робота, осуществляющий ввод детали в отверстие, имеет возможность управлять перемещением в плоскости XY. Датчик на захвате манипулятора входит в следящую систему вместе с элементами привода перемещения захвата по осям X, Y. Достоинством такого способа является не только установка датчика на захвате, но и повышенная упругость захвата благодаря использованию крестообразных пружин. Такая адаптация к рабочим условиям достигается не захватом, а узлом вкладыша с пластиной, имеющей отверстие.

Рис. 5.87. Способ управления автоматическим введением детали в отверстие

Введение детали в отверстие с помощью гибкого механизма захвата

В Институте Дрейпера была разработана аппаратура введения детали в отверстие роботом, захват с датчиком которого имеет повышенную гибкость. Разработка велась с учетом точки зрения, согласно которой для обеспечения прецизионной сборки необходимо не только оснащение захвата датчиком, но и введение специального механизма, обеспечивающего повышение гибкости захвата. Такой механизм был назван механизмом обеспечения гибкости захвата относительно удаленного центра - RCC (Remote Center Compliance).

Как следует из рис. 5.87, в ранее разработанных механизмах, обеспечивающих гибкость захвата, при выполнении операции введения детали в отверстие ось разворота вводимой детали проходила через захват. Однако анализ экспериментальных данных перемещения детали при ее введении в отверстие показал целесообразность вращательных перемещений детали относительно центра, лежащего на переднем крае детали или даже в точке перед ним (рис. 5.88). Кинематика перемещения детали на этапах 1-4 (рис. 5.88) свидетельствует о необходимости также в боковом смещении захвата (с вводимой деталью). Это особенно заметно по траектории перемещения детали на этапе 4. Другими словами, требуется механизм, позволяющий выполнять два типа движения (рис. 5.89): вращательное относительно центра, лежащего значительно ниже захвата (рис. 5.89, а), и поступательное в боковом направлении (рис. 5.89, б). Такой механизм (5.89, в и 5.90) получил название механизм RCC. Механизм образован с помощью многочисленных гибких связей и позволяет на первом этапе (извне) адаптироваться к требуемому параллельному перемещению, а на втором этапе (внутри) - к вращательному перемещению относительно удаленного центра. (Механизм, показанный на рис. 5.90, характеризуется наружным центром вращения.) Существенное упрощение конструкции было достигнуто благодаря использованию эластичных соединений из высокополимерных материалов (рис. 5.90).

Рис. 5.88. Последовательность этапов выполнения операции введения детали в отверстие. 1 - подготовка к вводу; 2 - скольжение по поверхности фаски; 3 - введение (частичное) детали в отверстие, 4 - продвижение детали в отверстие (соприкосновение в двух точках)

Рис. 5.89. Перемещения захвата, необходимые при введении детали в отверстие, и механизм, обеспечивающий такие перемещения. а - вращательные перемещения относительно центра, лежащего в непосредственной близости от переднего края захвата; б - продольное смещение в боковом направлении; в - пример механизма, обеспечивающего указанные два типа перемещений. 1 - эластичное звено, допускающее продольное смещение детали в боковом направлении: 2 - соединение с роботом либо сборочным механизмом; 3 - эластичное звено, допускающее вращательные перемещения; 4 - центр перемещений, допускаемых эластичными звеньями (согласованных перемещений)

Рис. 5.90. Пример конструкции RCC с местами соединений из высокополимерных материалов. 1 - соединение с роботом либо со сборочным автоматом; 2 - центр возможного вращательного перемещения; 3 - место соединения из высокополимерных материалов; 4 - соединение с вводимой в отверстие деталью (или инструментом): 5 - центр взаимно согласованных перемещений

Недостатком способа RCC является то, что он не работает при несоосности детали и отверстиях более 1 мм. В этой связи значительно большая эффективность и более широкая область применения могут быть достигнуты благодаря совместному применению этого способа с рассмотренными выше способами использования датчиков.

Механизм RCC уже нашел применение в захватных устройствах различных роботов. В качестве примера можно привести устройство захвата робота "Сигма" (рис. 5.91), используемого в системе программируемой сборки фирмы IPA (ФРГ). Причем благодаря использованию высокополимерных материалов возможен также и гибкий разворот относительно оси захвата, и таким образом реализуется гибкая связь с пятью степенями подвижности, включая две степени подвижности за счет поступательного перемещения относительно осей X, Y и две за счет вращения относительно этих осей.

Рис. 5.91. Упругий захват из высокополимерного материала с конструкцией, аналогичной RCC. 1 - манипулятор робота; 2 - захват; 3 - ось; 4 - корпус; 5 - пневматический цилиндр; 6 - эластичный материал; 7 - пластина; 8 - ось крепления к захвату; 9 - предохранительный винт; 10 - потенциометр; 11 - пружина: 12 - подшипник. Черным цветом выделены узлы механизма, аналогичного RCC, с использованием эластичных деталей

Наличие в механизме RCC подшипников скольжения и пружин обеспечивает эластичность по осевой линии захвата - оси Z. Потенциометр для определения усилия сжатия пружины позволяет рассматривать (и эффективно использовать) этот узел как разновидность датчика усилия. Существенным достоинством и удобством такого механизма, в частности, является сравнительно простая замена инструментов и деталей на манипуляторе.