Применение роботов и манипуляторов в технологии строительных материалов, изделий и конструкций
Промышленным роботом называют стационарную или передвижную автоматическую машину, состоящую из исполнительного устройства в виде манипулятора с несколькими степенями подвижности и перепрограммируемого устройства управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций.
Манипулятор — это управляемое устройство или машина для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве, оснащенное рабочим органом.
Под роботизацией процесса понимают способ механизации и автоматизации производства, основанный на применении роботов и манипуляторов. Такие средства при производстве железобетонных изделий применяют сравнительно не так давно. В настоящее время процесс роботизации бурно набирает темпы.
Первоочередные переделы, процессы и операции при производстве железобетонных изделий, на которых могут быть внедрены роботизированные технологии, следующие: изготовление арматурных каркасов Накладных деталей, транспортирование (погрузка и разгрузка) арматуры, резка и сварка арматуры, установка арматурных каркасов и закладных деталей в формы, их монтаж и переоснастка, открывание и закрывание бортов, зачистка и смазывание форм, затирка и отделка поверхностей отформованных изделий, распалубка, контроль качества, маркировка, снятие изделий и транспортирование на склад, складирование готовой продукции.
Этот перечень показывает, что манипуляторами и роботами будут управлять арматурщики, электросварщики арматурных каркасов и сеток, формовщики железобетонных изделий и конструкций, такелажники.
О преимуществах внедрения манипулятора говорит следующий пример. На посту выбраковки плит завода ЖБИ рабочий за смену поднимал, осматривал и укладывал сотни железобетонных тротуарных плит массой 28...30 кг. На этой физически очень тяжелой монотонной операции производительность труда была крайне низкой, а текучесть кадров – высокой.
После того как на участке установили манипулятор с ручным управлением, многие рабочие выразили желание работать на этой современной машине. Большую роль сыграло то, что профессия стала престижной, а работа интересной.
Объектами роботизации могут быть технологические процессы и их части, единичные технологические и транспортные операции и вспомогательные переходы и операции.
Объект манипулирования представляет собой тело, перемещаемое в пространстве манипулятором или роботом. К таким объектам относятся заготовки, детали, вспомогательные, мерительные или обрабатывающие инструменты.
Рис. 1. Общий вид манипулятора:
1 - исполнительное устройство, 2 - пульт управления, 3 - рабочий орган,
4 - объект манипулирования
В общем виде манипулятор (промышленный робот), показанный на рис. 1, состоит из исполнительного устройства 1, рабочего органа 3 и пульта 2 (системы управления). Объектом манипулирования 4 в данном случае служит железобетонная плита.
Манипуляторы и роботы классифицируют по следующим признакам: номинальной грузоподъемности, числу степеней подвижности, способу установки на рабочем месте, возможности передвижения, виду привода, типу задающего органа, виду системы координат. По номинальной грузоподъемности средства роботизации подразделяют на легкие (до 10 кг), средние (свыше 10 до 200 кг); тяжелые (свыше 200 до 1000 кг); сверхтяжелые (свыше 1000 кг)
По числу степеней подвижности различают роботы и манипуляторы с тремя, четырьмя степенями и более.
По способу установки на рабочем месте манипуляторы и роботы подразделяют на напольные, подвесные и встроенные.
В зависимости от возможности перемещения средства роботизации бывают стационарные и подвижные.
По виду привода различают манипуляторы и роботы с электромеханическим, гидравлическим, пневматическим приводным устройством.
В соответствии с типом задающего органа средства роботизации бывают копирующие, некопирующие, с отражением сил, без отражения сил.
По виду системы координат манипуляторы и роботы могут работать в прямоугольной, цилиндрической, угловой и сферической системах координат.
Исполнительные устройства. К основным конструктивным элементам исполнительного устройства относятся механическая рука, основание и привод. Рука манипулятора выполнена в виде системы рычагов соединенных между собой шарнирно. В основном применяют цилиндрические и телескопические шарниры. Шарниры и рычаги приводятся в действие двигателями и передаточными механизмами.
Различают три группы рук: телескопические, шарнирные и параллелограммные.
Приводы. Перемещают элементы исполнительного устройства приводами, которые в значительной степени определяют структуру и параметры механической системы и системы управления. Привод классифицируют по виду энергоносителя, исполнительных двигателей, способу управления и регулирования энергии.
Рабочие органы. В качестве рабочего органа при производстве железобетонных изделий используют захваты, сварочные клещи, окрасочные пистолеты, сборочные инструменты, траверсы. Захваты могут взять и удержать объект манипулирования (закладные детали, арматуру, железобетонные изделия, формы, проемообразователи, технологическую оснастку и рабочие инструменты). Захваты различаются размерами, массой, физическими свойствами. В состав манипуляторов и роботов входит комплект захватов для выполнения всего объема работ. Ко всем захватам предъявляют следующие общие требования: надежность захватывания и удержания объекта, стабильность базирования, недопустимость повреждений или разрушений объекта, надежность крепления к руке. Сварочные клещи, окрасочные пистолеты, сборочные инструменты и траверсы представляют собой стандартные конструкции, которые компонуют с исполнительным устройством.
Манипулятор Ш-8 с электроприводом показан на рис.2. Рука 3 выполнена в виде четырехзвенного плоскостного шарнирного механизма, две точки которого являются опорными шарнирами 4 и перемещаются во взаимно перпендикулярных направлениях. Соотношения координат опорных шарниров и длин плеч стержней 15 выбраны таким образом, что обеспечивают перемещение конца руки манипулятора по вертикали или горизонтали в зависимости от перемещения шарниров 4.
На конце руки 3 закреплена рукоятка управления 2 манипулятором. Масса руки уравновешивается пружиной 5, установленной в верхнем стержне стрелы.
Рука перемещается по вертикали с помощью общего привода 8, а вращается вокруг оси крепления свободно. Конец руки 3 перемещается в горизонтальном направлении вручную с помощью рукоятки управления.
Привод вертикальных перемещений (рис. 3) включает в себя электродвигатель 13, соединенный клиноременной передачей 17 с червячным редуктором 23 типа РЧУ-80.
Электродвигатель 13 закреплен на платформе 15, установленной шарнирно на оси 16.
Рис.2. Манипулятор Ш-8: 1 - захват, 2 – рукоятка, 3 – рука, 4 – шарниры, 5 – уравновешивающая пружина, 6 – лампа включения управления, 7,11 – основной и дополнительный пульты, 8 – привод вертикальных перемещений, 9 – гнездо, 10 – стойка, 12 – заземление, 13 – штуцер, 14 – анкерный болт, 15 – стержень.
Для натяжения клиноременной передачи 17 платформа 15 подпружинена регулировочной пружиной 14.
Манипулятор с пневмоприводом КШ-160М (рис. 7) включает в себя
Рис. 7. Манипулятор КШ-160М:
1 – проушина, 2 – рукоятка управления, 3 – датчик, 4 – рука, 5 – стержень, 6 – распорка, 7 – корпус, 8 – пневмоцилиндр, 9 – гайка, 10 – противовес. 11 – ролик, 12, 17 – оси, 13, 16 – пазы, 14 – стойка, 15 – поворотная часть, 18 – тяга
рычажно-шарнирный механизм. Он состоит из руки 4, стержня 5, тяги 18 и распорки 6, соединенных между собой шарнирами с шарикоподшипниками. Осью 17 через ролики рычажно-шарнирный механизм опирается на горизонтальные пазы 16 корпуса 7, а ось 12 с роликами 11 помещена в вертикальных пазах 13 корпуса 7 и связана со штоком пневмоцилиндра 8. На конце стержня 5 гайками 9 прикреплены противовесы 10. Грузозахватный орган подвешивают к проушине 1 датчика массы 3, установленного на конце руки 4. Пневмосистему включают рукояткой 2. Корпус 7 поворачивается вокруг вертикальной оси.
Портальный модульный манипулятор состоит из модуля основания 1 (портала), модуля горизонтального перемещения 2, модуля 3 вертикального перемещения, модуля ориентации 4, модуля захвата 5 и системы управления. Все модули разрабатывают для каждой модификации отдельно. Манипулятор комплектуют теми или иными модулями в пределах одной модификации в зависимости от его назначения.
Робот типа "Циклон" наиболее распространен в строительной индустрии. Он предназначен для автоматизации процессов холодной штамповки, а также загрузочно – разгрузочных операций, межстаночного транспортирования и межоперационного складирования в заготовительных, механических и других цехах заводов ЖБИ. Робот "Циклон 5.02" (рис. 10) заменяет основных рабочих на циклических или опасных операциях. Он состоит из рабочего органа 1, исполнительного устройства 2 и системы управления 3 марки УЦМ-30.
Рис. 10. Робот "Циклон 5.02":
а – общий вид, б – схема; 1 – рабочий орган,
2 – исполнительное устройство, 3 – система управления, 4,5 – упоры.
Робот типа МАК применяют при роботизации транспортных и складских работ с изделиями массой до 50 и до 320 кг. Робот МАК-1-50(рис. 20) состоит из механизма горизонтального передвижения 3 робота, механизма 2 вертикального перемещения рабочего органа, механизма синхронизации 1, руки 4 и захвата 5.
Механизм передвижения 3 включает в себя гидромотор и редуктор. На выходном валу последнего установлена звездочка, которая входит в зацепление с втулочно-роликовой цепью, жестко укрепленной на путях.
Механизм 2 состоит из колонны, перемещающейся плунжерным гидроцилиндром, и цепной передачи. Рабочий орган поднимается гидроцилиндром, опускается – под действием силы тяжести.
На раме робота закреплен механизм синхронизации, водило которого выполнено в виде кронштейна.
Рис. 20. Робот МАК-1-50:
1 – механизм синхронизации, 2 – механизм вертикального перемещения,
3 – механизм передвижения, 4 – рука, 5 – захват, 6 – груз
Рука шарнирно связана с колонной, может вращаться и перемещаться в горизонтальном направлении.
Захват робота позволяет без пережимов и ударов брать и устанавливать детали в вертикальном и горизонтальном направлениях.