История робототехники

ОТЧЕТ

О прохождении учебной технологической (проектно-технологической) практики

«Разработка системы мониторинга состояния промышленного робота»

Обучающийся: Федорова Мария Владимировна, магистрант 1 года обучения

Направление подготовки: 01.04.02 «Прикладная математика и информатика»

Программа: «Разработка программного обеспечения для автоматизированных промышленных объектов»

 

Место прохождения практики

Институт физико-математических наук и информационных технологий БФУ имени И. Канта, 236016, г. Калининград, ул. А. Невского, д. 14.

 

Срок прохождения: с 30 апреля 2020 г. по 15 мая 2020 г.

 

Руководитель практики:

к.т.н., доцент ИФМНиИТ БФУ им. И. Канта

Толстель Олег Владимирович _________________________

«___» _____________________ 2020 г.

 

Отчет подготовлен Федорова М.В.

 

Калининград, 2020

Оглавление

 

Введение. 4

Глава 1. Обзор промышленных роботов. 5

1.1.  Основы.. 5

1.2.  История робототехники. 10

1.3.  Основные типы промышленных роботов. 13

Глава 2. Обзор дельта-роботов. 22

2.1. Что такое дельта-робот. 22

2.2. Роботы ABB.. 25

2.3. Роботы FANUC.. 28

2.4. Роботы Kawasaki 30

2.5. Роботы Yaskawa. 32

2.6. Роботы «БИТ Роботикс». 34

Глава 3. Исследование конструкции робота-манипулятора и его характеристик 35

3.1. Описание предмета исследования. 35

3.2. Сервоприводы.. 36

Глава 4. SCADA, параметры мониторинга. 43

4.1. Общие понятия, структура, компоненты SCADA.. 43

4.2. Параметры сервопривода. 46

4.3. Кинематика дельта-робота. 49

4.4. Система мониторинга. 51

Заключение. 52

Список использованной литературы.. 54

 

 

 

 

Введение

 

В ходе учебной практики исследуются промышленные роботы и системы мониторинга состояния промышленных роботов.

Цель практики: закрепление и углубление знаний, умений, навыков и компетенций, полученных обучающимися в процессе обучения по магистерской программе «Разработка программного обеспечения для автоматизированных промышленных объектов».

Задачи практики:

- Изучить общие характеристики промышленных роботов, их конструктивные особенности и типы:

- Изучить информацию о дельта-роботах.

- Изучить информацию о сервоприводах компании
ООО «Сервотехника», в частности о двигателе СПШ20-34100.

- Ознакомиться с роботом-манипулятором ДР-1 (дельта-робот
№ 1), разрабатываемым в Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта.

- Изучить понятие SCADA, структуру и компоненты.

- Рассмотреть параметры для системы мониторинга состояния дельта-робота.

 

Глава 1. Обзор промышленных роботов

 

Манипулятор – управляемые устройство или машина для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве, оснащенное рабочим органом. [1]

Автооператор – автоматическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора или совокупности манипулятора и устройства передвижения и неперепрограммируемого устройства управления. [1]

Промышленный робот – автоматическая машина, стационарная или передвижная, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций. [1]

Перепрограммируемость – свойство промышленного робота заменять управляющую программу автоматически или при помощи человека-оператора. [1]

Рабочий орган промышленного робота (автооператора) – составная часть исполнительного устройства промышленного робота (автооператора) для непосредственного выполнения технологических операций и (или) вспомогательных переходов. [1]

САПР – система автоматизированного проектирования.

 

Основы

 

Под роботом понимается автоматическая машина, включающая перепрограммируемое устройство управления и другие технические средства, обеспечивающие выполнение тех или иных действий
(в зависимости от назначения робота), свойственных человеку в процессе его трудовой деятельности. [2]

Наиболее совершенный робот представляет собой машину, способную самостоятельно и в комплексе решать задачи самоуправления, адаптации с окружающей средой и выполнения трудовых воздействий. Различаясь техническим уровнем и показателями систем управления, информационного обеспечения и исполнительных органов, роботы образуют обширный класс машин, предназначенных для выполнения самых разнообразных операций. Общим признаком роботов является возможность быстрой переналадки для автоматического выполнения различных действий, предусмотренных программой. [2]

От других механических устройств робот отличается совокупностью двух свойств: универсальная механическая база и перепрограммируемая система управления приводами перемещений. [3]

Универсальной механической базой робота может быть манипулятор, представляющий собой разомкнутую последовательность звеньев, начало которой закреплено на основании, а конец перемещается в пространстве.
В соединениях звеньев имеются приводы для поступательного или вращательного перемещений звеньев друг относительно друга. [3]

Специалисты решили не вводить стандартное определение понятия «робот», чтобы не ограничивать появление новых форм робототехники. Применяют общие определения:

- программируемый многофункциональный манипулятор, предназначенный для перемещения материалов, деталей, инструмента или специализированных устройств по переменным программируемым траекториям для выполнения широкого круга задач (Американская ассоциация промышленной робототехники);

- механическая система, выполняющая гибкие двигательные функции, аналогичные двигательным функциям живых организмов, или сочетающая такие функции с «разумными» функциями и подчиняющаяся человеческой воле (Японская ассоциация промышленных роботов);

- позиционно-управляемый, перепрограммируемый, многофункциональный манипулятор с несколькими степенями подвижности, способный перемещать материалы, детали, инструмент и предназначенный для выполнения разнообразных задач в процессе осуществления различных программируемых движений (Международная организация по стандартизации);

- устройство, способное самостоятельно перемещаться в пространстве, справляться с задачами анализа сцен и распознавания образов, обладающее большим числом степеней подвижности, умеющее анализировать обстановку с помощью обратной связи, а также прогнозировать ситуации, опираясь на собственный опыт и доступную информацию (С. Ватаата, Токийский университет);

- устройство, которое обладает универсальностью, мобильностью, представляет собой одно физическое тело, работает автоматически, полностью подчиняется человеку, способно к элементарной интеллектуальной деятельности (С. Мори, Токийский технологический институт);

- устройство, обладающее механической рукой с захватом, системой управления своим перемещением и движением механической руки по заданным или сформированным самостоятельно программам, датчиками среды и состояния робота (М. Шпрингер, Университет Куин Мэри);

- механическое устройство, способное выполнять множество различных операций из числа тех, которые человек выполняет с помощью рук и ног (К. Комэмото);

- механическое устройство, способное при помощи своих органов чувств и разума выполнять какую-либо работу и имеющее внешнее и функциональное сходство с человеком или другими живыми существами
(Э. Накано, Университет Хошиба). [3]

Манипуляторы с управлением от человека не относятся к роботам, даже если управление ведется на расстоянии. К роботам не может быть отнесен автооператор, представляющий собой автоматически действующий манипулятор без перепрограммирования движений. [3]

Промышленные роботы являются универсальным средством комплексной автоматизации производственных процессов, с помощью которого обеспечивается быстрая переналадка последовательности, скорости и видов манипуляционных действий. Поэтому применение промышленных роботов наиболее эффективно в условиях частой смены объектов производства, а также для автоматизации ручного низкоквалифицированного и монотонного труда. Особое место занимают роботы в автоматизации операций, протекающих в экстремальных, вредных для здоровья человека или опасных условиях.

Следующие признаки являются характерными для промышленных роботов:

- автоматическое управление;

- перепрограммируемость;

- способность к выполнению трудовых действий. [2]

Система программного управления предназначена для программирования, сохранения управляющей программы, ее воспроизведения и отработки. В зависимости от решаемых задач состав систем управления может варьироваться. [4]

Управление роботом осуществляется на основании программы его работы. [4]

Программа – полное и точное описание на некотором формальном языке процесса обработки информации, приводящего к решению поставленных задач. [4]

Управляющая программа – последовательность простых инструкций, выполненных на некотором формальном языке, причем исполнение этих инструкций при соблюдении определенной очередности приводит к решению поставленной задачи. [4]

Структурная схема промышленного робота представлена на рисунке 1. Основные элементы конструкции и виды движений рабочих органов, приведенные на рисунке 1:

1 – путепровод; 2 – основание; 3 – корпус; 4 – рука; 5 – захватное устройство; 6 – рабочая зона и система координат основных движений промышленного робота: xx – направление движения руки вдоль продольной оси; yy – направление движения корпуса робота по путепроводу;
zz – направление движения руки вверх-вниз; φ_xy – угол поворота корпуса робота вокруг вертикальной оси zz; φ_zx – угол поворота руки в вертикальной плоскости; φ_yz – угол поворота захватного устройства относительно оси xx;
δ – направление движения захвата (зажима) детали; δ и φ_yz – направления ориентирующих движений; xx, zz, φ_xy и φ_zx – направления транспортирующих движений; yy – координатное движение. [4]

В общем виде для функционирования промышленного необходима информация о последовательности выполнения шагов программы, о пространственном положении отдельных степеней подвижности и о времени выполнения отдельных шагов программы и отдельных управляющих команд. Эта информация, зафиксированная тем или иным способом, является управляющей программой. [4]

 

Рисунок 1. Структурная схема промышленного робота

 

История робототехники

 

Первая промышленная революция происходила с 1760 по 1830 гг., когда появились паровые машины и механизированные прядильно-ткацкие станки. Вторая промышленная революция охватывает период с 1870
по 1910 гг. В это время были созданы двигатель внутреннего сгорания и конвейерное производство, широко внедрялось электричество. Третья промышленная революция началась в 1970 г. с производства и применения микропроцессоров. Ее проявлениями стали информационные технологии на основе вычислительной техники, промышленных роботов, высокоскоростных сетей передачи информации, перепрограммируемого управления оборудованием. [3]

Впервые термин «робот» (от чешского слова robota – «подневольный труд») был применен чешским писателем Карелом Чапеком в 1920 г. для механических рабочих в пьесе «Универсальные роботы Россума». В ней рассказывалось о производстве человекоподобных механизмов (андроидов), отличавшихся высокой работоспособностью. Постепенно роботы совершенствуются, восстают и побеждают людей. [3]

Вообще корни робототехники уходят в глубокую древность. Более двух тысяч лет назад Герон Александрийский разработал водяной автомат «Поющая птица» и конструкции движущихся фигур в античных храмах.
В 1500 г. Леонардо да Винчи создал механического льва, который при въезде короля в город открывал герб Франции. Прямыми предшественниками роботов были механические руки – протезы для инвалидов, появившиеся в XVI веке. Сохранилась механическая кукла «Писец», созданная в XVIII в. швейцарским часовщиком П. Жаке-Дрозом. С помощью сложных кулачковых барабанов и механизмов перемещения пера программировалось написание текстов, содержащих до 40 букв. [3]

В 1930-х гг. появились конструкции андроидов, способных выполнять простейшие движения и произносить фразы по команде человека. Первый такой робот был сконструирован американским инженером Д. Уэксли для Всемирной выставки в Нью-Йорке в 1927 г. Было еще неясно, как применять роботов в промышленности. Для работы с радиоактивными материалами в 1950-х г. стали разрабатывать механические манипуляторы, которые копировали движения рук человека, находящегося в безопасном месте. Дистанционно управляемая тележка с манипулятором, телекамерой и микрофоном применялась в 1960 г. для осмотра местности и сбора проб в зонах высокой радиоактивности. [3]

Появление станков с числовым программным управлением привело к созданию программируемых манипуляторов для разнообразных операций по загрузке и разгрузке станков. В 1954 г. американский инженер Д. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт. Вместе с Д. Энгельбергером в 1956 г. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Ее название «Unimation» (Юнимейшн) является сокращением термина «Universal Automation» (универсальная автоматика). [3]

В 1962 г. в США были созданы первые промышленные роботы «Юнимейт» и «Версатран». Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку. Некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса. [3]

«Юнимейт» имел 5 степеней подвижности с гидраприводом и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. Перемещение объектов массой до 12 кг осуществлялось с точностью 1,25 мм. В качестве системы управления использовался программоноситель в виде кулачкового барабана с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд управления, и кодовые датчики положения. В режиме обучения оператор задавал последовательность точек, через которые должны пройти звенья манипулятора в течение рабочего цикла. Робот запоминал координаты точек и мог автоматически перемещаться от одной точки к другой в заданной последовательности, многократно повторяя рабочий цикл. На операции разгрузки машины для литья под давлением «Юнимейт» работал с производительностью 135 деталей в час при браке до 2%, тогда как производительность ручной разгрузки составляла 108 деталей в час при браке до 20%. [3]

Робот «Версатран», имевший три степени подвижности и управление от магнитной ленты, мог у обжиговой печи загружать и разгружать до 1200 раскаленных кирпичей в час. В то время соотношение затрат на электронику и механику в стоимости робота составляло 75% и 25%, поэтому многие задачи управления решались за счет механики. Сейчас это соотношение изменилось на противоположное, причем стоимость электроники продолжает снижаться. Предлагаются необычные кинематические схемы манипуляторов. Быстро развиваются технологические роботы, выполняющие такие операции как высокоскоростные резание, окраска, сварка. Появление в 70-х гг. микропроцессорных систем управления и замена специализированных устройств управления на программируемые контроллеры позволили снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение в промышленности. Этому способствовали объективные предпосылки развития промышленного производства. [3]

1. Рост затрат на рабочую силу.

2. Насыщение рынка товаров и обострение конкурентной борьбы.

3. Дефицит рабочих на опасных, тяжелых и монотонных работах – под землей, в горячих цехах, в химически активных средах, при погрузке и разгрузке, на конвейере и обслуживании станков.

4. Неполная загрузка оборудования.

5. Необходимость повышения качества продукции, экономии материалов и энергии. [3]