Opracowanie zmodernizowanej technologii obróbki wiórowej kadłuba wciągnika WR, wciągnika kolejki WR, podciągnika PZ oraz wykonania w metalu niezbędnych narzędzi i oprzyrządowania specjalnego.

Autorzy: dr inż. Bogdan Zając, mgr inż. Jerzy Winczek

Częstochowa, 30 listopada 1987

Przedmiotem opracowania jest zmodernizowana technologia obróbki wiórowej części typu korpus na dwóch centrach obróbczych obsługiwanych przez robot przemysłowy IRb-60.

Opracowanie wynika z realizacji pierwszego etapu zleconej Instytutowi Technologii Budowy Maszyn Politechniki Częstochow­skiej przez Tarnogórską Fabrykę Maszyn Górniczych pracy p.t. "Opracowanie zmodernizowanej technologii obróbki wiórowej kadłuba wciągnika WR, wciągnika kolejki WE, podciągnika PZ oraz wykonanie w metalu niezbędnych narzędzi, oprzyrządowania specjalnego (umowa nr rej. BZ-02-3/87/R).

Wyżej określone zadanie jest realizowane w dwóch etapach.

W pierwszym etapie przewidziano opracowanie koncepcji orga­nizacji i sterowania gniazda, analizę możliwości adaptacji dotychczasowego wyposażenia specjalnego gniazda obróbczego oraz zaprojektowanie oprzyrządowania i onarzędziowania spec­jalnego niezbędnego w zmodernizowanej technologii. Drugi etap obejmuje wykonanie dokumentacji konstrukcyjnej, wyko­nanie narzędzi i oprzyrządowania w metalu oraz oprogramowa­nie i uruchomienie systemu.

W pierwszym etapie wykonano:

• opracowanie organizacji gniazda, planu przestrzennego i projektu adaptacji istniejących maszyn, urządzeń i technologii,
• opracowanie organizacji wyposażenia gniazda obróbczego,
• projekt aplikacji urządzenia podająco-orientującego oraz adaptacji wyposażenia specjalnego stosowanego do robota IRb-60 do obróbki korpusów CGŁ,
• projekt oprzyrządowania 1 onarzędziowania specjalnego obrabiarek dla przyjętej technologii obróbki poszczególnych detali,
• badania modelowe i symulacyjne dla urządzeń wg p. powyżej,
• wybór koncepcji struktury w aspekcie funkcjonalnym, opracowanie struktury sprzętowej, układu sterowania gniazda obróbczego,
• opracowanie algorytmu działania i struktury oprogramowania układu sterowania gniazda obróbczego.

W ramach przedstawionego tematu modernizacji podlegają procesy technologiczne części typu korpus:

• WR - 1,5 – rys. 1 - nr rys. fabr. W92.012-01.001a
• WR - 2,5 – rys. 2 - nr rys. fabr. W92.013-01.001a
• WR - 5 – rys. 3 - nr rys. fabr. W92.014-01.01d
• WK - 1,3 – rys. 4 - nr rys. fabr. G92.050/l-001a
• Podciągnik zęb. – rys. 5 - nr rys. fabr. C500-664-00e

Istotą wprowadzonych zmian w dotychczasowych procesach technologicznych jest wykonanie maksymalnej liczby operacji w gnieździe obróbczym, w skład którego wchodzą dwa centra obróbcze C 500/03 i C500/04 oraz robot przemysłowy IRb-60. Wyżej wy­mienione gniazdo obróbcze wyposażone jest ponadto w urządze­nia pomocnicze, jak np. odkurzacz przemysłowy do usuwania wiórów. Przyjęcie takiego rozwiązania pozwoliło na częściowe wykorzystanie dotychczas istniejącego oprzyrządowania gniazda, nie mniej wymagało zaprojektowania kilku nowych urządzeń.

Detale do obróbki będą pobierane przez robota z palet. Wszystkie następne czynności: główne i pomocnicze będą wykonywane przez urządzenia gniazda. Rola operatora będzie więc ograniczona do ustawiania detali w palecie i nadzoru nad pracą gniazda obróbczego.

Zmiana przedmiotu obróbki (jednego z pięciu wyżej wymienio­nych) będzie wymagała wymiany programów w pamięciach cen­trów obróbczych i robota oraz narzędzi. Zaprojektowane uchwyty obróbcze pozwalają na obróbkę w nich każdego z w/w detali.

Rys. 1. Kadłub WR - 1,5:

Rys. 2. Kadłub WR - 2,5:

Rys. 3. Kadłub WR - 5:

Rys. 4. Kadłub WK - 1,3:

Rys. 5. Kadłub podciągnika PZ:

OPRACOWANIE ORGANIZACJI GNIAZDA, PLANU PRZESTRZENNEGO I PROJEKTU ADAPTACJI ISTNIEJĄCYCH MASZYN, URZĄDZEŃ I TECHNOLOGII

Celem przedsięwzięcia jest poprawa jakości, wzrost wydajności i obniżenie kosztów wytwarzania korpusów WR-1,5, WR-2,5, WR-5_, WK-3 i podciągników zębatkowych.

Ponieważ w gnieździe oprócz wyżej wymienionych będą obrabiane również Kadłuby CGŁ [24] struktura gniazda musi zawierać elementy uczestniczące w procesie obróbki tychże korpusów.

W skład gniazda obróbczego wejdą więc następujące urządzenia:

• centrum obróbcze C 500/03
• centrum obróbcze C 500/04
• robot przemysłowy typu IRb-60

Do wyposażenia gniazda wejdą również odkurzacz przemysłowy z wymiennymi końcówkami rur ssących, palety i stolik pod palety. Schemat organizacyjny gniazda przedstawia rys. 6. Na schemacie uwidocznione są elementy nie uczestniczące w zmodernizowanej technologii będącej przedmiotem pracy, a biorące udział w obróbce kadłubów CGŁ. Są nimi: magazyn wejściowy (HI) i stolik orientująco pozycjonujący. Przy czym obydwa urządzenia mogą zostać aplikowane w przedmiotowej technologii w ramach stanowiska badawczo-doświadczalnego (szczegółowo omawia się ten problem w rozdziale III). W rozwiązaniu przyjętym przez autorów w przypadku obróbki korpusów będących podmiotem opracowywanej technologii nad stolikiem orientująco-pozycjonującym będzie ustawiony stolik (P’), a na nim palety.

Rys. 6. Schemat organizacyjny gniazda obróbczego:

OBJAŚNIENIA DO RYSUNKU:

• OB1 - centrum obróbcze C 500/04
• 0B2 - centrum obróbcze G 500/03
• IRb60 - robot przemysłowy,
• P1, P2, P1’, P2’ - uchwyty obróbkowe,
• MWY - magazyn wyjściowy (wyrobów gotowych)
• MN - magazyn narzędzi
• SS - szafa zasilaczy
• ZH — zasilacz hydrauliczny centrum obróbczego
• ZHU - zasilacz hydrauliczny uchwytów
• KO - konsola operatora
• ZE - zasilacz elektryczny
• P - stolik z paletami
• SO - stolik orientująco-pozycjonujący (CGL)
• MWE - magazyn wejściowy (CGŁ)

Uwaga: grubą linią przerywaną przedstawiono urządzenia znajdujące się w obrębie gniazda uczestniczące w procesie technologicznym kadłuba CGŁ, a nie uczestniczące w technologii będącej tematem opracowania.

Urządzenia wchodzące w skład gniazda obróbczego będą wykonywały następujące zadania:

• pobranie z palety kadłuba i przeniesienie go na obrabiarki,
• mocowanie detalu w uchwycie,
• odmocowanie i składowanie obrobionych detali,
• transport kadłubów między uchwytami,

Poza wymienionymi czynnościami system urządzeń zapewnia:

• frezowanie powierzchni czołowych,
• jednoczesną obróbkę kilku otworów (wiercenie i gwintowanie),
• usuwanie odpadów ze strefy obróbki,
• kontrolę stanu narzędzi do otworów (wierteł i gwintowników).

W zmodernizowanych procesach technologicznych w gnieździe obróbczym będą wykonywane następujące operacje i zabiegi wykonywane dotychczas poza gniazdem (w nawiasach podano numery operacji w dotychczasowych procesach technologicznych):

a) WR - 1,5

1) frezowanie czoła (10)

2) jednoczesne wiercenie i gwintowanie 4 otworów M10 (20, 80)

b) WR - 2,5

1) frezowanie czoła (10)

2) frezowanie czoła (40)

3) jednoczesne wiercenie i gwintowanie 4 otworów    M10 (20, 90)

c) WR - 5

1) frezowanie czoła (10)

2) rozwiercanie otworów Ø28H8 i Ø28H7 (30)

3) wiercenie otworu Ø13 (90)

4) jednoczesne wiercenie i gwintowanie 4 otworów M10 (20, 100)

d) WK - 1,3

1) frezowanie czoła (10)

2) wiercenie Ø31 (40)

3) wykonanie otworu Ø28H8 (50)

4) wiercenie 2 otworów Ø8,4 (60)

5) gwintowanie 2 otworów M10 (70)

e) podciągnik PZ

1) frezowanie czołowe (20)

2) jednoczesne wiercenie i gwintowanie 3 otworów M10 (100)

W zmodernizowanej technologii zostaną wykorzystane narzędzia dotychczas stosowana w operacjach wykonywanych na centrach obróbczych.

Ponadto zastosuje się chwytak elektromagnetyczny sztywny do robota IRb-60 stosowany w procesie technologicznym kadłuba CGŁ.

Z wyposażenia specjalnego stosowanego do obróbki korpusów CGŁ proponuje się ponadto aplikację układu kontroli stanu narzędzi do otworów (wierteł, gwintowników) oraz konstrukcji wielowrzecionowych głowic wiertarskich i gwinciarskich. Z urzą­dzeń pomocniczych jest koniecznym wykorzystanie odkurzaczy przemysłowych, natomiast w miarę potrzeby - magazynów.

Prowadzi się prace w zakresie analizy parametrów obróbki skrawaniem pod kątem ich optymalizacji oraz analizy konstrukcji i parametrów geometrycznych narzędzi pod kątem ich wydaj­ności. W przypadku wyników badań dających podstawę do zmian parametrów obróbki lub konstrukcji narzędzi, odpowiednie pro­pozycje zostaną przedłożone w terminie późniejszym.

Rozdział II. Opracowanie organizacji wyposażenia gniazda obróbczego

W celu zapewnienie funkcji poszczególnych urządzeń gniazda wymienionych w poprzednim rozdziale, niezbędnym jest wyposażenie gniazda obróbczego w specjalne oprzyrządowanie i onarzędziowanie.

Jak wcześniej nadmieniono będą wykorzystane narzędzia stosowane w operacjach wykonywanych na centrach obróbczych w dotychczasowym procesie technologicznym. Przewiduje się też w określonych przypad­kach (rozdz.1) wykonanie nowych narzędzi. Do obróbki otworów wier­conych i gwintowanych zostaną zastosowane wielowrzecionowe głowice wiertarskie i gwinciarskie (umożliwiające jednoczesną obróbkę kilku otworów) wraz z uchwytami gwinciarskimi i wiertarskimi.

W celu zapewnienia szybkiego i sprawnego mocowania odlewów na stołach centrów obróbczych zaprojektowano dwie konstrukcje uchwy­tów hydraulicznych oznaczonych symbolami P1 i P2. Każda konstrukcja

zostanie wykonana w dwóch egzemplarzach oznaczonych symbolami: P1 i P1’oraz P2 i P2’. Uchwyty te zostaną umieszczone na stołach centrów obróbczych parami, tj. na OB1 – P1 i P2_, a na OB2 – P1' i P2’. Pozwoli to na jednoczesną obróbkę korpusów w obydwu centrach obróbczych. W uchwycie P1 (PI’) znajduje się pięć stanowisk do mocowania odlewu odpowiadające poszczególnym rodzajom kadłubów będących przedmiotami omawianej technologii. W uchwycie P2 (P2') mamy cztery stanowiska, ponieważ kadłuby W-2,5 i WK-5 będą obrabiane w jednym stanowisku uchwytu.

Szybkie mocowanie i odmocowanie odlewów zapewniają łapy napędzane hydraulicznie.

Zaletą takiego rozwiązania uchwytów jest to, że zmiana rodzaju obrabianego detalu (z wymienionych w streszczeniu) nie pociąga za sobą konieczności wymiany uchwytów obróbkowych na stołach centrów obróbczych.

Ponadto w skład wyposażenia gniazda obróbczego wejdą dwa odkurzacze przemysłowe produkcji Gliwickiej Fabryki Urządzeń Wentylacyjnych " GLIWENT " [16].

Przedmioty do obróbki będą pobierane z palety (zagadnienia związane a ewentualną aplikacją układu identyfikujące ego położe­nie detalu oraz wyposażenie gniazda obrończego w urządzenia specjalne z tym związane omawia się szczegółowo w rodziałach III i TI). Przewiduje się umiejscowienie palety na stoliku, którego konstrukcja będzie umożliwiała ustawianie go nad sto­likiem pozycjonującym (rys. 6).

Obrabiane detale będą składowane w magazynie wyjściowym, którym będzie pojemnik lub palety - odpowiednie rozwiązanie przyjmie się zgodnie z zaleceniem zleceniodawcy.

Manipulacje detalami w obrębie gniazda obróbczego będą wykonywane za pomocą chwytaka elektromagnetycznego sztywnego (rozdz. I i III).

Rozdział III. Projekt aplikacji urządzenia podająco-orientującego oraz adaptacji wyposażenia specjalnego stosowanego do robota IRb-60 do obróbki korpusów CGŁ.

Punktem wyjścia do analizy ewentualnej aplikacji urządze­nia podająco-orientującego w zmodernizowanych procesach technologicznych jest strona ekonomiczna przedsięwzięcia.

Biorąc pod uwagę, że program rocznej produkcji wynosi dla poszczególnych detali odpowiednio:

- WR 1,5 - 1800 - 2000 szt.,

- WR 2,5 - 3400 - 3500 szt.,

- WR 5    - 2800           szt.,

- WK 1,3 - 5500 - 6000 szt.,

- PZ        - 2500           szt.,

nieopłacalnym staje się stosowanie urządzenia podająco-orientu­jącego ze względu na duży koszt oprogramowania jego aplikacji dla danego wyrobu oraz ze względu na długi czas uruchamiania każdego z programów.

W takim wypadku ekonomicznie uzasadniony rozwiązaniem jest pobieranie detali z palety. Gniazdo obróbcze wymaga operatora nadzorującego pracę gniazda. Operator ten będzie jednocześnie układał detale w palecie. W sumie cel zostanie osiągnięty bez ponoszenia dodatkowych kosztów.

Przy przyjęciu takiego rozwiązania z wyposażenia specjalnego stosowanego do robota IRb-60 do obróbki korpusów CGŁ w przedmiotowych procesach technologicznych zostanie wykorzystana konstrukcja chwytaka elektromagnetycznego sztywnego. Konstrukcja ta będzie aplikowana do wszystkich pięciu korpusów będących przedmiotem opracowywanej zmodernizowanej technologii.

W konstrukcji chwytaka elektromagnetycznego sztywnego wymianie ulegną nakładki do chwytania detalu mieszczące się na powierz­chni czołowej chwytaka. Ich wielkość dostosowana będzie do największego z detali będących przedmiotami opracowywanej techno­logii. Chwytak elektromagnetyczny sztywny będzie stosowany we wszystkich czynnościach transportowych w obrębie gniazda obróbczego, a więc:

• pobieranie detali z palet i ustawianie ich w uchwytach obróbkowych,
• transport detali między uchwytami,
• składowanie detali w magazynie wyjściowym.

Pomijając jednak względy ekonomiczne aplikacji urządzenia identyfikacji położenia odlewu można rozpatrywać gniazdo obróbcze z punktu widzenia badawczo-doświadczalnego, pod kątem nadania mu w przyszłości struktury elastycznej.

Przyjęcie więc do dalszych rozważań omawianego stanowiska jako prototypu gniazda o strukturze elastycznej, poszczegól­nym układom funkcjonalnym (rozdz. VI) należy przyporządkować następujące jednostki sprzętowe:

a) układ wykonawczy - stolik pozycjonujący z napędami, magazyn wejściowy (usunięciu ulega stolik z paletami), chwytak elektromagnetyczny elastyczny (do pobierania detalu z magazynu wejściowego i przeniesienia go na stolik pozycjonują­cy),

b) układ zasilania - energią - napędu stolika pozycjonującego,

c) układ zbierania i wstępnego przetwarzania informacji

• w zakresie zbierania - czujnik wizyjny układu identyfikacji położenia odlewu, czujnik obciążenia chwytaka elektromagnetycznego elastycznego,
• w zakresie wstępnego przetwarzania: interfejsy czujnika wizyjnego i czujnika obciążenia chwytaka elektromagnetycznego elastycznego,

d) układ sterujący: mikrokomputer sterujący stolikiem pozycjonującym

e) układ komunikacji zewnętrznej:

• układ wyjść
• układ identyfikacji położenia, magazynu wejściowego.

Rozpoznanie położenia kolejno wprowadzanych odlewów wykonywane jest przez układ identyfikacji, złożony z czujnika wizyjnego i mikrokomputera. Rozwiązanie współpracy układu identyfikacji z układem sterowania robota należy ująć z uwzględnieniem ewolucji systemu (szczegółowo opisuje się to zagadnienie w rozdz. VII).

Jako pierwszą z tych modyfikacji proponuje się zastąpienie mikrokomputera ZX Spectrum przez procesor przystosowany do pracy w układach automatyki przemysłowej. Powinien on być przy tym modu­łem mikrokomputerowego systemu automatyki, co pozwoli w kolejnych etapach automatyzacji obróbki korpusów wyeliminowanie stolika pozycjonującego, a następnie wykorzystanie procesora jako jednostki centralnej układu sterowania gniazdem obróbczym. Najkorzystniejsze byłoby zastosowanie 16-bitowych modułów MM 16 ( 8086) i in. systemu INTELDIGIT-PROWAY. Istnieją także inne, równoważne funkcjonalnie, lecz 8-bitowe (ok. 4-krotnie tańsze) systemy automatyzacji mikrokom­puterowej (31, 32, 36) wśród których szerokim zestawem oferowanego sprzętu i oprogramowania wyróżniają się MISTER-Z80 i MIKROSTER. Celowe będzie wybranie z wymienionych systemów tego, którego aplikacja będzie mogła być wdrożona najszybciej.

Ważnym zagadnieniem jest wybór rodzaju czujnika wizyjnego. W grę wchodzą tutaj następujące możliwości:

1. kamera TV,
2. kamera CCD,
3. linijka świetlna CCD,
4. tranzystorowa linia skanująca (na fototranzystorach).

Największą elastyczność systemu w sensie możliwości adaptacji do zmiennych warunków pracy, zapewniają kamery. Z nich większą szybkość i dokładność przetwarzania obrazu zapewnia kamera CCD. Pozyskanie takiej kamery, wg informacji uzyskanej u wyłącznego dysponenta krajowego matryc CCD (produkcji zakładów Tesla) - MERA-PIAP, jest możliwe nie wcześniej nié w roku 1989. Jej koszt będzie przypuszczalnie kilkakrotnie wyższy, niż kamery telewizyjnej. Dostawa tej ostatniej potwierdzona jest na rok 1990. W tej sytuacji do wykorzystania na aktualnym etapie pracy pozostają czujniki, co nie przekreśla zastosowania kamer 2-D w przyszłości.

Linijka świetlna CCD mogłaby być dostarczona wraz z inter­fejsem w I kwartale 1988 r. Zdecydowano się więc na zastosowanie tranzystorowej linii skanującej. Jej rozdzielczość wynosi 2 mm (ilość punktów odczytu – 105), co pozwala na uzyskanie identyfikacji położenia wystarczająco dokładnej dla układu pozycjonującego i robota. Określenie dokładności rozpoznawania obrazu w warunkach eksploatacyjnych przy różnym oświetleniu wymaga przeprowadzenia badań doświadczalnych w warunkach rzeczywis­tych.

Linijka CCD zapewnia ponad dwukrotnie większą rozdzielczość i większą powtarzalność odczytów, lecz problemem przy jej zastosowaniu może być błąd paralaksy. Jego eleminacja będzie wymagała umieszczenia linijki świetlnej w odległości rzędu paru metrów od pola obserwacji, przy zabezpieczeniu pełnej nieruchomości linijki względem tego pola.

Rozdział IV. Projekt oprzyrządowania i onarzędziowania specjalnego obrabiarek dla przyjętej technologii obróbki poszczególnych detali

Dla zmodernizowanej technologii zaprojektowano dwa uchwyty obróbkowe umożliwiające obróbkę każdego z pięciu detali oraz głowice wielowrzecionowe: wierciarskie i gwin­ciarskie, umożliwiające jednoczesną obróbkę kilku otworów.

1. Budowa i zasada działania uniwersalnego uchwytu hydraulicznego PI

1.1 Budowa uchwytu (rys.7 - w załączniku)

Uchwyt PI ma postać skrzynki, której płyty boczne i dolna są zespawane, a płyta górna (1) jest do nich przy­kręcona śrubami (22).

Do płyty górnej (1) przykręcone są obsady łożysk (8) z trzpieniami (19), na których zawieszone są łapy mocujące (6, 7, 36, 37, 38, 39, 40 i 41). Łapy w górnej części za­kończone są hartowanymi występami (noskami) do mocowania przedmiotów, a w części dolnej połączone są za pośrednictwem trzpieni z siłownikami (5).

Do siłowników przyłączone są wysokociśnieniowe przewody elastyczne (10) za pośrednictwem kolanek typu Stecko.

Na płycie (1) osadzone są suwliwie zasuwy (50, 20, 16, 31, 32, 33, 34 i 35) osłaniające wnętrze uchwytu przed wiórami. Na płycie (1) okadzone są również elementy (9 i 29), na których spoczywa korpus.

Uchwyt posiada cztery stanowiska do obróbki pięciu rodza­jów kadłubów.

Do płyty górnej przymocowane są przyłącza hydrauliczne (44) typu Stecko.

Płyta górna stanowi część centralną i jest osadzane centrycznie na skrzynce za pomocą kołków (43).

Do bazowania uchwytu na stole obrabiarki służą kołki (42).

Do mocowania uchwytu na stole obrabiarki służą wybrania w płycie dolnej.

1.2 Zasada działania

Uchwyt PI służy do ustalonego mocowania w operacji pierwszej pięciu rodzajów kadłubów celem ich obróbki skrawaniem na centrum obróbkowym.

Obrabiany kadłub umieszczony jest przez robota w jednym z gniazd obróbkowych uchwytu i jest odpowiednio wypozycjonowany.

Zamocowanie przedmiotów odbywa się poprzez specjalnie zaprofilowane łapy, poruszane siłownikami hydraulicznymi.

Elastyczne zamocowanie siłowników pozwala na niezakłóconą pracę uchwytu w przypadku obróbki różnych kadłubów.

Łapy poruszają zasuwy (16, 20, 30₉ 31, 32, 33, 34 i 35) zasłaniając prostokątne otwory w płycie (1) przed wpadaniem wiórów do wnętrza skrzynki uchwytu.

Siła docisku łap regulowana jest zmianą ciśnienia oleju w układzie hydraulicznym i będzie jednakowa na wszystkioh mocujących łapach po wyrównaniu ciśnienia oleju hydraulicznego. Olej hydrauliczny pod ciśnieniem 160 atmosfer kierowany jest do wszystkich siłowników, które pracują jednocześnie.

Do odprowadzenia wiórów z powierzchni górnej płyty (1) wykorzystano odkurzacz przemysłowy.

2. Budowa i zasada działania uniwersalnego uchwytu PII

2.1. Budowa uchwytu

Uchwyt PI ma postać zwartej skrzynki, której ściany boczne i dolne są zespolone, a płyta górna (1) jest do nich przykręcona śrubami (35). Do płyty górnej przykręcone są obsady łożysk (8) z trzpieniami (14), na których zawieszone są łapy mocujące (6, 7, 44, 46, 49, 51, 55, 56,  58, 61).

Łapy w górnej części zakończone są występami (noskami) do mocowania kadłubów, a w części dolnej połączone są za pośrednictwem trzpieni z siłownikami hydraulicznymi (5).

Do siłowników przyłączone są wysokociśnieniowe przewody elastyczne (34) za pośrednictwem kolanek typu Stecko (33).

Na płycie (1) osadzone są suwliwie zasuwy (12, 42, 13, 43, 47, 48, 50, 52, 53, 54, 57, 59, 62) osłaniające wnętrze uchwytu przed wiórami. Niektóre są dwudzielne, aby możliwy był ich demontaż.

Na płycie (1) osadzone są również elementy (10, 11) podpierające kadłuby.

Płyta górna stanowi część centralną i jest osadzana centrycznie na skrzynce za pomocą kołków (68). Do płyty (1) przyspawane są przyłącza hydrauliczne (60) typu Stecko.

Do bazowania uchwytu na stole obrabiarki służą kołki prowadzące (30), a do mocowania są wykonane w płycie dolnej wybrania pod śruby.

Wewnątrz uchwytu przykręcone są rury ssące do pneumatycznego transportu wiórów.

Celem przeciwdziałania siłom stycznym pochodzącym od śrub mocowania obsady łożysk są dodatkowo unieruchomione kołkami (37).

2.2. Zasada działania

Uchwyt PII służy do ustalonego mocowania pięciu rodzajów kadłubów celem ich obróbki skrawaniem na centrum obróbkowym w drugiej operacji.

Obrabiany kadłub umieszczony jest przez robota w jednym z gniazd obróbkowych uchwytu.  Zamocowanie przedmiotów odby­wa się poprzaz specjalnie zaprofilowane łapy poruszane siłownikami hydraulicznymi.

Elastyczne zamocowanie siłowników pozwala na niezakłóconą pracę uchwytu w przypadku obróbki różnych wymiarowo kadłu­bów.

Siła docisku łap regulowana jest zmianą cienienia oleju w układzie hydraulicznym i będzie jednakowa we wszystkich gniazdach mocujących po wyrównaniu ciśnienia. Olej hydrau­liczny pod ciśnieniem 160 atmosfer kierowany jest do wszystkich siłowników pracujących równocześnie.

Łapy poruszają zasuwy (42, 13, 12, 43, 47, 48, 50, 52, 53, 54, 59, 57, 62).

Ponieważ w operacji wykonywanej w uchwycie PII konieczne jest odprowadzenie wiórów spod płyty (1), dlatego są one wyciągane pneumatycznie przewodami zsypowymi (9, 63, 64, 65, 65). Usuwanie wiórów i pyłu żeliwnego z górnej płyty (1) odbywać się może przy użyciu tego samego odkurzacza przemysło­wego, lecz z inną końcówką.

Rozdział V. Badania modelowe i symulacyjne urządzeń:

W wyżej postawionym temacie przeprowadzono:

• badania modelowe w zakresie konstrukcji chwytaka elektro­magnetycznego do pobierania i przenoszenia odlewa o największych gabarytach (najcięższego), mianowicie kadłuba WK - 1,3,
• badania modelowe w celu sprawdzenia namagnesowania się kadłuba w chwytaku z elektromagnesem,
• badania symulacyjne stolika pozycjonującego i układu orientująco-pozycjonującego.

Rozdział VI. Wybór koncepcji struktury w aspekcie funkcjonalnym, opracowanie struktury sprzętowej układu sterowania gniazda obróbczego

1. Wybór koncepcji struktury w aspekcie funkcjonalnym 

Zadanie syntezy jest na tyle wieloaspektowe i złożone, że uzasadnione jest stosowanie przy jego rozwiązywaniu niektórych pojęć i metod teorii systemów.

Rozpatrywane gniazdo obróbcze stanowi system umiejscowiony w hierarchiach: technicznej i społecznej. Spośród aspektów badania systemowego, technicznego, ekonomicznego, socjalnego i ekologicznego, obszar dalszych rozważań będzie ograniczony, zgodnie ze zleceniem, do aspektu technicznego z elementami ekonomicznego. Uwzględnione zostaną podstawowe elementy pojęcia systemu, tj. jego cel, struktura, funkcjonowanie i ewolucja.

Zasadnicze założenia struktury i funkcjonowania gniazda obróbczego zostały określone, a część z nich szczegółowo opracowana i wykonana w ramach pracy [24]. Sprecyzowanie i wykonanie dalszych zadań, z uwzględnieniem czynnika ewolucji systemu, tj. niezbędnych zmian wynikających z ciągłego postępu naukowo-technicz­nego, wymaga usystematyzowania związanych z tym pojęć.

Na rys. 9 przedstawiono ogólną strukturę funkcjonalną gniazda obróbczego jako układu sterowanego. Wyodrębniono podstawowe bloki (układy) funkcjonalne: wykonawczy, zasilania, zbierania i wstępnego przetwarzania informacji, sterowania i układ komunikacji zewnętrz­nej, jakie można wyróżnić w każdym układzie sterowanym [29]. Ukazano także wejściowe i wyjściowe strumienie informacyjne i materiałowe, którym przyporządkować można konkretną treść w rozpa­trywanym gnieździe obróbczym:

• zadanie (programy dla sterowników obrabiarek i robota przemysłowego oraz dla komputera sterującego),
• zasilanie (energią, surowcami, materiałami i narzędziami),
• produkty użyteczny (obrobione korpusy) i uboczny (wióry i ewentualne zanieczyszczenie środowiska),
• sygnały komunikacji zewnętrznej (sterowanie ręczne, uzależnienie zewnętrzne, sygnalizacja robocza i awaryjna).

Rys. 9. Struktura funkcjonalna gniazda obróbczego

Objaśnienia:

→ e, m - strumienie materiałowe i energetyczne,

→ u, s, - strumienie informacji,

z - zadania (zadanie algorytmu funkcjonowania układu)

U, U1, U2 - sygnały sterowania ręcznego i uzależnień zewnętrznych,

s - sygnalizacja robocza i alarmowa,

e, m - energia i materiały,

p – produkty: użyteczny i uboczny

x_1, x_2, x₃ - sygnały sterujące

y_1, y_2, y₃ - sygnały sprężeń zwrotnych,

US - układ sterujący,

Z - układ zasilania energią i materiałami,

UW - układ wykonawczy,

Z i WPI - układ zbierania i wstępnego przetwarzania informacji,

K - układ komunikacji zewnętrznej.

Przyporządkowanie poszczególnym układom funkcjonalnym części fizycznych układu nie jest w pełni jednoznaczne ze względu na różnorodność funkcji niektórych spośród tych części. Tym niemniej celowe jest następujące przyporządkowanie, oparte na dekompozycji układu na poziomie jednostek sprzętowych zakupionych lub zaprojektowanych i wykonanych:

a) układ wykonawczy: centra obróbcze, część manipulacyjna robota, uchwyty obróbcze, odkurzacz przemysłowy, magazyn wyjściowy

b) układ zasilania:

• energią - zasilacze elektryczne i hydrauliczne centrów obróbczych, robota i uchwytów obróbczych,
• materiałami: palety / z odlewami do obróbki, magazyn narzędzi, zbiornik hydrauliczny czynnika roboczego.

c) układ zbierania i wstępnego przetwarzania informacji:

• w zakresie zbierania: czujniki stanu narzędzi i blokady przestrzeni roboczej, czujniki stanu pracy obrabiarek
• w zakresie wstępnego przetwarzania: interfejs czujników stanu narzędzi.

d) układ sterujący: mikrokomputer, szafa sterownicza robota przemysłowego, szafy sterownicze centrów obróbczych, sterow­nik bitowy.

e) układ komunikacji zewnętrznej:

• układ wejść: konsola operatora
• układ wyjść: sygnalizatory awaryjne stanu narzędzi, otwarcia przestrzeni roboczej, braku odlewów w palecie, niewykonanie poszczególnych partii programu przez robota, wyłączeń awaryjnych robota i obrabiarek; sygnalizatory robocze (stanu centrów obróbczych, robota przemysłowego, palety i magazynu wyjściowego.

Wymienione wyżej układy (bloki) funkcjonalne można zgrupować w dwa makrobloki: przetworzenia energii i materiałów zawierających bloki zasilania i wykonawczy (część energetyczna układu) oraz makroblok przetwarzania informacji i sterowania zawierający pozostałe bloki (część informacyjna układu(. W odniesieniu do tej drugiej części układu stosowana jest również nazwa układu stero­Wania. Przedmiotem rozważań niniejszego rozdziału jest właściwie układ sterowania w takim szerokim znaczeniu.

Blok sterujący (US na rys. 9) w układzie sterowania zarządza działaniem wszystkich pozostałych bloków układu, zapew­niając realizację zadań. Treść tych zadań wynika z celu istnienia układu i określone jest przez strukturę i funkcjonowanie części energetycznej, natomiast ich forma jest pochodną budowy układu sterowania.

2. Struktura sprzętowa układu sterowania.

Struktura części energetycznej gniazda obróbczego bazuje na istniejących centrach obróbczych. Do ich zautomatyzowanej obsługi wybrano podczas realizacji pracy [24] robot przemysłowy IRb-60. Biorąc pod uwagę jego dane techniczne, był on wówczas i jest nadal najbardziej odpowiednim spośród robotów krajowej produkcji do realizacji postawionego zadania. Jednakże w obecnie dostępnej wersji, którą należy zaliczyć do robotów pierwszej generacji, ograniczone możliwości układu sterowania robota niekorzystnie rzutują na możliwości zaprojektowania i realizacji układu sterowania gniazda obróbczego. Roboty IRb posiadają sterowanie typu PTP (point-to—point, punktowe), a ich programowanie odbywa się metodą uczenia pośredniego (indirect teach - in). Układ sterowania robota nie posiada wbudowanego systemu przerwań i nie jest wyposażony w wejście sygnałów sterowania ruchami przez komputer zewnętrzny. Wprawdzie wejście takie jest zwykle niezbędne dopiero przy konieczności synchronizacji pracy wielu robotów, na wyższym szczeblu budowy elastycznego systemu produkcyjnego, jednakże w przypadku rozpatrywanego gniazda jest konieczne w przypadku obróbki korpusów CGŁ, a także w przypadku zastosowania stanowiska identyfikującego położenie detali w rozważonych procesach technologicznych przy warunkach określonych w rozdziale III.

Typowym rozwiązaniem podawania przedmiotów manipulacji tego rodzaju robotem jest poletyzacja (3, 37, 39, 40, 41). Autorzy propo­nują przyjęcie takiego właśnie rozwiązania (rozdział III).

W przypadku przyjęcia jednak wersji z identyfikacją przedmiotu rozwiązanie współpracy układu identyfikacji z układem sterowania robota należy ująć z uwzględnieniem ewolucji systemu.

Rozwiązanie docelowe powinno bazować na robocie drugiej generacji, którego układ sterowania posiada, jako minimum wymagań, moduł interfejsu szeregowego (np. V-24). Umożliwia to przyłączenie procesora zewnętrznego, przetwarzającego obraz „widziany” przez czujnik wizyjny i adaptacyjne sterowanie napędami części manipula­cyjnej, umożliwiające pozycjonowanie obrabianego odlewu przez odpowiednie przemieszczenia i zorientowanie chwytaka. Ponadto jednostka centralna takiego układu sterowania robota mogłaby peł­nie rolę jednostki centralnej (komputera nadrzędnego) całego układu sterowania gniazda obróbczego. Taki układ sterowania dla robotów IRb opracowano w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów [35], bazując na produkowanym przez Zakłady Automatyki Przemysłowej w Ostrowie Wielkopolskim zdecentralizowanym mikro­komputerowym systemie automatyki przemysłowej INTELDIGIT—PROWAY [31]. Istnieje teoretyczna możliwość rozszerzenia togo układu sterowania robota o moduł dodatkowego procesora służącego do przetwarzania obrazu, co pozwoliłoby zrezygnować z procesora zewnętrznego. Jednakże pierwsze roboty z tym układem sterowania będą wyprodukowane w 1988 roku, a portfel zamówień jest wypełnio­ny co najmniej na rok (informacja uzyskana od przedstawicieli PIAP). W tej sytuacji celowe stałoby się wdrożenie do przetwa­rzania sygnałów czujnika wizyjnego zewnętrznego procesora, który mógłby współpracować z aktualnie stosowanym układem sterowania, umożliwiając przyszłą adaptację do systemu INTELBIGIT — PROWAY.

W pracy [24] przewidziano, uwzględniając ówczesne możliwości realizacyjne, zastosowanie jako procesora zewnętrznego minikompu­tera ZX-Spectrum. Układ sterowania gniazda obróbczego nie zawiera przy tym żadnej jednostki centralnej (komputera nadrzędnego), lecz poszczególne jego bloki kolejno wykonują swoje funkcje. Rozpoczęcie działania następnego bloku inicjowane jest przez zakończenie czynności poprzedniego bloku, bez możliwości przerwań. Zaletą tego rozwiązania, wynikającą z możliwości realizacji sprzętowej, jest to, że układ sterowania gniazda obróbczego znaj­duje się w końcowej fazie opracowania i w następnym etapie pracy można będzie przy jego pomocy przeprowadzić badania doświadczalne, których, wyniki będą znaczące także dla kolejnych modyfikacji układu, zawierających inny procesor. Wadą natomiast jest, że mikro­komputer ten z założenia nie był konstruowany pod kątem zastosowa­nia do sterowania procesami przemysłowymi. Wynika z tego, że w przypadku dalszych prac badawczo-doświadczalnych zmierzających do nadania gniazdu struktury elastycznej jego pojemność pamięci może okazać się (z dużym prawdopodobieństwem) niewystarczająca. Poza tym urządzenie to wykazuje większą wrażliwość na zakłócenia niż specjalizowane układy mikroprocesorowe.

Jako pierwszą z modyfikacji proponuje się zastąpienie mikrokomputera ZX Spectrum przez procesor przystosowany do pracy w układach automatyki przemysłowej. Powinien on być przy tym modułem mikrokomputerowego systemu automatyki, co pozwoli w kolejnysh etapach automatyzacji obróbki korpusów wyeliminować stolik pozycjonujący, a następnie wykorzystać procesor jako jednostkę centralną układu sterowania gniazdem obróbczym.

Przy zastosowaniu robota IRb-60 drogą prowadzącą do przejścia przez robot funkcji pozycjonowania, a więc do eliminacji stolika pozycjonującego, może być symulacja sterowania ręcznego przez ten mikroprocesor.

Bibliografia: 1.techas@gmail.com

Rozdział VII. OPRACOWANIE ALGORYTMU DZIAŁANIA I STRUKTURY OPROGRAMOWANIA UKŁADU STEROWANIA GNIAZDA OBRÓBCZEGO 

Na rozpatrywanym etapie automatyzacji gniazda obróbczego korpusów CGŁ gniazdo to przedstawia sobą z punktu widzenia funkcjo¬nowania najprostrzą wersję sekwencyjnego układu sterowanego - automat

skończony asynchroniczny. Wygodny aparat matematyczny służący do opisu działania takich automatów stanowią: język wyrażeń regularnych i odpowiadające mu grafy automatu, a także grafy algorytmu działania [30, 42]. Sieci Petriego i pochodne [42] stanowią aparat o szerszym polu zastosowania, lepiej nadający się do analizy komputerowej, lecz dający w pierwotnej postaci mniej poglądowy model. Wszystkie te metody odwzorowują logikę i kolejność przejść układu do poszcze¬gólnych stanów. Uwzględniając powyższe cechy oraz zalety grafów (wykresów) sieciowych [38]. w niniejszym opracowaniu zastosowano uproszczoną modyfikację grafów sieciowych i grafy algorytmów działa¬nia.

Punktem wyjścia do ustalenia algorytmu funkcjonowania układu sterowania musi być algorytm działania układu wykonawczego. Ten ostatni, w przypadku układów zrobotyzowanych, wygodnie jest rozpa¬trywać jako sekwencję czynności robotów i zsynchroniozowanych z nimi czynności pozostałych elementów układu wykonawczego. W oparciu o [6, 17, 18, 24] opracowano dwa warianty ogólnego opisu działania układu wykonawczego. Wariant A (tab. 1) odnosi się do proponowanego przez autorów pobierania odlewów z palet, natomiast wariant B (tab. 2) uwzględnia zastosowanie urządzenia orientująco-pozycjonującego. W tab¬licach zestawiono główne czynności robota oraz przejście pozostałych elementów układu wykonawczego do poszczególnych stanów.

Przyjęta metoda opisu (opis rozpoczyna się od rozładowania uchwytów) podyktowana jest tym, że w zasadzie stanowi on (opis) ogólny algorytm postępowania z zabezpieczeniem kolizji w przypadku przerwania cyklu obróbczego i ponownego jego uruchomienia.

Opisy stanów z kolei przyjęto zgodnie z kolejnością poszczególnych faz cyklu obróbczego dla danego detalu.

Tab. 1. OGÓLNY OPIS DZIAŁANIA UKŁADU WYKONAWCZEGO – Wariant A

Tab. 2. OGÓLNY OPIS DZIAŁANIA UKŁADU WYKONAWCZEGO – Wariant B

Na rys. 10 przedstawiono schemat przestrzeni roboczej robota IRb. Linią przerywaną zaznaczono te elementy, które w wariancie A nie biorą udziału, a które bez względu na wybór warian¬tu wchodzą w skład gniazda obróbczego (rozdz. 1).

Rys. 10. Schemat przestrzeni roboczej robota IRb.

Objaśnienia do rysunku:

- środki ciężkości rzutów poziomych urządzeń technologicznych,

P1,P1,P2,P2 - uchwyty obróbkowe,

MWE — magazyn wejściowy (wariant B),

MWY - magazyn wyjściom

MCH - magazyn chwytaków,

SP — stolik pozycjonujący / wariant B /,

SO - stanowisko odwracania odlewów,

OB1, OB2 — centra obróbcze,

01, 02 - odkurzacze przemysłowe.

Na rys. 11 przedstawiono graf ruchów chwytaka robota dla przyjętego opisu działania układu wykonawczego.

Algorytm działania układu sterowania przedstawiony jest w postaci&a