Серийное изготовление промышленных роботов (ПР) в нашей стране начато в конце 1960-х гг. Их выпуск как у нас, так и за рубежом постоянно наращивается. Непрерывно расширяются области применения роботов. Их используют для перемещения деталей и заготовок, для установки заготовок на станках и снятия готовых деталей. Перспективными областями применения ПР являются технологические процессы, неблагоприятные для здоровья человека: окраска, сварка, литье и др. [3]
С повышением точности позиционирования осваивается использование роботов для процессов сборки, механической обработки деталей. Современные роботы отличаются высокой жесткостью и возможностью воспринимать внешние нагрузки, фиксируя положения осей после позиционирования с помощью механических тормозов. Это позволяет использовать роботы со сверлильными и фрезерными устройствами. [3]
В роботах грузоподъемностью до 20 кг расширяется применение электропривода, преимуществами которого по сравнению с гидроприводом являются: отсутствие утечек масла, малое подготовительное время, простота изготовления. Пневмопривод используют главным образом в роботах, в которых перемещения рабочих органов задаются жесткими, а большинстве случаев переналаживаемыми упорами (цикловая система управления). В роботах значительной грузоподъемности преимущественно применяют гидропривод. [3]
Роботы находят широкое применение в составе гибких автоматизированных комплексов, позволяющих автоматизировать серийное и мелкосерийное производство. Такие комплексы, как известно, включают в себя технологическое оборудование (станки, прессы, роботы-перекладчики, установочные роботы), транспортные системы (конвейеры, транспортные роботы), автоматизированные склады с кранами-штабелерами. В этих системах удается организовывать двух- и трехсменную работу оборудования при высокой степени использования его машинного времени и ограниченном количестве обслуживающего персонала. Чтобы добиться этого, от роботов требуется высокая надежность в интервалах времени между обслуживаниями. [3]
Согласно закону Александра Чабанного: «Надежность промышленных роботов подчиняющихся экспоненциальному закону распределения не предусматривает проведение технического обслуживания в период нормальной эксплуатации промышленных роботов, за исключением регулировочных работ, смазочно-заправочных и сезонного обслуживания, так как интенсивность отказов величина постоянная λ(t)=const, откуда следует, что необходимо проводить только текущий и капитальный ремонты, регулировочные работы, смазочно-заправочные и сезонное обслуживание, что является наиболее экономически целесообразным, так как происходит экономия материальных средств за счет отсутствия технического обслуживания». Этот закон вытекает из формулы определения надежности технических систем подчиняющихся экспоненциальному распределению:
Р=e-λt, (1.1)
где P(t)-надежность технических систем;
e-основание натурального логарифма, число Эйлера, равное 2, 718;
λ-интенсивность отказов технических систем, ч-1;
t-время работы технической системы до возникновения отказа, ч.
Таким образом, для роботостроения характерно наращивание темпов выпуска вместе с повышением требований к точности, жесткости и надежности роботов.
Роботы относятся к восстанавливаемым изделиям. Поэтому их надежность характеризуют следующие основные показатели: средняя наработка на отказ, среднее время восстановления работоспособного состояния, срок службы до капитального ремонта.
Для отечественных роботов выпуска 1975–1982 гг. средняя наработка на отказ при цикловой системе управления составляла 400 ч, при позиционной системе управления — до 200...250 ч. [1] Для зарубежных роботов эти данные в литературе, как правило, отсутствуют.
Данных по среднему времени восстановления накоплено мало. Для робота «Универсал-50М» оно составляет около 40 мин.
Срок службы до капитального ремонта для роботов соответствует аналогичному показателю для станков. За рубежом вместо этого показателя используют расчетный срок службы, который для лучших роботов равен 20...40 тыс. ч, что при двухсменной работе составляет 4...8 лет.
Отказы роботов могут быть разделены на три группы:
1) вызванные нарушением технологии изготовления отдельных элементов (дефекты зубчатых колес, утечка масла из соединений, люфт в механизмах, недостаточная точность изготовления направляющих качения),
2) вызванные дефектами комплектующих изделий (пропадание контакта в цепи датчиков, самопроизвольное движение золотников гидроусилитетей и т. д.)
3) вызванные конструктивными недостатками: отвинчивание стопорных гаек и ослабление затяжки резьбовых соединений, ненадежное крепление деталей, большое время прогрева масла и др., а также сбои (самопроизвольные остановки в точках позиционирования), связанные с нежесткой характеристикой привода в районе точки позиционирования. Отказы третьей группы обычно превалируют. Поэтому по мере отработки конструкции наработка на отказ повышается. Считается, что в среднем ежегодно она растет на 40 %.
Чтобы повысить износостойкость и контактную прочность сопряжений, ограничивающих долговечность роботов, закаливают рабочие поверхности: втулок и валов, направляющих качения, деталей передач винт—гайка качения и зубьев зубчатых колес. Для исключения попадания абразива в зону трения предусматривают защитные устройства: телескопические щитки, растяжные гармошкообразные меха, защитные ленты и кожухи, манжетные уплотнения.
Износ также снижают исключением вредных нагрузок на опоры путем устранения статистической неопределимости систем. Так, модули горизонтального и вертикального перемещений часто выполняют на шариковых направляющих. При этом конструкция имеет обычно три шариковых втулки, две из которых расположены на одном валу — основном, а одна — на другом — реактивном, воспринимающем крутящий момент. Для этого вала предусматривают возможность радиального смещения его опор при монтаже, чтобы обеспечить параллельность валов.
К электродвигателям роботов и станков с ЧПУ предъявляются повышенные требования к величине момента, скорости разгона и остановки при минимальных габаритах и массе двигателя. Этим требованиям удовлетворяют высокомоментные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Лучшие параметры имеют двигатели с магнитами из редкоземельных материалов на основе самарий-кобальта. В двигателях выделяется значительное количество теплоты, которая часто не успевает отводиться из-за низкой скорости вращения вала. По этой причине в двигателях с плоским якорем из стеклотекстолита, на котором нанесена печатная обмотка, якорь иногда коробится. Возможны также отказы, связанные с пробоем изоляции и старением смазки. Чтобы отвести от электродвигателей большие потоки теплоты, в них возможно встраивать тепловые трубы
В процессе приемосдаточных испытаний для выявления степени возможности появления функциональных отказов оценивают жесткость характеристики привода и люфт.
Чтобы оценить жесткость характеристик, до стыковки системы управления привода с манипулятором на электродвигатели манипулятора подают пониженное напряжение (0,05...0,1 от номинального) и измеряют ток при котором происходит трогание и устойчивое движение по всем координатам. Если ток значительно меньше номинального (например, 20 %), то механическую характеристику считают жесткой.
Суммарный люфт кинематической и измерительной цепей измеряют, зажав в схват манипулятора иглу и груз, близкий к номинальному. В рабочей зоне манипулятора закрепляют на технологической стойке экран с миллиметровой бумагой. Устанавливают иглу с грузом в точке позиционирования. По шкале миллиамперметра выставляют «ноль» с помощью регулировочного потенциометра. Вручную смещают иглу и схват по всем координатам до величин, при которых стрелка миллиамперметра начинает давать показания. Суммарный люфт иглы не должен превышать погрешности позиционирования, указанной в технических условиях
Для роботов обычно предусматривают проведение приработки с номинальным грузом, совмещая ее с приемосдаточными испытаниями. Время приработки в основном составляет 25...100 ч. [1]
Испытания на надежность обычно проводят на двух, трех экземплярах роботов из партии. На стадии испытаний опытных образцов или установочной партии проводят определительные, а при изготовлении серийной продукции — контрольные испытания на надежность. Периодичность контрольных испытаний обычно раз в два-три года. Для сокращения объема испытаний их проводят последовательным методом.
Поскольку уровень надежности в значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям, мы должны стремиться достичь высокой надежности технических средств, применяемых в технологическом процессе.
Но невозможно достичь высокой надежности и долговечности с непрогрессивным рабочим процессом и несовершенной схемой или несовершенными механизмами.
Поэтому первым направлением повышения надежности является обеспечение необходимого технического уровня изделий.
Кроме этого следует применять агрегаты с высокой надежностью и долговечностью, которые обеспечиваются самой природой, т. е. быстроходных агрегатов без механический передач, например, на электростанциях, агрегатов и деталей, работающих на чистом жидкостном трении или без механического контакта (электрическое торможение, бесконтактное электрическое управление); деталей, работающих при напряжениях ниже пределов выносливости, и др.
Также нужно использовать детали и механизмы, самоподдерживающие работоспособность: самоустанавливающихся, самоприрабатывающихся, самосмазывающихся, самонастраивающихся и самоуправляющихся системах.
Необходимо отметить, что переход на изготовление машин по строго регламентированной технологии заключает в себе резерв повышения надежности.
Этап конструирования системы является очень важным, поскольку на нем закладывается уровень надежности систем безопасности. При конструировании и проектировании следует ориентироваться на простые структуры, имеющие наименьшее количество элементов, поскольку сокращение количества элементов является существенной мерой повышения надежности.
Но уменьшение количества элементов не следует противопоставлять резервированию, как эффективному способу повышения надежности, но приводящему, на первый взгляд, к завышенному количеству элементов конструкции. Очевидно, что следует принимать компромиссное решение между необходимостью сокращения количества элементов и применением резервирования наименее надежных элементов. [2]
Литература:
1. Решетов Д.Н, Иванов А. С., Фадеев В. З. Надежность машин. М. 1988.
2. Карпенко В. А., Васютенко А. П., Севриков В. В. Приводы измерительных приборов и автоматов и их надежность. К. 1996.
3. Шишмарев В. Ю. «Надежность технических систем»: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В. Ю. Шишмарев.-М.: Издательский центр «Академия», 2010. — 304 с.
