Пример выполнения курсовой работы на тему «Проектирование робототехнического комплекса».

В современном производстве роботизация и автоматизация играют ключевую роль в повышении эффективности, стабильности качества и конкурентоспособности продукции. Основная задача промышленных роботов — взять на себя выполнение двигательных функций, заменяя монотонный, а зачастую и небезопасный ручной труд человека. Данная статья представляет собой развернутый образец выполнения курсовой работы, посвященной проектированию робототехнического комплекса (РТК). Ее цель — спроектировать РТК для автоматизации конкретной технологической операции. Для достижения этой цели последовательно решаются следующие задачи: анализ технологического процесса, расчет производственной программы, разработка компоновочного решения, выбор основного и вспомогательного оборудования, синхронизация их работы и проведение ключевых инженерных расчетов. Определив цели и задачи, мы можем перейти к первому и самому важному шагу — детальному анализу исходного задания и технологического процесса, который предстоит автоматизировать.

1. Как провести анализ исходных данных и описать технологический процесс

Первый этап любого инженерного проекта — глубокое погружение в исходные данные. В нашем случае это техническое задание, которое включает чертеж детали, информацию о материале заготовки, годовую программу выпуска и требования к качеству обработки. Роботизированный технологический комплекс (РТК) представляет собой сложную систему, объединяющую промышленного робота и технологическое оборудование, поэтому понимание каждого шага обработки имеет решающее значение.

Рассмотрим для примера технологический процесс изготовления некой детали типа «Вал». Изначально он выполняется вручную и состоит из следующих операций:

1. Рабочий берет заготовку из тары и устанавливает ее в патрон токарного станка.
2. Запускается программа обработки на станке.
3. После завершения обработки рабочий снимает готовую деталь.
4. Деталь устанавливается на измерительный пост для контроля ключевых размеров.
5. Годная деталь укладывается в тару для готовой продукции.

Необходимость автоматизации этого процесса очевидна. Ручной труд здесь сопряжен с несколькими узкими местами: низкая скорость, вызванная усталостью оператора, риск получения травмы при работе с движущимися частями станка и, что немаловажно, высокая монотонность, ведущая к потере концентрации и возможному браку. Автоматизация с помощью РТК позволяет решить эти проблемы, создав стабильный и предсказуемый производственный цикл. Теперь, когда мы полностью понимаем последовательность и содержание операций, необходимо рассчитать, с какой интенсивностью должен работать наш будущий комплекс, чтобы соответствовать производственному плану.

2. Расчет программы выпуска и определение требуемого такта работы

Чтобы РТК был экономически целесообразным, его производительность должна соответствовать производственному плану. Ключевым параметром, определяющим «пульс» всей системы, является такт выпуска — это время, за которое комплекс должен производить одну единицу продукции. Расчет этого показателя — второй важнейший шаг проектирования.

Для начала определяется действительный годовой фонд времени работы оборудования. Он рассчитывается с учетом режима работы предприятия (количество смен, рабочих дней в году) и плановых простоев на техническое обслуживание. Формула имеет следующий вид:

Tд = (Др * tсм * Ксм) * Кт.о.

Где:

• Др — количество рабочих дней в году;
• tсм — продолжительность смены в часах;
• Ксм — количество рабочих смен в сутках;
• Кт.о. — коэффициент технического обслуживания (обычно 0.85-0.95).

Получив годовой фонд времени (в секундах) и имея заданную годовую программу выпуска (Nгод), мы можем рассчитать такт выпуска (Ттакт) по простой формуле:

Ттакт = Tд / Nгод

Полученное значение, например, 90 секунд, становится жестким техническим ограничением. Это означает, что вся последовательность операций, выполняемая РТК для изготовления одной детали (взять заготовку, установить, обработать, снять, передать на контроль), должна уложиться в это время. Именно такт выпуска диктует требования к скорости робота, времени обработки на станке и быстродействию всех остальных систем. Зная требуемый такт работы, мы можем приступить к пространственной организации комплекса, чтобы обеспечить логичное и эффективное перемещение детали между операциями.

3. Разработка компоновочного решения РТК и его обоснование

Компоновка РТК — это схема расположения всего оборудования в пространстве цеха. От правильности этого решения зависит не только эффективность работы комплекса, но и его безопасность, а также удобство обслуживания. Существует несколько классических вариантов компоновки:

• Линейная: Оборудование располагается в одну линию, что удобно для последовательных процессов и конвейерных систем.
• Круговая (радиальная): Промышленный робот находится в центре, а технологическое оборудование (станки, накопители) — по периметру его рабочей зоны. Этот вариант идеален, когда один робот должен обслуживать несколько станков.
• Портальная: Робот перемещается по направляющей над оборудованием, что экономит площадь и позволяет обслуживать длинные производственные линии.

Для нашей задачи обслуживания токарного станка и контрольного поста наиболее целесообразным является круговое компоновочное решение. Аргументы в пользу этого выбора:

1. Минимизация перемещений: Роботу достаточно поворачиваться вокруг своей оси, чтобы достичь накопителя с заготовками, патрона станка и поста контроля. Это сокращает время цикла.
2. Компактность: Такая компоновка эффективно использует рабочую зону робота и требует меньше производственной площади по сравнению с линейной.
3. Гибкость: В будущем можно добавить еще один станок в зону обслуживания робота без кардинального изменения компоновки.

На схеме компоновки обязательно обозначается расположение робота, станка, накопителя заготовок, устройства контроля и тары для готовых деталей. Критически важно наложить на эту схему диапазон рабочей зоны робота, чтобы убедиться, что его манипулятор способен дотянуться до всех ключевых точек с нужной ориентацией захвата. После утверждения компоновки мы можем перейти к самому ответственному этапу — выбору сердца нашего комплекса, промышленного робота.

4. Какой промышленный робот станет основой комплекса и почему

Выбор конкретной модели промышленного робота — ключевое решение, от которого зависит техническая реализуемость всего проекта. Неправильный выбор может привести к тому, что робот не сможет поднять деталь или дотянуться до нужной точки. Процесс выбора должен базироваться на четких инженерных критериях, вытекающих из предыдущих этапов анализа.

Основные критерии для выбора робота в нашем проекте:

• Грузоподъемность: Должна превышать суммарную массу детали и спроектированного захватного устройства с запасом в 20-30%.
• Рабочая зона (Reach): Должна полностью охватывать все точки обслуживания (станок, накопитель, пост контроля) согласно утвержденной компоновке.
• Количество степеней подвижности (осей): Для пространственных манипуляций, включая установку детали в патрон станка под определенным углом, требуется не менее 6 осей.
• Точность позиционирования (Repeatability): Высокая точность важна для корректной установки детали в станок и на пост контроля.

Для объективного выбора проведем сравнительный анализ трех гипотетических моделей роботов от разных производителей.

Сравнительная таблица характеристик промышленных роботов

Параметр	Модель A (Япония)	Модель B (Германия)	Модель C (Китай)
Грузоподъемность	10 кг	12 кг	10 кг
Рабочая зона (вылет)	1300 мм	1450 мм	1400 мм
Количество осей	6	6	6
Точность позиционирования	±0.05 мм	±0.03 мм	±0.08 мм

Итоговый выбор и обоснование: На основе анализа оптимальной является Модель B. Несмотря на то, что ее стоимость может быть выше, она предоставляет ключевые преимущества. Во-первых, увеличенная рабочая зона (1450 мм) дает больше свободы при финальной отладке компоновки и гарантирует достижение всех точек без работы на предельных вылетах. Во-вторых, более высокая точность позиционирования (±0.03 мм) критически важна для стабильной установки детали в токарный патрон, что напрямую влияет на качество конечной продукции. Наконец, запас по грузоподъемности в 2 кг позволяет в будущем использовать более тяжелое или сложное захватное устройство без замены робота. Робот выбран, но сам по себе он не может взаимодействовать с деталью. Следующим логичным шагом является проектирование или выбор устройства, которое будет осуществлять непосредственный контакт, — захватного устройства.

5. Проектирование и выбор захватного устройства для манипулятора

Захватное устройство (ЗУ), или конечный эффектор, — это «рука» робота, которая непосредственно контактирует с деталью. Его конструкция полностью зависит от характеристик объекта манипулирования и выполняемых с ним операций. Анализ нашей детали (тип «Вал») показывает следующие особенности:

• Форма: Цилиндрическая, тело вращения.
• Масса: Условно, 3 кг.
• Материал: Сталь (твердая, нехрупкая поверхность).
• Операции: Перенос и точная осевая установка в трехкулачковый патрон станка.

Исходя из этих данных, можно рассмотреть несколько типов ЗУ. Вакуумные захваты здесь не подходят из-за небольшой площади контакта и возможных масляных загрязнений. Магнитные могут быть вариантом, но создают риск намагничивания детали и патрона. Поэтому наиболее надежным и универсальным решением является механическое захватное устройство с двумя или тремя пальцами.

Для нашей задачи оптимально спроектировать двухпальцевый захват с пневматическим приводом. Принцип его действия прост: сжатый воздух приводит в движение поршень, который через рычажную систему сводит или разводит пальцы захвата. Для надежного удержания цилиндрической детали на пальцах фрезеруются призматические выемки.

Эскизный проект такого ЗУ должен включать:

1. Общий вид с указанием основных габаритов.
2. Схему рычажного механизма, преобразующего линейное движение поршня во вращательное движение пальцев.
3. Присоединительный фланец, соответствующий стандарту на фланце робота выбранной модели.

После эскизного проектирования обязательно проводится упрощенный прочностной расчет наиболее нагруженных элементов — пальцев захвата. Цель расчета — убедиться, что выбранное сечение пальцев выдержит изгибающий момент, создаваемый весом детали, без остаточных деформаций. Когда ключевые элементы — робот и его захват — определены, необходимо подобрать остальное оборудование, которое обеспечит полный цикл работы РТК.

6. Как подобрать вспомогательное оборудование и транспортные системы

Для создания полноценного, автономно работающего РТК недостаточно только робота. Требуется подобрать совместимое и эффективное вспомогательное оборудование, которое будет выполнять все остальные этапы технологического цикла. Вся система должна работать как единый организм, управляемый центральным контроллером.

На основе нашего технологического процесса, в состав РТК должны войти следующие компоненты:

• Основное технологическое оборудование: В нашем случае это токарный станок с ЧПУ. Ключевое требование к нему — наличие автоматического привода патрона (для зажима/разжима детали по команде от системы управления РТК) и автоматической двери, которую робот или внешний привод может открывать и закрывать.
• Подающие устройства: Для накопления запаса заготовок и их поштучной выдачи в зону досягаемости робота идеально подходит накопительный бункер или простой ленточный транспортер. Выбор зависит от требуемой степени автономности; бункер позволяет РТК работать без участия человека несколько часов.
• Отводящие устройства: Готовые детали после обработки и контроля должны удаляться из рабочей зоны. Для этого можно использовать простой наклонный скат, по которому деталь будет соскальзывать в тару, или отдельный отводящий транспортер.
• Система контроля качества: Для автоматизации контроля можно использовать систему технического зрения (камеру), которая будет проверять наличие всех обработанных поверхностей, или более простое решение — контактный датчик, проверяющий ключевой размер (например, длину детали).
• Система управления: Все элементы комплекса (робот, станок, транспортеры, датчики) должны быть подключены к единому программируемому логическому контроллеру (ПЛК), который будет выполнять общую управляющую программу и синхронизировать действия всех устройств.

Краткое обоснование выбора каждого элемента должно подтверждать его совместимость с другими частями системы и соответствие общей задаче и такту выпуска. Все компоненты системы выбраны. Теперь необходимо синхронизировать их работу во времени, для чего строится циклограмма.

7. Разработка циклограммы для синхронизации работы комплекса

Циклограмма — это временной график работы всех элементов РТК. Ее основная задача — визуализировать последовательность и длительность всех выполняемых действий, а главное — проверить, укладывается ли полный рабочий цикл в рассчитанный ранее такт выпуска. Циклограмма является финальным документом, подтверждающим временную состоятельность проекта, и служит основой для написания управляющих программ для робота и ПЛК.

Циклограмму удобнее всего представлять в виде диаграммы Ганта. По вертикали перечисляются все задействованные устройства и механизмы, а по горизонтали откладывается время в секундах. Закрашенные отрезки на диаграмме показывают, когда устройство активно, а когда находится в режиме ожидания.

Примерная структура циклограммы для нашего РТК может быть представлена в виде таблицы:

Упрощенная циклограмма работы РТК

Оборудование / Время (с)	0-5	5-10	10-70	70-75	75-80
Промышленный робот	Взять заготовку	Установить в станок	Ожидание	Снять деталь	Уложить в тару
Станок с ЧПУ	Ожидание	Зажим детали	Обработка	Разжим детали	Ожидание
Дверь станка	Открыта	Закрытие	Закрыта	Открытие	Открыта

Ключевой аспект при построении циклограммы — это распараллеливание операций. Например, пока станок обрабатывает деталь (самая длительная операция), робот может брать следующую заготовку из накопителя, экономя драгоценные секунды. Просуммировав время всех последовательных операций, мы получаем общее время цикла. В нашем примере оно составляет 80 секунд. Это значение необходимо сравнить с тактом выпуска: 80 с < 90 с. Условие выполняется, следовательно, спроектированный комплекс обеспечивает требуемую производительность. Циклограмма показывает, *что* и *когда* делает робот. Финальным этапом технического анализа является расчет того, *как* он это делает с точки зрения механики.

8. Проведение кинематического и силового анализа механизма робота

Кинематический и силовой анализ — это наиболее наукоемкая часть курсового проекта, которая доказывает работоспособность механической системы робота на математическом уровне. Этот раздел демонстрирует глубокое понимание механики и систем управления.

Анализ начинается с построения кинематической схемы робота. Это упрощенное графическое представление, где звенья изображаются отрезками, а сочленения (суставы) — кружками, с указанием осей вращения для каждой степени подвижности. На основе этой схемы решаются две главные задачи кинематики.

1. Прямая задача кинематики (ПЗК): Она отвечает на вопрос: «Где окажется захватное устройство, если углы поворота во всех сочленениях известны?». Решение ПЗК позволяет определить положение (координаты X, Y, Z) и ориентацию (углы наклона) захвата в пространстве. Это необходимо для симуляции движений робота и проверки на столкновения.
2. Обратная задача кинематики (ОЗК): Это более сложная задача, отвечающая на вопрос: «Какие углы нужно установить в каждом сочленении, чтобы захватное устройство достигло заданной точки в пространстве с нужной ориентацией?». Решение ОЗК является основой для системы управления роботом, так как именно оно позволяет преобразовывать траекторию движения, заданную программистом, в конкретные команды для приводов каждого сустава.

Для решения этих задач используются методы матричного исчисления (например, матрицы Денавита-Хартенберга) или геометрические подходы. В курсовой работе обычно достаточно привести формулы для одного-двух звеньев и показать сам принцип решения.

Далее проводится упрощенный силовой расчет. Его цель — определить моменты, которые должны развивать приводы (электродвигатели) в сочленениях, чтобы удерживать звенья манипулятора вместе с деталью в статическом положении (например, на максимальном вылете). Расчет показывает, что выбранные двигатели обладают достаточной мощностью и не будут работать на пределе своих возможностей. Проведенные расчеты полностью завершают инженерную часть проекта, доказывая его техническую состоятельность. Осталось подвести итоги проделанной работы.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта была решена комплексная инженерная задача по автоматизации технологической операции механической обработки. На основе анализа исходных данных был спроектирован робототехнический комплекс, способный выполнять поставленную задачу в автономном режиме.

В результате были выполнены все ключевые этапы проектирования: проведен анализ ручного процесса и обоснована необходимость автоматизации, рассчитан требуемый такт выпуска продукции, разработано и обосновано оптимальное компоновочное решение. На основе четких технических критериев была выбрана конкретная модель промышленного робота, спроектировано захватное устройство и подобрано все необходимое вспомогательное оборудование. Разработанная циклограмма подтвердила, что производительность РТК соответствует производственному плану, а кинематический и силовой анализ доказали техническую состоятельность механической системы робота.

Таким образом, цель курсового проекта полностью достигнута. Ожидаемый эффект от внедрения спроектированного РТК включает: повышение производительности не менее чем на 30%, обеспечение стабильно высокого качества продукции за счет исключения человеческого фактора, а также значительное улучшение условий труда путем вывода оператора из монотонного и потенциально опасного производственного процесса.

Список использованной литературы

1. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: учебник для студентов высших учебных заведений / В.Ю. Шишмарёв. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 368с.
2. Закураев В.В., Гацков В.С. Разработка технологических процессов механической обработки заготовок. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Технология машиностроения» для студентов специальности 151001 — «Технология машиностроения», очной, вечерней и заочной формы обучения. — Новоуральск: НТИ НИЯУ МИФИ, 2011. – 133 с.
3. Хомченко В.Г., Федотов А.В. Основы автоматизации технологических процессов и производств: Учеб. пособие. Омск: изд-во ОмГТУ, 2006. – 312 с.
4. Справочник технолога «Обработка металлов резанием». Под ред. А.А. Панова – М.: Машиностроение, 1988. – 736 с.
5. Промышленный робот [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.bestrobots.ru/prod/
6. Станки с чпу [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rscstanki.ru
7. Проектирование манипуляторов, промышленных роботов и роботизированных комплексов: Учебное пособие для Вузов/ Бурдаков С.Ф., Дьяченко В.А., Тимофеев А.И. – М.: Высшая школа, 1986. – 264 с.
8. Справочник технолога – машиностроителя. В 2-х т. С74 Т.2/Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. – 4-е изд., перераб. И доп. – М.: Машиностроение, 1986. – 496 с.
9. Ю.Г. Козырев Промышленные роботы. Справочник. М.: Машиностроение,1983 – 376с.