Мобильный робот для обработки поверхностей крупногабаритных стационарных объектов

Полезная модель относится к промышленному роботостроению, в частности к производству прототипов автоматизированных технологических комплексов разнонаправленной обработки поверхностей с повышенным числом степеней свободы, предназначенных в основном для обработки крупногабаритных стационарных объектов или объектов, перемещение которых в технологическом цикле не целесообразно.
Заявляемая полезная модель относится к устройствам, которые представляют собой универсальную базовую платформу, комплектующуюся необходимым оборудованием, соответствующем используемым в промышленности процессам электрофизического, газотермического, механического и другого воздействия на крупногабаритные объекты сложной формы с криволинейными поверхностями, и может быть использована в машиностроении, строительстве, энергетике и других сферах производства.
В связи с современными тенденциями по снижению ручного труда рабочих и переходом к цифровому производству особое место среди технологических комплексов занимают промышленные роботы и манипуляторы, которые используются для автоматизации циклов выполнения повторяющихся действий. В частности, данное направление особенно актуально в сфере распределения физических полей, потока частиц или нанесения слоев веществ и субстанций, формирования покрытий заданной толщины и плотности, способных в ряде случаев нанести вред жизни и здоровью человека.
В различных технических сферах существует необходимость управляемого воздействия на крупногабаритные объекты сложной формы для придания им требуемых качеств. В частности - соединение обшивки летательных аппаратов и водного транспорта с силовыми конструкциями путем клейки и клепки, восстановление защитных покрытий на корпусах воздушных и водных судов в процессе ремонта, очистка корпусов энергетических и химических установок от эксплуатационных загрязнений, промывка полостей и отверстий, установка специальных панелей на корпуса подводных лодок, осуществление внутренней отделки помещений. При этом часто важно для обеспечения требований технологии выдерживание точного расстояния между рабочим органом и объектом воздействия, эквидистантные перемещения, выдерживание постоянного рабочего усилия и т.п.
В качестве способов решения данной проблемы в настоящее время предлагаются различные конструкторские решения. Так, например, известен технологический манипулятор высокой маневренности (патент RU №162022 U1, МПК B25J 11/00, опубл. 20.05.2016, бюл. №14). Данное устройство отличается конструкцией сегментного сочленения главного рабочего органа. Высокая маневренность обеспечивается трубчатыми стержнями, способными вращаться посредством электродвигателя, соединенными между собой под равными углами по опорным плоскостям, а также предусмотренной системой автоматизированного управления. Главное преимущество устройства - равномерное распределение воспринимаемой нагрузки, что позволяет достичь высокой точности обработки манипулятором, тем не менее, основным недостатком конструкции является ориентирование устройства на статичное положение в технологическом комплексе. Манипулятор строго требует крепление к конкретной базовой поверхности технологическим фланцем, что ограничивает диапазон действия относительно крупногабаритных объектов. В частности, невозможно осуществлять обработку объектов с размерами в несколько метров, характерных для энергетического машиностроения, воздушного и водного транспорта.
Также известна конструкция робота-манипулятора для покраски изделий (Патент RU №2263020 С2, МПК B25J 5/00, опубл. 27.10.2005, бюл. №30). Компоновка робота, которая позволяет перемещать рабочий орган как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, подразумевает применение точных направляющих, по которым передвигается рабочий орган, а также тележки с четырьмя цилиндрическими колесами с ребордами для движения вдоль объекта. Существенным недостатком является ограниченность действия обрабатывающей головки, у которой невозможен поворот вокруг оси направления перемещения тележки устройства. Это сильно ограничивает диапазон действия, снижает качество или вовсе отменяет обработку криволинейных поверхностей. Также наличие реборд на колесах не обеспечивает маневренности робота-манипулятора в производственном помещении и привязывает его к траектории, задаваемой рельсовыми направляющими, что не позволяет осуществлять перемещение от объекта к объекту и осуществлять технологические функции при смене обрабатываемого объекта.
Известен мобильный робот (патент RU №2554835, МПК B25J 5/00, опубл. 27.06.2015, бюл. №18), предназначенный для использования в цехах промышленных предприятий с высокими градиентами окружающей температуры. Мобильный робот содержит платформу, три колеса, три колесных вала со смонтированными на них колесами, колесную вилку третьего колеса, установленные на платформе два электродвигателя, источник питания и контроллер, при этом оси колесных валов первого и второго колес лежат на одной прямой. Дополнительно робот содержит два электромагнита, два упругих диска, упорный механизм, рамку, два упора колесной вилки третьего колеса, шесть резисторов и четыре усилителя. Изобретение позволяет повысить точность перемещения робота за счет формирования системы передачи движения к колесам, не критичной к градиентам температуры.
Рассматриваемый мобильный робот имеет следующие недостатки. Наличие трехколесной тележки с двумя ведущими колесами не позволяет реализовать точное программируемое маневрирование и позиционирование робота относительно крупногабаритного объекта с криволинейной поверхностью. Отсутствие решения по манипулятору рабочего органа не дает возможности осуществлять обработку криволинейной поверхности крупногабаритного объекта с требуемой технологическими процессами покраски, зачистки, промывки полостей и отверстий, наплавки покрытий, нанесения слоя композита, осуществления инфракрасной или ультразвуковой диагностики и т.п. точностью.
Известен также мобильный робот (патент RU №2487007, МПК B25J 5/00, опубл. 07.10.2013, бюл. №19). Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано в роботах, предназначенных для ликвидации чрезвычайных ситуаций, например, для обнаружения и уничтожения взрывоопасных устройств. Мобильный робот содержит платформу, установленную на транспортном средстве, устройство для обнаружения препятствия, систему управления с блоком управления движением транспортного средства и устройством для обнаружения препятствия и соединенную с ними, манипулятор, шарнирно установленный на платформе и выполненный в виде снабженных приводами и шарнирно соединенных между собой звеньев, на конечном из которых размещено устройство для обнаружения препятствия, имеющее подвижный щуп с наконечником и позиционно-чувствительный датчик. Блок управления движением транспортного средства подключен к блоку питания, связанному с последовательно соединенными микроконтроллером, шестым усилителем и электроприводом, входы микроконтроллера соединены с выходами датчиков текущего положения, скорости, углового и линейного перемещений, выполненных в виде энкодеров, зубчатки которых установлены на каждом колесе транспортного средства.
Робот принят за прототип. К недостатком данного робота относятся следующие. Шарнирный манипулятор, расположенный на транспортном средстве, не позволяет осуществлять с точностью, необходимой для технологических целей, например, покраски, зачистки, промывки полостей и отверстий, наплавки покрытий, нанесения слоя композита, осуществления инфракрасной или ультразвуковой диагностики и т.п. перемещение рабочего органа эквидистантно обрабатываемой поверхности с большими габаритными размерами и кривизной без включения движения транспортного средства: при подъеме манипулятора требуется приближение к объекту, при опускании - удаление. При этом транспортное средство не имеет возможности двигаться параллельно объекту воздействия. Наличие шестиколесной тележки с индивидуальными приводами каждого колеса, установленных на неподвижных относительно платформы осях, также не позволяет реализовать точное маневрирование и позиционирование робота относительно крупногабаритного объекта с криволинейной поверхностью.
Техническая проблема заявляемого технического решения состоит в обеспечении многоосного программируемого перемещения на расстояние в несколько метров манипулятора рабочего органа, обеспечивающего требуемую для технологических комплексов точность позиционирования, в сочетании с независимым перемещением в пределах производственного помещения с возможностью программируемого с заданной точностью разворота на 360° на площади, не превышающей значительно габаритные размеры данного устройства.
Поставленная задача решается следующим образом.
В мобильном роботе, содержащем платформу, установленную на транспортном средстве, систему управления с блоком управления движением транспортного средства, манипулятор, выполненный в виде снабженных приводами и шарнирно соединенных между собой звеньев, на конечном из которых размещено рабочий орган, установлен на горизонтальной направляющей с шаговым двигателем перемещения в плоскости платформы, горизонтальная направляющая закреплена на каретке, установленной на вертикальной колонне с возможностью перемещения при помощи зубчато-реечной мелкомодульной передачи и шагового двигателя.
Колонна жестко закреплена в центре масс транспортного средства, привод движения которого выполнен в виде одного ведущего колеса, связанного через редуктор с шаговым двигателем. Робот снабжен четырьмя индивидуально управляемыми рулевыми машинками для изменения направления движения, обеспечивающие поворот колес, размещенные в углах транспортного средства так, что центр ведущего колеса находится на пересечении линий, соединяющих оси поворота указанных колес. Колеса, связанные с рулевыми машинками, для повышения маневренности представляют собой мотор-колеса.
Предлагаемый мобильный робот обладает кинематической схемой сканирующего дискретного перемещения относительно какой-либо поверхности узла, в который опционально может встраиваться обрабатывающая зачистная или клепальная головка, инфракрасный или ультрафиолетовый нагреватель, лазер, ультразвуковой преобразователь (дефектоскоп) или другой рабочий технологический орган.
Компоновка роботизированного комплекса позволяет выполнять автоматизированное перемещение узлов с заданным от обрабатываемой плоскости расстоянием с учетом радиуса кривизны, наклона и изгиба по трем осям. Высокоточные перемещения достигаются за счет установленных шаговых двигателей, отвечающих за перемещения платформы (транспортного средства) и отдельных механизмов.
Технический результат заявляемого конструктивного решения заключается в реализации метода обработки объектов, имеющих значительные габариты и сложную форму, обеспечении высокой универсальности применения устройства относительно конструктивных особенностей обрабатываемых объектов, обеспечении мобильности устройства, позволяющей осуществлять обработку стационарных объектов.
Конструкция мобильного робота поясняется чертежом Фиг. 1.
На Фиг. 1 обозначено: 1 - платформа, 2 - шаговый двигатель перемещения платформы, 3 - цилиндрический редуктор, 4 - индивидуально управляемые рулевые машинки, 5 - тяги, 6 - управляющие колеса малого диаметра, 7 - рабочий технологический орган, 8 - шарнирный манипулятор с мехатронными приводами, 9 - горизонтальная направляющая (ось Y), 10 - шаговый двигатель перемещения по оси Υ, 11 - каретка, 12 - вертикальная колонна с зубчато-реечной передачей и шаговым двигателем перемещения по оси Z, 13 - шкаф управления, 14 - блок питания рабочего технологического органа.
Базовым элементом мобильного робота является платформа квадратной в плане формы, по углам которой установлены кронштейны с колесами малого диаметра с возможностью поворота на 270°. Каждая пара кронштейнов тягами связана с рулевыми машинками, управляющимися от системы ЧПУ робота. Движение платформы робота обеспечивается ведущим колесом, расположенным под центром платформы, что дает возможность поворота при помощи рулевых машинок практически на месте с минимальным радиусом и обеспечивает управляемое эквидистантное следование в соответствии с профилем изделия в горизонтальном направлении в каждом из обрабатываемых сечений. Привод осуществляется от шагового редукторного двигателя Autonics серии AK-G типоразмера 85 с максимальным моментом 20 Н.м и числом оборотов 0-280 об/мин. Для повышения тягового усилия на выходе двигателя установлена дополнительная цилиндрическая зубчатая передача с передаточным числом 3. На платформе вертикально установлена колонна высотой, определяемой вертикальными размерами объекта обработки. Колонна может быть сменной, максимальная высота составляет 5 м. На колонне установлена зубчатая рейка с модулем 2-3 мм, обеспечивающая вертикальное перемещение каретки, двигающейся по направляющему монорельсу на шариковых подшипниках. Привод обеспечивается шестерней, получающей вращение от шагового редукторного двигателя Autonics серии AK-G типоразмера 85 с максимальным моментом 20 Н.м и числом оборотов 0-280 об/мин. На каретке закреплена горизонтальная направляющая с монорельсом, по которому на шариковых подшипниках перемещается блок мехатронного манипулятора. Перемещение обеспечивается шариковой винтовой передачей и шаговым редукторным двигателем, аналогичным использующимся в приводе платформы и вертикального перемещения. Перемещение блока мехатронного манипулятора позволяет изменять положение рабочего технологического органа в соответствии с профилем обрабатываемого изделия. Управление всеми шаговыми двигателями осуществляется при помощи контроллеров типа MD-5 - ND-14. На блоке мехатронного манипулятора размещается технологический рабочий орган, в качестве которого может применяться плазмотрон с питателем для напыления порошковых покрытий, головка для электростатического нанесения порошковых красок, источник лазерного, инфракрасного или ультрафиолетового излучения, излучатель СВЧ электромагнитного поля, сверлильная или зачистная (опиловочная) головка и др. Мехатронные привода обеспечивают программируемое отклонение рабочего технологического органа в соответствии с криволинейны профилем поверхности обрабатываемого изделия при вертикальном и горизонтальном перемещении механизмов робота. На всех механизмах перемещений установлены датчики конечных положений и бесконтактные датчики отработанных импульсов шаговых двигателей. Также имеется система технического зрения для фиксации нулевого положения платформы и рабочего технологического органа робота относительно изделия. Шаговые приводы перемещения робота и манипулятор выполнены с возможностью управления посредством контроллеров управления, которые находят в шкафу автоматики. От шкафа автоматики отведены кабель электропитания и кабель сопряжения с управляющим компьютером (ноутбуком), который может быть размещен в соседнем помещении или на другой удаленной позиции.
Предлагаемый мобильный робот используется следующим образом.
В соответствии с конструкторской документацией на изделие и требованиями технологии обработки составляется управляющая программа, содержащая дистанции и скорости перемещения платформы робота и позиционирования рабочего технологического органа, моменты времени изменения направления движения и дискретные отрезки, длительность выполнения операции рабочим технологическим органом на каждой фиксированной позиции. После запуска программного обеспечения по команде происходит ускоренное сближение платформы робота с изделием до выхода в нулевую точку. После этого запускается выполнение одной из возможных траекторий движения: «горизонтальное-вертикальное-горизонтальное…» или «вертикальное-горизонтальное-вертикальное…» в зависимости от конструкции изделия. Например, при реализации второй схемы в первый рабочий переход платформа остается неподвижной, а рабочий технологический орган перемещается по оси Υ на расстояние от поверхности изделия в соответствии с технологическим процессом и останавливается, далее он осуществляет воздействие на поверхность изделия в течение заданного промежутка времени, обрабатывая первый участок поверхности. Затем каретка перемещается вертикально по оси Ζ на заданную величину, при этом при необходимости, вызванной профилем поверхности, происходит сближение/удаление рабочего технологического органа по оси Υ и поворот его при помощи мехатронного манипулятора. После позиционирования в заданную точку перемещение останавливается, и вновь осуществляется воздействие. Переходы повторяются, пока не будет достигнуто крайнее верхнее положение каретки и не будет осуществлено необходимое воздействие. Далее платформа робота перемещается вдоль поверхности изделия по оси X на заданную в программе величину. После остановки рабочий технологический орган осуществляет воздействие на изделие в течение заданного времени и описанный выше цикл повторяется при движении каретки вниз. Затем в крайнем нижнем положении вновь реализуется перемещение платформы по оси X и так далее до полной обработки всей поверхности изделия. После завершения технологического цикла все механизмы робота выходят в нулевые положения, а платформа возвращается в нулевую точку. Для обработки следующего изделия платформа может переместиться на следующую позицию, или к роботу может быть доставлено следующее изделие.
Эффективность применения предлагаемой полезной модели на примере нагрева панели из слоеной древесины в СВЧ электромагнитном поле для ее сушки подтверждена следующими экспериментальными результатами.
Был изготовлен действующий макет мобильного робота, на подвижной платформе которого установили механизмы вертикального и горизонтального перемещений типа «винт-гайка» с приводом винтов от шаговых двигателей Autonics серии AK-G типоразмера 85 и 60. В качестве рабочего технологического органа использовали рупорный излучатель с поверхностью раскрыва 200×250 мм СВЧ электромагнитного поля частотой 2450 МГц серийной установки «Жук-2-02», источник питания был размещен на платформе робота. Механизмы перемещений обеспечивали раздельное или согласованное перемещение излучателя по координатам Υ и Ζ на максимальное расстояние 100 и 180 мм соответственно. С учетом размеров излучающего рупора при этом захватывалась полоса длиной 380 мм и шириной 250 мм. В эксперименте использовали панель с размерами 1000×1000×20 мм из проклеенной слоеной древесины. Панель располагали наклонно под углом 18° к вертикальной плоскости для имитации объекта с криволинейной поверхностью. При этом на расстоянии 180 мм смещение верхней точки поверхности относительно нижней составляло 50 мм. Воздействие СВЧ-электромагнитного поля оценивали по температуре поверхности панели в точках, расположенных на расстоянии 45 мм друг от друга по вертикали, при помощи цифрового пирометра Testo 830-Т1.
Сравнивали две схемы СВЧ-воздействия:
1) с перемещением рупорного излучателя прямолинейно в вертикальной плоскости из нижнего положения в верхнее с возвратом в исходную точку;
2) со ступенчатым перемещением по шаблону (задержка на 15 с, вертикальное перемещение по Ζ на 45 мм, горизонтальное перемещение по Υ на 15 мм и т.д. до крайнего верхнего положения). Скорость перемещений, необходимая для равномерного облучения, составляла: 0,02-0,04 м/мин.
Значения измеренной температуры при обработке по указанным схемам представлены в табл. 1.
Статистическая обработка распределения температуры по панели представлена в табл. 2.
Видно, что использование предлагаемого мобильного робота обеспечивает более, чем в 2,5 раза повышение равномерности обработки изделий, имеющих несимметричную конструкцию (криволинейный профиль).
Проверка функционирования робота с перемещением еще по оси X (вдоль обрабатываемой панели) подтвердила выше приведенный результат: по длине панели равномерность распределения температуры повысилась в 1,7-2 раза.
Тем самым решается проблема данной полезной модели: обеспечение многоосного программируемого перемещения на расстояние в несколько метров манипулятора рабочего органа, обеспечивающего требуемую для технологических комплексов точность позиционирования, в сочетании с независимым перемещением в пределах производственного помещения с возможностью программируемого с заданной точностью разворота на 360° на площади, не превышающей значительно габаритные размеры данного устройства.