Пневматические манипуляторы Camozzi

Манипулятор – это промышленное устройство, копирующее движения рук оператора и помогающее ему поднимать, переносить, устанавливать изделия при выполнении различных технологических операций. Манипуляторы, предназначенные для перегрузки деталей и узлов с разными массами и формами, получили широкое распространение в производствах, требующих автоматизации и роботизации технологических процессов.
Особенно актуально их применение на конвейерных линиях и локализованных участках сборки и упаковки серийных изделий.

Манипуляторы, их другое название – балансиры, применяются во многих областях промышленности: упаковка и складирование продуктов питания и бутилированной воды, шинные производства, предприятия оборонного комплекса, на железнодорожной технике при обслуживании поездов и т. д. Следует выделить масштабное применение манипуляторов в автомобилестроении.

Автомобилестроительный завод – это конвейер с определенным тактом выпуска продукции и большим количеством тяжелых и крупногабаритных деталей или сборочных единиц, которые оператор должен поднять, перенести к месту монтажа и поставить на машину. Дополнительную сложность операции придает ограниченное время, обусловленное производственным циклом конвейера.

Электропневматические манипуляторы Camozzi проектируются в соответствии с технологической задачей и рабочим пространством производственного участка. Они рассчитаны на уравновешивание изделий массой от 10 до 1000 кг, при этом оператору достаточно прикладывать силу не более 3 кг/с для перемещения в пространстве и базирования деталей, выполненных из любых материалов и имеющих различные формы. Кроме эргономики, функциональности, оптимизации рабочей зоны, оптимизации траектории перемещения объекта и скорости работы оператора приоритетом при проектировании балансиров является абсолютная безопасность для персонала при его эксплуатации и надежная защита перемещаемых дорогостоящих изделий от аварийных ситуаций. Безопасность заложена как в конструкции, выборе деталей и узлов манипулятора, так и в разработанном аппаратно-программном комплексе его системы управления.

Манипуляторы состоят из следующих узлов: узла горизонтального перемещения, узла вертикального перемещения, захватного приспособления и системы управления. По типу крепления к основанию промышленные манипуляторы делятся на напольные и подвесные, отдельно стоит выделить манипуляторы- тележки. Выбор точки опоры часто связан с рабочим пространством, в которое необходимо вписать манипулятор, и рабочей зоной исполнительного органа. Исполнительные механизмы, используемые для операций захвата, удержания, манипулирования и плавного базирования объекта, называют грузозахватными устройствами, или грузозахватами. Для хрупких и нежестких деталей, деталей из стекла предназначены вакуумные грузозахваты с присосками и коллекторами. К ним относятся манипуляторы для захвата и вклеивания стекла в кабину кузова автомобиля, для установки деталей кузова (бамперы, капоты, двери, пластиковые панели), манипуляторы для транспортировки резиновых листов в шинных производствах и другие.

Для деталей сложной формы, массивных, с нежесткой и пористой поверхностью захват делается пневматическим, создающим усилие прижима с использованием пневмоцилиндров.
Такой принцип используется в манипуляторах для установки панелей приборов, сидений, аккумуляторных батарей, колес, подвески, фронтенда и других.

В описанных задачах чаще всего центр тяжести неуравновешенных объектов, вес которых необходимо компенсировать, нет возможности совместить с центром приложения силы грузозахватного устройства. Кроме того, во многих технологических задачах относительная простота захвата изделия с палеты или стеллажа совмещена со сложностью его транспортирования, позиционирования и инсталляции. Примерами могут служить участки автосборочных производств, например, занесение сидений в кабину грузовых и малотоннажных автомобилей или установка аккумуляторных батарей в подкапотное пространство. Поэтому Camozzi предлагает несколько типов кинематических механизмов с легко перестраиваемыми грузозахватными устройствами: подвесные манипуляторы телескопического типа и подвесные или напольные консольные манипуляторы с рычажным механизмом типа "пантограф".

Сбалансированный индустриальный подвесной манипулятор телескопического типа состоит из легкой подвесной крановой системы, позволяющей манипулятору перемещаться в горизонтальной плоскости, телескопического узла вертикального перемещения, рычага, грузозахватного устройства, системы управления и пульта управления. Такой тип манипуляторов удобно применять в цехах с непрерывно движущимся конвейером, так как манипулятор закреплен на портале и перемещается по подвесной крановой системе за конвейером. Подвижные тележки крановой системы имеют очень низкое трение, поэтому на передвижение манипулятора в горизонтальной плоскости затрачивается минимальное усилие.

Такой балансир более компактен, но при этом может иметь длинный рычаг, иногда даже телескопический, обеспечивающий больший ход при небольших габаритах в горизонтальной плоскости.
Еще одним преимуществом таких типов манипуляторов является большой ход в вертикальной плоскости при очень низком подвесе, что может быть важно при низкорасположенных потолочных металлоконструкциях.
Основой промышленного рычажного манипулятора типа «пантограф» является параллелограмм, концы четырех
звеньев которого соединены с помощью кинематических пар вращения таким образом, что оси вращения перпендикулярны плоскости движения. Движение одного звена вызывает идентичное движение противоположного звена параллелограмма. Таким образом, независимо от углового положения консоли манипулятора вертикальная ось его опоры определяет положение всех шарниров в звеньях, работающих строго в горизонтальной плоскости.

Число звеньев такого балансира может варьироваться от 4 до 8 в зависимости от требований к рабочей зоне
манипулятора и к эргономичности при выполнении операций захвата, транспортировки и отпускания изделия. Суммарная длина всех консольных рычагов может обеспечивать диаметр рабочей зоны до 10 метров с поднятием изделия на высоту до 3,5 метра. Складывающиеся в горизонтальной плоскости рычаги минимизируют "мертвую" зону нерабочего пространства вблизи вертикальной колонны основания. Манипуляторы-пантографы применяются там, где нет непрерывно движущегося конвейера, и позволяют уменьшить расходы на порталы и подвесные системы и их металлоконструкции.

Существует еще один тип манипуляторов, применяющихся в производстве, где в цехе нет постоянно закрепленного места для выполнения операции или требуется их применение в разных участках цеха. Это мобильные манипуляторы-тележки. Они представляют собой движущееся по полу основание на колесах с механизмами вертикального подъема и грузозахватным устройством.

Система управления электропневматическим манипулятором базируется на принципах мехатроники: промышленный контроллер реального времени позволяет реализовывать применяемые алгоритмы управления, при этом большинство механических и аппаратных связей заменяются электрическими и информационными. Это позволяет существенно упростить и удешевить весь аппаратно-программный комплекс управления манипулятором, сделать его гибким и универсальным, более надежным и долговечным. Ключевую роль в создании системы компенсации веса грузов выполняет блок измерения веса, в котором заложена информация о массе объекта, грузозахвата и возможной оснастки, или же с помощью тензочувствительного элемента эти массы могут быть определены в процессе работы.

Контроллер управления с высокой точностью и частотой до 1000 раз в секунду опрашивает тензодатчик, и на основании полученной информации выдается сигнал о компенсации текущего веса объекта в грузозахватном устройстве. Установка тензодатчика особенно актуальна в тех производствах, где на конвейере приходится захватывать детали разных масс. Например, вес аккумуляторных батарей для грузовых машин на одной конвейерной линии может отличаться на 30–40%, а вес разных моделей панелей приборов в 2 раза.

Задачей компенсации веса занята подсистема привода, регулирующая силу и учитывающая кинематическую схему манипулятора. Эта подсистема включает в себя один или два пропорциональных электропневматических регулятора давления серий ER или LR Camozzi и специально разработанный цилиндр серии 61 со значительно уменьшенной силой трения. Сила трения в цилиндре определяет усилие, прикладываемое оператором при манипулировании, и, как правило, не превышает 30 Н. Применение блока измерения веса и чувствительного к внешнему возмущению силового пневмопривода позволяет манипулятору реагировать не только на силу, которую прикладывает человек для перемещения объекта в вертикальной плоскости, но и на производную этой силы, обеспечивая удобную для оператора скорость манипулирования. Преимущество пневматического манипулятора еще и в том, что средний расход сжатого воздуха при работе конвейера очень мал, и для балансиров разной грузоподъемности он составляет от 20 до 100 Нл/мин.

Кроме того, в пневмоцилиндре можно запирать полости как при выполнении технологической операции, например, при нанесении праймера и клея при установке лобовых стекол автомобиля, так и в различных аварийных режимах.

К активной безопасности в работе с манипулятором относятся подсистемы, самостоятельно реализующие мгновенный останов всех его звеньев (рычагов) и грузозахватного устройства. При пропадании электрического напряжения грузозахватное устройство автоматически будет находиться в положении захвата объекта, а рабочие полости цилиндра – в запертом положении. При пропадании пневматического питания или при выходе из строя пластиковых питающих трубопроводов узлы контуров безопасности, заложенные в принципиальной электропневматической схеме, и программно реализованные алгоритмы управления также заблокируют возможные движения манипулятора и отпускание перемещаемого объекта. Функция определения режима перегруза позволяет защитить манипулятор от превышающих допустимое значение сил, прикладываемых к грузозахвату. При попытке захватить объект большей массы, чем прописана в паспорте, манипулятор плавно переместится в нижнюю точку и выключится.

Повторное включение возможно только с помощью ключа, который будет находиться у мастера цеха, лидера, начальника участка или другого контролера рабочего процесса.

Пассивная безопасность балансира включает пульт с кнопками ручного дублирования "Вверх" и "Вниз" и возможность активации аварийного режима. Моностабильные кнопки переводят манипулятор из режима, копирующего движения руки человека, в режим автоматического подъема или опускания объекта с настраиваемой скоростью.

Воздействие на кнопку "Авария" с поворотом и фиксацией приводит к мгновенному останову всех звеньев манипулятора, включая захватное устройство.

В манипуляторы консольного типа с системой рычагов "пантограф" интегрированы тумблер фиксации груза, тумблер управления препятствующими инерции манипулятора фрикционными тормозами для защиты от возможных движений консольных звеньев, когда рядом нет оператора.

Тумблер разрешения подъема необходим для стопорения движения вверх и вниз манипулятора, когда требуется перемещать груз только в горизонтальной плоскости или полностью остановить манипулятор в текущем положении для выполнения технологической операции.

Каждый манипулятор снабжен световой индикацией и звуковой сигнализацией. Индикация сообщает о штатном режиме работы системы или о возможных аварийных ситуациях. Пульт управления также может быть оснащен
кнопками вызова сервисных аварийных или логистических служб предприятия и световой и звуковой индикацией.

Манипуляторы Camozzi интегрированы в производственные линии крупнейших машиностроительных заводов страны. Они позволяют поднимать, опускать, удерживать разные изделия, оптимизируя сборочно-складские операции: транспортировку, базирование, сборку, упаковку и другие. Применение манипуляторов Camozzi позволяет значительно сократить время производственного цикла и обеспечить соблюдение норм охраны труда по допустимым величинам показателей тяжести и напряженности факторов трудового процесса. Поставка манипуляторов включает "шеф-монтаж" – инсталляцию конструкции, подключение к линиям питания, встраивание в производственный процесс и обучение персонала работе с ними.

Большой опыт Camozzi в разработке электропневматических манипуляторов и уникальность каждого балансира, спроектированного под конкретную технологическую задачу и работающего в определенных производственных условиях, гарантируют успех ваших инвестиций в свои производства.

Александр Харченко, к.т.н., начальник Учебно-научного
центра, Михаил Спиркин, ведущий инженер-конструктор
Технического центра ООО "Камоцци Пневматика"