4.2 Промышленные роботы

4.2.1 Промышленная робототехника

Широкое распространение автоматического технологического оборудования породило противоречие между уровнем автоматизации основных операций технологических процессов и отсутствием или недостаточной степенью автоматизации вспомогательных операций. Особенно это проявлялось в серийном производстве, где специальные и специализированные средства автоматизации вспомогательных операций экономически себя не оправдывали.

Для решения проблемы была предложена концепция многофункционального программно-управляемого автомата, способного выполнять вспомогательные операции. Эта концепция была реализована в виде промышленного робота (ПР). Первые ПР выпущены на рынок в 1962 г. американскими фирмами AMF и "Юнимейшен" под названиями "Версатран" и "Юнимейт" соответственно.

Первоначально промышленные роботы были ориентированы, в первую очередь, на автоматизацию операций загрузки-разгрузки автоматического оборудования. Однако, по мере совершенствования ПР, сфера их применения на производстве существенно расширилась и охватила многие основные операции (сварка, окраска, сборка).

Использование принципа программного управления позволило создать гибкое средство автоматизации вспомогательных операций. Для управления ПР используются цикловые системы программного управления, позиционные системы ЧПУ и контурные системы ЧПУ. Гибкость ПР в значительной мере определяется типом системы управления. Так, роботы с цикловым программным управлением при замене управляющей программы требуют определенной перенастройки, например, путем изменения установки конечных выключателей. Это обстоятельство ограничивает возможности использования таких роботов.

ПР с числовым программным управлением можно перестроить на новый рабочий цикл исключительно заменой управляющей программы, что расширяет их возможности применения и повышает степень их гибкости. Дополнительные возможности промышленный робот приобретает при использовании адаптивной системы управления, когда настройка системы управления, ее структура или алгоритм управления автоматически изменяются, при изменении условий работы робота. Целью такого изменения является поддержание неизменными или оптимизация характеристик функционирования робота в изменяющихся условиях. Сам робот в этом случае оснащается датчиками адаптации.

Стандартным определением промышленного робота является следующее. Промышленный робот это автоматическая машина, представляющая собой совокупность манипулятора и перепрограммируемого устройства управления, для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека при перемещении предметов производства и оснастки. Более коротко ПР определяют как перепрограммируемый автоматический манипулятор.

Для управления современными роботами используются сложные электронные системы и ЭВМ. Теоретические основы робототехники поэтому включают два направления:

– теорию механизмов и машин, изучающую механические устройства робота;

– теорию электронных и компьютерных устройств, изучающую элементы систем управления робота.

Эти два направления объединяются в новую отрасль науки, которая называется мехатроникой. В последнее время мехатроника охватывает не только промышленные роботы, но любые автоматические механические устройства, оснащенные электронными и компьютерными системами управления.

О бобщенная компоновка промышленного робота приведена на рис. 54, где 1 – корпус манипулятора, 2 – рука робота, 3 – операционное устройство робота, 4 – устройство управления.

В составе промышленного робота можно выделить манипулятор и устройство управления. Манипулятор служит для управляемого перемещения операционного устройства в пространстве. Операционным устройством может служить схват или инструмент. При наличии схвата робот может захватывать им различные объекты и затем их перемещать в пространстве требуемым образом. Если робот оснащен инструментом, то с помощью последнего он может выполнять ту или иную обработку.

Манипулятор состоит из последовательности кинематических звеньев, подвижно соединенных друг с другом посредством кинематических пар поступательного или вращательного движения. Все кинематические звенья оснащены управляемыми приводами, что позволяет их взаимно перемещать, создавая необходимое движение операционного устройства.

Все движения манипулятора можно разделить на движения переноса и ориентирующие движения. Движения переноса, в основном, обеспечивают перемещение операционного устройства в пространстве (при переносе происходит и побочное изменение ориентации операционного механизма). Ориентирующие движения служат для нужной ориентации операционного устройства в пространстве.

На рис. 54 движениями переноса являются: поворот вокруг вертикальной оси на угол , радиальное перемещение r руки робота, вертикальное перемещение z. Эти перемещения создают цилиндрическую систему координат промышленного робота. Ориентирующими движениями являются повороты операционного устройства вокруг вертикальной оси на угол  и вокруг горизонтальной оси на угол .

Характер траектории движения схвата и приспособленность робота к об­служиванию того или иного оборудования в значительной мере зависят от выбранного сочетания кинематических пар манипулятора и от систе­мы координат, в которой движется схват.

Количество и вид кинематических пар определяют подвижность робо­та. Число степеней подвижности W определяется из выражения

,

где n – число подвижных звеньев, p_i – число кинематических пар i-го класса.

Поскольку в манипуляторах промышленных роботов применяют вращательные и поступательные кинематические пары (пары пятого класса) и, реже, шаровые шарниры (пары третьего класса), то выражение для числа степеней подвижности приобретает вид

,

где p₃ – число пар третьего класса (шаровых шарниров), р₅ – число пар пятого класса (чисто поступательного или чисто вращательного движения).

Маневренность определяется по аналогичной формуле в предположении, что схват неподвижен, т. е. при этом число подвижных звеньев уменьшается на единицу

.

М анипуляторы промышленных роботов могут иметь прямоугольную, цилиндрическую, сферическую, угловую (ангулярную) системы координат или комбинированную систему координат, сочетающую перечисленные выше основные координатные системы (рис. 55). Прямоугольная система координат (рис. 55, а) характеризуется тремя поступательными перемещениями (координаты X, У, Z), цилиндрическая (рис. 55, б) – двумя поступательными и одним вращательным перемещением (координаты , Z и ), сферическая (рис. 55, в) – одним поступательным и двумя вращательными движениями (координаты , , ).

Возможны также ангулярные системы координат, когда все движения схвата обеспечиваются угловыми перемещениями в кинематических парах. При использовании комбинированной системы координат для разных движений применяются разные координаты отсчета.

Транспортные (переносные) перемещения схвата манипулятора ПР в пространстве обеспечиваются его совместными перемещениями по каждой из трех названных координат. Ориентирующие степени подвижности манипулятора образуются за счет вращательных движений схвата (или операционного устройства), приводящих к изменению ориентации последнего в пространстве. Строго говоря, следует учитывать, что и ориентирующее движение схвата незначительно изменяют его координаты в пространстве.

При управлении движениями манипулятора система датчиков или упоров определяет величину перемещений его звеньев. При этом возникает задача определения положения схвата в пространстве по отношению к какой-либо базовой системе координат OXУZ. Для решения этой задачи используется матричный метод анализа пространственных рычажных механизмов.

Связь между двумя прямоугольными системами координат O_j X_j У_j Z_j и O_i Х_i У_i Z_i при совпадении их начал координат выражается следующими зависимостями:

где a_ji – коэффициенты в виде направляющих косинусов углов, образованных новыми осями координат с прежними осями:

.

Для правой системы координат поворот на угол 90, совмещающий луч OX_i с лучом OY_i, происходит против часовой стрелки, если смотреть со стороны луча OZ_i. Угол поворота вокруг оси принимается положительным, если поворот направлен против часовой стрелки при наблюдении со стороны положительного направления той оси, вокруг которой происходит поворот.

Если происходит перенос координат точки из системы O_j X_j У_j Z_j в коллинеарную систему O_i X_i Y_i Z_i , причем в последней координаты начала координат O_j первой системы равны X_o Y_o Z_o, то новые координаты точки

.

При исследовании движений манипулятора с каждым его звеном связывается специальная система прямоугольных координат, и затем движения в этих системах преобразуются к базовой неподвижной системе координат. Уравнение движения точки схвата в базовой системе координат и будет уравнением траектории схвата.