45. Структура, кинематический и конструктивный анализ промышленных роботов. Особенности расчета.

В широком понимании робот может быть определен как тех­ническая система, способная замещать человека или помогать ему в выполнении различных задач. При определении робота приходится прибегать к следующим понятиям: 1) ра­бочая среда; 2) источник энергии, необходимый для обеспече­ния функционирования робота; 3) источник информации для описания поставленной человеком-оператором задачи.

Необходимо иметь в виду, что робот выполняет две функции, реализуемые различными устройствами: информаци­онными и исполнительными.

Информационные устройства вырабатывают команды в за­висимости от результатов обработки поступающей информации трех видов: цели выполняемой задачи, измерений текущего со­стояния исполнительного устройства и наблюдений над рабочей средой, находящейся в непосредственной близости или на рас­стоянии от робота.

Исполнительные устройства воздействуют на рабочую среду в соответствии с командами путем преобразования и расходо­вания получаемой извне энергии. Они состоят из следующих конструктивных элементов: органов взаимодействия с рабочей средой, органов манипулятора (звенья, сочленения), модуляторов энер­гии (усилители, распределители), преобразователей энергии (двигатели, силовые установки и т. д.), датчиков.

КОНСТРУКЦИЯ РОБОТА

Возможности робота в значительной степени опре­деляются взаимодействием его рабочего органа с внешней сре­дой. Рабочий орган играет основную роль, так как воздейству­ет на внешние предметы и поэтому определяет основные требо­вания ко всем остальным конструктивным элементам робота.

Рабочие органы

Ими могут быть разнообразные инструменты: клещи, присоски (захват), сопла, горелка (в дуговой сварке) и т.д. Употребляемые термины часто противоречивы, а иногда антро­поморфны (руки или головки). При конструировании рабочего органа все операции тщательно анализируются. Рабочий орган обладает следующими свойствами: - является сложной системой, которую редко можно предста­вить в виде единого, не поддающегося деформации элемента;

- относится к типу приспособлений, состоящих из нескольких приводов;

- часто содержит чувствительные датчики, позволяющие обес­печить его адаптацию к конкретным условиям задачи.

Звенья

При решении производственных задач рабочий орган используется для выполнения заданных движений. Звенья ма­нипулятора образуют механическую систему с изменяемой гео­метрией, связанную с корпусом робота и позволяющую при по­мощи движений ограниченной амплитуды перемещать и ориен­тировать рабочий орган. Движения звеньев манипулятора про­изводятся относительно неподвижной платформы робота. Робот на подвижной платформе представляет собой свободную меха­ническую систему, способную неограниченно перемещаться (ав­тотележка).

Манипуляторы

Манипулятором называется механическая система, состоящая из звеньев и рабочего органа. Например, существу­ют манипуляторы для выполнения погрузочно-разгрузочных работ, сварки, шлифовки и т.д. Промышленный робот может со­стоять из нескольких манипуляторов, расположенных на одной платформе и управляемых с помощью одной вычислительной машины. Если платформа неподвижна, робот не перемещается, а если робот установлен на тележке, он становится мобильным.

основныЕ конструктивно-технологических показателей промышленных роботов

Грузоподъемность выбирают по типоразмерному ряду ПР. Она должна превышать массу объекта манипулиро­вания не менее чем на 10 %.

Размеры рабочей зоны ПР опреде­ляются размерами, формой и рас­положением рабочих зон обслужива­емого оборудования (роботизирован­ных позиций); числом позиций, об­служиваемых ПР, и их взаимным расположением (рекомендуемой планировкой комплекса); способом по­дачи объекта манипулирования для его первоначального захватывания ПР и способом удаления из рабочей зоны.

Число степеней подвижности: для станка любого типа требуется не менее двух степеней подвижности ПР. Число ориентирующих степеней подвижности связано и с выбранной системой координат транспортиру­ющих движений: для роботов, работа­ющих в полярной сферической системе координат, как правило, требуется ротация и программируемый изгиб кисти захватного устройства для ком­пенсации углового перемещения руки и обеспечения установки заготовки в базирующее приспособление обору­дования.

Число степеней подвижности для реализации транспортирующих пере­мещений в наибольшей степени зависит от формы, размеров и расположения рабочей зоны оборудования и взаим­ного расположения ограничительных поверхностей, образующих зону загрузки. По форме и расположению рабочих зон и направлениям возмож­ных перемещений объекта манипули­рования при его загрузке-выгрузке все виды оборудования условно могут быть сведены к 11 типам. Число степеней подвижности для реализации транспортирующих пе­ремещений объекта в рабочую зону оборудования зависит также от вы­бранной системы координат и может быть равно 1-3.

Система координат основных дви­жений и структурно-кинематическая схема ПР выбираются исходя из прин­ципа минимизации числа степеней по­движности манипулятора, необходи­мых для выполнения им своего техно­логического назначения. Выбор опре­деляется размерами, формой и рас­положением рабочих зон, а также числом и расположением робо­тизированных позиций. Для миними­зации числа степеней подвижности необходимо при выборе системы коор­динат и разработке структурно-кинематической схемы ПР стараться совмещать в одном движении какого-либо звена манипулятора ориентиру­ющие, транспортирующие н коорди­натные перемещения.

Траектория перемещений объекта манипулирования устанавливается прочерчиванием исходя из принципов наименьшего пути и минимизации чис­ла степеней подвижности ПР, и зависит от формы, размеров и расположения рабочих зон обслуживаемого оборудо­вания, числа роботизированных позиций и планировки комплекса.

Скорости перемещений конечного звена манипулятора при отработке отдельных степеней подвижности устанавливают в соответствии с тре­буемой производительностью. Ско­рости перемещений зависят от траек­тор. перемещений объекта, плани­ровки комплекса, ограничений по врем. возможных простоев об-ния, от кол-ва рук и захват­ных устр-в.

Погрешность позиционирования, до­пустимая на конечном звене (макси­мально допустимая погрешность), определяется требованиями к точности выполнения основной технологиче­ской операции или максимально воз­можным отклонением детали от бази­рующих поверхностей приспособле­ния, фиксирующего деталь в рабочей зоне обрабатывающей машины, при котором еще обеспечиваются пра­вильное базирование и надежное за­крепление объекта обработки.

Податливость конечного звена манипулятора, компенсирующая сме­щение детали при зажиме в базирующем приспособлении вызванное погрешностью позиционирования.

Режим работы зависит от степени загруженности робота, коэффициента его использования и частоты включе­ний механизмов. Степень загружен­ности определяется коэффициентом относительной загрузки

, где Р_СР и Р – соотв. сред. значение рабочей наг-ки и грузоподъемности робота.

Приводы манипуляторов содержат силовые двигатели, передаточные механизмы к исполнительным звеньям, усилительно-преобразовательные уст­ройства, воспринимающие сигналы системы управления и датчиков внеш­ней и внутренней информации с целью формирования управляющих воз­действий. Тип привода выбирают в зависимости от количества энергии, необходимой для осуществле­ния требуемых перемещений; тре­бований, предъявляемых к способу управления и регулирования; требо­ваний технологического процесса, в котором участвует ПР, и условии эксплуатации.

Системы управления выбирают из числа выпускаемых серийно или проектируют согласно функци­ональному назначению ПР и условиям его эксплуатации. Основные показа­тели, по которым выбирают системы управления — способ позиционирова­ния рабочих органов ПР, способ пред­ставления информации, количество управляемых координат, объем па­мяти.

Средства информационного обеспе­чения выбирают с учетом типа приводов, системы управления и способа представления информации в зависимости от назначения ПР, условий эксплуатации и обеспечения безопасности обслуживающего пер­сонала.

Захватные устройства и инстру­мент проектируют в зависимости от конструктивно-технологических пара­метров объекта манипулирования и условий выполнения манипуляционных действий.

Специальные требования к ПР устанавливаются в зависимости от вида технологического процесса, типа обслуживаемого оборудования, се­рийности производства, условий эксплуатации и т. д.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИВОДОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Процесс проектирования включает анализ структурно-кинематической схемы робота, выбор компоновочной схемы приводов и системы привода, выбор двигателей по степеням подвижности, расчет кинематических цепей, механизмов передач и их эле­ментов.

Кинематический анализ вы­полняют методами, используемыми при анализе дифференциальных меха­низмов. При этом определяют передаточные отношения, выявляют кинематические зависимости между отдельными звеньями, устанавливают характер взаимных связей между отдельными приводами манипулятора при их одновременной работе и ско­рость на конечном звене руки робота. Статический анализ кинематической цепи: для каждого звена кинематической цепи определяют равнодействующую всех сил, действу­ющих на него при движении. Для этого конечное звено в месте стыка с захват­ным устройством нагружают внешней силой (моментом), а для обеспечения равновесия механизма к его ведущему звену прикладывают уравновешива­ющий момент.

Кинематические цепи ПР должны обеспечивать технологически необ­ходимую возможность подхода ко­нечного звена к заданной точке рабо­чего пространства и выполнение ориен­тирующих перемещений; устранять взаимное влияние кинематических цепей; исключать возможность возник­новения самопроизвольных движений под действием внешних нагрузок; обес­печивать уравновешивание звеньев для снижения требуемой мощности двигателей.

Механизмы уравновешивания ис­пользуют для компенсации влияния статических моментов от масс звеньев манипулятора и снижения требуемой мощности двигателей. Эти механизмы применяют в тех конструкциях ПР, где двигатели расположены непосред­ственно на подвижных звеньях. В каче­стве механизма уравновешивания при­меняют пружинные уравновешиватели, противовесы, гидравлические и пневматические цилиндры.

Электропривод выбирают, исходя из следующих факторов: требуемых динамических свойств при пуске, тор­можении и изменении нагрузки; диа­пазона регулирования скорости; вида требуемой механической характери­стики режима работы во времени и требуемой точности поддержания за­данного режима; частоты включений приводного механизма. Методика проектирования электроприводов ма­нипуляторов изложена в работе [6].

Для выбора двигателя постоянного тока необходимы следующие исходные данные: ф_м — угол поворота оси меха­низма (рад), соответствующий макси­мальному перемещению исполнитель­ного органа; tp и t₀ - длительность работы и паузы (с); t_ц= t_р-t₀ - время цикла работы; J_м - момент инерции исполнительного механизма, кг-м³; М_с— статический момент от нагрузки на выходном валу, Н-м. Расчет выполняют, исходя из мини­мального значения требующегося момента двигателя. Эквивалентная мощность (Вт) ме­ханизма

По расчетному значению Р_м под­бирают двигатель с паспортными дан­ными Р_H (кВт); ω_д (рад/с); J_д (кг-м³).

Характерными особенностями работы промышленных роботов являются вы­сокие скорости и ускорения, большое число циклов нагружения, наличие сосредоточенной массы на консолях, значительные изменения нагрузок на элементы конструкции во время одного цикла. Однако требования к точности и жесткости конструкции у роботов намного ниже, чем, напри­мер, у станков. Вследствие значитель­ной доли инерционных сил в балансе нагрузок машин этого вида требуется особая тщательность при их разработке с точки зрения максимального облег­чения узлов, применения беззазорных направляющих и передаточных меха­низмов, подбора характеристик приводов главных перемещений. В основе расчета лежат исходные данные, по которым определяют основ­ные конструктивно-технологические показатели ПР, уточняемые на стадии разработки технического задания и в процессе дальнейшего проектиро­вания.

При расчете механической системы ПР основными являются следующие критерии работоспособности: прочность по методу допускаемых напряжений для всех элементов кон­струкции при действии максимальных нагрузок рабочего состояния; выносливость при заданной долго­вечности для всех основных деталей, испытывающих переменные нагрузки; прочность по методу предельных состояний для всех элементов кон­струкции ПР, испытывающих действие нагрузок нерабочего состояния (на­ладочного режима и аварийных си­туаций); жесткость основных элементов механической системы ПР; колебания основных несущих элементов ПР и в особенности конечного звена руки (время затухания при резких изменениях нагрузки, отсут­ствие резонанса); устойчивость от опрокидывания под действием рабочих и аварийных на­грузок.

При стационарной установке ПР требуется расчет фундамента (опор).