3. Технические решения кранов-манипуляторов

Механическая схема любого манипулятора состоит из звеньев. Соседние звенья ма­нипулятора образуют кинематические пары, соединения которых допускают их отно­сительное движение. В манипуляторах чаще всего применяются низшие кинематиче­ские пары пятого класса. Такие пары имеют одну степень подвижности: поступатель­ного либо углового перемещения относительно оси этой пары, число степеней под­вижности равно числу кинематических пар.

В общем случае механическая система манипулятора представляет собой разомкну­тую многозвенную кинематическую цепь с закрепленным основанием. При исследова­нии движений манипуляторов определяют положение различных точек его звеньев в обычном трехмерном пространстве, чаще всего положение его рабочего органа. Для получения соотношений, связывающих декартовы координаты произвольной точки манипулятора в системе координат неподвижного основания с его обобщенными коор­динатами, используют различные методические приемы, в том числе связывают с каж­дым звеном манипулятора специально подобранную ортогональную систему коорди­нат. Одним из важнейших показателей является точность позиционирования рабочего органа. Различают абсолютную точность позиционирования захвата и относительную его погрешность. В последнем случае эта величина равна отношению абсолютной ошибки перемещения схвата в заданную точку к расстоянию до нее и выражается в процентах. Для строительных манипуляторов этот показатель равен 0,001...0,01 % или 0,01...0,1 мм/м.

Учитывая значительные размеры рабочей зоны и большую массу грузов, потребо­валось выделить из общей совокупности рабочих движений крана-манипулятора ре­гиональные и локальные. Для выполнения соответствующих перемещений требуются устройства с индивидуальными приводами, например, подъем монтируемого элемента из зоны строповки на монтажный горизонт может выполнять механизм транспорти­ровки Г-образной конфигурации с одной глобальной степенью подвижности для пере­мещения по рельсовому пути, одной вращательной степенью подвижности вокруг вертикальной оси и несколькими степенями подвижности для перемещения элемента на различные глубину и высоту. Пространственную ориентацию элемента выполняет ориентирующий орган, содержащий шесть степеней подвижности. Разработаны не­сколько типов кранов-манипуляторов, которые базируются на новых технических ре­шениях ориентирующего органа.

Каждый из разработанных кранов-манипуляторов используется для монтажа строи­тельных элементов зданий. Сущность нового способа заключается в том, что с целью повышения производительности и точности монтажа, захваченного жестко грузоза­хватными приспособлениями элемента, подачу его в проектное положение ведут с регистрацией линейных и угловых смещений грузозахватного приспособления одно­временно с монтируемым элементом по трем взаимно перпендикулярным осям. При этом осуществляется контроль положения элемента по шести пространственным коор­динатам. В случае отклонения монтируемого элемента от вертикали механизмы ориен­тирующего органа сообщают импульсы дополнительного движения противоположного знака с убывающей частотой и амплитудой, направленными по линии равнодействую­щей основных движений, в результате чего элемент занимает точное угловое и плано­вое положение.

Наиболее интересны в этом отношении опыты с краном-автоматом, созданным на базе башенного крана БКСМ-5-5А (рис. 13.1).

В результате исследований получены принципиально важные результаты, свиде­тельствующие о технической возможности создания кранов с манипулирующим уст­ройством. В данном случае достигнута низкая точность позиционирования (± 20 см), что не позволяет использовать кран в строительстве.

В Японии применяется система, состоящая из башенного крана и робота (манипу­лятора), управляемая одним оператором (рис. 13.2). Такое решение получило широкое распространение при возведении сборных и сборно-монолитных зданий.

Рис. 13.3. Башенный кран-манипулятор с рабо­чим оборудованием "стрела-рукоять" и рабочим органом для жесткого захвата: 1 - платформа;

2 - ходовая тележка; 3 - поворотная платформа; 4 - противовес устойчивости; 5 - башня; 6 - обойма; 7 - опора качения; 8 - грузовая лебедка; 9, 10 - трос; 11 - трос противовеса; 12 - проти­вовес рабочего оборудования и половины массы груза; 13 - корневая часть стрелы; 14 - рукоять; 15, 16 - гидроцилиндры стрелы и рукояти; 17 - гидроцилиндр поворота рабочего органа; 18 - привод гидроцилиндров; 19 - рабо­чий орган; 20 - монтируемая конструкция; L_p - вылет рабочего органа; L - вылет рукояти; В_зд, Н_1Д - ширина и высота здания

Как показали исследования и практический опыт реализации малолюдных техноло­гий, наиболее эффективной является конструкция манипулятора с местной связью рабочего органа и монтируемым элементом. Принципиальная схема такого решения приведена на рис. 13.3.

Рис. 13.2. Система "башенный кран-робот (манипулятор)" (Япония): 1 - башенный кран; 2 - робот (манипулятор); 3 - монтируемый элемент

Устройство передвижения крана- манипулятора состоит из ходовой платформы 1 кранового типа, уста­новленной на ходовых тележках 2, перемещающихся по подкрановому рельсовому пути и осуществляющих степень подвижности Ф устройства

передвижения. На ходовой платфор­ме установлен опорно-поворотный круг с поворотной платформой 3, осуществляю­щий степень подвижности ® устройства передвижения. На платформе расположен противовес 4, обеспечивающий устойчивость крана-манипулятора, и жестко закрепле­

на вертикальная башня 5. Башня играет роль несущей и направляющей конструкции для обеспечения вертикального хода (степень подвижности ®) обоймы 6 с опорами качения 7. Степень подвижности (D устройства передвижения осуществляется грузовой лебедкой 8 со встречно-закрепленными на ее барабане тросами 9 и 10. Обойма 6 с ус­тановленным на ней оборудованием сбалансирована с помощью дополнительного про­тивовеса 72, подвешенного на промежуточном тросе 77 и имеющего возможность пе­ремещаться вдоль башни. Наличие противовеса, масса которого равна массе переме­щаемого вдоль башни оборудования и половине массы груза, снижает установленную мощность привода грузовой лебедки.

Рис. 13.4. Башенный кран-манипулятор с подвижным

подстрелком: 1 - платформа; 2 - ходовая часть; 3 - платформа поворотная; 4 - проти­вовес; 5 - башня; 6 - стрела; 7, 8 - трос; 9 - подстрелок; 10 - обойма; 11 - опоры каче­ния; 12 - подвижный противовес; 13 - ле­бедка; 14 - грузовая тележка; 15 - рабочий орган; 16, 17 - лебедка и канат перемещения грузовой тележки; 18 - грузовая тележка;

19 - канат перемещения тележки; 20 - гру­зовая лебедка; 21 - монтируемая конструк­ция; 22 - здание

странственным подвесом и полу- жесткой связью рабочего органа и устройством транспортировки: 1 - грузовая тележка; 2 - опоры каче­ния; 3 - тросовая подвеска; 4 - ра­бочий орган - захватно- манипуляторная траверса; 5 - мон­тируемая конструкция; 6 - здание

Рис. 13.5. Башенный кран-манипулятор с про-

захватно-

Схема крана-манипулятора с жесткой связью рабочего органа и устройством транс­портировки показана на рис. 13.4. Данная схема лишена отдельных недостатков, при­сущих двум схемам. Кран-манипулятор по этой схеме обладает минимально необхо­димым количеством степеней свободы устройства передвижения, а значит и мини­мальным количеством приводных механизмов. Благодаря разгруженности от массы рабочего органа и монтируемого элемента, подстрелок, осуществляющий жесткую связь рабочего органа с устройством передвижения, а также все перемещаемое вдоль башни оборудование может быть выполнено более легким, чем в предыдущих схемах.

Устройство передвижения крана-манипулятора состоит из ходовой платформы 1 кранового типа, установленной на ходовых тележках 2, перемещающихся по рельсо­вому пути и осуществляющих степень подвижности ® устройства передвижения. На ходовой платформе установлен опорно-поворотный круг с поворотной платформой 3, осуществляющие степень подвижности Ф устройства передвижения. Противовес 4, расположенный на платформе, обеспечивает устойчивость крана-манипулятора. Устройство передвижения включает в себя также вертикально расположенную башню 5, состоящую из секций, и шарнирно прикрепленную к башне балочную стрелу 6. Ка­наты 7 и 8, запасованные через блоки оголовка и стрелы, обеспечивают горизонталь­ность подстрелка 9. Подстрелок шарнирно прикреплен к обойме 10 с опорами качения 11, имеющей возможность перемещаться вдоль башни (степень подвижности ©). Под­вижный вдоль башни противовес 12 уравновешивает с помощью канатов 7, 8 практи­чески всю массу подстрелка 9 с расположенным на нем оборудованием. Неуравнове­шенной остается лишь та часть, которая необходима для холостого перемещения под­стрелка вниз. Лебедка 13, расположенная на подвижном противовесе, позволяет менять длину канатов 7, 8 в зависимости от высоты башни. На подстрелке расположена карет­ка 14 с жестко пристыкованным к ней рабочим органом 15. Размещенная на подстрелке лебедка 16 со встречно-закрепленным на ней канатом 17 перемещает вдоль подстрелка каретку с рабочим органом, осуществляя степень подвижности ©. На стреле 6 устрой­ства передвижения расположена грузовая тележка 18, имеющая возможность свобод­ного перемещения вдоль стрелы. Каретка 14 с рабочим органом 75 и монтируемым элементом вывешены относительно подстрелка с помощью грузового каната 19, про­ходящего через блоки башни, тележки 18 и каретки 14. Один конец каната 19 закреп­лен на стреле 6, а другой - на грузовой лебедке 20.

Грузовая лебедка с помощью грузового каната осуществляет подъем-опускание ра­бочего органа (степень подвижности (D) совместно с перемещением вдоль башни под­стрелка 9 и обоймы 10, уравновешенных подвижным противовесом 12. Такая схема позволяет свести к минимуму силовое взаимодействие в вертикальном направлении между подстрелком 9 и кареткой 14 с закрепленным на ней рабочим органом 15. В результате подстрелок 9, имеющий жесткую связь рабочего органа с устройством пе­редвижения в горизонтальной плоскости, обеспечивает необходимую точность пози­ционирования монтируемого элемента, поскольку не воспринимает весовых нагрузок со стороны каретки 14, рабочего органа 15 и монтируемого элемента. Такое решение позволяет уменьшить массу подстрелка. Согласованное движение каретки 14 и грузо­вой тележки 18 соответственно вдоль подстрелка и стрелы обеспечивается тем, что при перемещении каретки с помощью лебедки 16 и каната 17 петля грузового каната 19, соединяющая каретку и тележку, отклоняется от вертикали и появляющаяся горизон­тальная составляющая от массы каретки, рабочего органа с монтируемым элементом или без него заставляет двигаться тележку 18 в соответствующем направлении.

Схема крана-манипулятора с полужесткой связью рабочего органа и устройством транспортировки показана на рис. 13.5. Схема устройства передвижения данного кра­на-манипулятора аналогична схемам башенных кранов с поворотной башней, подра­щиваемой снизу, нижним расположением противовеса и балочной стрелой. Возможно исполнение схемы устройства передвижения по типу схем башенных кранов с пово­ротным оголовком и верхним расположением противовеса на противоположной кон­соли. Устройство передвижения имеет четыре степени подвижности Ф-®, которые также осуществляются традиционными крановыми средствами с помощью рельсового устройства, тросовой системы с грузовой лебедкой для подъема-опускания груза, по­воротного устройства и грузовой тележки, перемещаемой вдоль стрелы тележечным канатом, встречно-закрепленным на барабане тележечной лебедки. В отличие от тра­диционных грузовых тележек башенных кранов, ' конструкция тележки крана- манипулятора должна быть развита в плане для размещения на ней блоков “полужест- кой” тросовой подвески, например, путем оснащения тележки соответствующими кронштейнами. Опоры качения тележки должны обеспечивать двусторонние связи грузовой тележки со стрелой устройства передвижения и должны быть расположены так, чтобы передавать возникающие при работе линейные и моментные нагрузки на стрелу.

Принципиальным отличием данной схемы крана-манипулятора от всех предыду­щих, а также от схем башенных кранов, является наличие пространственной тросовой подвески. Подвеска обеспечивает жесткую связь рабочего органа с устройством пере­движения на время проведения рабочим органом манипуляционных операций с монти­руемым элементом с целью точного его позиционирования перед установкой в проект­ное положение. Рабочий орган крана-манипулятора - захватно-манипуляторная травер­са (ЗМТ). Тросовая подвеска состоит из шести независимых канатов, равнонаклонных к вертикали и объединенных попарно в форме буквы V для восприятия горизонталь­ных усилий, действующих на ЗМТ и элемент. Для восприятия моментной нагрузки эти пары разнесены в пространстве.