быстрее. Различия в скорости (времени) затухания колебаний вос­принимаются приемным устройством. Оно включает реле, которое связано с наружной сигнализацией и индикацией показаний датчи­ка. Описываемое устройство применяют для контроля уровня хи­микатов, цемента, зерна и других грузов.

Глава 3

ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ И ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ

3.1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ

Наиболее характерной особенностью технического прогресса в области механизации и автоматизации производства на современ­ном этапе является непрерывно расширяющееся применение про­мышленных роботов (ПР) и манипуляторов. По существу, созда­ется новая отрасль машиностроения — роботостроение.

Советский Союз занимает ведущее положение в мире по произ­водству и применению ПР. В настоящее время в СССР эксплуати­руется около 25% мирового парка промышленных роботов. Поми­мо традиционных сфер применения (машиностроение, ядерная энер­гетика, строительство) ПР находят все более широкое применение в металлургии, химии, а также при выполнении подъемно-транс­портных и погрузочно-разгрузочных работ. В частности, ПР успеш­но применяются для штабелирования, пакетирования, разборки па­кетов, упаковки, перегрузки грузов с конвейера на конвейер и др. Манипуляторами оснащают стеллажные штабелеры и погрузчики. Стоимость ПР соизмерима с аналогичными по производительности типами ПТМ, упаковочных автоматов пакетоформирующих, паке- торазборочных машин, а иногда ниже их стоимости. Бесспорным достоинством ПР является исключительная точность позициониро­вания: погрешность у 80% моделей роботов не превышает ±1 мм. Современные модели ПР в высшей степени надежны, в результате обеспечивается высокий коэффициент использования их во време­ни: он достигает 97%. Между тем, по данным зарубежной стати­стики, потери времени рабочих, обслуживающих различное, в том числе подъемно-транспортное оборудование, достигают 24%.

Важное преимущество ПР также состоит в том, что они отли­чаются универсальностью, удачно вписываются в поточные техно­логические линии предприятий, в том числе гибкие автоматизиро­ванные системы, и обеспечивают комплексную автоматизацию про­изводственных операций, позволяют создавать принципиально новые технологические процессы.

Для выбора и конструирования ПР все многообразие их типов и моделей целесообразно классифицировать по наиболее существен­ным признакам. К таким признакам относятся характер выполняе­мых операций, в'зависимости от которых ПР распределяются на операционные (окраска, штамповка, сварка и т. д.) и транспортные, которые используются на подъемно-транспортных и погрузочно-раз­грузочных операциях. В настоящее время, по данным статистики, 90% всех ПР относятся к транспортным и погрузочно-разгрузочным и 10% к операционным автоматам.

В зависимости от сферы применения ПР разделяют на универ­сальные и специальные. Сфера применения ПР первого типа мно­гообразная благодаря широким функциональным возможностям, созданию разнообразных прикладных программ, обеспечению ав­томатического перехода с отработки одной программы на другую; адаптации ПР к различным производственным ситуациям.

По грузоподъемности ПР разделяют на три типа: грузоподъем­ностью до 5 кг; до 60 кг и более 60 кг.

Существенным признаком является тип привода, в зависимости от которого ПР классифицируют на электромеханические, гидро­механические и пневматические. Конструкция захватного устрой­ства (схвата) определяет три типа ПР: однорукие, двурукие и мно­горукие. В зависимости от условий применения ПР разделяют на стационарные и передвижные.

Специфическими признаками функционирования ПР являются характер программирования и характер отработки программы. В зависимости от первого признака ПР разделяют на обучаемые человеком при отработке первого цикла технологических опера­ций, расчетно-программируемые, когда для обучения ПР вводится специальная программа, и самообучаемые (роботы третьего поко­ления). Второй признак — характер отработки программы — может быть основан на принципе жесткого программирования, осуществ­ляемого без корректировки программы и гибкого программирова­ния, с адаптацией.

В свою очередь, все перечисленные признаки классификации находят свое обобщающее отражение в делении ПР в зависимости от технического уровня и функциональных возможностей на три больших класса: роботы первого, второго и третьего поколений.

Роботы первого поколения — это управляемые роботы или про­стейшие автоматы с программным управлением. Сейчас насчиты­ваются сотни различных моделей роботов с программным управле­нием. В настоящее время в промышленности применяют в основном роботы первого поколения. Управляемые роботы требуют непре­рывной подачи команд в процессе отработки программы.

Роботы второго поколения — обучающиеся и осязающие роботы, снабженные аналогами органов чувств, сенсорными устройствами. Они обладают способностью запоминать и воспроизводить програм­му требуемое количество раз, имеют несколько видов сенсорных элементов программ, что обеспечивает возможность частичной адаптации благодаря смене программ, отвечающих различным си­туациям.

Осязательные устройства, расположенные на механической ру­ке, помимо чисто осязательных функций, определяют точные коор­динаты и размеры предметов и ориентируются на местности. Они снабжены локационными устройствами ближнего и сверхближнего действия: лазерными сканирующими, световыми и фотонными ло­каторами. Датчики размещаются непосредственно на захвате руки.

Роботы оснащают и другими сенсорными устройствами (органы слуха, определения содержания паров, газов, цвета, свойств поверх­ности магнитометрами, датчиками температуры и т. п.).

Роботы третьего поколения — это интеллектуальные, или разум­ные (интегральные), роботы, они способны с большой разрешаю­щей способностью распознавать объекты, обладают свойством са­мообучения, самодиагностики и самовосстановления. Переход от роботов второго поколения к роботам третьего поколения происхо­дит постепенно, путем наращивания новых уровней в иерархии уп­равления. Поэтому структура управления интеллектуальным ПР — многоуровневая и многоконтурная. Интеллектуальный робот — это робот, создающий в себе модель внешней среды («проблемной сре­ды»), для чего он производит активные и пассивные исследования, сам планирует свои действия, моделирует планы и реализует их.

Отличие роботов третьего поколения от роботов второго поко­ления состоит в отказе от заранее составленных типовых программ и переходе к их синтезу в ходе функционирования. На рис. 3.1 при­ведена классификация промышленных роботов по наиболее суще­ственным признакам. В настоящее время в Японии удельный вес ПР второго поколения в общем объеме производства в количест­венном отношении составляет около 10%, роботов с переменной последовательностью выполнения программы 7—8%. Спрос на эти типы ПР непрерывно возрастает, и в 1985 г. выпуск роботов с эле­ментами искусственного интеллекта, оснащенных сенсорными уст­ройствами, и в первую очередь визуальными, способными опреде­лять форму и размеры грузов, составил около 20% общего про­изводства. Перспективы широкого применения ПР третьего поколения, по-видимому, находятся за границами 1990 г. Отличие ПР от обычных механизмов с программным управлением состоит в наличии оригинального захватного устройства — схвата — анало­га человеческой руки, обеспечивающей до пяти—семи степеней сво­боды движений: трех прямолинейных, двух-трех поворотных.

Робот состоит из трех основных частей: чувствительных (сен­сорных) элементов — датчиков; механических рук и механизма пе ремещения — его кинематической структуры — эффектора; системы управления, включающей орган, регулирующий действия робота (устройство программного управления или ЭВМ).

В роботах, наделенных искусственным интеллектом, имеется ор­ган для общения с другими ПР и человеком.

В соответствии с изложенным может быть предложено такое определение промышленного робота. Промышленный робот — ки­бернетическое устройство, автономно функционирующий автомат, предназначенный для воспроизведения некоторых двигательных функций человека при выполнении технологических операций без его непосредственного участия и наделенный некоторыми «мысли­тельными» свойствами человека, в частности, способностью к обу­чению и адаптации. В контуре ПР обычно отсутствует человек-опе­ратор. Однако в некоторых прототипах ПР, которые применяют и в настоящее время (трансманипуляторах, трансроботах, телеопера­торах, видеороботах) в контур управления включается человек, вы­полняющий функции наблюдения.

1. Кинематическая структура, конструктивные элементы и привод

Кинематическая структура, определяющая количество степеней свободы и функциональные возможности ПР, зависит от кинемати­ки основания, кинематики руки и кинематики кисти рук. Заметим, что кинематическая схема схвата не ограничивает число степеней свободы.

Все степени свободы, обеспечивающие возможность перемеще­ния самого робота, определяются кинематикой основания. Для обес­печения технологии считается достаточным, если кинематика осно­вания обеспечивает одно движение — установочное перемещение робота. На рис. 3.2 показаны некоторые типичные кинематические схемы руки ПР. Позицией 5 обозначено основание, позициями 4, 3 и 2 соответственно аналоги человеческого плечевого и локтевого суставов и кисти руки человека, позицией 1 — схват, символом М обозначен привод механизмов робота. Степени свободы, обеспечи­вающие многообразие перемещений конца руки (в месте прикреп­ления кисти к руке) определяют ее кинематику. Кинематика руки выбирается в зависимости от требований технологии. Перемещение руки в пространственно-объемной зоне возможно при наличии трех степеней свободы. Дальнейшее увеличение степеней свободы улуч­шает маневренность без изменения рабочей зоны.

Кинематические схемы, определяющие характер рабочих дви­жений руки, сводятся к следующим типичным вариантам.

Кинематическая схема только с поступательными движениями, обслуживается объемно-прямоугольная зона (рис. 3.2, а). Такая кинематика целесообразна, если позиция груза находится между ПР и точкой его первоначального положения. Подобная кинематиче­ская структура ПР может оказаться пригодной лишь в некоторых частных случаях выполнения погрузочно-разгрузочных работ: при снятии груза с конвейера, при пакетировании и штабелировании гру­за; если последний находится между роботом и пакетирующим или транспортирующим устройством и т. д.

Кинематическая схема только с вращательными движениями — грузы перемещаются по внешнему контуру сферической зоны обслу­живания; невозможно перемещение в пространственной зоне; при­чем вращательное движение верхнего звена руки осуществляется около оси плеча (рис. 3.2,6). Данная кинематическая схема непри­годна для условий выполнения перегрузочных и складских опера­ций.

Кинематическая схема с двумя поступательными, одним враща­тельным движением руки — захват осуществляется в плоской зоне, если указанные движения выполняются относительно различных осей координат. Для данной схемы характерна также известная ог­раниченность движений.

При одном вращательном движении около вертикальной оси и двух поступательных движениях — по двум другим координатам — обеспечивается перемещение деталей в объемно-цилиндрической зоне с вертикальной неподвижной или подвижной осью (рис. 3.2, в). Заметим, что движение руки в цилиндрических координатах встре­чается наиболее часто.

Кинематические схемы с одним поступательным и двумя враща­тельными или тремя вращательными (два вращательных около од­ной и той же руки) движениями руки дает возможность переме­щать груз также в объемно-сферической зоне с неподвижной или подвижной осью сферы (рис. 3.2, г, 6).

Схемы, приведенные на рис. 3.2, виг, отличаются наибольшей универсальностью и компактностью и могут быть рекомендованы при конструировании ПР для погрузочно-разгрузочных операций.

Для иллюстрации представляют интерес данные, характеризую­щие распространение в Японии описанных вариантов кинематиче­ских схем: 50% фирм-изготовителей выпускают ПР с кинематикой в прямоугольной системе координат, 30% — в цилиндрической сис­теме, 11% —в полярной (сферической) системе координат и 9% ро­ботов располагают многошарнирными кинематическими системами. Качество кинематической схемы оценивают коэффициентом полно­ты зоны обслуживания. По оценкам специалистов, для цилиндри­ческой системы координат данный показатель в 10 раз, а сфериче­ской в 30 раз больше, чем при работе промышленного робота в пря­моугольной системе координат.

Кинематика кисти руки позволяет изменять ориентацию груза без изменения положения конца руки. Кинематика кисти выбира­ется в зависимости от кинематики руки. Сколько различных вра­щательных движений (степеней свободы) содержит кинематика ки­сти руки, столько возможно угловых переориентировок груза при пространственном перемещении. Необходимость в угловом пере­ориентировании возникает в том случае, если грузы заранее жестко не ориентированы относительно их конечной позиции. Учитывая то, что грузы обычно имеют форму параллепипеда и их устанавливают на горизонтальной плоскости, так что их продольная и поперечная оси параллельны осям Ох, 0у, достаточно универсальной можно счи­тать кинематику кисти с двумя степенями свободы около этих осей. ПР, работающие с неориентированными в пространстве грузами, должны иметь три степени свободы движения кисти.

При конструировании ПР второго поколения схваты оснащают различными сенсорными элементами: фотоэлектрическими, индук­тивными, электромеханическими, локационными, ультразвуковыми датчиками. С их помощью можно ориентировать схват относитель­но любой позиции груза. На рис. 3.3 представлен такой схват, по­лучивший по имени его автора название «рука Эрнста».

Схват состоит из двух пальцев. Верхний, нижний и наружный торцы каждого пальца оснащены тактильными (осязательными)

д

Рис. 3.3. Схват с системой так­тильных датчиков

атчиками, работающими в двоич­ном коде: включен-выключен. Эти датчики 2 сигнализируют о том, что рука имеет контакт с объектом своими нерабочими участками. На внутреннем и передних торцах каж­дого пальца расположено еще по восемь тактильных датчиков. Они генерируют сигналы, величины ко­торых пропорциональны силе нажа­тия на датчик. Шесть датчиков 3 расположены на внутренних плос­костях схвата и генерируют инфор­мацию о том, какие части пальцев участвуют в схвате и с какой силой пальцы сжимают объект.

Два датчика 5, расположен­ные на передних торцах каждого из пальцев, регистрируют силу сопротивления движению схвата со стороны объекта в случае, ес­ли рука с ним соприкасается в процессе движения. Эти датчики позволяют получить информацию о габаритных размерах объекта.

Таким образом, схват — его

рабочие и нерабочие поверхно- ^Рис- ³-⁴- ^Схема применения манипу- ^у _е * ляторов с линейным двигателем

сти — снабжен подобием органов ^к

осязания, которые реагируют на

силу сжатия. Кроме того, на передних торцах пальцев между датчиками осязания помещено по «глазу» — фотодиоду 4, реаги­рующему на степень освещенности: когда рука приближается своим передним торцом к какому-либо объекту, но не соприка­сается с ним, в ЭВМ посылается сигнал о приближающейся опас­ности и о необходимости снизить скорость движения. Датчик 1 фиксирует момент захвата груза.

Серия «чувствительных схватов» разработана специалистами Ленинградского политехнического института. К ним относятся: схват с восемью ультразвуковыми и световым датчиком, реагирующим на просвет между роботом и объектом; схват с восемью тактильными и девятью светолокационными датчиками; схват с 16 светолокаци­онными и 26 тактильными датчиками, определяющими расстояние и реагирующими на физический контакт с объектом.

Наибольшее распространение в практике конструирования при­водов исполнительных механизмов получили гидравлические, элек­тромеханические и пневматические устройства. В СССР 30\ ПР имеют гидравлический привод.

В качестве электрических сервомеханизмов в ПР применяют серводвигатели переменного и постоянного тока, а также линейные, шаговые двигатели и электромагниты. В приводах механизмов, осу­ществляющих прямолинейные движения, применяют линейные асин­хронные двигатели (АД). Грузоподъемность ПР в этом случае 40 кг, скорость движения — до 1 м/с.

На рис. 3.4 приведен участок применения ПР с асинхронным двигателем.

Привод ПР характеризуется многодвигательной конструкцией с общим вторичным элементом 2 и раздельным управлением каж­дым двигателем 1. На вторичном элементе установлены два двига­теля, управляемые из одного пульта. При такой компоновке два промышленных робота 3 могут обслуживать одни и те же позиции 4 затаривания, комплектации, пакетирования грузов или разборки пакетов.

Пневматические сервомеханизмы разделяются на пневмодвига­тели, моментные винтовые и лопаточные двигатели и пневмоцилинд­ры. Последние могут быть одностороннего и двустороннего дейст­вия. Пневматические сервомеханизмы отличаются простотой управ­ления, низкой стоимостью, высокой надежностью, пожарной безо­пасностью. Вместе с тем эти сервомеханизмы имеют следующие не­достатки: трудность поддержания заданной скорости и осуществле­ния позиционного управления, низкая выходная мощность, утечка воздуха в магистралях.

Гидравлические сервомеханизмы разделяются на два типа: с возвратно-поступательными и вращательными движениями. К до­стоинствам гидравлического привода относятся небольшая масса и компактность, отсутствие редуктора, возможность использования высокого давления, высокая частота собственных колебаний, не­большой коэффициент сжатия, высокое быстродействие и удобное регулирование движения, расхода рабочей жидкости и скорости, высокий КПД. Недостатки сервомеханизмов: необходимость иметь автономный энергоблок, изменение вязкости рабочей жидкости под влиянием температуры, горючесть масла, высокие начальные затра­ты, возможная утечка жидкости и др.

В силу известных преимуществ электрические приводы получают все большее применение при конструировании промышленных ро­ботов. Захватные устройства руки робота оснащаются клещевид­ными приспособлениями, подъемными магнитами или вакуумными присосками.

В табл. 3.1 приведена классификация основных типов захватов, разработанная ВНИИПТмашем. В качестве главных признаков классификации приняты тип привода, способы контакта схвата с грузом, направление движения захвата при контакте с грузом, ха­рактер рабочих движений схвата в процессе захвата.

При пакетировании неориентированных грузов наиболее прием­лемыми конструкциями являются схваты грейферного типа с кон­тактом захвата по наружным поверхностям груза, с вращением его вокруг вертикальной оси или с фронтальным вводом захвата, с вра­щением вокруг одной или двух осей.

При работе с пакетированными грузами наиболее предпочти­тельными являются схваты с вводом захвата снизу с вращением вокруг вертикальной оси. В условиях пакетирования грузов с глад­кой непористой поверхностью успешно применяются вакуумные за­хваты с верхними или фронтальным перемещением схвата для кон­такта с грузом.

При транспортировании грузов, обладающих магнитными свой­ствами, могут применяться магнитные захваты.

В зависимости от функций, выполняемых ПР в технологическом процессе, разрабатываются различные архитектурно-конструктив­ные схемы ПР: портально-мостового типа, консольно-стреловые (крановые), стреловые, портально-стреловые и т. д. Портал, явля­ясь базой конструкции ПР, предусматривается стационарным или движущимся вдоль зоны обслуживания. Для автоматизации погру­зочно-разгрузочных работ наибольший практический интерес пред­ставляют транспортные ооботы, кинематическая структура которых (привод, система автоматики) монтируется на подвижном элемен­те: портале, консоли, раме тележки и т. п. У транспортных ПР, об­служивающих линии металлорежущих станков, «ход» рамы неве­лик, обычно не превышает 20—25 м. Если базой ПР является ста­ционарный портал, то длина рейса роббта определяется пролетом и обычно не превышает 10—15 м. При конструировании портальных роботов иногда предусматривают двурукий схват, когда обе руки размещаются симметрично относительно направляющих портала.