Вопрос 21: Основы проектирования промышленных роботов.

При создании ПР новых конструкций определенного технологического назначения необходимо определить их специализацию (специальный, специализированный или универсальный), так как это оказывает существенное влияние на конструктивную сложность робота. Далее, исходя из размеров пространства, которое должен обслуживать ПР, необходимо выбрать его кинематическую структурную схему и назначить горизонтальные и вертикальные перемещения, а также углы поворота руки.

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на конструктивные и технические характеристики ПР, является требуемая точность позиционирования. Конструкция ПР представляет собой пространственно-незамкнутые стержневые системы с высокой кинематической подвижностью. Захватные устройства обычно расположены консольно, поэтому с увеличением вылета руки увеличивается амплитуда колебания захватных устройств (вследствие изгиба руки), что снижает точность и увеличивает затраты времени на позиционирование. На точность позиционирования оказывают большое влияние размеры и масса перемещаемой заготовки, значения скорости, ускорения и др.

После выбора геометрических параметров ПР и типа захватного устройства определяют допустимые скорости перемещения манипулируемого объекта при получении заданной точности позиционирования. Далее выбирают тип привода механизмов и захватного устройства ПР, рассчитывают и выбирают конструктивные размеры всех механизмов, а также рассчитывают жесткость и динамическую устойчивость разработанной конструкции.

1. Определяют допустимые скорости позиционирования. Для определения скорости линейного позиционирования в диапазоне перемещений L_x = 0,05 ... 0,8 м (L_x — вылет консоли руки робота) может быть использована эмпирическая формула

где ∆l— погрешность позиционирования, мм; М — масса объекта манипулирования, кг.

С дальнейшим увеличением L_x возможности увеличения v_xp меньшаются, и при L, = 0,8 ... 2

При больших L_x необходимо уменьшать v_хр по сравнению с расчетным значением.

Скорость вертикального перемещения руки обычно неодинакова при движении вверх и вниз. Однако при правильном уравновешивании масс эти различия меньше и скорость можно рас- считать по формуле

где а_г — коэффициент, зависящий от конструкции привода; при гидравлическом приводе а_г = 3; L_z - длина пути при вертикальном перемещении, м; М — масса перемещаемого элемента и детали, кг.

Для определения допустимой быстроходности устройств поворота всей руки относительно вертикальной оси может быть использована формула

Особое внимание при проектировании следует обращать на механизмы углового позиционирования. Там, где возможно по условиям компоновки, предпочтение следует отдавать механизмам линейного позиционирования, характеризующимся большей быстроходностью.

2. Определяют время перемещения. В большинстве ПР, AM портального типа, автооператорах, механизмах автоматической смены инструментов используется закон изменения скорости движения, близкий к трапецеидальному. При трапецеидальном законе изменения скорости время Т отдельного движения может быть определено по формуле

где L — длина перемещения; а_к — ускорение при торможении- разгоне, м/с²; К — коэффициент, зависящий от соотношения ускорений при разгоне и торможении; v₀ — скорость установившегося (равномерного) движения, м/с.

Наиболее часто встречается случай, когда разгон и торможение осуществляются с одинаковым по модулю ускорением, при этом К = 1. Если вращательное движение рассматривать приведенным к определенному радиусу, то расчетную формулу (9.6) можно использовать для вращательного и поступательного движений.

Многочисленные исследования работы ПР показали, что при постоянной длине хода (до 1200 мм) оптимальные скорости перемещения исполнительных устройств достигались при ускорении а_к = 4 ... 5 м/с². Во время работы ПР часто длина перемещений при отдельных движениях переменна и изменяется обычно от нуля до наибольшего хода L_ax. При распределении длины ходов по симметричному закону (например, по нормальному закону равной вероятности и т. п.) можно с некоторым приближением использовать зависимость (9.6), если принять L = L_cp, где L_cp =

= 0,5 L_ax

Следует отметить, что оптимальная скорость движения зависит от длины хода. При малом ходе нет смысла добиваться высокой скорости движения; с увеличением хода оптимальная скорость возрастает.

3. Рассчитывают параметры захватного устройства. В зависимости от способа удержания заготовки захватные устройства делят на открытые и закрытые. При использовании открытых захватных устройств заготовки при транспортировании лежат свободно на призмах и удерживаются под действием собственного веса. В закрытых захватных устройствах зажим и разжим заготовок осуществляются с помощью приводов. Их применяют при сложных траекториях перемещения, больших динамических нагрузках, а также в тех случаях, когда требуется точная фиксация заготовки в различных точках ее траектории. Применяют неуправляемые и управляемые закрытые захватные устройства.

Рис.9.12.Схема захватного устройства с симметричными призматическими губками.

В неуправляемых захватных устройствах заго товки закрепляются с помощью пружины, а в управляемых — губки захватных устройств перемещаются от пневмо- или гидроприводов.

При работе ПР, порталь ных AM и других загрузочных устройств встречается сложное нагружение захватных устройств, причем в процессе манипулирования характер нагрузки и схемы нагружения могут меняться.

Можно выделить две основные расчетные схемы для определения необходимой силы зажима заготовки .

1. При перемещении захватного устройства вес заготовки и сила инерции действуют в плоскости, перпендикулярной к оси заготовки (перемещение питателя портального AM или руки ПР в радиальном или вертикальном направлении); заготовка удерживается благодаря запирающему действию губок при ограниченном воздействии сил трения.

2. При перемещении захватного устройства сила инерции действует вдоль оси заготовки (перемещение каретки портального AM, перемещение руки ПР вертикально при вертикальном расположении заготовки или при повороте руки в горизонтальной плоскости при горизонтальном расположении заготовки типа вала); заготовка удерживается благодаря запирающему действию губок при значительном воздействии сил трения. Сила трения и сила инерции действуют вдоль оси детали.

На рис. 9.12 приведена схема захватного устройства с симметричными призматическими губками. На рисунке обозначено:. G₃ — вес заготовки; М_1, М₂ — удерживающие моменты относи- тельно осей поворота губок; a, b — размеры рабочих элементов; D — диаметр заготовки; р — угол наклона траектории захватного устройства; а — угол призмы; Fи— сила инерции, действующая на заготовку при радиальном перемещении захвата; N'₁,N”₁, N'₂, N'₂ — нормальные силы, действующие на заготовку при ее зажиме призматическими губками.

На устойчивое положение заготовки во время ее перемещения существенное влияние оказывают: ускорение при торможении, угол р между направлением движения захватного устройства и вертикалью, угол 2а призмы губок, сила привода захватного устройства.

Сила привода захватного устройства определяется с учетом имеющихся схем нагружения для критического действия нагрузок. Для ее определения необходимо знать удерживающий момент относительно осей поворота губок.

Рассмотрим случай, когда Р^аи захватное устройство перемещается в радиальном направлении. При этом условии вес заготовки G₃ и сила инерции F_H при торможении (разгоне) будут действовать на нижнюю призму до тех пор, пока заготовка находится в состоянии покоя и ускорение а_к не превысит определенного критического значения ар. Критическое значение ускоре- ния а_р зависит от соотношения углов а и р и определяет распределение сил в захватном устройстве при его перемещении. При а_к < ар возможно перемещение заготовки в открытом захватном устройстве.

Для определения ар составим уравнение моментов относительно точки С (рис. 9.12):

где h" = (D/2) sin (β — a); h' = (D/2) sin a; F„ = (GJg) a_p. Решив уравнение (9.7), получим

При a_K < ap вес заготовки G₃ и сила инерции F„ действуют на нижнюю призму и суммарный удерживающий момент

где I — плечо действия веса заготовки G₃, / = Ъ sin Р + ^{а cos} P-

После преобразований получим

Рассмотрим случай, когда р =э а, но захватное устройство перемещается вдоль оси заготовки (поворот руки ПР, перемещение каретки портального AM). При этом до некоторого допустимого значения ускорения а_к, равного а'р, возможно перемещение заготовки в открытых захватных устройствах благодаря силам трения между заготовкой и поверхностью губок. Сила трения в данном случае действует параллельно оси заготовки и определяется

где Л/_ъ N₂ — реакции от веса заготовки; ц — коэффициент трения заготовки о поверхность губок.

После подстановки N_x и N₂ получаем

Для определения критического значения допустимого ускорения при перемещении заготовки в открытом захватном устройстве составим уравнение равновесия:

где сила инерции, которая действует параллельно оси заготовки.

После преобразований получим

Формула (9.14) справедлива при а < 90°.

Необходимый удерживающий момент относительно оси поворота нижней губки определяют из уравнения (9.10) при а_к = 0

Из формул (9.8) и (9.14) вытекает, что при р > 0 и а < 90° критическое ускорение ар" всегда больше ар. Поэтому при а_к > ар' наиболее нагруженным захватное устройство будет под действием силы инерции вдоль оси заготовки. Тогда для предотвращения смещения заготовки в захватном устройстве необходимо приложить к губкам дополнительный момент

Тогда суммарный удерживающий момент относительно осей поворота губок

Формула (9.17) справедлива при р > а и a < 90°.

Зная удерживающий момент относительно осей поворота губок, можно определить силу, которую должен развивать привод захватного устройства. Необходимо отметить, что эта сила при- вода несколько отличается от расчётной. Это объясняется тем, что при автоматической загрузке и разгрузке обрабатываемых заготовок на станок ось заготовки не совпадает с осью захватного устройства. Для учета несоосности при расчете силы привода захвата вводится коэффициент запаса К. Необходимую силу привода захватного устройства определяют с учетом схемы нагружения. На рис. 9.13 приведены схемы захватных устройств.

Для клинового захватного устройства (рис. 9.13, а) сила привода может быть определена по формуле

Рис. 9.13. Схемы захватных устройств

Для рычажного привода (рис. 9.13, б, в)

Для реечного привода (рис. 9.13, г)

где р — приведенный угол трения; р = 1 10' — при осях на подшипниках качения; р = 3° — при осях на подшипниках скольжения; η₁= 0,9, η₂ = 0,9 ... 0,95, η₃= 0,94 — КПД шарниров; γ = 4 ... 8° — угол клина, °; т — модуль сектора, мм; z — полное число зубьев сектора (колеса); К = 1,6 при эксцентриситете е < 2,5 мм; K = 2 при е = 2,5 ... 5 мм.

4. Выбирают параметры струйных захватов. В основу принципа работы струйных захватов положен эффект возникновения присасывающего действия, выражающийся во взаимодействии истекающего из отверстия с развитой поверхностью торца потока сжатого воздуха с обтекаемой им плоской поверхностью заготовки.

На рис. 9.14 приведена принципиальная схема струйного захватного устройства.

Направленная параллельно или под углом а к плоскости заготовки струя воздуха под постоянным давлением истекает сквозь сопловую кольцевую щель 5 в зазор h₂, образованный торцом корпуса / и плоскостью заготовки, и в дальнейшем преобразуется в плоский кольцевой радиальный поток. Скорость течения у₀ потока воздуха, примерно равная в начале щели критиче скои, постоянно снижается до нуля по мере удаления от начала щели.

Рис. 9.14. Принципиальная схема струйного захватного устройства:

1— корпус; 2 — камера; 3 — подводной канал сжатого воздуха; 4 — коническая тарелка; 5 — сопловая кольцевая щель

Она определяет энергию движущего сплошного потока газа. Эта энергия, характеризующаяся полным напором, состоящим из суммы пьезометрического и динамического напоров , вызывает в зоне торца захватного устройства понижение давления до значения ниже атмосферного, что способствует появлению аэродинамического эффекта притяжения. Под его действием заготовка с определенного расстояния будет поднята вверх и прижата к торцу захвата. Заготовка не соприкасается непосредственно с торцом захвата, а свободно плавает на образованной в зазоре взаимодействующих торцов воздушной подушке, автоматически поддерживая зазор h₂ толщиной около 0,08—0,15 мм.

Эффективность струйного захватного устройства с кольцевой щелью на торце зависит от оптимального соотношения между зазором h₂ и толщиной h_x конической щели, измеряемой в нормальном к поверхности фасок направлении и равной примерно 0,12 м и максимальная сила присасывания F_пр (до 250—300 Н) обеспечивается, когда h_2/ h₁ = 2,8 ... 3,2, а угол наклона щели α= = 120 ... 150°.

Суммарная сила присасывания F_np струйного захвата с кольцевой конической щелью может быть определена по формуле

Скорость потока воздуха на выходе из конической щели v₀ определяется

где μ=0,6…0,7— коэффициент расхода воздуха сквозь кольцевой зазор; ρ_а — плотность воздуха при атмосферном давлении, ρ_а = 1,207 при р — 10⁵ Па и t = 20 °С; п — показатель адиабаты; п = 1,4 для воздуха; R — газовая постоянная, R = 287 (сухой воздух); Т — абсолютная температура воздуха; Т = 273 + t °C; р_м — магистральное давление.

Для устойчивой работы струйных захватов и их приводов рекомендуется магистральное давление (18,62 — 49,05) 10⁴ Па. Грузоподъемность струйных захватов регулируют плавным из-

менением входного давления либо конструктивных параметров захвата, а производительность — периодической подачей сжатого воздуха к захвату циклично по отношению к работе машины. Захваты просты в изготовлении, удобны в эксплуатации, один и тот же захват может использоваться для подачи различных по размерам и конфигурации заготовок, что снижает требования к погрешностям расчетов. (Проектирование автоматизированного производственного оборудования:Учеб. пособие для вузов/М.М.Кузнецов,Б.А. Усов, В.С. Стародубов.- М.:Машиностроение, 1987.-288 с.:ил. )стр 267-275.