Учебная литература / ulstu2012-116

манипулятор ПР, показанный на рис. 6.2, а, имеет 5 степеней свободы (рис. 6.2,б), а его основными элементами являются: неподвижная станина –

Рис. 6.2. Конструктивные схемы манипуляторов: а – общий вид; б – схема

Применяют в манипуляторах различные схваты в виде клещевых захватов, сдвигающихся губок, пневмоприсосов, электромагнитов и др. Когда требуется информация о контакте с объектом манипулирования, на схвате установлены датчики.

Наибольшее применение в рычажных механизмах манипуляторов получили кинематические цепи с одноподвижными кинематическими парами. Другие кинематические пары, например сферические шарниры, затрудняют подвод движений от приводов.

Различают три класса или поколения ПР с автоматическим управлением:

1) ПР, работающие по жесткой программе (применяются в машиностроении и выпускаются серийно);

2)ПР, работающие по комбинированной программе, сочетающей жесткую программу с элементами адаптации к неизвестным (меняющимся) условия внешней среды (например, поиск предмета в заданной зоне), а информация о внешней среде идет от соответствующих датчиков;

3)ПР с элементами искусственного интеллекта, где система управления сама формирует и реализует программу в зависимости от поставленной цели в процессе самообучения. Это кибернетические устройства.

111

6.2. Структура и геометрия манипуляторов

Структура кинематических цепей довольно разнообразна и различается числом звеньев видами и расположением кинематических пар с различной подвижностью. Наиболее распространенным являются

Рис. 6.3. Схемы манипуляторов

В них используются как одноподвижные вращательные и поступательные пары, так и сферические. Сферические пары иногда заменяются тремя вращательными парами, оси которых пересекаются в одной точке. Каждый манипулятор характеризуется рабочим объемом, т. е. объемом, ограниченным поверхностью, огибающей все возможные положения захвата. Например, рабочий объем манипулятора (рис. 6.3, а) ограничивается сферой с радиусом, равным максимальной длине кинематической цепи.

Рис. 6.4. Замена к.п. Рис. 6.5. Зона обслуживания манипулятора

112

Маневренность манипулятора – это число степеней свободы кинематической цепи при неподвижном захвате. Например, манипулятор по схеме рис. 6.3, а имеет m = 1; по схеме на рис. 6.3, б, в – m = 0. Повышение маневренности позволяет выполнять более сложные движения и увеличивает свободу действий оператора при управлении.

Фактически, маневренность равная единице означает, что к заданной точке в заданном направлении схват может подойти при различных положениях остальных звеньев.

Часть рабочего объема, в котором можно выполнять операции с объектом манипулирования, называют зоной обслуживания, или рабочей зоной. Так для манипулятора по схеме на рис. 6.3, а рабочая зона –

подойти к этой точке (мерой телесного угла является площадь, вырезаемая им на сфере единичного радиуса, с центром в вершине, а сам угол – это часть пространства, ограниченная прямыми, проведенными из одной точки (вершины) по всем точкам какой-либо замкнутой кривой). Отношение

кинематической схемы манипулятора.

К техническим показателям, характеризующим манипуляторы и промышленные роботы, относятся также: грузоподъемность, быстродействие, точность позиционирования, (определяемая разбросом положений руки ПР при выполнении одной операции) энергетические затраты.

113

Рис. 6.6. График зависимости (R)

6.3. Механика промышленных роботов

Кинематическая структура и двигательные возможности ПР определяются видом и последовательностью расположения кинематических пар. Обычно различают глобальные, региональные и локальные движения. Наличие возможности глобального перемещения обеспечивает мобильность робота, в противном случае он стационарен. Региональные движения относятся к внутриоперационным, а локальные обеспечивают ориентацию и точность позиционирования.

Использование различных комбинаций кинематических пар 5-го класса позволяет получать схемы ПР, работающих в прямоугольной, цилиндрической, сферической рабочих зонах (рис. 6.7).

Основным требованием при выборе варианта схемы манипуляционной системы ПР является обеспечение возможности выведения рабочих органов робота в любую точку заданной рабочей зоны с требуемой точностью. Это, как правило, требует не менее шести степеней подвижности и более (с учетом подвижности захватных устройств). Чем больше степень подвижности, тем больше возможностей проникновения в труднодоступные области рабочей зоны. Поэтому требуется некоторая избыточность степени подвижности, хотя это и усложняет конструкцию и уменьшает точность.

Анализ возможных компоновок ПР позволяет обосновать обобщенную структуру манипуляционной системы, состоящую из следующих основных элементов (модулей): основание; колонна,

114

закрепленная на основании; рука (руки), крепящаяся к колонне; кисть, крепящаяся к руке; технологические механизмы, крепящиеся к кисти; захватные устройства или другие рабочие органы, крепящиеся к кисти. Для подвижных ПР добавляется тележка напольного или подвесного исполнения.

Рис. 6.7. Схемы промышленных роботов

Для быстрой переналадки требуются унифицированные элементы сопряжения в соединениях «рука – кисть – технологический механизм – захватное устройство», что позволяет изымать промежуточные элементы, не требующиеся в конкретном случае.

Модульный принцип, или принцип агрегатирования позволяет формировать робот из законченных машинных агрегатов, содержащих как обычные приводные устройства и механизмы, так и энергетические и информационные. Каждый модуль обеспечивает одну или несколько степеней подвижности робота. В частности комбинация из трех модулей прямолинейного перемещения позволяет получать компоновку робота РПМ-25, работающего в декартовой системе координат. Использование модуля вращения дает компоновку с рабочей зоной в цилиндрических координатах, а при использовании модуля качения получаем компоновку в сферической системе координат. Число комбинаций модулей достигает 100 и более. В модулях используются различные винтовые передачи, червячно-зубчатые редукторы высокой точности (безлюфтовые), самотормозящие муфты дискового типа и т. д. Привод основных движений – электрический с обратной связью по положению и скорости. Управление – тиристорное. Привод операционных механизмов – пневматический.

6.4. Исполнительные механизмы и привод ПР

Исполнительные механизмы могут быть электрические, пневматические, гидравлические. Гидравлический привод обеспечивает

115

высокую грузоподъемность ПР, высокие скорости и удобство управления. Однако максимальные скорости обеспечивает пневматический привод, применяемый в 50% выпускаемых ПР.

В последнее время в ПР часто используется электрический привод. Механические приводы применяются главным образом в моделях ПР, когда не требуется частая переналадка и грузоподъемность ограничена.

Для исполнительных механизмов циклового действия используются механические приводные устройства возвратно-поступательного или ротационного действия с программоносителями в виде профилированных кулачков или барабана, где вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное выходных звеньев манипуляторов (рис. 6.8, а). Широкие возможности открываются с использованием высокочастотных вибродвигателей, имеющих хорошие динамические параметры в переходных режимах (пуск, остановка, шаговый режим), т. к. виброэлемент с момента отключения питания становится тормозящим. Они обеспечивают высокую точность манипулирования. Принцип действия основан на преобразовании косых ударных колебаний высокой частоты (более 20 тыс. Гц) во вращательное движение ротора за счет сил сухого трения (рис. 6.8, б).

а) б)

Рис. 6.8. Приводные устройства:

а– кулачковые; б – вибрационные

6.5.Построение двигательных систем роботов

Важной конструктивной характеристикой манипуляторов ПР является место расположения двигателей относительно приводимых ими в движение звеньев. От варианта компоновки зависят быстродействие, управляемость и области применения.

Существуют три типа расположения приводов: непосредственно в

116

шарнирах механизма, на основании и комбинированное, т. е. на подвижных и неподвижных звеньях. Создаются также конструкции, в которых все движения манипулятора осуществляются от одного двигателя через муфты переключения.

Наиболее распространен комбинированный тип расположения двигателей. При этом расположение двигателей на подвижных звеньях является наиболее простым с точки зрения протяженности приводных устройств, что уменьшает кинематические ошибки передачи движения, но увеличиваются габариты и масса. Компоновка приводов на основании уменьшает массу подвижных звеньев, но требует усложнения приводных устройств, что приводит к ошибкам передачи движения и увеличивает число звеньев. В многозвенных кинематических цепях возникают люфты, требующие спецмер по их выборке.

При размещении привода на основании передача движения осуществляется ролико-ленточным или зубчато-рычажным дифференциальным механизмом. Примеры приводов показаны на рис. 6.9, а, б.

а) б)

Рис. 6.9. Приводы роботов: а – роликоленточный; б – дифференциальный

Передача движения от приводов к звеньям основного механизма в большинстве серийно выпускаемых роботов осуществляется с помощью трубчатых валов, на концах которых жестко закреплены конические колеса. Эти колеса входят в состав трехзвенных дифференциальных

117

механизмов (ТDM). Например, шарнир в виде ТDM на рис. 6.10. Позволяет осуществлять сгиб относительно оси Y и вращение по оси Z. Существуют более сложные конструкции, а также конструкции, обеспечивающие транзитную передачу движения. Для этого внутри основных звеньев устанавливаются автономные ТDM.

Рис. 6.10. Схемы ТDM: а – шарнирная; б – шарнирно-автономная

Рассматриваемые шарниры относятся к сферическим механизмам. Угловые скорости ведомых валов ТDM находятся в результате

кинематического анализа при заданных скоростях ведущих звеньев. При этом используются элементы векторной алгебры (матричные методы).

Силовой анализ исполнительных механизмов проводится на базе кинематического, при этом механизм разбивается на статически определяемые части и определяются неизвестные реакции из уравнений статики.

В многозвенных кинематических цепях, служащих для передачи движения к основным звеньям манипулятора, возникают зазоры в кинематических парах. Эти зазоры могут стать причиной больших кинематических ошибок при перемещении исполнительного органа по заданной программе, поэтому для их устранения используются специальные конструкции замыкающих кинематических цепей, содержащих упругий элемент (торсион), который предварительно закручивается (рис. 6.11).

118

Рис. 6.11. Кинематическая цепь с упругим элементом

6.6. Захватные устройства и передаточные механизмы

Захватные устройства (схваты) выполняются, как правило, сменными или универсальными, для удержания различных по размерам и конфигурации объектов.

Схваты можно разделить на 4 группы: механические; вакуумные; магнитные и пр. (использующие захватывание за счет прилипания, прокалывания, притяжения). Деталь может удерживаться снизу, с двух сторон механическими пальцами или др. методами.

При расчете и конструировании схватов учитывается форма детали, ее свойства, условия техпроцесса и т. д.

Массу захвата и его габариты стремятся уменьшить, чтобы уменьшить инерционные нагрузки и обеспечить работу в ограниченном пространстве.

Для обеспечения широкого диапазона размеров захватываемых деталей создаются быстропереналаживаемые конструкции схватов, например, с регулируемыми губками.

Одним из требования является возможность самоустановки захватываемого объекта с компенсацей неточности положения объекта. Для этого вводят в конструкцию податливый элемент.

Механические захватные устройства могут быть с односторонним, двухсторонним и объемным захватом при непосредственном контактировании или с дополнительным фиксирующим устройством (гибкие ленты, эластичные камеры и др.). По конструктивному признаку схваты могут быть: шарнирные, кулачковые (клиновые), зубчатые, винтовые, цепные, комбинированные.

Для схватов чаще всего используется пневмо- и гидропривод, реже электромеханизм. Преимущество пневмопривода – простота, удобство регулировки усилия зажима, отсутствие течи, а недостатки – большие габариты и малое усилие зажима. Эти недостатки устраняются в гидроприводе.

119

Рис. 6.12. Конструкции схватов: а – с гидроприводом;

б– с электроприводом; в – с пневмоприводом

Впримерах схватов (рис. 6.12), захват «а» обеспечивает быстроту срабатывания, надежность, компактность, возможность самоустановки детали. Применяется в манипуляторах токарного обрабатывающего центра.

Схват по схеме «б» реализует плоскопараллельный тип движения и используется для захвата деталей с параллельными гранями при меняющейся номенклатуре (плиты, короба и т. д.). Привод – пневмоили гидроцилиндр. Схема схвата с параллельными губками нерациональна при работе с крупногабаритными объектами, так как конструкция получается громоздкой. В этом случае применятся схват, у которого пальцы (губки) перемещаются в направляющей и каждый палец может иметь независимый привод «в». Схема «а» с «ломающимися» рычагами дает значительный выигрыш в силе зажима.

Применяются захватные устройства с эластичными камерами (пальцами) для захвата изделий хрупких или различающихся размерами. Их действие основано на деформации эластичной камеры под действием давления воздуха или жидкости. Поверхности «пальцев», обращенные к удерживаемой детали, менее эластичны, чем их противоположные стороны, в результате пальцы деформируясь, облегают деталь и удерживают ее.

С целью сокращения времени на загрузочных операциях разработаны конструкции двухзахватных устройств последовательного действия. При этом робот, взяв заранее с транспортера или тары заготовку, останавливается в непосредственной близости от рабочей зоны станка. Предыдущая деталь после обработки снимается свободным схватом, а заготовка вторым схватом устанавливается на станок. После этого станок

120