Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Московский государственный технологический университет "Станкин"

Предмет:

Проектирование и конструирование машин и роботов

Файл:

Конспект лекций по КМР

.pdf

Скачиваний:

435

Добавлен:

11.02.2015

Размер:

19.54 Mб

Скачать

☆

1 / 651 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

О.Д. ЕГОРОВ

КОНСТРУИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ

РОБОТОВ

Москва 2008

УДК 621.865.8.001.66(075)

Егоров О.Д. Конструирование механизмов роботов: Учебник.-

М.: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», 2008.-…… 605 с.: ил.

Изложены основные вопросы механики исполнительных устройств роботов, а также методы расчета и конструирования как отдельных механизмов, так и целых модулей, включая и мехатронные модули, входящих в состав исполнительного устройства. Приведены структура робота и его исполнительного устройства, геометрические, кинематические, точностные и технические характеристики, синтез структурных схем исполнительных механизмов; дан анализ кинематики и динамики робота методом матриц; рассмотрены методы расчета и проектирования исполнительных, передаточных, уравновешивающих, люфтовыбирающих, тормозных механизмов, направляющих и рабочих органов; изложены методы расчета точности различных преобразователей движения и методика определения погрешности позиционирования робота; приведен метод расчета и проектирования модулей степеней подвижности и рабочих органов, а также исполнительного механизма; рассмотрены датчики линейных и угловых перемещений, применяемые в роботах; изложены основы теории надежности робота.

Рецензенты:

	ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ....................................................................................		8
Глава	1. СТРУКТУРА РОБОТОВ ..........................................................	9
1.1. Термины и определения ..............................................................		9
1.2. Назначение и классификация робототехнических систем ......		11
1.3. Промышленные роботы и их классификация..........................		17
1.4. Структура промышленного робота ...........................................		21
1.5. Элементы кинематической структуры исполнительного
	механизма ...................................................................................	23
1.6. Обобщенные координаты и степени подвижности .................		28
1.7. Структурные формулы исполнительных механизмов..............		29
1.8. Синтез структурных схем исполнительных механизмов .........		35
Глава	2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОБОТОВ..................	45
2.1.	Геометрические характеристики ...............................................	45
2.2.	Точностные характеристики......................................................	50
2.3.	Кинематические характеристики ..............................................	51
2.2.	Технические характеристики .....................................................	53
Глава	3. КИНЕМАТИКА РОБОТОВ ..................................................	55
3.1. Системы координат роботов .....................................................		55
3.2. Системы координат звеньев ......................................................		57
3.3. Преобразования декартовых координат ...................................		60
3.4. Однородные координаты ...........................................................		63
3.5. Преобразования однородных координат ..................................		64
3.6. Уравнения кинематики исполнительного устройства робота . 67
3.7. Прямая и обратная задачи кинематики....................................		72
3.8. Дифференцирование матриц преобразования .........................		74
3.9. Определение линейных скоростей и ускорений звеньев ........		76
3.10. Определение угловых скоростей и ускорений звеньев ..........		78
Глава	4 ДИНАМИКА РОБОТОВ ........................................................	80
4.1.	Кинетостатический расчет исполнительных устройств...........	80
4.2.	Уравнения Лагранжа 2-го рода .................................................	85
4.3.	Обобщенные силы......................................................................	88
4.4.	Уравнения движения исполнительного устройства .................	92
Глава	5. РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
	УСТРОЙСТВ ............................................................................	97
5.1. Усилия, действующие на звенья исполнительного устройства97
5.2. Расчеты на прочность при статическом нагружении ..............		98
5.3. Расчет исполнительного устройства на выносливость ...........		103

5.4. Статистическая теория подобия усталостного разрушения ..		115
5.5. Расчет на выносливость при регулярном переменном
	нагружении ...............................................................................	124
5.6. Расчет на прочность при нерегулярном переменном
	нагружении ...............................................................................	125
Глава	6. РАСЧЕТ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
	НА ЖЕСТКОСТЬ ..................................................................	129
6.1. Расчет звеньев исполнительного устройства на жесткость ...		129
6.2. Податливость передаточных механизмов приводов...............		131
Глава	7. ПОГРЕШНОСТЬ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ РОБОТА....	138
7.1. Первичные ошибки ..................................................................		138
7.2. Погрешности обобщенных координат....................................		144
7.3. Погрешность ввода обобщенных координат..........................		146
7.4. Кинематические погрешности и мертвый ход
	преобразователей движения ....................................................	147
7.5. Погрешности обобщенных координат, вызванные
	податливостью преобразователей движения приводов .........	164
7.6. Погрешности обобщенных координат, вызванные
	упругими свойствами функциональных звеньев
	исполнительного устройства ...................................................	166
7.7. Погрешность установки исполнительного устройства робота168
7.8. Погрешность позиционирования робота................................		170
7.8. Ошибки передаточных функций .............................................		174
Глава 8. ПРИВОДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ ...................		178
8.1. Пневматический привод ..........................................................		178
8.2. Гидравлический привод ...........................................................		180
8.3. Электрический привод.............................................................		180
8.4. Комбинированный привод ......................................................		182
8.5. Кинематические характеристики привода..............................		183
8.6. Положение центра масс исполнительного устройства ..........		186
8.7. Сила сопротивления привода ..................................................		187
8.8. Момент сопротивления привода .............................................		189
8.9. Выбор двигателя привода ........................................................		192
8.10. Передаточное отношение привода ........................................		196
8.11. Размещение приводов на исполнительном устройстве .......		200
8.12. Электродвигатели ...................................................................		201
8.12.1 Электродвигатели углового движения .............................		201
8.12.2 Линейные электродвигатели.............................................		210

Глава	9. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДВИЖЕНИЯ...................................	217
9.1.	Передача винт-гайка качения...................................................	217
9.2.	Передача винт-гайка скольжения ............................................	232
9.3.	Дифференциальная и интегральная передачи винт-гайка .....	236
9.4.	Реечная передача .......................................................................	238
9.5.	Волновая зубчатая передача .....................................................	255
9.6.	Планетарные передачи..............................................................	268
9.7.	Передачи гибкой связью...........................................................	289
Глава	10. МЕХАНИЗМЫ ВЫБОРКИ МЕРТВОГО ХОДА ..............	295
10.1. Выборка мертвого хода в винтовых механизмах...................		295
10.2. Выборка мертвого хода в зубчатых механизмах....................		299
Глава	11. ТОРМОЗНЫЕ УСТРОЙСТВА ...........................................	304
11.1. Механические тормозные устройства ....................................		305
11.2. Гидравлические тормозные устройства .................................		314
11.3. Пневматические тормозные устройства.................................		317
11.4. Электромагнитные тормозные устройства ............................		320
11.5. Устройства фиксации ..............................................................		326
Глава	12. УРАВНОВЕШИВАЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ .....................	329
12.1. Виды систем уравновешивания ..............................................		330
12.2. Эффективность системы уравновешивания ..........................		332
12.3. Грузовое уравновешивание статических нагрузок
	вращающегося звена ...............................................................	333
12.4. Эффективность грузовой системы уравновешивания
	вращающегося звена ...............................................................	336
12.5. Грузовое уравновешивание статических нагрузок
	исполнительного устройства ..................................................	339
12.6. Пружинный механизм с постоянной нагрузочной характе-
	ристикой уравновешивания статических нагрузок ...............	340
12.7. Пружинный механизм с синусно-косинусной
	нагрузочной характеристикой ................................................	345

12.8.Системы уравновешивания силовых статических нагрузок .350

12.9.Системы уравновешивания моментных статических

нагрузок ...................................................................................	353
12.10. Системы уравновешивания комбинированных
статических нагрузок.............................................................	356
12.11. Системы уравновешивания переменных статических
нагрузок..................................................................................	358

Глава 13. НАПРАВЛЯЮЩИЕ ...........................................................	362
13.1. Направляющие с трением скольжения .................................	362
13.2. Направляющие с трением качения .......................................	368
13.3. Шариковые LM - направляющие .........................................	372
13.4. Шарикосплайновые направляющие......................................	378
13.5. Расчет LM – направляющих на долговечность....................	384
13.6. Расчет шарикосплайновых направляющих
на долговечность ....................................................................	385
13.7. Расчет LM – и шарикосплайновых направляющих
направляющих на статическую грузоподъемность .......................	386
Глава 14. РАБОЧИЕ ОРГАНЫ ..........................................................	387
14.1. Захватные устройства .............................................................	387
14.2. Биологический прототип захватного устройства .................	388
14.3. Факторы, влияющие на конструкцию захватных устройств 390
14.4. Классификация захватных устройств....................................	390
14.5. Технические характеристики захватных устройств ..............	391
14.6. Механические захватные устройства ....................................	392
14.7. Двигатели схватов...................................................................	393
14.8. Передаточные механизмы......................................................	394
14.9. Точность захвата объекта .......................................................	396
14.10. Рабочие элементы .................................................................	403
14.11. Усилия в местах контакта объекта с рабочими элементами403
14.12. Усилие захватывания ............................................................	409
14.13. Усилие привода.....................................................................	411
14.14. Усилия в выходных звеньях преобразователя движения ...	413
14.15. Контактные напряжения......................................................	416
14.16. Геометрические параметры рабочих элементов .................	422
14.17. Диапазон раскрытия рабочих элементов схвата .................	424
14.18. Компоновка схватов .............................................................	425
14.19. Динамические усилия в местах контакта объекта
с рабочими элементами .......................................................	427
14.20. Многообъектные схваты ......................................................	428
14.21. Многофункциональные схваты ...........................................	429
14.22. Крепление рабочего органа к исполнительному
устройству .............................................................................	431
14.23. Вакуумные захватные устройства ........................................	439
14.24. Магнитные захватные устройства........................................	447
14.25. Оснастка ................................................................................	451
Глава 15. ИНФОРМАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА..........................	464
15.1. Датчики информации.............................................................	464
15.2. Датчики положения и перемещения.....................................	465
15.3. Датчики скорости ...................................................................	496

Глава 16. КОНСТРУИРОВАНИЕ МОДУЛЕЙ СТЕПЕНЕЙ
ПОДВИЖНОСТИ И РАБОЧИХ ОРГАНОВ ...................	501
16.1. Уровни модулей.......................................................................	501
16.2. Мехатронные модули ..............................................................	502
16.3. Расчет модулей ........................................................................	510
16.4. Разбиение погрешности модуля по его элементам ...............	512
16.5. Расчет элементов модуля ........................................................	518
16.6. Основы методики конструирования модулей .......................	520
16.6.1. Техническое задание.............................................................	521
16.6.2. Анализ взаимосвязей модуля с внешним окружением ......	522
16.6.3. Разработка технических требований ...................................	523
16.6.4. Предварительное конструирование основных частей
модуля...................................................................................	525
16.6.5. Разработка вариантов эскизной компоновки модуля ........	527
16.6.6. Чертеж эскизной компоновки ............................................	529
16.6.7. Компактность конструкции .................................................	532
16.6.8. Чертеж окончательной компоновки....................................	533
16.6.9. Конструирование с использованием систем
автоматизированного проектирования ..............................	536
Глава 17. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
УCTРОЙСТВ .......................................................................	543
17.1. Стадии проектирования ..........................................................	543
17.2. Номенклатура документов проекта ........................................	547
17.3. Унификация при проектировании .........................................	550
17.4. Конструирование исполнительных устройств.......................	551
17.5. Компоновка исполнительных устройств ...............................	552
17.6. Разбиение погрешности позиционирования робота по
погрешностям степеней подвижности...................................	553
17.7. Основные направления построения роботов ........................	556
17.8. Агрегатно-модульный принцип построения роботов ...........	558
Глава 18. НАДЕЖНОСТЬ РОБОТОВ ................................................	561
18.1. Основные понятия надежности..............................................	561
18.2. Характеристики надежности...................................................	562
18.3. Безотказность...........................................................................	564
18.4. Надежность в период нормальной эксплуатации .................	567
18.5. Надежность в период постепенных отказов ..........................	568
18.6. Надежность сложных систем ..................................................	571
18.7. Резервирование........................................................................	572
ПРИЛОЖЕНИЯ…………..................................................................................	575
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................	602

ПРЕДИСЛОВИЕ

Роботостроение является одной из основных отраслей машиностроения. Создание автоматических линий, автоматизированных производств, «безлюдных» заводов стало возможным благодаря достижениям роботостроения и применению новых многофункциональных машин, имитирующих действия человека – роботов. Внимание ученых, конструкторов, инженеров сосредоточено на разработке высокоэффективных технологий изготовления роботов, расчетах и конструировании как отдельных механизмов, так и всего робота в целом.

В книге изложены основные вопросы механики исполнительных устройств роботов, а также методы расчета и конструирования как отдельных механизмов, так и целых модулей, включая и мехатронные модули, входящих в состав исполнительного устройства. Приведены структура робота и его исполнительного устройства, геометрические, кинематические, точностные и технические характеристики, синтез структурных схем исполнительных механизмов; дан анализ кинематики и динамики робота методом матриц; рассмотрены методы расчета и проектирования исполнительных, передаточных, уравновешивающих, люфтовыбирающих, тормозных механизмов, направляющих и рабочих органов; изложены методы расчета точности различных преобразователей движения и методика определения погрешности позиционирования робота; приведен метод расчета и проектирования модулей степеней подвижности и рабочих органов, а также исполнительного механизма; рассмотрены датчики линейных и угловых перемещений, применяемые в роботах; изложены основы теории надежности робота.

Книга предназначена для студентов специальностей «Роботы и робототехнические системы» и «Мехатроника», а также может быть полезна инженерным и научно-техническим работникам, занимающимся проектированием робототехнических систем и комплексов для автоматизированного машиностроения.

Автор выражает благодарность рецензентам за труд по рецензированию рукописи и критические замечания, а также коллективу кафедры «Робототехника и мехатроника» Московского государственного технологического университета «СТАНКИН» и лично доценту В.А. Игнатьеву за помощь при подготовке книги и полезные советы.

Замечания и пожелания по улучшению содержания книги прошу направлять по адресу: 101472, Москва, Вадковский пер., д. 1, ИЦ МГТУ «СТАНКИН».

Автор

Глава 1 СТРУКТУРА РОБОТОВ

1.1.Термины и определения

Внастоящее время существует большой интерес к проблемам робототехники. Расширяются сферы приложения роботов. Все чаще их применяют в промышленном производстве, бытовом обслуживании, здравоохранении, военном деле, а также в космосе, под водой и других экстремальных средах. Появились и получили широкое распространение принципиально новые классы робототехнических систем, обладающие большой функциональной гибкостью за счет прогрессивных механических конструкций, эффективных приводов, микропроцессорных управляющих систем с развитым программным обеспечением, технического зрения и других средств очувствления, адаптивных возможностей, элементов искусственного интеллекта.

Эти качественные изменения, а также развитие концептуальных представлений о функциях, структуре, принципах построения роботов не всегда находят должное отражение в терминологии, используемой в справочно-информационных изданиях, словарях, учебных пособиях, а также в многочисленных научных публикациях, отличающихся большой терминологической разнородностью и неупорядоченностью. Некоторые традиционно употребляемые в отечественной и переводной литературе по робототехнике термины неточно передают сущность выражаемых ими понятий, допускают многозначное толкование или, наоборот, имеют распространенные синонимичные варианты. Терминологическая нечеткость затрудняет общение специалистов, усложняет учебный процесс, ведет к неверным практическим решениям.

Всвязи с этим разработан ряд нормативных документов и руководящих материалов по терминологии в робототехнике:

ГОСТ 25686-85 «Манипуляторы, автооператоры и промышленные роботы. Термины и определения», стандарт СЭВ 5948-87 «Роботы промышленные. Термины и определения», Технический отчет международной организации стандартизации ИСО 8379 «Манипуляционные промышленные роботы. Словарь», терминология, разработанная комиссией по проблеме «Робототехника и автоматизированное производство» «Теория робототехнических систем. Терминология».

Приводим некоторые термины и определения из терминологии «Теория робототехнических систем. Терминология».

РОБОТОТЕХНИКА – область науки и техники, связанная с созданием, исследованием и применением роботов.

Робототехника охватывает вопросы проектирования, программного обеспечения, очувствления роботов, управления ими, а также роботизации промышленности и непромышленной сферы.

РОБОТ – многофункциональная перепрограммируемая машина, для полностью или частично автоматического выполнения двигательных функций аналогично живым организмам, а также некоторых интеллектуальных функций человека.

Под «перепрограммируемостью» понимают возможность замены, коррекции или генерации управляющей программы автоматически или при помощи человека.

К роботам не относятся, в частности, автооператоры, а также копирующие манипуляторы и другие машины, управляемые только человеком – оператором.

ПРОМЫШЛЕННЫЙ РОБОТ – робот, предназначенный для выполнения технологических и (или) вспомогательных операций в промышленности.

Различают также в зависимости от специфики применения роботы непромышленного назначения, например, «пожарный робот», «сельскохозяйственный робот», «военный робот» и т.д.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ РОБОТ – промышленный робот для выполнения технологических переходов, операций, процессов, оснащенный рабочим или измерительным инструментом.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ РОБОТ – промышленный робот для обслуживания технологического оборудования, перемещения объектов, оснащенный захватным устройством.

СПЕЦИАЛЬНЫЙ РОБОТ – робот для выполнения одной операции одного вида.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ РОБОТ – робот для выполнения различных операций одного вида.

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РОБОТ – робот для выполнения различных операций различных видов.

ЖЕСТКОПРОГРАММИРУЕМЫЙ РОБОТ – робот, управляющая программа которого, введенная на этапе программирования, не может быть изменена в процессе работы в зависимости от функционирования робота и (или) контролируемых параметров рабочей среды.

АДАПТИВНЫЙ РОБОТ – робот, управляющая программа которого может автоматически меняться в процессе работы в зависи-

1 / 651 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>