Конспект лекций по КМР

17. По дискретности перемещения: многоточечные, малоточечные.

1.4.Структура промышленного робота

Всостав промышленного робота входят:

Исполнительное устройство (ИУ) – устройство промышленного робота, выполняющее все его двигательные функции (рис. 1.19).

Рис. 1.19

Рабочий орган (РО) – составная часть исполнительного устройства промышленного робота для непосредственного выполнения технологических операций и(или) вспомогательных переходов.

Примерами рабочего органа служат сварочные клещи, окрасочный пистолет, сборочный инструмент, захватное устройство – рабочий орган робота, предназначенный для взятия и удержания объекта рабочей среды.

Устройство управления (УУ) – устройство промышленного робота для формирования и выдачи управляющих воздействий исполнительному устройству в соответствии с управляющей программой (рис. 1.19).

Исполнительное устройство и устройство управления могут быть структурированы самостоятельно. Более полная структура исполнительного устройства промышленного робота с электромеханическим приводом представлена на рис. 1.20.

21

Структура исполнительного устройства робота с электромеханическим приводом

1.5. Элементы кинематической структуры исполнительного механизма

Исполнительный механизм (ИМ) – механическая часть исполнительного устройства робота, реализующая двигательную функцию. Он представляет собой систему твердых и упругих тел, соединенных между собой различными видами связей.

Твердые тела, входящие в состав исполнительного механизма и являющиеся его функциональными элементами называют звеньями. Звено исполнительного механизма конструктивно может состоять из нескольких деталей, не имеющих между собой относительного движения.

Звено, принимаемое за неподвижное, называют основанием (стойкой). Звено, которому сообщают движение, преобразуемое исполнительным механизмом в требуемые движения других звеньев, называют входным. Звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен исполнительный механизм, называют выходным (конечным, последним).

Максимальное число входных звеньев равно числу степеней подвижности исполнительного механизма.

Звенья, находящиеся между входным и выходным звеньями называют промежуточными.

Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающих их относительное движение, называют кинематической парой. Совокупность поверхностей, линий и точек звена, входящих в соприкосновение (контакт) с другим звеном пары, называют элементом пары. Для того, чтобы элементы пары находились в постоянном соприкосновении, пара должна быть замкнута геометрическим (за счет конструктивной формы звеньев) или силовым (силой тяжести, пружиной, силой давления жидкости или газа и т.п.) способом.

Контактирующие поверхности, линии и точки звеньев, являющиеся элементами кинематической пары, могут образовывать простые и сложные кинематические пары. В простой кинематической паре (рис. 1.21) контактируют только два элемента 1 и 2, которые определяют соответствующее число компонент реакций связей. В сложной паре (рис. 1.22) необходимые геометрические связи дублируются дополнительными связями 1' и 2'. Дополнительные элементы кинематических пар вводят для уменьшения давления и износа контактирующих поверхностей за счет перераспределения реактивных сил и увеличения размеров элементов кинематических пар.

24

Оптимальная система расположения элементов кинематической пары – понятие относительное: конструкция оптимальная для одних условий, может быть неприемлемой для других. Часто это связано с технологичностью, как совокупностью свойств конструкции, проявляемых при оптимальных затратах труда, средств, материалов и времени при принятых условиях изготовления, эксплуатации и ремонта промышленного робота. Конструкция, достаточно технологичная в единичном производстве, часто оказывается малотехнологичной в массовом производстве и совершенно нетехнологичной в автоматизированном производстве.

Кинематические пары классифицируют по числу связей (ограничений), налагаемых парой на относительное движение звеньев (классификация И.И. Артоболевского) на кинематические пары пятого, четвертого, третьего, второго и первого классов (табл. 1.1).

По характеру соприкосновения звеньев кинематические пары делят на низшие, если элементы звеньев соприкасаются только по поверхности, и высшие, если элементы звеньев соприкасаются только по линиям или в точках. При этом линейный или точечный контакт понимается как первоначальный – при соприкосновении звеньев без усилия, – а под нагрузкой звенья, образующие высшую пару, будут соприкасаться по некоторой фактической поверхности, называемой пятном контакта.

Преимущество низших кинематических пар по сравнению с высшими – возможность передачи больших сил, поскольку контактная поверхность соприкасающихся звеньев низшей пары может быть весьма значительна. Применение высших пар позволяет уменьшить трение (шарикоподшипник) и получать нужные, самые разнообразные законы движения выходного звена путем придания определенной формы звеньям, образующих высшую пару.

Кинематические пары во многом определяют работоспособность и надежность исполнительного устройства промышленного робота, поскольку через них передаются усилия от одного звена к другому; в кинематических парах, вследствие относительного движения, возникает трение, элементы пары находятся в напряженном состоянии и в процессе изнашивания.

Конструкция сложных кинематических пар наряду с повышением жесткости и точности должна обеспечивать непринужденную сборку узлов и позволять исполнительному механизму сохранять заданное число степеней подвижности при возможных деформациях стойки, валов, осей и других деталей под действием внешних нагрузок.

26

Т а б л и ц а 1.1

Классификация кинематических пар

В исполнительных механизмах промышленных роботов используют кинематические пары только 5, 4 и 3 классов, но в основном кинематические пары 5-го класса.

Пары 4 и 3 классов эквивалентно заменяют комбинацией двух или трех пар 5-го класса (рис. 1.23), т.е. кинематическим соединением – кинематической цепью, конструктивно заменяющей в исполнительном механизме кинематическую пару.

27

Систему звеньев, связанных между собой кинематическими парами называют кинематической цепью. В зависимости от вида движения звеньев кинематические цепи подразделяют на плоские (рис 1.24, а, в) – звенья движутся в одной или нескольких параллельных плоскостях, и пространственные (рис. 1.24, б, г) – звенья движутся в пространстве.

а)

б)

Кинематические цепи могут быть замкнутыми (рис. 1.24,в) и незамкнутыми (рис. 1.24, а, б, г). Кинематические цепи исполнительных механизмов ПР являются в основном незамкнутыми . Существуют незамкнутые кинематические цепи с местными замкнутыми контурами (рис. 1.24, г).

Исполнительный механизм робота в процессе функционирования может иметь различную структуру. Во время движения в пространстве его можно рассматривать как незамкнутую кинематическую цепь. При выполнении технологической операции на движение исполнительного механизма накладываются дополнительные связи и он превращается в замкнутый механизм.

28

1.6. Обобщенные координаты и степени подвижности

Независимую переменную, определяющую положение последующего звена исполнительного механизма относительно предыдущего называют обобщенной координатой. Угловые обобщенные координаты обозначают ij, линейные – Sij. Первый индекс i означает положение какого звена определяют, второй индекс j- относительно какого звена определяют положение звена i. В общем случае угловые и линейные обобщенные координаты обозначают qi.

Начало отсчета обобщенной координаты выбирают на продолжении предыдущего (j-го) звена, конец – на направлении последующего (i-го) звена. Для первого звена начало отсчета выбирают на оси координат, связанной с основанием.

Обобщенную координату считают положительной, если ее

направление не совпадает с направлением хода часовой стрелки, и отрицательной – если совпадает с направлением хода часовой стрелки. На рис. 1.25, а, б, в показаны обобщенные координаты, определяющие положение звена i относительно звена j.

Степень подвижности (СП) – соединение двух звеньев, позволяющее сообщать одному из них одну управляемую обобщенёную координату. Степень подвижности включает в себя привод, сообщающий движение звену. Число степеней подвижности W исполнительного механизма равно числу управляемых обобщенных координат. На структурных и кинематических схемах степени подвижности и кинематические пары имеют одинаковое условное изображение. На рис. 1.25, а степени подвижности обозначены буквами А, В, С и соответствующие им обобщенные координаты

10, 21, 32, на рис. 1.25, б – А, В, С, Д и обобщенные координаты10, S21, S32, 43, на рис. 1.25, в – А, C, F и обобщенные координа-

ты q1, q5, q3.

Следует отметить, что степень подвижности и кинематическая пара имеют разную физическую сущность и необходимо уметь их различать.

Структурную схему исполнительного механизма, содержащую минимальное число звеньев и степеней подвижности, необходимых для реализации требуемого движения рабочего органа, называют основной или схемой с оптимальной структурой. На рис. 1.25,а,б показаны основные структурные схемы, на рис. 1.25, в – не основная структурная схема. Для получения из нее основной структурной схемы необходимо замкнутый контур разрезать так, чтобы полученная структурная схема содержала минимальное число звеньев и степеней подвижности (рис. 1.25, г).

29

Рис. 1.25

1.7. Структурные формулы исполнительных механизмов

Существуют общие закономерности в структуре (строении) самых различных исполнительных механизмов, связывающие число степеней подвижности исполнительного механизма с числом звеньев, числом и видом его кинематических пар. Эти закономерности носят названия структурных формул исполнительных механизмов.

Для пространственного исполнительного механизма структурная формула (формула А.П. Малышева) имеет вид:

30

где W – число степеней подвижности пространственного исполнительного механизма; n – число подвижных звеньев; i – класс кинематической пары; Pi – число кинематических пар i-го класса. В исполнительных механизмах роботов могут быть использованы только кинематические пары 5, 4 и 3 классов.

Число степеней подвижности плоского исполнительного механизма определяют по формуле П. Л. Чебышева:

где цифра 4 относится к высшим кинематическим парам, цифра 5

– к низшим.

Если в пространственных и плоских исполнительных механизмах число подвижных звеньев равно числу кинематических пар, то их число степеней подвижности находят по формулам:

В частном случае в пространственных и плоских исполнительных механизмах, имеющих кинематические пары только 5-го класса и число звеньев n равное числу кинематических пар P5, число степеней подвижности равно: W=P5.

Исполнительные механизмы роботов могут быть и с местными плоскими замкнутыми контурами, созданными при помощи плоских структурных групп.

Плоские замкнутые контуры требуют высокой точности изготовления и сборки. Иначе происходит заклинивание или увеличивается трение в кинематических парах за счет перекосов в них. Плоские замкнутые контуры можно рассматривать как пространственные с избыточными контурными связями. В этом случае плоская структурная группа будет налагать на замкнутый контур 3 избыточных связи.

Если кинематические пары в плоской структурной группе кроме 5 класса могут быть 4 и 3 классов, т.е. иметь дополнительные подвижности, то число степенй подвижности пространственного исполнительного механизма с местными замкнутыми контурами находят по формуле:

31