Конспект лекций по КМР

Долговечность работы шарикосплайновых направляющих в часах, ч, определяют в виде:

где lS – длина хода, м; n1 – частота возвратно-поступательных перемещений (циклов) в минуту, ц/мин.

13.7. Расчет LM – и шарикосплайновых направляющих на статическую грузоподъемность

Расчет направляющих на статическую грузоподъемность проводят по формуле:

где С0 – основная номинальная статическая нагрузка, Н; P0– статическая нагрузка, Н; fS – статический коэффициент безопасности. При спокойной нагрузке и малом прогибе оси fS =1,0...1,5; при ударном воздействии и осевой силе fS =2...5.

387

Глава 14 РАБОЧИЕ ОРГАНЫ

Рабочий орган (РО) – часть исполнительного устройства, осуществляющая непосредственное взаимодействие с объектами рабочей среды.

Рабочий орган связывают с исполнительным устройством робота механическими, энергетическими, информационными связями, а также оснащают системами подачи материалов (сварочной электродной проволоки, охлаждающих веществ, воздуха и газа, смазочного материала, жидкости для окраски и распыления) к месту работы. Все это позволяет рассматривать рабочий орган как отдельную подсистему робота, от совершенства которой во многом зависит эффективность его использования.

Рабочие органы могут быть разделены на два вида: захватные устройства и оснастка, включающая в себя приспособления для закрепления в них технологического инструмента и самого технологического инструмента.

14.1. Захватные устройства

Перефразировав афоризм Джона Мильтона «Человек – не остров» [41] можно сказать «Робот – не остров». Робот взаимодействует с окружающей средой, совершает операции над объектами. Вся совокупность движений робота подчинена основной цели – перемещению объекта, удерживаемого захватным устройством.

Захватным устройством (ЗУ) называют рабочий орган робота для захватывания и удержания предметов производства и (или) технологической оснастки, называемых объектами. В терминологии по теории робототехнических систем – захватное устройство это рабочий орган манипулятора, предназначенный для взятия и удержания объекта рабочей среды.

Элемент захватного устройства, вступающий непосредственно в контакт с объектом называют рабочим элементом.

Объект представляет собой тело, перемещаемое в пространстве роботом. К объектам относят предметы производства, инструмент, технологическую оснастку.

Объекты могут быть жидкими, сыпучими, твердыми. В большинстве случаев объекты являются твердыми. В свою очередь они могут быть хрупкими, упругими, пластичными. Форма объектов может быть самой разнообразной: плоской, объемной, изменяю-

387

щейся (кабели, шланги, резиновые ленты, пленки), цилиндрической, призматической, сферической, коробчатой и т.п., а также симметричной и несимметричной. Кроме того, форма поверхностей захвата может иметь или не иметь точки, оси или плоскости симметрии, отверстия, выступающие штыри, облой. При описании объекта важно знать, неподвижен объект во время захватывания или он находится в движении. Также объект характеризуется массой, габаритными размерами, положением и ориентацией осей симметрии и поверхностей, диапазоном изменения погрешностей формы и положения поверхностей, диапазоном изменения погрешностей установки, качеством обработки поверхностей.

Захватное устройство связывает исполнительное устройство робота с внешним миром. Конструкция захватного устройства должна это отражать. В ней должны быть учтены как возможности робота, так и специфика задания по перемещению объекта.

14.2. Биологический прототип захватного устройства

Процесс захватывания для человека состоит в выборе способа захвата объекта, перемещении и контроле за его положением. Реакция на внешние или внутренние события вырабатывается через органы зрения и мозг. Управление этим процессом осуществляют по двум контурам обратной связи: через органы зрения контролируется положение руки, а посредством осязания корректируется сила сжатия, т.е. усилия, развиваемые пальцами (рис. 14.1). На блок-схеме (рис. 14.2) изображены основные дей-

ствия, составляющие процесс захватыва- Рис. 14.1 ния, и взаимосвязи между ними.

Существует шесть основных способов захватывания предметов человеческой рукой (рис. 14.3) [42]: цилиндрический 1, щипковый 2, зацепляющий 3, щепотью 4, сферический 5, боковой 6. На процесс захватывания объекта существенное влияние оказывают количество пальцев, количество суставов в каждом пальце и количество степеней подвижности кисти руки. Кисть человека имеет 5 пальцев, каждый из которых, за исключением большого, имеет три сустава. Каждый палец имеет 4 степени подвижности. Большой па-

388

лец имеет два сустава и три степени подвижности. У ладони имеется одна степень подвижности. Таким образом, общее число степеней подвижности кисти 20.

Рис. 14.2

Чтобы смоделировать все захваты и манипуляции, выполняемые человеческой рукой, необходимо рассмотреть связь между структурой захватывающего устройства и его функциями.

Для выполнения простейшей функции захватывания захват дол-

Рис. 14.4

Для повышения адаптивности захватного устройства к форме объекта можно ввести кинематические пары в пальцы (рис. 14.4, в) или увеличить количество пальцев (рис. 14.4, г). С усложнением захвата появляется возможность осуществлять манипуляции захваченным объектом. Чем больше пальцев, кинематических пар и степеней подвижности имеет захват, тем выше его универсальность

(рис. 14.4, д).

389

14.3. Факторы, влияющие на конструкцию захватных устройств

На конструктивное исполнение захватных устройств влияют следующие факторы [1]:

1)объект: форма, размеры, свойство симметрии; масса и инерционные свойства; материал (хрупкость, магнитные свойства); форма и величины допусков баз захватывания; качество поверхностей баз захватывания;

2)исполнительное устройство: ускорение выходного звена, вид энергопитания (пневмо-, гидро-, электро-), манипуляционные возможности (число степеней подвижности);

3)особенности РТК роботизированного технологического процесса: характеристика окружающей среды (температура, влажность, агрессивные факторы, степень запыленности); особенности выполняемой операции (требуемая точность позиционирования объекта; необходимость оказания на захваченный объект физикохимических или механических воздействий – нагрев, обдув воздухом, виброколебания); наличие упругой связи между исполнительным устройством и удерживаемым объектом (например, при выполнении точной сборки вала с втулкой), необходимость дополнительных перемещений объекта, а также обеспечение измерения усилия захватывания, величины раскрытия рабочих элементов; обеспечение безопасности работы и надежности функционирования ЗУ; особенности технологического оборудования: размеры рабочих зон, способ базирования объектов на выдающих и принимающих позициях, производительность и способы максимальной загрузки, конструктивные особенности оборудования, обслуживаемого робота;

4)особенности изготовления ЗУ: технологические возможности предприятия-изготовителя захватных устройств (наличие необходимого материала, комплектующих изделий), трудоемкость, объем выпуска (тип производства), эстетические требования, необходимость унификации и типизации конструкции (например, для гаммы ЗУ), а также уровень квалификации разработчиков ЗУ.

14.4. Классификация захватных устройств

Захватные устройства можно классифицировать: по принципу действия (механические, вакуумные, магнитные, вихревые, комбинированные, использующие физико-химические свойства объекта– захватывание за счет прилипания, прокалывания, притяжения); по числу выполняемых функций (однофункциональные – захватыва-

390

ние и удержание объекта и многофункциональные – выполняющие наряду с основной функцией измерение захваченного объекта, контроль его физических параметров, подогрев объекта, осуществление дополнительных пространственных перемещений объекта в системе координат захватного устройства и т.п.); по числу захватываемых объектов (однообъектные, многообъектные); по характеру базирования объектов в захватном устройстве (неподвижно (жестко) базирующие, подвижно (не жестко) базирующие по 1...6 координатам, способные к перебазированию); способу удержания объекта (удерживающие и поддерживающие); степени специализации (универсальные, многоцелевые, целевые, специальные); характеру работы (последовательного, параллельного и комбинированного действия); виду управления (неуправляемые, командные, жесткопрограммируемые, адаптивные); наличию привода (с приводом, без привода); типу привода (пневматический, гидравлический, электромеханический, комбинированный); подвижности рабочих элементов (неподвижные, подвижные); характеру адаптации рабочих элементов (с жесткими и адаптивными рабочими элементами); характеру движения рабочих элементов (вращательное, поступательное, прямолинейное); наличию преобразователя движения (без преобразователя движения, с преобразователем движения); типу преобразователей движения (нерычажные, рычажные, с гибкими элементами); характеру крепления захватного устройства к исполнительному устройству (несменные, сменные, быстросменные, пригодные для автоматической смены) и др.

14.5. Технические характеристики захватных устройств

Основными техническими характеристиками всех типов захватных устройств являются: номинальная грузоподъемность, усилие захватывания, предельно допустимые значения приложенных сил и моментов, время захватывания и время отпускания, масса, габаритные размеры, показатели надежности.

Номинальная грузоподъемность захватного устройства – наибольшее допустимое для данного захватного устройства значение массы захватываемых объектов. Очевидно, что значение массы объекта не должно превышать значения номинальной грузоподъемности робота.

Усилие захватывания – сила воздействия рабочих элементов на объект. В механических захватных устройствах усилие захватывания создается приводом, перемещающим рабочие элементы при захватывании вплоть до зажима ими объекта. В пружинных захват-

391

ных устройствах усилие захватывания обеспечивают пружинами, удерживающими объект.

Предельно допустимым значением приложенной силы (момента) называют наибольшее значение центрально приложенной к объекту (в начале системы координат захватного устройства) силы (момента), при которой объект удерживается захватным устройством. Предельные значения приложенных сил и моментов зависят:

для механических захватных устройств – от усилия, развиваемого двигателем, кинематической схемы и параметров преобразователя движения, геометрии рабочих элементов, формы поверхности, по которой происходит захватывание, усилий контакта, значения коэффициента трения и других факторов;

для вакуумных и магнитных захватных устройств – от усилия захватывания, формы и размеров плоскости контакта, значения коэффициента трения и др.

Временем захватывания называют время от подачи сигнала устройством управления на захватывание до момента завершения процесса, когда объект занимает устойчивое положение равновесия в захватном устройстве, а усилие захватывания достигает своего установившегося значения.

Временем отпускания называют время от подачи устройством управления сигнала на отпускание до момента завершения процесса. Для схватов под завершением процесса отпускания понимают высвобождение объекта и полное раскрытие схвата.

Кроме основных технических характеристик каждый тип захватного устройства имеет свои особенные технические характеристики. Ими являются: для схватов – кинематическая схема, усилие (момент) на выходном звене привода, максимальное перемещение выходного звена привода, давление рабочего тела привода, напряжение питания; для вакуумных захватных устройств – размеры контактной площади присоски, номинальное давление в полости присоски; для магнитных захватных устройств – число ампервитков, размеры площади контакта, напряжение питания.

При разработке конструкторской документации должны дополнительно указывать показатели стандартизации и унификации, технологические, патентно-правовые, транспортабельности, эргономические и эстетические.

14.6. Механические захватные устройства

392

Механическими называют захватные устройства, в которых удерживание объекта осуществляется под действием усилий, возникающих в точках (зонах) контакта объекта с рабочими элементами за счет работы приводов или собственного веса объекта. Механические захватные устройства можно разделить на схваты и поддерживающие захватные устройства. Схват – механическое захватное устройство, удерживающее объект посредством зажима рабочими элементами при их перемещении. Поддерживающими называют механические захватные устройства, не имеющие подвижных звеньев и представляющие собой опоры, на которых объект удерживается под действием силы тяжести (ковши для захватывания, транспортировки и разливки жидкого металла, крюки, штыри, призматические опорные элементы, лопатки и т.д.).

Базирование объекта в схвате обусловлено, главным образом, конструктивными особенностями рабочих элементов. При этом число координат, по которым положение объекта в ЗУ строго не определено (относительно системы координат ЗУ), может колебаться от 0 до 6.

Большинство современных роботов оснащено механическими захватными устройствами – схватами. Схват (рис. 14.5) состоит из следующих основных частей: двигатель 1, преобразователь движения 2 и рабочие элементы 3.

14.7. Двигатели схватов

По функциональным возможностям создания перемещений рабочих элементов двигатели схватов можно разделить на три группы: с неограниченным перемещением выходного звена (например, электродвигатели), с ограниченным перемещением выходного звена (например, пневмоцилиндры и неполноповоротные пневмодвигатели), с малым перемещением выходного звена (например, мембранные двигатели). Двигатели с неограниченным перемещением выходного звена целесообразно применять в схватах, предназначенных для захватывания объектов, у которых расстояние между захватываемыми поверхностями может изменяться в широких пределах. Двигатели с ограниченным перемещением выходного звена применяют, когда расстояние между захватываемы-

393

ми поверхностями объекта изменяется в небольших пределах. Двигатели с малыми перемещениями применяют в узкодиапазонных схватах, предназначенных для захватывания объектов с одними и теми же размерами.

По типу энергоносителя в схватах применяют пневматические, гидравлические и электрические двигатели.

В качестве двигателей, приводящих в движение рабочие элементы и создающие усилия захватывания, могут быть использованы электро-

магниты (рис. 14.6). Сжатие схвата происходит при подаче напряжения на обмотку 1 электромагнита 2, раскрытие – под действием пружины 3.

14.8. Преобразователи движения

Преобразователи движения схватов предназначены для преобразования и передачи движения и усилия двигателя рабочим элементом. В табл. 14.1 изображены различные структурные схемы преобразователей движения схватов.

Тот или иной вид движения рабочих элементов определяется структурной схемой преобразователя движения. Вершина К рабочего элемента (табл. 14.1), представляющая собой точку пересечения касательных к поверхности объекта в местах ее контакта с рабочим элементом (если рабочий элемент касается объекта двумя плоскостями), или точка соприкосновения рабочего элемента с объектом (если он имеет только одну рабочую поверхность), может совершать вращательное, поступательное или прямолинейное движения. При этом центр С окружности, вписанной в многоугольник, образованный плоскостями рабочих элементов, называемый центром схвата (рис. 14.7), при вращательном и поступательном движениях

изменяет свое положение, при прямолинейном – остается неизменным.

Преобразователи движения схватов у которых рабочие элементы совершают вращательное движение являются наиболее простыми в конструктивном исполнении. Преобразователи движения с по-

Рис. 14.7

394

ступательным движением рабочих элементов более сложные.

395