Конспект лекций по КМР

системы управления и двигателя, кинематическими ошибками, мертвым ходом и податливостью преобразователей движения j-й степени подвижности соответсвенно;

упругими деформациями функциональных звеньев исполнительного устройства робота:

q - вектор погрешностей обобщенных координат

555

звеньев n=3:

матрицы (17.3).

В случае n≠3 обратная матрица Якоби не определена. В этом случае следует применять другие методы, основы которых изложены в линейной алгебре.

Из выражение (17.2) определяют вектор погрешностей обобщенных координат исполнительного устройства робота:

17.7. Основные направления построения роботов

При проектировании роботов возможны два направления нахождения наиболее рационального метода их построения: создание универсальных роботов, обладающих широкими возможностями, и специализированных роботов с меньшими возможностями, но более простых по конструктивному исполнению [33].

556

Первое направление предполагает разработку ряда роботов, обладающих широкими возможностями, что позволяет использовать их в различных областях производства. Но при этом направлении проектирования значительно усложняется конструкция робота, что приводит к повышению его стоимости, и кроме того возможности робота во многих случаях недоиспользуþтся.

Второе направление в проектировании приводит к увеличению номенклатуры роботов, что отрицательно сказывается на серийности их производства и, следовательно, на стоимости, в то же время упрощается конструкция, что способствует снижению себестоимости робота.

Указанные противоречия могут быть разрешены на основе аг- регатно-модульного принципа построения робота.

Агрегатный способ построения основан на создании конструкций робота на базе ограниченной группы нормализованных узлов и механизмов. Он обладает рядом положительных свойств:

возможностью создания специализированных роботов, наиболее полно отвечающих требованиям конкретной технологической задачи и не обладающих избыточностью функциональных возможностей. При этом специализированные роботы изготовляют не по индивидуальным проектам, а они являются отдельными представителями предварительно разработанной гаммы роботов;

сокращением времени и трудоемкости проектирования специализированных роботов, так как способ агрегатного построения позволяет более полно использовать выполненные ранее разработки для расширения гаммы разрабатываемых роботов;

удешевлением производства за счет снижения номенклатуры деталей и узлов и увеличения серийности выпуска роботов;

увеличением надежности роботов за счет отработанности изготовления входящих в него узлов и механизмов, а также наиболее полного соответствия проектируемой конструкции решаемой технологической задаче;

улучшением условий эксплуатации и повышением ремонтопригодности робота за счет уменьшения числа вариантов конструкций его механизмов и узлов.

К недостаткам агрегатного способа построения роботов относят: необходимость разработки исполнительных устройств конкретных моделей роботов из узлов, механизмов и деталей ограниченной номенклатуры, что может привести к неоправданному с точки зре-

ния технологии снижению их функциональных возможностей;

557

необходимость принятия менее целесообразных с конструкторской точки зрения решений, но более полно отвечающих выбранным принципам агрегатного построения.

Модульный принцип построения основан на создании роботов на базе функциональных модулей, имеющих все необходимые элементы, включая приводы, датчики обратной связи и т.п., необходимые для обеспечения их работы. При построении робота модули соединяют между собой в определенном порядке.

Модульный принцип построения по сравнению с агрегатным более удобен при создании и перенастройке роботов и позволяет сократить число механизмов и узлов, входящих в робот. Но он имеет и ряд недостатков: сложность, функциональная избыточность, увеличение номенклатуры модулей в связи с использованием в одних и тех же модулях различных приводов и датчиков обратной связи, трудность в использовании одних и тех же модулей при различных системах управления роботами.

17.8. Агрегатно-модульный принцип построения роботов

При агрегатно-модульном принципе построение роботов осуществляют на модульной основе с использованием нормализованных узлов и механизмов и на их базе создают различные компоновочные схемы роботов.

К модулям и агрегатным узлам предъявляют следующие основные требования: законченность и конструктивная самостоятельность, надежность в работе, обеспечение различных компоновок роботов, простота монтажа, унификация стыковочных элементов модулей одинакового назначения.

Промышленные роботы построенные по агрегатно-модульному принципу могут быть классифицированы по следующим признакам: по компоновке, возможности изменения технических характеристик, по типу систем управления [33].

По компоновке роботы агрегатно-модульного типа могут быть разделены на две группы. К первой группе относят роботы, построенные на базе одной основной компоновочной схемы (однотипные роботы). Они могут отличатся друг от друга размерами, грузоподъемностью, типами приводов, системами управления, наличием дополнительных модулей, расширяющих возможность базовой модели и т.п. Ко второй группе относят роботы, которые позволяют получить несколько принципиально различных компоновочных схем (разнотипные роботы), различающихся формой и размерами рабочих зон и грузоподъемностью.

558

По возможности изменения технических характеристик роботы агрегатно-модульного типа могут быть также разделены на две группы: роботы с постоянными значениями основных технических показателей (числа степеней подвижности, грузоподъемности, скорости и т.п.) и роботы с большим диапазоном основных технических показателей.

По типу систем управления робота агрегатно-модульного типа делят на роботы, комплектуемые системами управления: одного типа, различных типов и различных типов, входящих в некоторый унифицированный ряд.

Конкретные модели роботов, построенные по агрегатномодульному принципу должны удовлетворять следующим требованиям:

конструктивно-технологические параметры робота (грузоподъемность, погрешность позиционирования, скорости перемещения степеней подвижности, размеры рабочей зоны, тип системы управления и т.п.) должны соответствовать его функциональному назначению и требованиям конкретного технологического процесса;

кинематическая схема робота должна обеспечивать минимальное число перемещений степеней подвижности, необходимых для обслуживания конкретной модели основного технологического оборудования или для выполнения определенной технологической операции;

число степеней подвижности должно быть минимально необходимым для выполнения требуемой технологической операции;

технические показатели системы управления должны максимально соответствовать требованиям, удовлетворяющим решению конкретных технологических задач;

технико-экономическая эффективность применения робота должна быть обеспечена.

При проектировании роботов агрегатно-модульного типа одной из основных задач является унификация и нормализация их основных параметров, а также отдельных узлов и модулей. Перемещения и скорости степеней подвижности регламентируются в пределах отдельных гамм роботов, построенных на основе базовой модели. Стыковочные элементы модулей (клеммные и на винтах), позволяющие легко регулировать линейное и угловое взаимное расположение модулей, нормализуют. Захватные устройства нормализуют по грузоподъемности, наибольшему размеру захватываемой поверхности объекта, по конструкции и размерам элементов (мест) крепления к исполнительному устройству. Системы управления, которыми комплектуют модульные роботы, должны быть унифи-

559

цированы по внешним связям с исполнительной системой робота. Этого можно достичь созданием различных модификаций устройств управления из унифицированных функциональных блоков.

Регламентировать роботы агрегатно-модульного типа по грузоподъемности довольно сложно, так как она зависит от типа, установки и расположения модулей, их массы, типа привода, величины перемещения степеней подвижности. Поэтому возможно регламентировать по номинальной грузоподъемности лишь наиболее характерные модификации или базовые модели гаммы роботов.

560

Глава 18 НАДЕЖНОСТЬ РОБОТОВ

18.1. Основные понятия надежности

Надежность (общая) – свойство объекта (изделия) сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации

[37].

Современные роботы состоят из множества взаимодействующих механизмов, электронных устройств, модулей, деталей. Отказ в работе хотя бы одного элемента такой сложной системы, выполненной без резервирования, может привести к нарушению работы всего робота.

В теории надежности рассматривают следующие обобщенные объекты:

изделие – единица продукции, выпускаемая данным предприятием, цехом и т. д. (например, подшипник, зубчатое колесо, электродвигатель, мехатронное устройство, робот);

элемент – простейшая при данном рассмотрении составная часть изделия, состоящая из одной или нескольких деталей;

система – совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.

Понятия элемента и системы трансформируются друг в друга в зависимости от поставленной задачи. Робот при установлении его собственной надежности рассматривают как систему, состоящую из отдельных элементов – механизмов, деталей и т.д., а при изучении надежности роботизированного комплекса – как элемент.

Надежность характеризуют следующими основными состояниями и событиями [37].

Работоспособность – состояние изделия при котором оно способно нормально выполнять заданные функции.

Исправность – состояние изделия, при котором оно удовлетворяет всем не только основным, но и вспомогательным требованиям.

Неисправность – состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации. Различают неисправности не приводящие к отказам, и неисправности и их сочетания приводящие к отказам.

Отказ – событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности. Их делят на отказы функционирования, при которых выполнение своих функций рассматриваемым элементом

561

или объектом прекращается (например, поломка зубьев зубчатого колеса), и отказы параметрические, при которых некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (например, изменение точности работы робота). Отказы делят на внезапные (поломки от перегрузок, заедания), постепенные по развитию и внезапные по проявлению (усталостные разрушения, перегорания ламп, короткие замыкания из-за старения изоляции) и постепенные (износ, старение, коррозия, залипание).

По причинам возникновения отказы делят на конструкционные, вызванные недостатками конструкции, технологические, вызванные несовершенством или нарушением технологии, и эксплуатационные, вызванные неправильной эксплуатацией.

Отказы в соответствии со своей физической природой бывают связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия, старение) или не связаны с разрушением (засорение каналов подачи рабочей жидкости в гидроприводах, ослабление соединений, загрязнение или ослабление электроконтактов).

По возможности дальнейшего использования изделия отказы разделяют на полные, исключающие возможность работы изделия до их устранения, и частичные, при которых изделие может частично использоваться.

По сложности устранения различают отказы, устранимые в порядке технического обслуживания, в порядке среднего или капитального ремонта и по месту устранения – устранимые в эксплуатационных и стационарных условиях.

По времени возникновения отказы делят на приработочные, возникающие в первый период эксплуатации, связанные с отсутствием приработки и с попаданием на сборку дефектных элементов; при нормальной эксплуатации (за период до появления износных отказов); износовые.

18.2. Характеристики надежности

Основными характеристиками надежности являются: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость [37].

Безотказность – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени или наработки. Это свойство особенно важно для роботов, отказ в работе которых связан с опасностью для жизни человека, с перерывами в работе робо-

562

тизированного комплекса, с остановкой автоматизированного производства или с браком дорогого изделия.

Показатели безотказности. Вероятность безотказной работы P t0 – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ

не возникнет:

P t0 1 F t0 ,

Средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки до отказа невосстанавливаемого изделия. Под наработкой понимают продолжительность или объем выполненной работы объектом.

Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Интенсивность отказов (t) – условная плотность вероятности возникновения отказа невосстановленного объекта для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого времени отказ не возник. Ее определяют как отношение среднего числа отказавших в единицу времени (или наработки в других единицах) объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными:

где n – число изделий, отказавших при испытании в течение интервала времени t; N – общее число испытанных изделий.

Для большинства объектов зависимость (t) можно изобразить кривой (рис. 18.1), имеющей три участка. Первый участок 0 t t1

называют периодом приработки или периодом ранних отказов. Появление отказов в этот период обычно вызвано конструктивными или производственными дефектами. Второй участок t1 t t2 по-

стоянной интенсивности характеризует нормальную эксплуатацию на этом участке P t e t . Третий участок t t2 называют периодом износовых отказов.

563