Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы организационно-технологического управления роботизированными комплексами. Учебное пособие
.pdf
11
произвольно. Поэтому ряд терминов, касающихся робототехники
(роботизации), за рубежом и у нас в стране трактуется не
адекватно. К началу нового века было выпущено (заменено,
откорректировано) более шестидесяти ГОСТов, успешно
функционирующих и описывающих значительную часть
основных положений в области робототехники и роботизации
производства. Итак, согласно ГОСТ 25686-85, промышленный
робот - автоматическая машина, стационарная или передвижная,
состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора,
имеющего несколько степеней подвижности, и
перепрограммируемого устройства программного управления для
выполнения в производственном процессе двигательных и
управляющих функций. Ряд авторов машины данного класса
определяет как манипуляционные промышленные роботы,
подчеркивая, что наиболее важным элементом структуры этого
оборудования является манипулятор (исполнительное
устройство).
Кроме манипуляционных роботов, в промышленности
используются мобильные (локомоционные), информационные,
информационно-управляющие, творческо-игровые, комплексные
и другие виды ПР. Мобильные промышленные роботы – это, как
правило, всевозможные самодвижущиеся тележки, кары,
обладающие элементами искусственного интеллекта для
распознавания реальной обстановки, работающие в
автоматическом режиме.
Информационные роботы предназначены для научноисследовательских, поисковых и частично ремонтных работ в
сферах, опасных или недоступных для непосредственного
наблюдения и присутствия человека. Они собирают и передают
информацию о состоянии производственно-технологической и
окружающей среды на различное расстояние. Наибольшее
распространение данный вид получил в космонавтике, при
12
освоении морских глубин и выполнении разнообразных
аварийно-спасательных работ.
Информационно-управляющие роботы представляют собой
комплексы измерительно-информационных и управляющих
средств, автоматически производящих сбор, обработку,
выработку управляющего сигнала и передачу его на
исполнительные механизмы. В промышленности это, как
правило, различные системы автоматического контроля.
Творчески-игровые роботы сл ужат для автоматизации
процесса проектирования и управления систем, где приходится
иметь дело с игровыми ситуациями.
Комплексные роботы сочетают в себе функциональные
возможности нескольких вышеперечисленных видов. Например,
на самоходную тележку устанавливают манипуляционный робот,
при этом данная система в автоматическом режиме обеспечивает
самозагрузку и выгрузку транспортируемых изделий.
Наибольшее распространение в промышленности получили
манипуляционные роботы, которые в дальнейшем назовем
промышленными роботами (ПР) и будем рассматривать только
их. Достаточно часто встречающиеся термины (манипулятор с
автоматическим управлением, автоматические манипуляционные
роботы, перепрограммируемый автоматический манипулятор,
автоматический манипулятор и манипуляционный робот)
представляют собой с некоторыми незначительными
допущениями эквивалентные понятия. Это объясняется тем, что
предшественниками ПР были разнообразные устройства и
механизмы с ручным и автоматическим управлением,
выполняющие манипулирование объектами. Их характерными
представителями являются манипуляторы и автооператоры.
Согласно ГОСТ 25686-85, манипулятор - управляемое устройство
или машина для выполнения двигательных функций,
аналогичных функциям руки человека при перемещении
объектов в пространстве, оснащенное рабочим органом.
13
Автооператор - автоматическая машина, состоящая из
исполнительного устройства в виде манипулятора или
совокупности манипулятора и устройства передвижения и не
перепрограммируемого устройства управления. Согласно
представленным понятиям, основным отличием манипулятора c
ручным управление от автооператора является уровень их
автоматизации, т.е. первый не может функционировать без
участия человека (оператора), а второй работает в
автоматическом режиме. Однако в отличие от ПР переналадка
автооператора вызывает значительные сложности, приводящие к
изменению кинематики устройства, - удлинению или укорочению
рычагов, замене кулачков, копиров и т.д. Таким образом, если
выстроить ряд вышеописанного оборудования по уровню
автоматизации, будем иметь ПР – автооператор – манипулятор с
ручным управлением.
Выделение из общего класса манипуляторов и
автооператоров соответствует понятию “промышленный робот ”,
разработанному в Европе и США. Однако Японская ассоциация
разработчиков промышленных роботов подразделяет роботы по
уровню сложности на следующие 6 классов: ручные
манипуляторы; устройства типа “взять-положить”;
программируемые манипуляторы; роботы, обучаемые вручную;
роботы, управляемые на языке программирования; роботы
способные реагировать на окружающую среду, что необходимо
иметь в виду при приобретении за рубежом данного класса
оборудования.
К настоящему времени разработано достаточно большое
количество разнообразных моделей ПР, для которых характерной
является структура, состоящая из трех основных элементов:
системы управления, информационной системы и
исполнительного устройства. Рассмотрим подробнее каждую из
этих систем.
14
1.2. Исполнительное устройство промышленных роботов
Согласно ГОСТ 25686-85, исполнительное устройство устройство ПР (автооператора), выполняющее все его
двигательные функции. Другими словами - это механизм,
предназначенный для воспроизведения пространственных
движений (простых или сложных) с целью перемещения объекта
манипулирования по некоторой заданной траектории. Для
рассматриваемых в данной пособии ПР (автооператоров)
исполнительное устройство выполнено в виде манипулятора.
Последний термин произошел как производная двух латинских
слов: “ manus ” - в переводе означает рука и “ manipulus ” пригоршня, горсть, что красноречивее всего свидетельствует о
назначении исполнительного устройства. По способу управления
манипуляторы делятся на манипуляторы с ручным управлением
(биотехнические), автоматическим и со смешанным управлением
(интерактивные) Последние два типа, по существу, являются
роботами. Биотехнические манипуляторы по виду задающего
органа, предназначенного для создания управляющих сигналов и
движений, могут быть копирующие, командные,
полуавтоматические. В копирующих манипуляторах движение
рабочего органа повторяет перемещение кисти руки оператора . В
командном манипуляторе движение рабочего органа не связанно
кинематически непосредственно с задающим устройством, при
этом управление осуществляется по каждой степени
подвижности отдельно за счет перемещения, включения
разнообразных ручек, тумблеров, кнопок и т.д.
В полуавтоматическом манипуляторе задающая система
включает рукоятку, управляющую несколькими степенями
подвижности, и устройство, преобразующее сигналы с рукоятки в
сигналы, управляющие движениями рабочего органа.
Разновидностью интерактивного управления является
супервизорное управление, предусматривающее выполнение
определенных циклов в автоматическом режиме, а при переходе
от одного цикла к другому - по командам оператора.
В последние годы широкое распространение получили
сбалансированные манипуляторы, конструктивной особенностью
15
которых является механизм управления масс рычагов, рабочего
органа с помощью специальных устройств, а также наличие всего
одного приводного двигателя. Основные технические условия
данных манипуляторов регламентирует ГОСТ 26057-84.
В общем случае манипулятор представляет собой
многозвенный шарнирный механизм с заданным числом
степеней подвижности, разомкнутой кинематической цепью,
начинающей с основания и заканчивающей рабочим органом, с
автономными приводами для каждого звена (сбалансированные
манипуляторы - исключение), обеспечивающими необходимые
перемещения рабочего органа.
Рабочий орган - это составная часть исполнительного
устройства для непосредственного выполнения технологических
операций и (или) вспомогательных переходов. Он может быть
выполнен в виде захватного устройства (ЗУ), технологического
инструмента (сварочные клещи; дисковый нож; шприц для
выдавливания крема, глазури; покрасочный пистолет; гайковерт;
дрель и т. д.) и различных приспособлений. Наиболее часто в
качестве рабочего органа манипулятора применяется захватное
устройство. Согласно ГОСТ 26063-84, захватное устройство рабочий орган для захватывания и удержания предмета
производства или технологической оснастки. Общим понятием
для некоторого типа захватных устройств является рабочий
элемент. Рабочим элементом захватного устройства называется
элемент, непосредственно вступающий в контакт с объектом
манипулирования. Достаточно часто в литературе применяется
термин “схват”, это механическое захватное устройство,
удерживающее объект за счет зажима рабочими элементами при
их перемещении под действием привода. Кроме терминов
представленных выше, в робототехнике используется понятие
“механический интерфейс”. Интерфейс – слово английское,
означает – обращено лицом или лицом к лицу. В робототехнике
механический интерфейс характеризует узел крепления
захватного устройства к руке манипулятора. Данный узел
выполняется как в виде, например, фланцевого или резьбового
16
соединения (самый простой тип), а также в виде
микропроцессорной сложной системы.
Одним из основных достоинств роботов является их
высокий уровень гибкости. Из трёх характерных его систем
(управление, информационной, исполнительной) наименьшим
уровнем обладает захватное устройство. Кроме того, при
роботизации химико-технологических процессов (операций) одно
из первостепенных значений имеет тип захватывания предмета
производства, обусловленный большим многообразием свойств,
манипулируемого предмета. Поэтому, рассмотрим подробнее
процесс захватывания изделий и типы наиболее характерных
захватных устройств используемых в ПР.
1.2.1. Захватные устройства промышленных роботов
Конструкция, размеры, форма и выполняемые функции
захватного устройства зависят от характеристик объектов
манипулирования, конструктивных особенностей ПР и
производственных условий. Захваты являются сменными
элементами роботов, которые комплектуются их типовым
набором, меняемым в зависимости от конкретного рабочего
задания. Иногда ЗУ комплектуются сменными рабочими
элементами и для каждой модели ПР есть свой типовой набор. К
захватам предъявляются требования общего характера и
специальные, связанные с конкретными условиями работы.
Общие требования - надежность захватывания и удержания
объекта манипулирования, стабильность базирования,
недопустимость его повреждения или разрушении, изготовление
по возможности более легким, обладающим высокой
прочностью. Специальные требования - широкодиапазонность,
легкость и быстрота замены, изменение усилия удержания
объекта в зависимости от его типа и характера. Предлагаемая
классификация позволит показать, насколько широк и
разнообразен их диапазон. Это объясняется, во-первых,
огромным многообразием типоразмеров объектов
манипулирования, во-вторых, возможностью захвата последних
различными способами. Например, человек кистью может
17
захватывать предметы двенадцатью типовыми способами. Итак,
в зависимости от способа удержания объекта манипулирования
ЗУ можно разделить на три группы: схватывающие,
поддерживающие и удерживающие. Схватывающие удерживают
объект за счет воздействия на него рабочих элементов (губок,
пальцев, клещей и т.п.) с помощью сил трения и (или)
запирающих усилий. Основными рассчитываемыми параметрами
для них является усилие захвата при воздействии привода.
Формулы для расчета последних со схемами наиболее часто
встречающихся схватов достаточно подробно рассмотрены.
Поддерживающие не имеют подвижных звеньев, при этом
осуществляют удерживание объекта, используя нижнюю
опорную поверхность, различные выступы, отверстия в корпусе,
за счет прижима объекта к схвату под действием собственной
массы. Характерными представителями поддерживающих
являются крюки, вилки, петли, лопатки, захваты (без зажима)
и т. д. Удерживающие обеспечивают захват объекта
манипулирования в результате использования различных
физических эффектов, например, разрежения, намагничивания,
электростатического притяжения, адгезии и т. п.
В зависимости от принципа действия ЗУ подразделяются
на 6 групп: механические, пневматические, магнитные,
гравитационные, электростатические и комбинированные.
Механические применяются для объектов, обладающих
определенной жесткостью и прочностью, а также способных
восстанавливать после сжатия свою форму без изменения свойств
(например, жесткая резина). Механические ЗУ выполняются
схватывающими и поддерживающими. Механические
схватывающие, иногда называют схватами, обладают более
сложной кинематической структурой, требуют строго
регламентированного обслуживания. В настоящее время широко
распространены разнообразные пневматические ЗУ. Эти захваты
отличаются конструктивной простотой, низкой стоимостью и
небольшой массой. Среди пневматических наиболее часто
применяются вакуумные, реже струйные и камерные захваты.
18
Вакуумные захватные устройства удерживают объект
в.п. рз.у.аb
Р =kF (Р-Р)
з.у.
F
(0,6 0,7)
з.у.н
FF
=¸
н
F
а
Р
b
Р
G
g
посредством разряжения воздуха, создаваемог о в замкнутой
полости рабочего элемента, например присоски. Различают
активные вакуумные ЗУ, где разряжение создается
принудительно с помощью специальных насосов или
эжекционных устройств, и пассивные - разряжение в них
создается за счет вытеснения воздуха из рабочего элемента в
результате его деформации. Основным рассчитываемым
параметром для вакуумного ЗУ является сила вакуумного
притяжения:
,
где k = 0,85 - коэффициент, учитывающий возможное изменение
атмосферного давления и свойств уплотнителя;
эффективная площадь действия ЗУ, вычисляемая для круглого
рабочего элемента с уплотнительным кольцом как
,
-
где
- площадь поверхности, ограниченная наружной линией
контакта ЗУ с объектом;
остаточное давление в камере устройства (присоса). Для
пассивных вакуумных разность давлений принимается равной
0,03-0,035 МПа. Для активных вакуумных рассчитывается из
выражения
æ
G
P
где
A
- ускорение в нормальном к плоскости присоса направлении;
n
ç
b
ç
S
è
- масса объекта; S - активная площадь рабочего элемента;
ö
A
n
÷
+=
÷
g
ø
- ускорение свободного падения; L - расстояние между
центром тяжести объекта и осью рабочего элемента; d- средний
- атмосферное давление;
L
4
æ
ç
è
ö
,
+
11
÷
d
ø
-
19
диаметр кольца соприкосновения с объектом. Полученное
расчетное соотношение рекомендуется принять с 1,5-4-кратным
запасом.
В настоящее время при реализации различных химикотехнологических процессов с использованием ПР все шире
применяются струйные ЗУ. В последних объект удерживается за
счет физических эффектов, возникающих при движении струй
воздуха. Струйные более универсальны, чем вакуумные, так как
могут удерживать не только плоские изделия, но и стержневые, а
также выполнять функции сборочной головки, распознающего и
ориентирующего элемента разнообразных устройств.
Существенным недостатком струйных является более высокий
расход воздуха, чем в вакуумных, и незначительные силы
удерживания.
Захватывающие устройства с эластичными камерами, или
как их называют просто камерные, пока еще не нашли широкого
применения и используются для захвата хрупких изделий
небольшой массы, имеющих неправильную форму или
значительные отклонения формы или размеров (рис. 1).
Действие данного типа устройств основано на деформации
эластичной камеры в зависимости от давления, нагнетаемого в
нее воздуха. Постепенно изменяя давлени е воздуха в камере,
можно осуществить необходимый захват изделия, т.е.
регулировать удерживающую силу.
20
Рис. 1. Характерные пневмокамерные захватные устройства
Различают ЗУ с расширяющимися (рис. 1. а, б, д, е, ж) и
изгибающимися эластичными камерами (рис. 1 в, г).
В ЗУ с расширяющейся камерой объект удерживается как
за внутреннюю, так и за наружную поверхности в результате
увеличения размеров камеры при подаче в нее сжатого воздуха.
Таким способом манипулируют, например, стеклянную тару. В
захватах с изгибающейся камерой объект удерживается только за
наружную поверхность. Особенностью изгибающих камер
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]