Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленные роботы и робототехнические системы. Учебное пособие
.pdf
Системы координат РО, определяющие форму рабочей зоны, бывают прямоугольные или криволинейные, которые в свою очередь
могут быть плоские или пространственные.
М, работающие в прямоугольной системе, имеют раздельное
изменение координат x, y и z положения РО, при этом изменение
x не влияет на изменение y и z и наоборот. Перемещение объекта
манипулирования в определенную точку пространства «В» по двум
взаимно перпендикулярным осям обеспечивает плоскую, а по трем
– пространственную рабочую зону (рисунок 2).
Рис. 2 – Прямоугольная рабочая зона
Плоская рабочая зона образуется двумя, а пространственная –
тремя поступательными парами.
Преимуществами М, работающих в прямоугольной системе координат являются – высокая точность позиционирования и большая
грузоподъемность. А недостатками – малая гибкость манипулирования и большие габариты манипулятора.
Выполненные по этой схеме М применяются при сборочных работах, для вспомогательных операций при механической обработке
деталей и при транспортировании грузов.
В криволинейных координатах объект манипулирования перемещается в системе «радиус-вектор-угол».
11
В случае плоской рабочей зоны перемещение М осуществляется
;;
rrr
;;
xy yz xz
ϕϕϕ
xy
r
ϕ
z
в одной из координатных плоскостей OXY, OYZ или OXZ по радиусвектору
xy yz xz
и углу
соответственно.
На рисунке 4 изображены разновидности пространственной
криволинейной системы координат в зависимости от кинематической
структуры М.
В цилиндрической системе координат объект перемещается в
основной координатной плоскости (рисунок 4 а – OXY) по радиус-вектору
и углу
, а также по нормали к этой плоскости по вектору
xy
. Такое движение М реализуется двумя независимыми взаимно
перпендикулярными поступательными парами и одной вращательной.
Рис. 3 – Плоская криволинейная система координат
Рис. 4 – Пространственные криволинейные системы координат
12
Преимуществами таких М являются:
– манипуляции в обе стороны от ПР;
– гибкость манипулирования;
– точность позиционирования;
– достаточная грузоподъемность.
Основной недостаток:
– необходимость дополнительной степени подвижности для
обеспечения горизонтального перемещения.
Применяются такие манипуляторы для тех же работ, что и рабо-
тающие в прямоугольной системе координат.
Перемещение объекта манипулирования в сферической системе
координат осуществляется за счет линейного движения по радиусвектору
r и угловых перемещений φ и θ в 2-х взаимно перпенди-
xyz
кулярных плоскостях (рисунок 4 б – OXY и OYZ), т.е. движение М
реализуется одной поступательной и двумя вращательными парами,
работающими независимо друг от друга.
Преимущества таких М:
– большая рабочая зона;
– большая гибкость манипулирования.
Основной недостаток – незначительная грузоподъемность.
Выполненные по данной схеме манипуляторы применяются для
выполнения основных технологических операций по сборке и окраске.
Ангулярной называется сложная полярная система, когда объект
манипулирования на плоскости или в пространстве перемещается за
счет относительных поворотов двух звеньев r
и r2, имеющих постоян-
1
ную длину. При этом одно из звеньев r1 имеет возможность поворота
в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рисунок 4 в – OXY и
OYZ). Построенный по такой схеме М имеет три независимых вращательных движения вокруг вертикальной и 2-х ей перпендикулярных
горизонтальных осей.
Преимущества таких М:
– высокая гибкость манипулятора;
– не требуется больших площадей для установки.
М, работающие в ангулярной системе координат применяются для
сварки и окраски сложных изделий, например кузовов автомобилей.
13
2.2.2 Кинематические пары. Определение степеней
подвижности
Для обеспечения обслуживания рабочим органом М определенной рабочей зоны ИО должен иметь ту или иную конструктивную
схему, позволяющую осуществлять движения в различных системах
координат. Кинематическая структура М определяется видом и последовательностью расположения образующих его кинематических пар.
Кинематическая пара – подвижное соединение двух сопрягающихся звеньев. На относительное движение каждого звена накладывается ограничения, зависящие от способа соединения звеньев,
называемых условиями связи.
В зависимости от числа связей кинематические пары делятся на
классы, число которых равно пяти:
I класс – к нему относятся пары с пятью степенями свободы
H = 5 и одним условием связи S = 1. Моделью этого может служить
шар на плоскости, имеющий продольное перемещение вдоль двух
осей на плоскости и вращение вокруг этих и перпендикулярной к
ним осей (рисунок 5 а);
II класс – пары с H = 4 и S = 2. Моделью служит цилиндр на
плоскости (рисунок 5 б), имеющий перемещение вдоль двух осей,
расположенных на плоскости и вращение относительно собственной
оси и оси, перпендикулярной плоскости;
III класс – пары с H = 3 и S = 3 (рисунок 5 в) Это шаровая пара,
имеющая вращение относительно трех взаимно перпендикулярных
осей;
IV класс – пары с H = 2 и S = 4 (рисунок 5 г). Цилиндрическая пара
«цилиндр в цилиндре». Движение осуществляется вдоль совместной
оси цилиндров и вращением вокруг нее;
V класс – пары с H = 1 и S = 5. Может реализовать вращательное
движение – цилиндрическая пара с буртами (рисунок 5 д), имеющая
вращение относительно совместной оси, и поступательное движение,
например пара «призма в призме» (рисунок 5 е).
Известны пары, относительные движения которых связаны дополнительными геометрическими зависимостями, например винтовая
пара.
14
5 4 3 21
65 4 3 2 ,W np p p pp=−−−−−
51
pp…
54
32 .W npp=−−
Рис. 5 – Типы кинематических пар
Кинематические пары различают:
– низшие – соприкасающиеся по поверхности, это пары IV-V
класса;
– высшие – соприкасающиеся по линии и точкам, пары I-III
класса.
В большинстве конструкций ПР нашли применение кинематические пары V и IV классов. Совокупность некоторого количества
звеньев обеспечивает М требуемую степень подвижности.
Числом степеней подвижности М называется число степеней
свободы кинематической цепи относительно звена, принятого за неподвижное.
Число степеней подвижности определяется по формуле:
где n – число подвижных звеньев кинематической цепи;
– число кинематических пар соответственно V...I классов.
Для плоского механизма:
15
В открытых кинематических цепях, к которым относится М, чис-
5 43 21
2 3 4 5.Wp p p p p++ += +
54
2.Wp p= +
ло звеньев всегда равно числу кинематических пар, тогда формулы
примут вид:
И для плоских механизмов:
2.2.3 Виды кинематических структур промышленного
робота
Относительные движения звеньев М, посредством которых реа-
лизуются степени его подвижности, разделяются на 3 группы:
– локальные (ориентирующие) – перемещения РО соизмеримые
с его размерами. Обеспечивают требуемую ориентацию объекта манипулирования в зоне технологического и вспомогательного оборудования;
– региональные (транспортирующие) – перемещения РО в
различные зоны рабочего пространства. Определяются размерами кинематических звеньев. Это внутриоперационные
перемещения;
– глобальные (координатные) – перемещения на расстояния,
превышающие размеры ПР, определяют мобильность робота.
Теоретически минимально необходимое число степеней подвижности для перемещения объекта манипулирования в любую точку
рабочей зоны равно 3. Однако для расширения возможностей ПР,
обеспечения сложных траекторий, обхода препятствий М снабжают
избыточными региональными степенями подвижности.
Кинематическая структура ПР определяется видом и последовательностью соединения кинематических пар. Комбинирование поступательных и вращательных пар дает 60 совокупностей индексов
подвижности, а следовательно 60 типов структур ПР. Но кинематических структур ПР намного больше, так как они определяется не
только количеством пар, но и последовательностью их расположения.
В зависимости от условий производства возможно спроектировать
ПР любой требуемой конфигурации.
16
2.2.4 Понятие о маневренности, коэффициенте сервиса и
,
4
γ
ξ=
π
1ξ=
1ξ=
( )
1
.
V
dV
V
ξ = ξ⋅
∫
разрешающей способности
Число степеней подвижности М при фиксированном положении
РО носит название маневренности и определяет возможность обхо-
да ИО препятствий в рабочем объеме и способность к выполнению
сложных операций.
Возможность подхода РО к заданной точке рабочей зоны с различных направлений характеризуется коэффициентом сервиса М и
дает представление о двигательных возможностях М.
Коэффициент сервиса определяется по формуле:
где γ – пространственных угол обслуживания или угол сервиса,
определяемый совокупностью возможных положений оси
захвата, при котором центр его находится в заданной точке
рабочей зоны.
рабочей зоны, где ось захвата может занимать только одно положение,
до
мая зона 100% или полного сервиса.
объемом V называется полным коэффициентом сервиса ПР.
ПР и позволяет выбрать рациональный вариант структуры кинематической схемы М. Задача оптимизации сводится к выбору длин звеньев,
вида и последовательности расположения кинематических пар при
условии
ную точку рабочей зоны. Движения РО, имитируют движения кисти
руки и, в основном, представляют собой последовательность типа
«вращение-наклон».
Значение коэффициента сервиса изменяет от
, где ось может занимать любое положение. Это так называе-
Среднее значение коэффициента сервиса в рабочем пространстве
Величина ξ дает качественную оценку кинематических свойств
maxξ→ .
Все движения М предназначены для перемещения РО в задан-
17
на границе
Наименьшее смещение РО при заданном максимальном рассто-
2
2
θ
d
R
θ
R Rl
= ⋅
янии его перемещения, конструкции цепей управления и обратной
связи называется разрешающей способностью ПР и определяет
точность позиционирования объекта манипулирования.
Разрешающая способность определяется по формулам:
d
R =
d
,
n
,
=
n
где
R
θ
R
– разрешающая способность для линейного перемещения РО;
– разрешающая способность для углового перемещения РО;
d – максимальное расстояние линейного перемещения РО;
θ – угловой диапазон вращательного движения РО;
n – количество разрядных кодов в системе управления приводов
РО.
При вращательном движении разрешающая способность на за-
хватном устройстве:
çó
,
θ
где l – длина звена исполнительного механизма вращения.
2.2.5 Структура исполнительного и рабочего органов
манипулятора
От кинематической схемы (структуры) М зависят двигательные
возможности рабочего органа ПР.
Кинематическая структура М должна позволять осуществлять
позиционирование (перемещение) и ориентацию (вращение) РО, а
также манипулирование находящейся в нем деталью.
Для произвольного манипулирования объектом в пространстве достаточно 3...6 степеней подвижности механизма, поэтому М
строится, как правило, в виде цепи из 3...6 звеньев (редко больше),
последовательно соединенных между собой либо призматическими
(поступательными), либо шарнирными (вращательными) сочленениями. Один конец кинематической цепи закреплен на неподвижном
или подвижном опорном основании, а другой несет РО – захватное
устройство (ЗУ или захват).
18
Понятие локальных и региональных движений М позволяет выделить два кинематических участка, несущих различную функциональную нагрузку – собственно руку и кисть с захватом. Схема руки
(ИО) определяет конфигурацию и размеры рабочего пространства,
и маневренность М, а кинематика кисти – ориентирующие возможности ПР.
Возможную структуру кинематической схемы руки образует
сочетание трех пар V класса – вращательных (В) и поступательных
(П), в различных сочетаниях, что определяет форму рабочего пространства М.
Для обеспечения пространственной объемной рабочей зоны
структурная схема должна удовлетворять хотя бы одному из условий:
– иметь две вращательные пары, оси которых не параллельны;
– иметь две вращательные пары с параллельными осями и
поступательную пару, ось которой не перпендикулярна к
вращательным;
– иметь две поступательные пары с непараллельными осями и
вращательную, ось которой неперпендикулярна к плоскости,
образуемой направлениями осей П пар, или еще одну П пару,
ось которой непараллельна той же плоскости.
Исключение составляет только структура из трех вращательных
пар (ВВВ), оси которых пересекаются в одной точке.
Невыполнение любого из этих правил приводит к движению на
плоскости.
Изменение соотношения между размерами звеньев и углов между
осями меняет конфигурацию рабочего пространства. В последнее
время предпочтение отдается структурам ВВВ с различным расположением осей пар относительно друг друга (рисунок 6).
Ориентирующие движения РО определяет структура кисти, чтобы РО достигал любой точки рабочей зоны кисть должна содержать
три вращательных пары, оси которых последовательно развернуты
на 90º (рисунок 7).
Параметры кинематической цепи (длины звеньев, углы перемещения шарниров) определяются из условия оптимизации средних
значений коэффициента сервиса
ξ . Задача решается с помощью
компьютерных программ.
19
Рис. 6 – Кинематические структуры ВВВ
Рис. 7 – Кинематические структуры кисти
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]