1.3.4. Кинематика и привод манипулятора

Из большого многообразия структур манипуляторов можно выделить две основные: манипулятор, имеющий поворотную колонну на основании, несущую механическую руку с захватом (рис. 17, а); манипулятор, имеющий поворотный корпус с выдвижной механической рукой с захватом (рис. 17, б). У манипуляторов первого типа пространственные перемещения заготовок осуществляются за счет перемещений основания 1, колонны 2, механической руки 3 и кисти 4 с захватом 5. У манипуляторов второго типа, имеющих поворотный корпус 2, сидящий на основании 1, механическая рука 3 имеет возможность вращаться вокруг вертикальной и горизонтальной осей и перемещаться вдоль своей оси.

Отсюда можно сделать вывод: кинематика манипулятора зависит от кинематики основания, руки и захвата. Количество степеней подвижности, обеспечивающих перемещения всего робота, составляет кинематику основания. Для большинства существующих конструкций роботов считается достаточным, если основание обладает одной степенью подвижности, позволяющей перемещать робот от станка к станку.

а)

б)

Рис. 17. Структура манипуляторов

Количество степеней подвижности, обеспечивающих пространственное перемещение механической руки при неподвижном основании, составляет ее кинематику. Механическая рука с заготовкой перемещается в рабочей зоне, как правило, при наличии трех степеней подвижности. Дальнейшее увеличение степеней подвижности не изменяет характер рабочей зоны, а улучшает только мобильность робота. У роботов с прямоугольной системой координат механическая рука совершает два или три возвратно-поступательных движения по осям X, Y и Z. Преимущество такой кинематической схемы – возможность сохранения ориентированного положения заготовки в процессе ее перемещения.

Плоская полярная система координат характеризуется вращением механической руки вокруг одной из осей. У роботов с цилиндрической системой координат механическая рука совершает два возвратно-поступательных движения и одно вращательное. Вращательное движение вокруг оси может осуществляться на 360° и меньше. Сочетание одного возвратно-поступательного и двух вращательных движений в двух взаимно перпендикулярных плоскостях дает возможность механической руке перемещать заготовку в объемно-сферической зоне.

Ангулярная (угловая) система координат характеризуется тем, что перемещение захвата осуществляется за счет относительных угловых поворотов звеньев механической руки, имеющих постоянную длину. Сочетание трех вращательных движений в сферической системе координат позволяет механической руке с захватом перемещаться по многим шаровым поверхностям, образованным из различных центров.

Тип системы координат, по которым перемещаются рабочие органы робота, и число степеней подвижности оказывают непосредственное влияние на объем обслуживаемого пространства.

Кинематика кисти зависит от кинематики руки. Вращательные движения руки робота изменяют ориентирование перемещаемой заготовки в пространстве. Для ориентирования заготовки в пространстве в требуемое положение необходимо, чтобы кисть имела столько же вращательных движений, сколько и рука. Кинематика кисти должна обеспечивать и выполнение поворотов заготовки, которые требуются по ходу выполнения технологического процесса.

Электрический привод имеет широкий диапазон грузоподъемности (от долей до сотен килограммов), обеспечивает хорошие динамические характеристики, повышенную точность позиционирования (менее ±1 мм), широкую маневренность, приспособленность к применению систем числового управления. Для приводов используются электродвигатели переменного и постоянного тока, шаговые, с тиристорным управлением и др. Наиболее часто применяют электродвигатели постоянного тока дискового типа, имеющие систему сильного магнитного поля. Примерно 8% роботов имеют электрический привод постоянного тока и шаговые двигатели.

Для передачи движения от электродвигателя на кинематические звенья робота требуются механические передачи. В качестве механических передач используются зубчатые, червячные, реечные, цепные и рычажные передачи. Они позволяют преобразовывать и редуцировать движения, делают робот более компактным.

Электромеханический привод располагается на станине (основании), в ней или непосредственно на кинематических звеньях (руке, кисти, захвате). Недостатки электрического привода: применение высокооборотных электродвигателей требует сложных передаточных механизмов; меньшие скорости перемещения звеньев робота по сравнению с пневматическим приводом.

Пневматический привод получил распространение для роботов малой грузоподъемности (до 5-10 кг). Он позволяет иметь высокие скорости движения звеньев до 2 м/с. Конструкция пневматического привода проще и надежнее в эксплуатации по сравнению со всеми остальными видами приводов. Стоимость пневматических приводов при прочих равных условиях обычно в два-три раза ниже, чем гидравлических. Однако пневматические приводы имеют ряд недостатков: мягкая механическая характеристика, которая затрудняет создание замкнутых систем управления по положению или перемещению; требует специальных тормозных устройств; настройка точных значений скоростей звеньев затруднительна и др.

Пневматический привод имеет много общего с гидравлическим, но отличается от последнего тем, что не имеет обратных трубопроводов, обладает меньшей чувствительностью к изменению температуры и работает обычно на давлении не более 0,6 МПа. Пневматический привод состоит из пневматических двигателей, распределительной и регулирующей аппаратуры, блока питания. Пневматические двигатели применяются двух типов: пневмоцилиндры и пневмомоторы. Наиболее часто применяются пневмоцилиндры.

Скорость манипулирования в пневматических роботах довольно высока, поэтому важно обеспечить торможение исполнительного органа для обеспечения остановки в заданной точке.

Гидравлические приводы применяются для роботов с грузоподъемностью более 100 Н. Гидравлический привод обладает рядом преимуществ: большая мощность при малых габаритах, широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости, плавность реверсирования, повышенная точность позиционирования. Он находит преимущественное применение для роботов повышенной грузоподъемности и с большой зоной обслуживания.

Гидравлический привод состоит из гидродвигателя, электрического гидравлического усилителя и датчика положения. В качестве гидродвигателей применяются силовые цилиндры, гидромоторы и неполноповоротные двигатели. Основные недостатки гидропривода: чувствительность к изменению температуры окружающей среды, утечки рабочей жидкости, высокая квалификация обслуживающего персонала и т.п.