Расчет усилий захвата для манипулятора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Список условных обозначений, символов, единиц, сокращений, терминов

Введение

1. Анализ требований технического задания

1.1 Анализ исходных данных

1.2 Звенья и сочленения манипулятора

1.3 Типы сочленений

1.3.1 Простые сочленения

1.3.2 Сложные сочленения

1.4 Степени свободы манипулятора

1.4.1 Механизмы с открытой цепью

1.4.2 Механизмы с замкнутой цепью

1.5 Кисть с пересекающимися осями

2. Классификация захватов

2.1 Захват с пневмоприводом

2.2 Вакуумные захваты

2.3 Электромагнитные захваты

2.4 Захваты с рабочим инструментом

2.5 Механические захваты

2.6 Вакуумные захваты

2.6.1 Стандартные вакуумные присоски и штуцеры

2.6.2 Плоские вакуумные присоски и штуцеры

2.6.3 Сильфонные вакуумные присоски и штуцеры для них

2.6.4 Специальные вакуумные присоски

2.6.5 Стандартные пружинные плунжеры для вакуумных присосок

2.6.6 Пружинные плунжеры для вакуумных присосок с датчиком касания

2.6.7 Клапан для вакуумных присосок с датчиком касания

2.7 Магнитные захваты

2.7.1 Магнитные захваты - ABT для подъема плит, труб и круглых балок

3. Расчеты усилий захвата для манипулятора

3.1 Рабочие органы промышленного робота

3.2 Зажимные ЗУ

3.3 Вакуумные ЗУ

3.4 Расчёты ЗУ

3.4.1 Расчет типовой схемы зажимного ЗУ

3.4.2 Расчёт типовой схемы вакуумного ЗУ

Выводы

Перечень ссылок

Приложения

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ СИМВОЛОВ ЕДИНИЦ СОКРАЩЕНИЙ ТЕРМИНОВ

ЗУ - захватное устройство;

КПД - коэффициент полезного действия;

ПР - промышленный робот;

РО - рабочий орган;

ТП - технологический процесс;

ЧПУ - числовое программное управление.

ВВЕДЕНИЕ

Применение манипуляционных роботов для выполнения технологических операций основана на автоматизации управления действиями манипулятора, в частности управления усилиями, развиваемыми исполнительными механизмами. Принципиальная возможность создания таких систем обеспечивается на основе сило-моментного очувствления роботов и построение алгоритмов управления с обратными связями по усилиям (моментам), измеряемым специальными устройствами.

В настоящее время существует несколько различных типов надежных и технологичных измерителей сил и моментов. Их применение дает возможность автоматизировать выполнение самых разнообразных технологических операций: сборку конструкций, монтажные и демонтажные работы и т. п. Решение этих задач связано с разработкой теории синтеза алгоритмов управления силовыми операциями манипуляционных роботов [1].

Актуальность бакалаврской работы заключается в рассмотрение приборов захвата для манипулятора, обычно для каждой модели робота создается большое число всевозможных схватов, которые при необходимости легко и быстро заменяются и монтируются на кисти. В некоторых конструкциях роботов схваты могут меняться автоматически в соответствии с записанной программой.

Целью данной работы является расчет усилий захвата для манипулятора, а именно необходимо: провести анализ различных видов ЗУ; рассчитать типовые схемы зажимного и вакуумного ЗУ; провести анализ сравнения вакуумных и электромагнитных ЗУ.

1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Анализ исходных данных

манипуляционный захват вакуумный зажимной электромагнитный

Исходными данными к выполнению бакалаврской работы являются:

- типовые схемы зажимных и вакуумных ЗУ;

- объект манипулирования - деталь в виде стального цилиндра;

- масса объекта m=3кг;

- диаметре отверстия раструба для расчета вакуумных ЗУ D=10 см;

Целью данной работы является расчет усилий захвата для манипулятора.

Для реализации поставленной задачи необходимо:

- провести анализ различных видов ЗУ;

- рассчитать типовые схемы зажимного и вакуумного ЗУ.

- провести анализ сравнения вакуумных и электромагнитных ЗУ.

1.2 Звенья и сочленения манипулятора

Манипулятор представляет собой многозвенный механизм (рис. 1.1), который состоит из следующих частей:

а) звеньев (жестких, твердых тел, способных совершать движения по отношению к основанию манипулятора);

б) сочленений (систем двусторонних связей, ограничивающих возможность движения по отношению к смежным звеньям). По крайней мере, одно из звеньев сочленено с основанием, которое называется (не совсем удачно) начальным звеном . Звено, несущее рабочий орган, называется конечным звеном .



Рисунок 1.1 - Кинематическая схема манипулятора

1.3 Типы сочленений

Сочленение последовательно соединяет звенья и , т. е. ограничивает число степеней свободы звена по отношению к звену до величины , называемой степенью подвижности связи: 0<<6.

1.3.1 Простые сочленения

Простые сочленения ограничивают число степеней свободы сложных звеньев до 1. Ниже мы будем различать сочленения "нормальные" и "специальные". Нормальные сочленения. Существуют два типа нормальных сочленений. Вращательное сочленение (R) представляет собой связь типа шарнирной и допускает лишь вращение относительно оси , общей для и . Движение описывается одним параметром-- углом относительного вращения , обычно ограниченным соотношением

. (1.1)

Схематическое представление этого сочленения показано на рисунке 1.2, а



Рисунок 1.2 -Простые нормальные сочленения

Призматическое сочленение (Р) представляет собой связь типа ползун и позволяет осуществлять только поступательное движение тела вдоль оси общей для тел и . Это движение описывается также одним параметром -- относительным перемещением , всегда ограниченным соотношением

. (1.2)

Схематическое представление этого сочленения показано на рисунок 1.2,б. Специальные сочленения. Подвижность связи, равная 1, обычно означает, что каждая точка тела может описать лишь одну траекторию относительно некоторой определенной точки тела ; "специальное" же сочленение описывает траекторию, которая не является ни окружностью вокруг оси , ни прямой, параллельной . Так, система винт -- гайка объединяет в одном геликоидальном движении поступательное и вращательное движения относительно одной оси. На практике звенья манипулятора обычно связаны между собой лишь нормальными сочленениями.

1.3.2 Сложные сочленения

Существуют механизмы, которые обладают подвижностями типа R или Р. К ним относятся связи типа стопора (RР), шагового шарнира (RRR), опоры поверхности на поверхность (РРR) и т.д. В большинстве случаев, в частности когда эти связи являются механическими, они реализуются путем комбинации нормальных сочленений и промежуточных звеньев. Ниже рассматриваются манипуляторы, имеющие лишь нормальные сочленения.

1.4 Степени свободы манипулятора

Назначение манипулятора состоит в том, чтобы перемещать рабочий орган; поэтому он должен обладать также способностью перемещать и ориентировать конечное звено, что необходимо для решения ряда задач. Введем понятие степени свободы твердого тела. Свободное твердое тело S обладает шестью степенями свободы, так как его положение в любой момент времени можно задать шестью независимыми параметрами (рисунок 1.3), например, вектором X с составляющими х, у, z, где -- соответственно углы Эйлера, определяющие ориентацию системы координат , связанной с телом S относительно базовой системы координат (рисунок 1.4), а х, у, z -- координаты произвольной точки Р тела S.

Рисунок 1.3 - Степени свободы твердого тела



Рисунок 1.4 - Система отсчета углов

Твердое тело, связанное с другими твердыми телами, имеет определенное число степеней свободы d, которое может быть меньше или равно 6. Число степеней свободы манипулятора равно по определению числу степеней свободы конечного звена, и зависит от числа звеньев, а также типа и структуры связей между ними.

Манипулятор приводится в действие с помощью приводов, преобразующих первичную энергию в механическую и осуществляющих вращательное или поступательное движение, которое используется (прямо или косвенно) для приведения в действие вращательного или призматического сочленения. Различные сочленения не всегда приводятся в действие независимо друг от друга. Поэтому необходимо рассмотреть несколько случаев, в частности манипуляторы с шарнирным механизмом с открытой или с замкнутой цепью.

1.4.1 Механизмы с открытой цепью

В этих механизмах каждое звено сочленено с предшествующим ему звеном и с последующим звеном а конечное звено , связано только с . При этом п сочленений структурно независимы и могут приводиться в движение одновременно. Положение манипулятора определяется совокупностью параметров сочленений (кинематических пар) и .

Переменные кинематических пар. При использовании n различных и отдельно управляемых приводов изменение положения конечного звена во времени может быть описано n независимыми переменными, образованными из параметров сочленений. Обозначим через А вектор переменных кинематических пар. Тогда манипулятор с открытой цепью из шести сочленений, показанный на рисунок 1.5, описывается вектором

. (1.3)

Рисунок 1.5 - Манипулятор с разомкнутой цепью с шестью переменными

Если же, наоборот, один и тот же привод управляет движением нескольких сочленений, их параметры не являются независимыми переменными (рисунок 1.6).



Рисунок 1.6 - Элемент разомкнутой цепи с одной переменной кинематической пары

То же самое справедливо, когда различные двигатели управляются одним сигналом (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Элемент разомкнутой цепи с одной переменной кинематической пары

При выводе кинематических уравнений манипулятора для соответствующих сочленений следует "запоминать" лишь ту "переменную", относительно которой выражаются различные связанные между собой параметры кинематических пар.

Степени свободы. Выше уже говорилось, что число подвижных соединений манипулятора не всегда совпадает с числом независимых переменных кинематических пар n. Аналогично размерность n вектора А не всегда равна числу степеней свободы d конечного звена . Это происходит по следующим причинам:

а) каково бы ни было число n, число d обязательно меньше или равно 6;

б) выполнения условия недостаточно для получения равенства d = 6.

Таким образом, манипулятор, приводимый в движение исключительно поворотом вокруг вертикальных осей, обладает не более чем тремя степенями свободы, так как допускает перемещения лишь в горизонтальной плоскости (рисунок 1.8). Обозначим через Х=f(А) преобразование, переводящее в , т. е. определяющее положение конечного звена в зависимости от переменных кинематических пар.

Рисунок 1.8 - Плоский механизм с тремя степенями свободы

По определению число степеней свободы манипулятора равно размерности подпространства V пространства , порожденного свободным движением сочленений:

. (1.4)

Эта размерность определяется локальными соотношениями. Вблизи произвольного положения А* конечного звена связь между малыми вариациями А и X имеет вид

, (1.5)

где определяется якобианом f размерностью :

. (1.6)

Если обозначить столбцы как , то предыдущее выражение можно записать в виде

, (1.7)

где векторы размерностью 6 образуют матрицу F.

Пусть р равно рангу , т. е. максимальной размерности его ненулевых детерминантов. При этом могут возникнуть следующие случаи:

а) р = 6. Тогда можно найти 6 линейно-независимых векторов и матрица составляет семейство, образующих . Для любых малых скалярных величин линейная комбинация образует пространство размерностью 6.

(1.8)

б) р<6. В этом случае существует только р независимых векторов и F-матрица образует подпространство размерностью р, что в свою очередь соответствует двум различным случаям:

При максимальный ранг равен 6 и условие соответствует вырождению общего случая;

n<6 максимальный ранг равен n и условие представляет общий случай.

Итак, используя f, мы ставим в соответствие каждому положению А* возможность локального движения с р степенями свободы.

Пусть-- максимальное значение р при , тогда определяет во всех случаях размерность V и меру возможных движений, т. е. число степеней свободы манипулятора .

Назовем уровнем избыточности r разность между числом переменных кинематических пар и числом степеней свободы

. (1.9)

Положения А, соответствующие рангу, меньшему d, являются особыми, так как возможности локального движения здесь наиболее ограниченны, а уровень избыточности наиболее высок.

В действительности переменные кинематических пар ограничены условиями

, i=1, 2, …, n. (1.10)

На них могут быть наложены дополнительные ограничения с целью, например, предупреждения возникновения столкновений:

 (1.11)

Совокупность этих ограничений сужает область определения f до области D размерностью n (области в самом простейшем случае).

Совокупность положений, которые может принимать конечное звено, составляет, таким образом, область Е размерностью d, которая обычно является лишь частью области D, т. е.

, . (1.12)

1.4.2 Механизмы с замкнутой цепью

Когда совокупность звеньев манипулятора образует замкнутую цепь, включенные в нее сочленения оказываются структурно зависимыми. В качестве примера рассмотрим три плоских механизма, показанных схематически на рисунке 1.9. Первый механизм (рисунок 1.9, а) состоит из трех шарниров, но образует недеформируемый треугольник, который нельзя описать с помощью переменных кинематических пар.

Рисунок 1.9 - Механизм с замкнутой цепью

Второй механизм (рисунок 1.9,б) содержит четыре шарнира, но лишь одной из переменных можно произвольно придавать различные значения. Аналогичная ситуация для третьего механизма (рисунок 1.9,в), включающего три шарнира и одно призматическое сочленение. Последние два механизма могут применяться для специальной связи между звеньями и с подвижностью, равной 1.

При описании движения манипуляторов, содержащих подобные замкнутые цепи, необходимо определить максимальную совокупность n независимых переменных кинематических пар и выразить в зависимости от них q параметров других сочленений. Иногда сделать это довольно трудно и целесообразнее ввести вектор А размерностью n+q при наличии q ограничений в виде независимых равенств. Таким образом, получаем

, . (1.13)

Для заданного положения А* можно записать следующие выражения для приращений:

, . (1.14)

Вследствие независимости наложенных ограничений ранг матрицы равен q. При этом перемещения сочленений dA, удовлетворяющие ограничениям, принадлежат подпространству W размерностью n из . Действительно q столбцов матрицы G являются линейно-независимыми векторами , которые образуют-- подпространство U из размерностью q. Эти q соотношений означают ортогональность dA к векторам , а следовательно, к подпространству U. Отсюда следует, что dА есть произвольный вектор подпространства W, дополняющий подпространство U.

(1.15)

Пусть Н - матрица размерностью, столбцы которой образуют подпространство W; тогда А можно записать как линейную комбинацию в виде

или , (1.16)

где . Отметим, что n составляющих вектора dB являются независимыми. Отсюда

. (1.17)

если dВ описывает W определяет область размерностью

. (1.18)

Максимальное значение р определяет здесь также размерность d области V из , образуемой свободным движением сочленений, т. е. числом степеней свободы рассматриваемого манипулятора. Возможная избыточность по-прежнему определяется превышением n на d.

1.5 Кисть с пересекающимися осями

Во многих практических задачах целесообразно связывать четыре последних звена с помощью вращательных сочленений с осями, пересекающимися водной точке С (рисунок 1.10). Это устройство представляет собой механизм ориентирования рабочего органа, часто называемый "кистью", если три последних звена имеют малую длину. Данный механизм работает как пространственный шарнир с центром С (сложное сочленение с тремя степенями подвижности).

Когда рабочий орган изменяет направление перемещения путем трех вращений механизма, положение точки С не изменяется. Положение точки С зависит только от той части манипулятора, которая расположена сверху. Оснащенный длинными звеньями такой манипулятор часто называется кистью и предоставляет собой механизм, служащий прежде всего для перемещения рабочего органа.

Для описания положения звенаможно взять и вместо и ; параметры первой пары эквивалентны параметрам другой пары, поскольку точка С принадлежит конечному звену:

= . (1.19)

В этом случае система уравнений при обозначении трех последних переменных кинематических пар через и остальных переменных принимает вид

, . (1.20)

Это система блочно-треугольного вида размерностью . Второе уравнение системы позволяет вычислить и , исходя из , а первое уравнение , исходя из и .



Рисунок 1.10 - "Кисть" с пересекающими осями

Если механизм перемещения состоит из трех призматических сочленений, то а2=t, r2 отсутствует и система уравнений становится блочно-диагональной. Кроме того, когда оси поступательного движения совпадают с осями неподвижной системы координат , имеем

. (1.21)

Это решение обеспечивает полную развязку между перемещением и ориентированием, но не всегда используется на практике по той причине, что изготовление вращательных сочленений осуществляется гораздо проще.

Управление выполняется наиболее просто, когда точка С совпадает с центром тяжести предмета, переносимого рабочим органом. Тогда можно изменить ориентацию предмета, не изменяя положения точки С, а следовательно, не прибегая к переменным r2 и t. Эта конфигурация позволяет также получать высокую точность при малых перемещениях.



Рисунок 1.11 - Устройство с тремя осями вращения, расположенными на одной прямой, проходящей через центр рабочего органа

Рисунок 1.12 иллюстрирует возможную конструкцию такого устройства, единственным недостатком которого являются его большие габариты, что уменьшает возможность доступа рабочего органа к захватываемому предмету, а также увеличивает опасность столкновения [2].

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАХВАТОВ

2.1 Захват с пневмоприводом

Захват с пневмоприводом используется для работы с длинномерными деталями, имеющими в сечении неправильную форму. Кисть имеет длинную балку, на концах которой смонтированы два схвата, имеющих по одному приводному пневмоцилиндру. Для переноса больших полых цилиндрических деталей, например емкостей, изготовленных из пластмасс, применяется захват.

В углах рамы на осях установлены три звездочки. На осях звездочек вместе с ними установлено три одинаковых кулачка. Звездочки охватываются цепью. Для привода цепи используется гидроцилиндр или пневмоцилиндр. При включении цилиндра цепь перемещается, и кулачки поворачиваются до тех пор, пока не упрутся в боковую поверхность переносимой детали. Один такой схват пригоден для работы с деталями различного диаметра.

Для роботов, используемых на разгрузке и раскладке кирпича, сконструированы специальные захваты с пневмоприводом, которые содержат набор лопаток. Захваты могут удерживать до 24 кирпичей стандартных размеров (по 8 шт. в 3 ряда). В некоторых случаях применяются специальные типы захватов (деталь, например, может прижиматься к кронштейну штоком исполнительного цилиндра).

2.2 Вакуумные захваты

После снятия нагрузки губки захватов возвращаются в первоначальное положение. Для работы с деталями разных диаметров, а также при переходе на обработку новой детали, предусмотрена перестановка захватов в три фиксированных положения.

В результате при разводе губок захватов на требуемые углы время на включение и выключение захвата уменьшается.

Следует отметить, что при конструировании захватов большое внимание удаляется снижению их массы, так как при увеличенной массе захватов, находящихся на большом расстоянии от вертикальной оси поворота руки, значительно возрастает момент инерции вращающихся элементов, в связи с чем уменьшается грузоподъемность робота.

Вакуумные захваты применяются преимущественно при работе с листовыми деталями. Эти захваты отличает простота конструкции и небольшая масса. Наиболее распространенная конструкция вакуумного захвата. Одним из основных элементов этих схватов является чашка-присоска, которая делается обычно из резины или пластмассы. Присоски используются также для захвата стеклянных деталей со сложной наружной поверхностью или для захвата нескольких разных по форме, но близких по размеру деталей. Иногда присоски делаются в виде пластин с большим количеством отверстий, каждое из которых предназначено для захвата одной детали.

Откачивание воздуха из-под присоски производится вакуумным насосом через шланг, протянутый вдоль руки робота, или с помощью эжектора, работающего от цеховой сети сжатого воздуха.

Для запуска и выключения вакуумного насоса в магистраль насоса встраивается датчик, который при образовании заданной степени вакуума подает сигнал в систему управления роботов.

2.3 Электромагнитные захваты

У захватов, работающих с помощью электромагнитов, область применения аналогична с вакуумными захватами. Преимуществом электромагнитных захватов является большая сила притяжения на единицу площади, быстрота срабатывания и простота конструкции. К их недостаткам следует отнести возможность использования схватов только для работы с деталями из магнитных материалов и наличие остаточного магнетизма на перемещаемых деталях. Менее удобны захваты с постоянным магнитом, так как в этом случае снятие детали должно производиться с помощью приспособления.

В некоторых случаях необходимо, чтобы робот наряду с выполнением основных функций выдавал разного рода информацию, например, об исправности и правильности работы оборудования в момент установки и обработки детали, а также о соблюдении заданных параметров в процессе обработки и т. д. Роль контрольных органов могут исполнять специальные датчики, выдающие сигналы о всевозможных отклонениях от заданного режима или об изменении условий обработки или внешней среды. В ряде случаев, когда требуется информация о взятии и установке детали, об усилии сжимания, температуре, скорости перемещения детали или о положении захвата относительно детали и т. д., используются сенсорные датчики, которые устанавливаются непосредственно на захватах.

2.4 Захваты с рабочим инструментом

Многие из захватов, которыми оснащены роботы, несложно приспособить для выполнения основных операций производственных процессов, например, для сварки, нанесения покрытий и др. Для этого надо установить на захват клещи для точечной сварки, приспособление, несущее электрод или газовую горелку, пистолет для нанесения пластмасс или лакокрасочных покрытий. Существуют захваты с ножницами для обрезки кабеля, разработаны захваты с устройством для гибки труб.

Захваты с надувными резиновыми оболочками (мешками) хорошо зарекомендовали себя в работе с хрупкими изделиями различной формы.

Державки к захватам для деталей, имеющих очень сложную форму, могут быть изготовлены путем отливки пластмассы в форму, сделанную непосредственно по детали. При необходимости эта пластмасса может быть армирована стекловолокном.

Большие трудности вызывает использование роботов на сборочных операциях. Эти трудности можно в некоторых случаях легко преодолеть, если для сосной установки двух сопрягаемых деталей сообщить захвату с деталью, которая должна быть вложена в отверстие, колебательные движения. При совмещении осей отверстия и детали амплитуда становится меньше, и прекращение колебаний служит сигналом для открытия схвата.

В процессе эксплуатации роботов приходится создавать различные конструкции захватов, всякий раз заботясь о наибольшей приспособленности захвата к детали [3].

2.5 Механические захваты

Предназначены для подъема, удержания и перемещения грузов при выполнении различных технологических операций и обеспечивают безопасное производство погрузочно-разгрузочных работ во многих отраслях промышленности.

Конструкция захватов определяется геометрическими параметрами груза и условиями эксплуатации захватов:

а) захваты для листа (рисунок А.1). Захват предназначен для вертикального или горизонтального зацепления, подъема и перемещения листового металла. Захват может работать одиночно (при подъеме коротких листов металла) и в паре (при подъеме длинных листов металла). Для зацепления вертикального захвата листового металла может быть использован канатный строп. Также возможно использование вертикальных захватов листового металла в качестве комплектующих элементов при подъеме листов металла с помощью траверсы. Конструкция захвата зависит от массы и толщины перемещаемого листа (пачки листов);

б) захваты для профиля (рисунок А.2). Захваты предназначены для подъема и перемещения балок, двутавров и подобных грузов;

в) захваты для труб (рисунок А.3). Захват для труб предназначен для подъема и перемещения труб. Подъем труб производится двумя захватами;

г) захваты для бочек (рисунок А.4);

д) захваты для барабанов (рисунок А.5);

е) захваты для строительства (рисунок А.6) [4].

2.6 Вакуумные захваты

Вакуумные присоски - это элементы, предназначенные для захвата и перемещения изделий и заготовок с помощью вакуума. Как правило, вакуумные присоски используются для подъема предметов, имеющих гладкие воздухонепроницаемые поверхности, но возможет также захват некоторых пористых и выпуклых поверхностей. Основные области применения вакуумных присосок DVP - это автоматизация различных производств: деревообрабатывающего, пищевого, автомобильного, стекольного. Также присоски широко применяются в полиграфической технике подачи в машину и перемещения листов. Вакуумные присоски DVP изготавливаются только из высококачественных материалов на заводе в Италии.

2.6.1 Стандартные вакуумные присоски и штуцеры

Стандартные вакуумные круглые присоски для вакуумных захватов и сменные элементы для них. Универсальные вакуумные присоски для большинства стандартных применений (рисунок 2.1).



Рисунок 2.1 - Стандартные вакуумные присоски и штуцеры

2.6.2 Плоские вакуумные присоски и штуцеры

Вакуумные присоски для вакуумных захватов, рассчитанные на большую нагрузку, с металлическим основанием и комплектующие для них. Универсальные вакуумные присоски могут использоваться для захвата металла, стекла, дерева и т.д. На присосках диаметром 250-420 мм предусмотрено дополнительные отверстие, которое может быть использовано для установки датчика касания или для альтернативного подключения к вакуумной линии (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Плоские вакуумные присоски и штуцеры

2.6.3 Сильфонные вакуумные присоски и штуцеры для них

Сильфонные вакуумные присоски для вакуумных захватов, рассчитанные на перемещение разноуровневых поверхностей или группы небольших предметов. Присоски данного типа обеспечивают компенсацию неточности подведения вакуумного захвата и разность уровней захватываемой повехности (рисунок 2.3).



Рисунок 2.3 - Сильфонные вакуумные присоски и штуцеры

2.6.4 Специальные вакуумные присоски

Вакуумные присоски для печатных и других полиграфических машин, где требуется захват бумаги, картона или пленок (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Специальные вакуумные присоски

2.6.5 Стандартные пружинные плунжеры для вакуумных присосок

Плунжеры предназначены для обеспечения плотного контакта между захватываемой поверхностью и вакуумной присоской, а также для компенсации разности уровней при перемещении крупноразмерных предметов и изделий с разноуровневой поверхностью. Плунжеры изготавливаются из бронзы с никелевым покрытием, пружины из высококачественной пружинной стали. Плунжеры имеют удобные быстроразъемные соединения под вакуумно-пневматические трубки для быстрого и надежного подключения (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Стандартные пружинные плунжеры

2.6.6 Пружинные плунжеры для вакуумных присосок с датчиком касания

Данные устройства во многом аналогичны стандартным пружинным плунжерам, но имеют встроенный датчик касания, этот элемент предотвращает натекания воздуха в вакуумную систему, если присоска не касается захватываемой поверхности. Такие плунжеры можно использовать для подъема серии предметов различной формы или размеров, т.к. если часть вакуумных присосок не будет касаться захватываемой детали, то воздух через них не будет поступать в вакуумную систему (рисунок 2.6).



Рисунок 2.6 - Пружинные плунжеры для вакуумных присосок с датчиком касания

2.6.7 Клапан для вакуумных присосок с датчиком касания

Устанавливаются на вакуумные присоски, предотвращают натекания воздуха в вакуумную систему, если вакуумная присоска не касается захватываемой поверхности (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - Клапан для вакуумных присосок с датчиком касания [5]

2.7 Магнитные захваты

Магниты грузоподъемные (грузозахваты), предназначены для захвата и транспортировки в ручную или крановыми механизмами грузов из ферромагнитных материалов (рисунок 2.8).



Рисунок 2.8 - Магниты грузоподъемные захваты

Грузозахваты магнитные успешно применяются в условиях заготовительных, ремонтных и металлообрабатывающих цехов машиностроительных и металлургических заводов, складов стального проката, при выполнении строительно-монтажных и других работ.

Уникальность грузозахватов магнитных в том, что имеются устройства для перемещения как мелких штучных изделий, так и крупных металлоконструкций.

На сегодняшний день, грузоподъемность одного грузозахвата магнитного, в зависимости от модификации, составляет от 40 до 1200 кг.

Для подъема и транспортирования более тяжелых и/или длинномерных грузов (рельсы, двутавры, швеллеры, балки, листы т.п.) рекомендуется использовать сочетание из двух, трех и более аналогичных магнитных грузозахватов, подвешенных на одной траверсе.

Решающее значение на величину магнитной силы притяжения магнитного грузозахвата оказывают следующие факторы:

а) химический состав груза (при наличии примесей, ухудшающих ферромагнитные свойства - сила притяжения уменьшается);

б) форма и размеры поднимаемого груза (чем больше сечение груза и меньше воздушный зазор между магнитом и грузом - сила притяжения больше.

Существуют два вида грузозахватов: с кулачковым механизмом отрыва и с отключаемым магнитным полем.

Основное преимущество магнитных грузозахватов в том, что они просты в использовании, не требуют внешнего источника энергии (как, скажем, электрический ток для электромагнитов) и имеют отличное соотношение собственного веса к массе поднимаемого груза (грузоподъемности).

2.7.1 Магнитные захваты - ABT для подъема плит, труб и круглых Балок

Рисунок 2.9 - Захваты для подъема плит, трубок и круглых балок

Характеристика захватов для подъема плит, трубок и круглых балок (рисунок 2.9):

а) малого размера, простые в эксплуатации;

б) четыре разных размера;

в) благодаря шарнирной подъёмной петле лучшая устойчивость поднимаемых грузов;

г) температурный режим применения - 40 C - + 80 C;

д) все магнитные захваты протестированы нагрузкой 2-х кратной рабочей нагрузке;

е) обработка поверхности - окраска;

ж) коэффициент запаса прочности 4 : 1;

з) не подвергаются термообработке [6].

3. РАСЧЕТЫ УСИЛИЙ ЗАХВАТА ДЛЯ МАНИПУЛЯТОРА

3.1 Рабочие органы (РО) промышленного робота (ПР)

Разнообразие моделей и конструкций промышленных роботов характеризуется двумя основными факторами:

а) большим количеством типоразмеров объектов, заготовок и изделий, которыми должен манипулировать робот;

б) разными физическими принципами действий РО.

Объекты (заготовка и изделия) могут иметь разные размеры, формы, массу, материал, а так же разные физические свойства. Как правило, современная ПР комплектуется набором типичных РО, которые можно менять в зависимости от требований ТП.

К РО принадлежит ЗУ, предназначены для взятия и удержание детали или изделия. К ним ставятся условия общего характера, связанные с конкретными условиями работы. Обязательные условия - это надёжность захвата и удержание объекта, стабильность его базирования, недопустимость поломки или разрушения.

При обслуживании одним ПР нескольких единиц оборудования использования широкодиапазонных ЗУ или автоматическая замена их может бить единственным решением, особенно если одновременно обрабатываются заготовки (детали) разной конфигурации и массы. По этому к ЗУ, которые работают в условиях серийного производства, предъявляются дополнительные условия:

а) широкий диапазон (возможность захвата и базирования деталей в широком диапазоне масс, размеров и формы их);

б) обеспечение захвата близко расположенных деталей;

в) лёгкость и быстрота замены.

В ряду случаев необходима автоматическая смена усилия сдерживания объекта в зависимости от его массы.

В последнее время разрабатываются конструкции ЗУ, способные забирать и базировать неориентированное расположенные объекты.

В современных ПР часто принимаются технологические РО, назначенные для выполнения конкретных ТП. К ним относятся, например, клещи для контактного точечного сваривания, горелка для дугового сваривания плавлением, распылитель для покраски и т.д.

На рисунке 3.1 показана классификация, которая учитывает основные типы РО.

Рисунок 3.1 - Классификация РО роботов

Зажимные ЗУ удерживают деталь благодаря кинематическому действию рабочих элементов (губок, пальцев, клещей и т.д.) с помощью силы трения.

Вакуумные ЗУ обеспечивают силовые действия на объект благодаря использованию разных физических принципов. Наиболее распространенные вакуумные и магнитные ЗУ.

В зависимости от направления РО роботы могут оснащаться дополнительными приборами для использования ориентированных перемещений и некоторых технологических операций (гайковёртом, сверлильным прибором и т.д.).

За количеством рабочих позиций ЗУ делятся на одно- и многопозиционные, а за характером управления - на четыре группы:

а) неуправляемые ЗУ с постоянными магнитными или вакуумными присосками без принудительного разжижения (в таком ЗУ для снятия объекта необходимо приложить больше усилий, чем для его удержания);

б) командные ЗУ, управляются только по командам на захват или отпускание объекта (к ним принадлежат приборы с пружинным приводом, которые оснащены стопорным механизмом, что срабатывает через такт);

в) жёстко программируемые ЗУ, управление системой ЧПУ роботом (перемещение губок, взаимное размещение рабочих элементов и усилие сжатия в таких приборах изменяются в зависимости от заданной программы, что может управлять тоже работой вспомогательных технологических приборов);

г) адаптивные ЗУ - программные приборы, оснащённые разными датчиками внешней информации (формы изделия и состояние его поверхности, массы объекта, усилие сжатия и т.д.).

По характеру крепления к руке ПР все ЗУ можно поделить на четыре группы:

а) неизменные ЗУ, которые являются неотъемлемой частью конструкции робота, замену которых не предусмотрено;

б) сменные ЗУ - самостоятельные узлы с базовыми поверхностями для крепления к руке робота (крепление таких приборов не предполагает быстрой замены их);

в) быстро заменяемые ЗУ (а в общем виде РО могут крепится с помощью специальных механизмов и позволяют быструю замену их);

г) автоматически заменяемые ЗУ, которые обеспечиваются механизмами, что дают возможность исполнять автоматическую замену их.

3.2 Зажимные ЗУ

При конструировании наиболее распространенных зажимных ЗУ роботов необходимо учитывать конкретный тип детали или группы деталей, их форму, материал и условия ТП. Важные критерии при этом - необходимая точность удержания детали и допустимое усилие на губках. Следовательно, до этого времени сделано большое количество разных зажимных ЗУ, которые отличаются кинематической схемой и другими конструктивными параметрами. Как правило, зажимные ЗУ приводятся в движение с помощью пневматического или пневмогидравлического привода, размещённого в основе прибора. Эластичный зажимный ЗУ предназначенный для захвата и удержания лёгко деформированных изделий, например электрические лампы, и несколько отличаются от остальных ЗУ данного типа. Этот прибор приводится в действие давлением воздуха.

Грузоподъёмность зажимных ЗУ должно соответствовать одному из значений ряда Ra10 в границах 1 - 8000 H:1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3200; 4000; 5000; 6300; 8000.

Рисунок 3.2 - Основные типы зажимных ЗУ и расчетные схемы их

Расчёты зажимных ЗУ включает нахождение сил, которые действуют в местах контакта заготовки и губок; вычисление усилий привода; проверка отсутствия неполадок поверхности объекта при захвате; расчёт на прочность детали прибора.

Силы, которые действуют в местах контакта ЗУ с объектами манипулирования, вычисляются по формулам, приведенные в таблице.

Схемы удержания объектов в зажимном ЗУ делятся на:

а) объект поддерживается губками, силы трения слабо влияют на механизм удержания объекта в таблице 3.1;

Таблица 3.1 - Схема и расчетная формула

	, где i, j=1;

б) объект удерживается с помощью запорным действием губок при ограниченном действии силы трения в таблице 3.2;

Таблица 3.2 - Схема и расчетная формула

	, ,

в) объект удерживается силами трения в таблицах 3.3 и 3.4.

Таблица 3.3 - Схема и расчетная формула

На практике обычно встречается сложная загрузка зажимных ЗУ в виде комбинации указанных в таблице 3.4. При этом в процессе манипулирования объектом характер нагрузки ЗУ и схемы удержания объекта могут изменяться. Поэтому расчет должен вестись для критического случая нагрузки ЗУ.

Таблица 3.4 - Схема и расчетная формула

	, где i, j, k=1, 2, 3;

При несимметрическом расположении нагрузок по ширине губок нагрузка на крайние перерезы ЗУ вычисляется согласно таблице 3.5. Нагрузка ЗУ должна отвечать отмеченным выше значениям.

Таблица 3.5 - Схема и расчетная формула

	Для а: , Для б: ;

В общем случае усилия, что развивается приводом зажимного ЗУ, выражается примером

(3.1)

где - коэффициент запаса ;

- передаточный коэффициент механизма;

- усиление тискав на i-й губке;

m - количество губок в захвате;

- коэффициент полезного действия (КПД) механизма.

Для симметрических губок усилия, что развивается приводом, можно рассчитать по формуле

(3.2)

Усиление захвата на i-й губке выражается формулой

(3.3)

где - усиление контактирования, которое можно найти по формулам, приведённых в таблице 3.1 - 3.5; - угол контакта;

k - число точек контакта.

Коэффициент вычисляется соответственно с выбранной типовой схемой ЗУ. Обозначение его одной из этих схем приведены ниже. Коэффициент трения губок захвата с заготовкой выбирается в зависимости от её материала:

Таблица 3.6 - Коэффициент трения губок захвата

Состыкованные поверхности
Дерево по резине	0,8
Сталь по стали:
для не завёрнутых губок без засечки: из стали	0,12-0,15; 45,50
для завернутых губок с острой засечкой из	0,3 - 0,35
стали 65Г, 60С2, 48А, У10А при HRC 55
Латунь по стали	0,12
Стекло по резине	0,6
Дуралюмин по стали	0,1

3.4 Вакуумные ЗУ

Используются для удержания стеклянных и хрупких предметов, например кинескопа телевизора, используются вакуумные притягательные ЗУ. Резиновый раструб тут закреплено на шариковом соединении, что обеспечивает самостоятельное установление и тщательное прилегание раструба по всему контуру. Основной параметр - сила F захвата - зависит от площади S контакта с предметом и от разжижения усилие в ньютонах обозначается выражением

, (3.4)

где D - диаметр отверстия раструба, см ; р - разжижения в раструбе, Па.



Рисунок 3.3 - Вакуумный (а) и круглый электромагнитный (б) притягательные ЗУ

3.4 Расчёты ЗУ

3.4.1 Расчет типовой схемы зажимного ЗУ

Поскольку прибор симметрический, рассматриваем схему нагрузки одной из его губок.

Рабочие губки 4 соединены тягами с зубчатыми секторами 3, которые находятся в сцеплении с рейкой 2, связанные с тягой 1 привода. При перемещении рейки 2 под действием силы F привода происходит поворот губок 4 к центру на одинаковые углы и захват объекта манипулирования.

Рисунок 3.4 - Типовая схема усилий в звеньях зажимных ЗУ

Рассчитаем усилие контактирования между объектом и губкой для схемы удержания на рисунке 3.3. Пусть объектом манипулирования будет деталь в виде стального цилиндра массой m=3кг. Реакция на одну губку захвата

H, (3.5)

где g - ускорение свободного падения.

Нагрузку ЗУ принимаем Р=32 Н.

Усилие контактирования между деталью и губкой вычислим по формуле:

, (3.6)

при получим

Н. (3.7)

Усилие захвата на губе составляет

Н. (3.8)

Усилия, которые возникают в звеньях ЗУ при его работе, показано на рисунке 3.4.

Передаточный коэффициент механизма можно найти из условия

. (3.9)

Для определения этой зависимости сложим условие равновесия системы относительно точки А ( рисунок 3.4). В общем случае имеет вид

; ; , (3.10)

то есть сумма проекций всех сил на вольно выбранные оси декартовых координат x, y и сумма моментов этих сил относительно точки А равны нулю.

Тогда условия равновесия системы относительно точки А записывается в виде

(3.11)

Решив систему относительно P и F, получим уравнение

, (3.12)

Преобразовав которое, получим

, или . (3.13)

Аналогично вычисляется коэффициент для остальных типичных схем зажимных ЗУ. После выбора конструктивных параметров b, а, с по форме вычисляется усилие развиваемое приводом для симметрических губок.

Относительно выбранных конструктивных параметров ЗУ, размеров объекта манипулирования и результатов расчета выполняется эскиз конструкции ЗУ.

3.4.2 Расчёт типовой схемы вакуумного ЗУ

Если с одного бока ЗУ будет полное атмосферное давление, а с другого - разжижения в 13 Па, то есть форвакуум, то при диаметре отверстия раструба D=10 см получим

Н. (3.14)

Добиваться высокого вакуума при этом нецелесообразно, так как усилие F после достижения форвакуума увеличивается незначительно.

Электромагнитные ЗУ используют для захвата объектов из магнитных материалов. Эти ЗУ имеют ряд преимуществ: не сложные при конструировании и эксплуатации, не требуют специальных приводов, могут захватывать листовой материал в куче.

Большое распространение получили круглые электромагнитные вакуумные ЗУ, что состоят из корпуса 1 и сердцевины 3 из электротехнической стали, которые образуют кольцевую пустоту, где помещена катушка 2.

Усиление F захвата электромагнитов может быть вычислено с помощью выражения, взятых на примере формулы Максвелла:

- для электромагнитов постоянного тока

; (3.15)

- для электромагнитов переменного тока

, (3.16)

где I - сила тока, А; N - число оборотов катушки; - магнитная стала (Гн/м); S - площадь рабочего зазора, см; - его ширина, мм.

Ниже рассмотрена сравнительная характеристика вакуумных и электромагнитных ЗУ:

а) вакуумные ЗУ - пригодны для всех материалов, которые имеют необходимую геометрию та поверхность. Сила притяжения на единицу площади ограничена. Снижена точность базирования через эластичность конструкции. Необходимо некоторое время для создания вакуума. Конструкция более сложная. Срок службы ограниченный;

б) электромагнитные ЗУ - пригодные только для материалов, которые намагничиваются. Возможна большая сила притяжения на единицу площади. Высокая точность базирования благодаря жёсткой конструкции. Высокое быстродействие. Простота конструкции, катушка и сердцевина могут быть легко изготовлены потребителем.

Катушка электромагнита может нагреваться, но конструкция его долговечна.

Последнее время появились и начали распространяться электрические ЗУ, что используются в электронной и приборостроительной промышленности для передвижения лёгких изделий [7].

ВЫВОДЫ

В данной работе были проведены расчёты зажимных и вакуумных ЗУ. Зажимные ЗУ включают нахождение сил, которые действуют в местах контакта заготовки и губок, вычисляют усилие привода, а также проверяют отсутствия неполадок поверхности объекта при захвате и рассчитывают на прочность детали прибора. Вакуумные ЗУ используются для удержания стеклянных и хрупких предметов. Резиновый раструб закреплен на шариковом соединении, что обеспечивает самостоятельное установление и тщательное прилегание раструба по всему контуру.

Было рассчитано усилие контактирования между объектом и губкой для схемы удержания зажимных ЗУ. Усилие захвата на губке составляет 52 Н. При расчете вакуумных ЗУ получили 770 Н.

Наиболее распространенным на производстве являются механические, вакуумные и электромагнитные схваты.

В наше время захватные устройства играют большую роль в промышленности, упрощают и ускоряют процесс выполнения типовых операций.

Размещено на Allbest.ru