Промышленные роботы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. АНАЛИЗ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

1.1 Общие сведения о промышленных роботах

манипулятор промышленный робот кинематический

Промышленный робот (ПР) - автоматическая машина, стационарная или подвижная, 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. Кроме официально принятого сложилось и часто используется в практике более краткое определение: ПР - перепрограммируемый автоматический манипулятор промышленного применения.

Под перепрограммируемостью в соответствии со стандартом понимается свойство промышленного робота заменять управляющую программу автоматически или при помощи человека-оператора. К перепрограммированию относится изменение последовательности и (или) величин перемещений по степени подвижности и управляющих функций с помощью средств управления на пульте устройства управления.

Устройство и конструктивное исполнение современных ПР весьма многообразны и диктуются значительным числом объективных факторов (назначение, вид обслуживаемого технологического оборудования, характер технологического процесса, условия эксплуатации и технические требования и др.). Тем не менее к настоящему времени сложились достаточно определенные структура и состав промышленного робота, его технические характеристики и своеобразный внешний облик.

1.1.1 Общее устройство и составные части ПР

В соответствии с вышеприведенным определением промышленный робот в целом состоит из исполнительного устройства (манипулятора) и устройства программного управления. Структурная схема составных частей ПР показана на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 - Структурная схема составных частей ПР

Манипулятор ПР предназначен для выполнения всех его двигательных функций и представляет собой многозвенный механизм с разомкнутой кинематической цепью, оснащенный приводами и рабочим органом, а также в общем случае - устройством передвижения. Конструктивно манипулятор состоит из опорных (несущих) конструкций, манипуляционной системы, рабочих органов, привода и устройства передвижения.

Устройство управления ПР служит для формирования и выдачи управляющих воздействий манипулятору в соответствии с управляющей программой и состоит из собственно системы управления, информационно-измерительной системы с устройствами обратной связи и системы связи.

Опорные, или несущие, конструкции предназначены для размещения всех устройств и агрегатов ПР, а также обеспечения необходимой прочности и жесткости манипулятора. Опорные конструкции по своему исполнению весьма многообразны и могут выполняться в виде оснований, корпусов, стоек, колонн, металлоконструкций, рам тележек, порталов и т. п.

Манипуляционная система служит для переноса и ориентации рабочего органа или объекта манипулирования к заданной точке рабочей зоны и структурно представляет собой обычно многозвенный пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью.

Рабочий орган манипулятора ПР, предназначенный для непосредственного воздействия на объект манипулирования при выполнении технологических операций или вспомогательных переходов, представляет собой захватное устройство или рабочий инструмент.

Привод необходим для преобразования подводимой энергии в механическое движение исполнительных звеньев манипулятора в соответствии с командными сигналами, поступающими от системы управления, и в общем виде содержит энергоустановку, двигатели и передаточные механизмы.

Устройство передвижения предназначено для перемещения манипулятора или ПР в целом в необходимое место рабочего пространства и конструктивно состоит из ходовой части и приводных устройств.

Система программного управления (СПУ) служит для непосредственного формирования и выдачи управляющих сигналов и конструктивно состоит из пульта управления, запоминающего устройства, вычислительного устройства, блоков управления приводами манипулятора и технологического оборудования.

Информационно-измерительная система (ИИС), предназначенная для сбора и первичной обработки информации для системы управления о состоянии элементов и механизмов ПР и внешней среды, конструктивно входит в состав устройства управления ПР и включает в себя устройства обратной связи и сравнения сигналов, а также датчики обратной связи.

Система связи (СС) предназначена для обеспечения обмена информацией между ПР и оператором или другими роботами и технологическими устройствами с целью формулировки заданий, контроля за функционированием систем ПР и технологического оборудования, диагностики неисправностей, регламентной проверки и т. п.

Структурно-функциональная схема взаимодействия систем и составных частей ПР и технологического оборудования приведена на рис 1.2.

Рисунок 1.2 - Общее устройство промышленного робота: 1 - основание (опорная конструкция) робота, 2 - колонна, 3 - "рука" манипулятора, 4 - кисть манипулятора, 5 - рабочий орган (схват), 6 - датчик обратной вязи, 7 - привод "руки", 8 - блок управляющего устройства с пультом управления

1.1.2 Классификация промышленных роботов

Классификация промышленных роботов может осуществляться по самым различным признакам: области применения, производственно-технологическим особенностям, специализации, виду базовой системы координат, грузоподъемности, величинам линейных перемещений, объему рабочей зоны, классу точности, возможности передвижения (мобильности), типу привода, способу установки на рабочем месте, типу системы управления, способу программирования и др.

По области применения промышленные роботы классифицируются соответственно конкретному виду их использования в качестве основного технологического оборудования, и этому признаку можно выделить следующие основные разновидности ПР: сварочные, окрасочные, сборочные и контрольно-измерительные.

По виду базовой системы координат, или конфигурации манипулятора можно выделить пять основных разновидностей промышленных робота. Но прежде чем рассмотреть конкретные разновидности, следует привести несколько пояснений.

Компоновка и конструктивное исполнение робота, прежде всего, зависят от того, какие движения и в какой последовательности должен выполнять манипулятор при функционировании. Для переноса объекта манипулирования без его ориентации (в любое место рабочей зоны) необходимо и достаточно наделить манипулятор тремя степенями подвижности, каждая из которых может быть как поступательной, так и вращательной. Эти степени подвижности, называемые переносными, или региональными, определяют систему координат, в которых осуществляются основные движения исполнительного устройства робота по переносу объекта.

В зависимости от характера каждой из переносимых степеней подвижности (поступательной или вращательной), их последовательности и

взаимной ориентации в пространстве формируется та или иная базовая система координат манипулятора со своими особенностями и формой пространственной фигуры, описываемой рабочим органом ПР. Таким образом, вид базовой системы координат манипулятора ПР определяет его конструктивное исполнение, уровень сложности системы управления и трудности программирования исполнительных движений

Промышленный робот, действующий в прямоугольной, или декартовой, системе координат, имеет три поступательных базовых степени подвижности с взаимно перпендикулярными направлениями перемещений. Этот тип робота состоит (рис. 1.3, а) из рамы 1 в виде балочной мостовой или портальной конструкции, перемещающейся поступательно, поперечной тележки или каретки 2, относительно которой в вертикальном направлении перемещается "рука" манипулятора 3 в виде стойки или колонны. Форма образующейся пространственной фигуры, описываемой рабочим органом, так называемой рабочей зоны 4, представляет собой прямоугольный параллелепипед.

Промышленный робот, действующий в цилиндрической системе координат, имеет одну вращательную и две поступательные базовые степени подвижности с взаимно перпендикулярными направлениями перемещений. Манипулятор такого робота состоит (рис. 1.3, б) из поворотной колонны, или стойки, 1, перемещающейся по ней в вертикальном направлении каретки 2, относительно которой поступательно движется "рука" манипулятора 3. Форма образующейся рабочей зоны 4 представляет собой неполный цилиндр.

Промышленный робот, действующий в сферической, или полярной, системе координат, имеет две вращательные взаимно перпендикулярные и поступательную степени подвижности.

Такой тип робота состоит (рис. 1.3, в) из вращающейся колонны, или основания, 1, поворотной (качающейся) каретки 2 и перемещающейся в ней поступательно "руки" 3. Форма образующейся рабочей зоны 4 представляет собой неполный шар, ограниченный сферическими и плоскими поверхностями. Промышленный робот, действующий в угловой, или ангулярной, сферической системе координат, имеет три вращательных базовых степени подвижности. Такая конфигурация манипулятора (рис. 1.3, г), называемая еще сложной сферической, или антропоморфной, состоит из звеньев способных поворачиваться подобно руке человека: к вращающемуся "туловищу" в виде корпуса, или колонны, 1 шарнирно прикрепляется "плечо" 2, к которому, в свою очередь, - "локоть" 3. Форма образующейся рабочей зоны 4 представляет собой сложную шаровую, ограниченную сферическими и цилиндрическими плоскостями.

Промышленный робот, действующий в ангулярной цилиндрической, или сложной цилиндрической, системе координат, имеет две вращательные в горизонтальной плоскости степени подвижности и перпендикулярную в ним - поступательную, т.е. направленную вертикально. Манипулятор такого робота (рис. 1.3, д) состоит из вращающейся колонны, или корпуса, 1, присоединенного к нему и поворачивающегося в той же горизонтальной плоскости звена 2, на конце которого в направляющей перемещается вертикально "рука" 3. Форма образующейся рабочей зоны 4 представляет собой прямой сложный цилиндр.

Рисунок 1.3 - Классификация роботов по базовой системе координат

По уровню вводимой информации и способу обучения промышленные роботы можно разделить на четыре основные категории. При этом каждой категории ПР присущ определенный уровень вводимой извне информации, необходимой и достаточной для полноценного функционирования в заданных технологических условиях, а также органически связанный с этим способом его обучения (или программирования). По тому, какую информацию достаточно получить роботу для выполнения заданной работы и как при этом "обучить" его новым операциям, можно судить о его технологических возможностях и степени автономности.

Неперепрограммируемые (необучаемые) промышленные роботы с жестким циклом операций снабжены заранее подготовленной достаточно простой программой, повторяющей одну и ту же заданную последовательность операций независимо от изменяющихся условий и не поддающейся изменению простыми средствами.

Жесткопрограммируемые (переобучаемые) промышленные роботы с изменяемым циклом операций содержат полный набор информации, не изменяющийся в процессе самой работы, но поддающийся корректировке путем "переобучения" при изменении (переналадке) технологического процесса, для чего предусматриваются специальные средства и методы (замена либо изменение программы), позволяющие легко и быстро изменять состав и последовательность действий робота при изменении внешних условий, а также при переходе от одной технологической операции на иную. Набор программ, записанных в устройство управления, позволяет легко настраивать робот на изготовление требуемого изделия. И все же это промышленные роботы первого поколения, не имеющие сенсорного обеспечения и не способные корректировать свои действия в самом процессе функционирования в зависимости от изменяющихся условий.

Перепрограммируемые (обучаемые) промышленные роботы с изменяемым циклом операций наряду с полным набором программной информации имеют сенсорное обеспечение и обратные связи, позволяющие в той или иной мере корректировать программные действия соответственно изменению параметров технологического процесса Алгоритмическое и программное обеспечение таких ПР позволяет системе управления на основе сигналов обратных связей формировать законы управления манипулятором с учетом фактической обстановки, т.е. обучаться в процессе взаимодействия с объектами производства (адаптироваться) к изменяющимся условиям. "Начальное" обучение таких роботов осуществляется обычно по первому рабочему циклу, для чего перед началом работы человек-оператор в режиме обучения вручную проводит захватное устройство робота по рабочей траектории.

При этом в запоминающее устройство системы управления роботом автоматически записываются координаты узловых точек рабочей траектории, а также некоторая информация о состоянии робототехнической системы в процессе выполнения технологической операции. Затем система управления роботом переводится в рабочий режим, а записанная в память информация, преобразованная в командные сигналы, подается на приводы исполнительной системы, и манипулятор выполняет заданные состав и последовательность действий. Такие промышленные роботы обычно относятся ко второму поколению.

Гибкопрограммируемые (самообучаемые) промышленные роботы с элементами искусственного интеллекта; кроме развитой сенсорной системы в виде искусственных органов зрения, слуха, осязания и других должны обладать мощной информационно-управляющей системой и совершенным алгоритмическим и программным обеспечением, способными распознавать образы и ситуации, моделировать окружающую среду, планировать поведение и самообучаясь в процессе функционирования, формировать состав и последовательность своих действий на основе поставленной цели и информации об окружающей среде в условиях неорганизованного рабочего пространства. Это роботы третьего поколения, которые найдут применение в самых сложных технологических процессах сборки, монтажа, контрольно-измерительных и специальных технологиях.

1.1.3 Привод

Привод робота, являясь составной частью его манипулятора, предназначен для преобразования подводимой энергии в энергию движения исполнительных звеньев манипуляционной системы и устройств передвижения робота в соответствии с сигналами, поступающими от системы управления.

В общем виде привод состоит из преобразователя энергии в виде энергоустановки, тех или иных двигателей и передаточных механизмов (передач). Элементы привода в составе манипулятора могут быть охвачены как внутренними, так и внешними обратными связями, при наличии которых привод становится следящим, что позволяет строить робот с элементами адаптации.

Привод в значительной степени определяет структуру, параметры и технологические возможности манипулятора и робота в целом. Основными параметрами привода являются: мощность, скорость и быстродействие, точность отработки командного сигнала

Для выбора того или иного привода при проектировании наиболее существенны следующие классификационные признаки: вид энергоносителя, вид исполнительных двигателей, способ управления, способ использования энергии, поступающей и отводимой от механической системы.

По виду энергоносителя различают пневматический, гидравлический, электрический приводы и их комбинации. Ныне примерно 40% роботов мирового парка выполнены с пневматическими приводами, почти столько же с гидравлическими, и лишь около 20% - с электрическими, при этом доля последних постоянно возрастает.

По виду исполнительных двигателей приводы могут быть с двигателями поступательного прямолинейного перемещения (пневмоцилиндрами, гидроцилиндрами, линейными электродвигателями), вращательными малооборотными двигателями (роторными пневмо- и гидроцилиндрами, радиально-поршневыми гидромоторами); с вращательными высокооборотными двигателями (пневмодвигателями), аксиально-поршневыми гидромоторами, электродвигателями).

По типу управления приводы могут быть разомкнутыми с позиционированием по упорам, разомкнутыми с цифровым управлением и

применением в качестве двигателей шаговых электромоторов или составных цилиндров (позиционеров), замкнутыми или следящими с обратными связями по положению и некоторым другим параметрам (по скорости, силе и др.). Следящие приводы на базе гидравлического и электрического приводов нашли широкое применение в роботах и являются наиболее перспективными.

По способу использования поступающей и отводимой энергии от механической системы различают активный и пассивный приводы. В активном приводе используются активные силы, создаваемые двигателем, в пассивном - тормозные силы, отбираемые от механической системы. Преимущественное применение в роботах нашли активные приводы.

Размещено на Allbest.ru