Промышленные роботы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Промышленные роботы (ПР) находят все более широкое применение, заменяя человека (или помогая ему) на участках с опасными, вредными для здоровья, тяжелыми или монотонными условиями труда. Особенно важно то, что ПР можно применять для выполнения работ, которые не могут быть механизированы или автоматизированы традиционными средствами. Однако ПР - всего лишь одно из многих возможных средств автоматизации и упрощения производственных процессов. Они создают предпосылки для перехода к качественно новому уровню автоматизации - созданию автоматических производственных систем, работающих с минимальным участием человека.

Сегодня робототехническне системы применяют практически во всех отраслях народного хозяйства, однако наибольшее распространение они получили в промышленности, прежде всего - в машиностроении.

Одно из основных преимуществ ПР - возможность быстрой переналадки для выполнения задач, различающихся последовательностью и характером манипуляционных действий. Поэтому применение ПР наиболее эффективно а условиях частой смены объектов производства, а также для автоматизации ручного низкоквалифицированного труда.

Промышленные роботы дают возможность автоматизировать не только основные, но и вспомогательные операции, чем и объясняется постоянно растущий интерес к ним.

Одной из основных причин разработок и внедрения роботов является, конечно, экономия средств. По сравнению с традиционными средствами автоматизации ПР обеспечивают большую гибкость технических и организационных решений, снижение сроков комплектации и пуска в производство автоматизированных систем.

Целесообразность применения ПР (особенно при необходимости замены рабочего во время выполнения работ на участках с опасными, вредными для здоровья условиями труда) прежде всего должна диктоваться интересами человека, его безопасностью и удобствами работы.

Основные предпосылки расширения применения ПР следующие: повышение качества продукции и объемов ее выпуска благодаря снижению времени выполнения операций и обеспечению постоянного режима «без усталости», росту коэффициента сменности работы оборудования, интенсификации существующих и стимулированию создания новых высокоскоростных процессов и оборудования; изменение условий труда работающих путем освобождения от неквалифицированного, монотонного, тяжелого и вредного труда, улучшения условий безопасности, снижения потерь рабочего времени от производственного травматизма и профессионально-технических заболеваний; экономия и высвобождение рабочей силы для решения задач.

Современное развитие техники позволяет перейти к решению этих технико-экономических и социальных задач за счет создания ПР и выпуска роботизированных комплексов (модулей) «оборудование-робот-приспособление».

1. Область применения промышленных роботов

Промышленные роботы применяются в промышленном производстве и научных исследованиях. В большинстве случаев под промышленным роботом подразумеваются автоматические программно-управляемые манипуляторы, выполняющие рабочие операции со сложными пространственными перемещениями.

Основными задачами промышленных роботов являются перемещение массивных или крупногабаритных грузов, точная сварка, покраска, а также сортировка продукции.

По применению промышленные роботы делят на:

- Сварочные роботы - эту лучший выбор для автоматизации сварочных процессов на вашем производстве. Технология роботизированной сварки, одна из самых отработанных в мировой практике.

- Роботы для плазменной резки - часто находят свое применение, особенно если речь идет о работе с объемными конструкциями.

- Роботы для дуговой сварки. Это одна из самых востребованных технологий в мире. Качество и производительность РТК дуговой сварки, на порядок выше человеческого труда.

- Роботы для контактной сварки, представляют собой хороший пример экономически эффективного использования роботов, к тому же освобождающая человека от однообразной и тяжелой работы. Применение промышленных роботов для точечной сварки, было и есть одним из самых распространенных приложений робототехники.

- Промышленные роботы для паллетирования. Повсеместное применение поддонов, необходимость в сокращении времени, вредная для здоровья среда, все это вызывает потребность в автоматизации паллетирования продукции. Скорость и точность работы роботов, несравнимы с человеческим трудом.

Роботизированная покраска - это технология, без которой сегодня невозможно представить любое серийное производство, требующее нанесение покрытий. Наряду с дуговой сваркой, технология покраски стояла у истоков в создании роботизированных технологий.

Применить современные промышленных роботов - такую задачу ставят перед собой многие предприятия. Действительно промышленные роботы улучшают качество продукции, ее производительность, заменяют человека на монотонных и тяжелых работах, помогает экономить материалы и энергию. Промышленные роботы широко применяются для решения различных технологических задач. На сегодняшний день основными областями применения промышленных роботов являются сварочные и сборочные операции, резка, область упаковки и паллетирования, пищевая промышленность, биотехнологии, и др.

2. Классификация промышленных роботов

Классификация промышленных роботов имеет особенность, которая состоит в научно обоснованном выборе признаков и выделении соответствующих им классификационных подразделений. Рассмотрим их.

1. Характер выполняемых промышленными роботами функций. По этому признаку различают роботы, непосредственно участвующие в технологическом процессе, и роботы, предназначаемые для выполнения транспортно-складских, погрузочно-разгрузочных и других вспомогательных операций.

2. Объем и разнообразие работ, которые могут ими осуществляться. Поэтому признаку промышленные роботы подразделяют на универсальные, специализированные и специальные.

Универсальные промышленные роботы обладают широкими технологическими возможностями, что предопределяет их количественное превосходство над специальными и специализированными. Специальные роботы рассчитаны на работу (подъем, перемещение, опускание и т.д.) с одинаковыми деталями или выполнение определенной технологической операции, а специализированные - на работу с конструктивно и технологически сходными деталями или выполнение однотипных технологических операций (процессов).

3. Метод управления, по которому различают роботы с ручным, копирующим и кнопочным управлением.

4. Грузоподъемность. В зависимости от нее роботы бывают сверхлегкие - на 0,1…1,0 кг; легкие - на 1,6…10 кг; средние - на 16…100 кг; тяжелые - на 160…1000 кг и сверхтяжелые (>1000 кг).

5. Класс точности позиционирования или воспроизведения траектории, согласно которому выделяют роботы с относительной погрешностью позиционирования или воспроизведения траектории, в %: до 0,01; >0,01 до 0,05; >0,05 до 0,1 и >0,1.

6. Степень их технического совершенства. По этому признаку различают роботы первого, второго и третьего поколений.

Роботы первого поколения (с программным управлением) применяют для: обслуживания станков, прессов, печей, сварочных установок и машин; выполнения основных технологических процессов (гибки, вальцовки, резки, сборки, сварки); погрузочно-разгрузочных и складских работ. Роботы второго поколения отличаются от роботов первого наличием чувствительных устройств (осязание, телевизионное зрение), имеют более сложное управляющее устройство. Роботы третьего поколения (интегральные роботы) в отличие от роботов второго поколения обрабатывают информацию, получаемую от органов чувств. Эти роботы применяют для работ, требующих распознавания образов (работа по чертежу), а также протекающих в сложных и изменяющихся условиях.

7. По типу информационной системы их подразделяют на роботы: с поисковой системой; отражением усилий; искусственным зрением; комбинированной информационной системой. Применяют эти роботы для: сборки и монтажа по монтажной схеме; выполнения работ, требующих информации о внешнем виде и свойствах предметов (трещины, загрязненность, цвет и т.д.); работ с неориентированными деталями произвольной формы.

В зависимости от назначения промышленных роботов признаками классификации могут быть тип привода рабочих органов, тип системы управления, число манипуляторов (два - четыре и более), степень гибкости программы (уровень адаптации), тип рабочей зоны, способ задания режима работы, тип информационной системы, тип исполнения, быстродействие и т.д.

Всего в применяемых классификациях промышленных роботов используют до 20 признаков, а максимальное число признаков в одной классификации 9-12. Практика показала, что такое число признаков классификации промышленных роботов сравнительно полно и достоверно характеризует их технические и эксплуатационные особенности. Поэтому недостатки существующих классификаций промышленных роботов кроются не в количественном составе признаков, а в отсутствие единой научно обоснованной системы выбора признаков, последовательности и порядка включения их в классификацию, формирования соответствующих им классификационных подразделений (классов, подклассов, групп и других подразделений промышленных роботов), установления характера и форм связи между техническими параметрами и организационно-экономическими показателями представителей классификационных подразделений.

Отсутствие такой системы привело к тому, что почти все при меняемые классификации сводятся к обычному группированию промышленных роботов по некоторому числу при знаков без выделения по ним классификационных подразделений и без систематизации и анализа технических параметров и экономических показателей типовых прогрессивных промышленных роботов. Подобное группирование промышленных роботов ограничивает возможности классификации и принижает важную роль ее в совершенствовании производства сварных конструкций.

На современном этапе развития сварочной робототехники система классификации промышленных роботов должна удовлетворять следующим требованиям:

- она должна при минимальном числе признаков комплексно и наиболее полно характеризовать конструктивно-технологические, эксплуатационные особенности промышленных роботов и экономические показатели, достигаемые при их применении;

- признаки классификации промышленных роботов должны отражать не только достигнутые результаты, но и перспективы развития роботов. К таким признакам может быть отнесен тип системы управления робота, показывающий, с одной стороны, уровень конструктивного совершенства (автоматизации) и эксплуатационные возможности их в различных производственных условиях, а с другой, - перспективы развития роботов по рассматриваемому направлению; они состоят, например, в создании высокоразвитых адаптивных систем для контактной и дуговой сварки; систем управления производственными комплексами, включая основное технологическое оборудование и промышленные роботы первого поколения; в разработке алгоритма адаптивного группового управления роботами второго поколения;

- характеристика классификационных подразделений, выделенных по первому признаку классификации, должна включать в себя типовые операции (процессы), на которых применение роботов наиболее эффективно;

- в перечень классификационных подразделений по второму признаку классификации должны входить прогрессивные виды робототехники, отражающие перспективу повышения уровня механизации и автоматизации производства сварных конструкций;

- признаки классификации промышленных роботов, классификационные подразделения и основные технические и организационно-экономические характеристики их должны быть обозначены индексами, которые используются в планово-учетной документации;

- признаки классификации промышленных роботов и классификационные подразделения должны отражать научно-технические достижения и передовой опыт в сварочной робототехнике.

Классификация промышленных роботов по изложенной схеме устраняет субъективные решения этой задачи, позволяет осуществлять научный подход к созданию роботизированных участков, поточных линий, комплексно-механизированных и автоматизированных производств. Составными частями их являются: основное, вспомогательное оборудование, промышленные роботы, технологическая оснастка и технические средства, используемые при выполнении ряда специфичных работ для роботизированного производства: это составление программ, автономная наладка, контрольно-измерительные операции; учет регламентированных перерывов в работе, всех видов простоя оборудования и промышленных роботов, отдачи их в единицу времени; регулирование режимов работы системы машин и т.д.

Классификация промышленных роботов является основой изучения характера и степени влияния технических и организационных факторов на экономическую эффективность применения роботов.

Исследование взаимосвязи технических параметров и организационно-экономических показателей промышленных роботов - сложная задача ввиду ограниченного количества обобщенных данных по проектированию, производству и использованию промышленных роботов.

3. Структура промышленных роботов

Промышленный робот состоит из исполнительного устройства в виде манипулятора и устройства программного управления. Манипулятор ПР предназначен для выполнения двигательных функций при перемещении объектов в пространстве и представляет собой многозвенный механизм с разомкнутой кинематической цепью. Конструктивно манипулятор состоит из несущих конструкций, исполнительных механизмов, захватного устройства, привода с передаточными механизмами и устройства передвижения.

Устройство управления ПР необходимо для формирования и выдачи управляющих воздействий манипулятору в соответствии с управляющей программой и конструктивно состоит из собственно системы управления, информационно-измерительной системы с устройствами обратной связи и системы связи. Несущие конструкции служат для размещения всех устройств и агрегатов ПР, а также для обеспечения необходимой прочности и жесткости манипулятора. Несущие конструкции выполняют в виде оснований, корпусов, стоек, рам, тележек, порталов и т.п. Исполнительный механизм - это совокупность подвижно соединённых звеньев манипулятора, предназначенных для воздействия на объект манипулирования или обрабатываемую среду. Захватное устройство - конечный узел манипулятора, обеспечивающий захватывание и удержание в определённом положении объекта манипулирования. Привод предназначен для преобразования подводимой энергии в механическое движение звеньев исполнительного механизма в соответствии с сигналами, поступающими с устройства управления.

Устройство передвижения служит для перемещения манипулятора или ПР в целом в необходимое место рабочего пространства и конструктивно состоит из ходовой части и приводных устройств. Система управления необходима для непосредственного формирования и выдачи управляющих сигналов и состоит из пульта управления, запоминающего устройства, вычислительного устройства, блоков управления приводами манипулятора и технологическим оборудованием. Информационно-измерительная система предназначена для сбора и первичной обработки информации для системы управления ПР, включает в себя устройство обратной связи, устройство сравнения сигналов и датчики обратной связи. Систему связи используют 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. На рисунке 1 представлена одна из конструкций промышленного робота.

Рисунок 1 - Конструкция промышленного робота: 1 - датчик обратной связи; 2 - захватное устройство; 3 - кисть; 4 - рука манипулятора; 5 - колонна; 6 - несущая конструкция (основание); 7 - привод руки; 8 - блок управляющего устройства с пультом

4. Кинематический и конструктивный анализ промышленных роботов

Как известно, для перемещения тела в пространстве и его произвольной ориентации механизм должен иметь не менее 6 степеней подвижности: 3 - для осуществления транспортных (переносных) движений и 3 - для ориентирующих движений. Сказанное иллюстрируется возможностями руки человека (рисунок 2, а), которая от предплечья до фаланг кисти имеет 22 степени подвижности, что обусловливает универсальные способности человека при выполнении им производственных функций. Однако, как следует из рисунок 2, а, вся совокупность перемещений кинематических звеньев руки человека сводится к транспортным (переносным) движениям х, у и z в декартовой системе координат, а также ориентирующим движениям б_x, б_y, б_z относительно соответствующих координат. Поэтому эквивалентом руки человека может служить механизм (рисунок 2, б), способный выполнять ту же совокупность движений и являющийся промышленным роботом с шестью основными х, у, z, б_x,б_y, б_z и одной дополнительной (обеспечивает движение губок захватного устройств) степенями подвижности.

Рисунок 2 - Степени подвижности руки человека (а) и антропоморфного механизма (б)

Кинематическая структура ПР и их двигательные возможности определяются видом и последовательностью расположения кинематических нар. В свою очередь, характер движений рабочих органов ПР нри выполнении вспомогательных и технологических операций и переходов диктуется производственными условиями. Различают глобальные, региональные и локальные движения.

Глобальные (межоперационные) движения - это перемещения ПР на расстояния, превышающие размеры самого робота, при обслуживании технологических объектов (линий). От возможности совершать глобальные движения зависит мобильность робота, и для их реализации робот снабжается подвижным основанием (в противном случае робот является стационарным).

Региональные движения - это перемещения рабочих органов ПР в пределах его зоны обслуживания. Конфигурация и размеры этой зоны определяются геометрическими параметрами звеньев руки робота. Таким образом, региональные движения относятся к внутриоперационным.

К локальным движениям рабочих органов ПР принято относить перемещения на расстояния, не превышающие их размеров. Это главным образом ориентирующие движения кисти при выполнении технологических операций.

Как ориентирующие, так и транспортирующие движения должны выполняться с высокой точностью совокупного участия всех звеньев кинематической структуры ПР. Поэтому при создании роботов, копирующих физические функции руки человека, следует учитывать не только наличие звеньев, обеспечивающих совокупность движений, но также вид и последовательность их расположения в структуре.

В зависимости от вида используемых в структуре промышленного робота кинематических пар обеспечиваются поступательные, вращательные и комбинированные движения, причем комбинирование пар дает 60 совокупностей индексов подвижности, а следовательно, и 60 типов структур промышленных роботов. Вместе с тем число кинематических структур ПР намного больше, так как оно определяется не только количеством кинематических пар, но и последовательностью их расположения. В этом случае индекс подвижности имеет направленный граф. Например, структура компоновки, представленной на рисунок 2, б, может быть описана последовательностью у - б_z - z- х - б_x - б_y. Это означает, что имеется подвижное основание (y), на котором установлена вращающаяся стойка (б_z), обеспечивающая подъем (z) и выдвижение (х) руки робота. Рука заканчивается приводом поворота (б_x) кисти и качания (б_y) захватного устройства.

Использование кинематических пар V класса - поступательных П (рисунок 3, а) ротационных Р_п (рисунок 3, б, г) с осью вращения, параллельной оси предшествующего звена, а также Р_к (рисунок 3, в, д) с осью вращения, перпендикулярной к оси предшествующего звена, - дает возможность создавать промышленные роботы с требуемыми зонами обслуживания, работающие в определенной (заданной) системе координат.

Рисунок 3 - Кинематическая схема V класса: а - поступательное, б…д - ротационные

Три поступательные пары, оси которых взаимно перпендикулярны, реализуют схему ПР, работающего в прямоугольной системе координат, с зоной обслуживания в виде параллелепипеда (рисунок 4, а); две поступательные пары с взаимно перпендикулярными осями и ротационная пара, ось вращения которой параллельна плоскости, образованной направлениями осей поступательных пар, реализуют схему ПР, работающего в цилиндрической системе координат, с зоной обслуживания в виде полого цилиндра (рисунок 4, б); две ротационные пары, оси которых перпендикулярны, и одна поступательная пара реализуют схему ПР, работающего в сферической системе координат, с зоной обслуживания в виде полой сферы (рисунок 4, в); две ротационные пары с параллельными осями и одна ротационная пара с осью, перпендикулярной к осям двух других пар, реализуют схему ПР, работающего в угловой системе координат, с зоной обслуживания в виде сплошной сферы (рисунок 4, г).

Если предположить, что все четыре схемы ПР имеют одинаковые параметры, такие, как грузоподъемность, угол поворота 0…360⁰ и линейное перемещение в пределах 0…1 относительных единиц, то схема с тремя ротационными парами обеспечивает наибольшую зону обслуживания. Вместе с тем промышленные роботы с ротационными парами при прочих равных условиях характеризуются меньшей точностью позиционирования рабочих органов, ориентировочно равной 0,6…0,7 точности ПР, работающих в прямоугольной системе координат и имеющих только поступательные пары; роботы с компоновкой, обеспечивающей работу в цилиндрической системе координат, имеют точность 0,8… 0,85 точности ПР, работающих в прямоугольной системе координат. Это обусловлено тем, что при ротации передаточное отношение системы изменяется с изменением вылета руки.

Рисунок 4 - Геометрия зон обслуживания ПР, работающих в прямоугольной (а), цилиндрической (б), сферической (в), угловой (г) системах координат

В последнее время широко применяется схема ПР с горизонтальной «рукой» шарнирно соединенной конструкции (рисунок 5), зона обслуживания которого имеет вил сегмента полого криволинейного цилиндра. Впервые такая схема была реализована в Японии в ПР SCARA. ПР этого типа имеют ряд преимуществ: большая скорость передвижения по горизонтали за счет суммирования относительно вертикальных осей; высокая точность позиционирования; особая жесткость конструкции относительно вертикальной оси; большая зона обслуживания; компактность.

Рисунок 5 - Схема ПР с горизонтальной рукой шарнирно сочлененной конструкции (а) и геометрия его зоны обслуживания (б)

Каждый вариант кинематической структуры характеризуется конфигурацией зоны обслуживания ПР, в пределах которой манипулятор робота может вывести рабочий орган в любую точку. Возникающие при этом ограничения угловых и линейных перемещений в парах, вызванные особенностями конструктивного оформления манипулятора, обусловливают запретные области, в которые рабочий орган не может быть введен.

Геометрические характеристики, число степеней подвижности и способ установки ПР на рабочем месте являются исходными данными при разработке компоновочных схем и планировок роботизированных технологических комплексов.

Возможные конфигурации зон обслуживания ПР отличаются разнообразием и определяются как сочетанием пар V класса, так и последовательностью их расположения и не ограничиваются приведенными на рисунок 4 и рисунок 5 вариантами.

На рисунок 6 представлены кинематические структуры манипуляционных систем ПР, отличающиеся различными сочетаниями и последовательностями соединения пар V класса ротационных Р и поступательных П. В пределах зон обслуживания, обеспечиваемых соответствующей реализацией кинематической структуры, рабочие органы ПР могут выводиться в любую точку, причем объем зон обслуживания изменяется в зависимости от размеров звеньев и углов между осями кинематических пар. Это обстоятельство следует учитывать при выборе (проектировании) кинематической структуры манипуляционной системы ПР и при наложении ограничений, вытекающих из условий его эксплуатации.

Анализ возможных вариантов кинематических структур позволяет сделать следующие важные выводы:

- количество вариантов уменьшается с уменьшением числа пар ротационных;

- структуры с двумя ротационными парами, оси которых параллельны, а также структуры ротационная пара - поступательная пара с взаимно перпендикулярными осями позволяют работать в теневых зонах, обходя препятствия;

- произвольная ориентация объекта обеспечивается структурами, имеющими три ротационные пары, оси которых последовательно повернуты на 90°.

Рисунок 6 - Кинематические структура манипуляционных систем ПР

В процессе манипулирования наибольший интерес представляет характер взаимодействия рабочих органов ПР и объекта производства. Поэтому основной задачей является описание движения рабочих органов ПР в зоне обслуживания при. переносе объекта из одной точки в другую. В качестве исходной принимают точку А, расположенную на оси симметрии рабочего органа манипуляционной системы (рисунок 7).

Введем в рассмотрение правые ортогональные системы координат: неподвижную XYZ, связанную с основанием ПР, и подвижную X'Y'Z', связанную с его рабочим органом. Изменения во времени радиуса-вектора r, соединяющего начала этих систем координат, математически описывают пространственное движение рабочего органа ПР. Для представленной на рисунке 7 структуры ПР

r=r(x_x, y_a, z_a)=f (и₁, и₂, и₃, и₄, и₅, и₆₎

где и₂, и₃, и₄, и₅, и₆ - обобщенные координаты руки, зависящие от углов б, в, Ґ, Ј и линейных размеров звеньев b₁, b₂, b₃, b₄.

Рисунок 7 - Кинематические параметры манипулятора

Выбор кинематической схемы манипуляционной системы ПР диктуется конкретными условиями и требованиями: необходимостью обеспечить достаточную степень универсальности функционирования робота с учетом операций, которые ему предстоит выполнять, наибольшую простоту конструкции манипуляционной системы, технологичность изготовления, удобство обслуживания и наименьшие затраты на ее изготовление и эксплуатацию.

Однако манипуляционная система робота должна обеспечивать, прежде всего, выведение с требуемой точностью рабочих органов в любую точку заданной зоны обслуживания и допускать при этом нужную угловую ориентацию рабочего органа в этих точках. В общем случае, как было показано выше, для выполнения транспортных (переносных) И ориентирующих движений необходимо как минимум 6 степеней подвижности, т.е. М ? 6, ас учетом подвижностей N губок захватных устройств общее число степеней подвижности К ? М +N.

Иногда, чтобы придать манипуляционной системе большую маневренность для возможности обхода препятствий используют избыточную структуру, когда число степеней подвижности К > М + N. При этом, как правило, прибегают к компоновкам ПР, работающих в сферической системе координат. Таким образом, практическая потребность диктует необходимость создания манипуляционных систем промышленных роботов с избыточными степенями подвижности, хотя это противоречит условиям обеспечения максимальной точности и простоты конструкции.

Все параметры, влияющие на объем и конфигурацию зоны обслуживания, устанавливаются исходя из особенностей согласования промышленного робота с конкретным технологическим оборудованием и степенью подготовленности рабочей среды. С этой позиции определенные преимущества имеют агрегатные конструкции, так как их использование позволяет сократить сроки проектирования, снизить затраты на разработку и внедрение ПР, комплектуемых из унифицированных модулей, а также облегчить обслуживание агрегатных ПР в процессе эксплуатации. Кроме того, при создании робототехнических систем на базе ПР из унифицированных модулей сокращаются сроки перехода на выпуск новой продукции, поскольку в этих случаях повышается гибкость системы в целом, появляется возможность вместо установки нового ПР обойтись перекомпоновкой уже имеющегося.

Анализ возможных компоновок ПР позволяет выделить основные элементы (модули) обобщенной структуры манипуляционной системы робота: основание; колонна (стойка), крепящаяся к основанию; рука (руки), крепящаяся к колонне; кисть, прикрепленная к руке; технологические механизмы (модули), крепящиеся к кисти; рабочий орган захватного устройства, крепящийся к технологическому механизму. Для подвижных ПР добавляются направляющие и тележка.

При этом требование быстрой переналаживаемости (перекомпоновки) обусловливает необходимость наличия унифицированных элементов сопряжения в соединениях рука - кисть - технологический механизм - захватное устройство как для замены модуля, так и для изменения структуры путем изъятия промежуточных элементов, не требующихся в конкретной производственной ситуации.

Каждый модуль - это конструктивно и функционально независимая единица, содержащая как обычные приводные устройства и механизмы, так и энергетические и информационные коммуникации. Модуль может обеспечивать одну или несколько степеней подвижности робота.

Например, отечественный робот РПМ-25 содержит следующую систему модулей: 2 модуля глобальных (межоперационных) перемещений - в напольном Т и подвесном Тм исполнении; 6 модулей региональных переносных движений - поперечного сдвига С, подъема П, качания К, вращательных перемещений В, двойного качания Д и радиального хода РХ; 3 модуля локальных ориентирующих движений - с одной Р1, двумя Р2 и тремя Р3 степенями подвижности. Кроме того, имеются модуль с неподвижным основанием Н и операционные модули с захватными устройствами ЗУ1, ЗУ2 и ЗУС - соответственно одинарный, двойной и с поперечным сдвигом.

Возможные комбинации стыковок модулей показаны на рисунок 8 направленными связями. В частности, комбинация из трех модулей линейного перемещения П позволяет получить компоновку робота РПМ-25, работающего в декартовой системе координат (П - П - П); использование модуля вращения В и двух модулей линейного перемещения П - компоновку, работающую в цилиндрической системе координат (П - П - В); модулей качания К, вращения В и линейного перемещения П - компоновку, работающую в сферической системе координат (П - К - В); модулей двойного качания Д и вращения В-компоновку, работающую в ангулярной системе координат (Д - В).

Рисунок 8 - Модульный принцип построения ПР

Комбинации возможных сочетаний модулей, представляющих практический интерес, насчитывают 50 вариантов компоновок с одним элементом ориентирующих движений Р. При учете возможности применения всех представленных в наборе модулей рук (P1, P2, Р3) число вариантов увеличивается до 150.

Можно выделить следующие конструктивные особенности модулей.

Модули прямолинейных перемещений С, П и РХ выполняются на основе планетарных роликовых винтовых передач качения, имеющих такие преимущества по сравнению с обычными шариковыми винтовыми передачами, как более высокие жесткость и несущая способность, а также возможность работы с более высокой частотой вращения (что представляет особую ценность для роботов с электроприводами). В качестве направляющих в модулях С и П применяются цилиндрические скалки с шариковыми сепараторами.

В модуле РХ используются роликовые направляющие, закрепленные в базовом корпусе, по которым перемещается подвижное звено модуля. Этот комплекс конструктивных мероприятий обеспечивает компактность и легкость конструкции модуля. В модуле П частичная разгрузка обеспечивается за счет использования вертикального телескопического пневмоцилиндра. Для повышения безопасности работы в модулях П и РХ применяются самотормозящиеся муфты дискового типа.

В модулях вращательного перемещения В, а также модулях Т и Т_м используются комбинированные червячно-зубчатые редукторы. Червячная ступень редуктора обеспечивает бесшумность работы двигателя при высокой частоте вращения вала и возможность самоторможения в необходимых случаях (в модулях В и Р применяются четырехзаходные червяки).

В ступени редуктора с зубчатым зацеплением элементов используются безлюфтовые передачи по принципу замкнутого энергетического потока. При этом передаточное отношение второй ступени редуктора с зубчатым зацеплением выбирается из условий обеспечения наименьшего максимального люфта в червячной передаче, приведенного к исполнительному звену. Это минимальное значение не должно превышать дискретности применяемого датчика обратной связи, чтобы не повлиять на точность работы механизма в целом.

Наконец, в модуле двойного качания Д используются раздельные индивидуальные приводы для каждой из степеней подвижности, причем в качестве первой ступени редукции применяется однозаходная червячная самотормозящая передача. Кинематические связи в модуле Д подобраны таким образом, что при работе двигателя качания первого исполнительного звена (второй двигатель заторможен) второе исполнительное звено совершает поступательное движение, не меняя своей ориентации.

Привод основных движений робота РПМ-25 - электрический, постоянного тока, следящий, с обратной связью по положению и скорости. В качестве исполнительных применяются двигатели постоянного тока МИ2 мощностью 2 кВт и 4МИ12 мощностью 980 Вт. Управление тиристорное, причем тиристорное преобразовательное устройство ЭПТ-9М расположено в отдельной стойке. Привод операционных механизмов - пневматический с подводом воздуха под давлением через стыковочные поверхности модулей.

В общей постановке задача создания а трестированных компоновок ПР, основанных на модульном принципе построения, включает не только выбор той или иной совокупности поступательных или вращательных перемещений звеньев манипуляционной системы, но и последовательность их расположения в структуре ПР. Особенности создания структур ПР, работающих в различных системах координат, иллюстрирует рисунок 8, где показано, как, наращивая структуры роботов с помощью типовых кинематических звеньев, можно удовлетворять техническим требованиям на проектирование ПР применительно к конкретным условиям их эксплуатации. Технологическая универсальность ПР повышается по мере увеличения их энерговооруженности, степени унификации узлов и их очувствленности, возможности адаптации в изменяющихся условиях производства, совершенствования рабочих органов и исполнительных устройств. Переналаживаемость роботов с развитой кинематической структурой зависит от полноты ряда унифицированных сменных рабочих органов, типа и возможностей системы управления. Поскольку технологическая и функциональная универсальность ПР в значительной степени определяется возможностями кинематической цепи кисть - технологический механизм - рабочий орган и характеристикой обеспечиваемых ею локальных движений, практический интерес представляет рассмотрение возможных компоновок этой цепи и конструктивного расположения рабочих органов.

Рисунок 9 - Варианты степеней подвижности схвата ПР

Наиболее распространенные сочетания степеней подвижности механизма схвата, обеспечивающие требуемую ориентацию захватного устройства, показаны на рисунке 9. Компоновки, представленные на рисунке 9, а, г. создают возможность линейных установочных перемещений захватного устройства, а на рисунке 9, б, в-его вращения (качания). На рисунке 9, д, е изображены компоновки, позволяющие захватному устройству совершать сложные пространственные движения: вращение и линейное перемещение (д). вращение и качание (е).

При всех положительных свойствах использование модульного принципа в робототехнике создает дополнительные трудности при проектировании ПР. Прежде всего это относится к разъему модулей, который должен производиться по звеньям кинематической цепи, что приводит к увеличению количества стыковочных поверхностей и, следовательно, уменьшению жесткости или увеличению массы и габаритных размеров конструкции. Кроме того, модульный принцип предполагает создание унифицированных стыковочных поверхностей и средств центрирования и крепления различных по конструктивному исполнению и функциональному назначению модулей. Наконец, особые требования предъявляются к совместимости энергетических и информационных коммуникаций при сборке любых комбинаций модулей, причем соединения в коммуникациях между модулями должны быть быстроразъемными.

Список источников

робот кинематический промышленный манипуляционный

1. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. - 2-е издание, перераб. - М.: Машиностроение, 1988. - 392 с.

2. Детали и механизмы роботов: Основы расчета, конструирования и технологии производства: Учеб. Пособие / Р.С. Веселков, Т.Н. Гонтаровская, В.П. Гонтаровский и др.; Под ред. Б.Б. Самотокина. - К.: Высшая школа, 1990. - 343 с.

3. Механика промышленных роботов: Учеб. Пособие для втузов: В 3 кн./ Под ред. К.В. Фролова, Е.И. Воробьева. Кн. 2: Расчет и проектирование механизмов/ Е.И. Воробьев, О.Д. Егоров, С.А. Попов. - М.: Высш. шк., 1988. - 367 с.

4. Транспортные и загрузочные устройства автоматических линий: Учеб. Пособие для машиностроительных техникумов по специальности «Монтаж и эксплуатация металлообрабатывающих станков и автоматических линий». - М.: Машиностроение, 1980. - 119 с.

Размещено на Allbest.ru