Характеристика механической системы

Двигательные функции промышленных роботов реализуются посредством механической системы, называемой манипулятором.

Манипулятор с точки зрения механики представляет собой многозвенную разомкнутую кинематическую цепь, состоящую из звеньев, соединенных кинематическими парами. Основным структурным элементом механизма является кинематическая пара. Под кинематической парой понимают соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение. В промышленных роботах используются пары только с одной степенью свободы (чаще — вращательные и поступательные, реже — винтовые). На рис. 6.4 приведены примеры кинематических пар с одной степенью свободы, причем пары а, б и в

допускают вращательное движение, а пары г, д и е — поступательное движение звеньев 1 относительно звеньев 2. Использование различных конструкций этих пар позволяет реализовать движение звеньев относительно трех осей координат, т. е. составить пространственную кинематическую цепь [1].

Наличие некоторого числа подвижных звеньев обеспечивает манипулятору определенное число степеней подвижности. Число степеней подвижности промышленного робота определяется общим числом поступательных и вращательных движений манипулятора, без учета движений зажима-разжима его схвата.

Универсальность манипулятора определяется числом степеней его подвижности.

Рис. 6.4. Условные обозначения кинематических пар, используемых в промышленных роботах (пояснения в тексте).

Для работы с неориентированными объектами необходимо иметь не менее шести степеней подвижности: три степени — для перемещения схвата в заданную точку пространства и еще три — для ориентации схвата в пространстве. Увеличение числа степеней подвижности диктуется стремлением повысить маневренность манипулятора, но одновременно приводит к существенному усложнению его конструкции, поэтому большинство промышленных роботов имеет от 4 до 7 степеней подвижности [7].

Наиболее простые манипуляторы имеют три, реже две, подвижности. Такие манипуляторы значительно дешевле в изготовлении и эксплуатации, но предъявляют специфические требования к организации рабочей среды. Эти требования связаны с заданной ориентацией объектов манипулирования относительно механизма робота. Поэтому оборудование должно располагаться относительно такого робота с требуемой ориентацией.

Каждый манипулятор имеет свою рабочую зону (зону обслуживания). Эта зона представляет собой объемную фигуру в виде совокупности точек пространства, до которых может дотянуться схват во всех крайних положениях. Конфигурация рабочей зоны определяется числом степеней подвижности, типом кинематических пар, их взаимной ориентацией и относительными размерами звеньев [7].

Различным типам рабочих зон роботов соответствуют определенные пространственные системы координат, в которых осуществляется движение схвата манипулятора. Роботы могут работать в прямоугольной декартовой, цилиндрической, сферической, угловой и комбинированной системах координат (табл. 6.1) [8].

Таблица 6. 7.

Системы координат и кинематические схемы «руки» манипулятора.

Прямоугольная (декартова).	Цилиндрическая.
Сферическая.	Угловая (ангулярная).

В прямоугольной (декартовой) системе координат звенья механической системы имеют прямолинейные перемещения по трем (или двум — при плоской системе) взаимно перпендикулярным осям X, Y, Z. Рабочая зона промышленных роботов имеет форму прямоугольника или параллелепипеда, размеры которого меньше габаритов самого робота.

Цилиндрическая система координат характеризуется перемещением рабочего органа промышленного робота в основной координатной плоскости в направлениях г и (р, а также по координате Z. Рабочая зона в этом случае имеет форму цилиндра.

Сферическая система координат характеризуется перемещением рабочего органа в точку пространства за счет перемещений по радиусвектору г и угловым перемещениям ср и 0 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Рабочая зона промышленного робота имеет в этом случае форму шара.

Промышленные роботы с цилиндрической и сферической системами координат обслуживают более объемное пространство при сравнительно малой площади основания манипулятора [9].

Угловая плоская или пространственная система координат характерна для движения многозвенных шарнирных рук промышленного робота. Объект манипулирования перемещается в направлении радиусвектора г за счет относительных угловых поворотов звеньев руки, имеющей постоянную длину. В угловой системе координат работают так называемые «антропоморфные» промышленные роботы, имитирующие движение руки человека. Такие роботы имеют только вращательные пары, что увеличивает зону обслуживания, маневренность и функциональные возможности.

Три поступательные пары, оси которых взаимно перпендикулярны, реализуют схему промышленного робота, работающего в прямоугольной системе координат, с зоной обслуживания в виде параллелепипеда (рис. 6.5, а); две поступательные пары с взаимно перпендикулярными осями и ротационная пара, ось вращения которой параллельна плоскости, образованной направлениями осей поступательных пар, реализуют схему промышленного робота, работающего в цилиндрической системе координат, с зоной обслуживания в виде полого цилиндра (рис. 6.5, б); две ротационные пары, оси которых перпендикулярны, и одна поступательная пара реализуют схему робота, работающего в сферической системе координат, с зоной обслуживания в виде полой сферы (рис. 6.5, в); две ротационные пары с параллельными осями и одна ротационная пара с осью, перпендикулярной к осям двух других пар, реализуют схему промышленного робота, работающего в угловой системе координат, с зоной обслуживания в виде сплошной сферы (рис. 6.5, г).

Движение руки по каждой координате осуществляется с помощью трех основных механизмов: привода, передаточного механизма и исполнительного устройства.

Если предположить, что все четыре схемы промышленных роботов имеют одинаковые параметры, такие как грузоподъемность, угол поворота 0—360° 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 промышленных роботов, 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 роботов, работающих в прямоугольной системе координат. Это обусловлено тем, что при ротации передаточное отношение системы изменяется с изменением вылета руки [2].

Рис. 6.5. Геометрия зон обслуживания промышленных роботов, работающих в разных системах координат:

а — прямоугольная; б — цилиндрическая; в — сферическая; г — угловая Промышленные роботы, работающие в прямоугольной и в цилиндрической системах координат, соответственно называемые в инженерной практике прямоугольными (или декартовыми) и цилиндрическими, получили наибольшее распространение в переработке пластмасс [1].

Приводы манипуляторов промышленных роботов в зависимости от используемого вида энергии подразделяют на гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные (например, электрогидравлические, гидропневматические и др.).

Пневматические приводы применяются в 20—30% (по другим оценкам, в 40—50%) серийно выпускаемых промышленных роботов. Их используют для легких и средних (по грузоподъемности до 20 кг) промышленных роботов при числе степеней подвижности 2—3. Погрешность позиционирования в этих приводах не превышает ±0,1 мм. Скорость ведомого звена привода при линейном перемещении составляет до 1000 мм/с, при угловом — до 60 об/мин. Они имеют простую конструкцию, низкую стоимость и достаточно надежны в работе.

Однако вследствие низкой регулировочной способности их мало используют в позиционных и контурных режимах работы, и они имеют цикловое управление, как простейший вариант позиционного (задается две точки — начало и конец перемещения).

Пневматические приводы в виде поршневых цилиндров и поворотных пневмодвигателей широко используются в конструкциях наиболее простых манипуляторов небольшой грузоподъемности, имеющих обычно от двух до четырех степеней подвижности. Привод одной степени подвижности состоит из исполнительного двигателя, распределительного устройства, дросселей-регуляторов скорости и редуктора. Пневматический привод во многом сходен с гидравлическим, но не значительно дешевле, надежнее, проще в изготовлении и эксплуатации. Основной недостаток пневмопривода — трудность управления им в следящем режиме из-за высокой сжимаемости воздуха.

Гидравлические приводы применяются в 30% серийно выпускаемых средних и тяжелых промышленных роботов при числе степеней подвижности 3—4.

Погрешность позиционирования в приводах этого типа не превышает ±0,5 мм при скорости линейного перемещения в пределах 0,8— 1200 мм/с. Гидравлический привод имеет хорошую регулировочную способность, и его используют в промышленных роботах с позиционным и контурным режимом работы. В качестве силовых двигателей здесь используются гидромоторы, осуществляющие непрерывное вращение выходного вала; моментные и поршневые гидроцилиндры, преобразующие энергию потока жидкости в поступательное перемещение выходного штока. Регулирование скорости движения гидродвигателей обеспечивается с помощью дросселей, управляемых в ручном или автоматическом режимах. Однако эти приводы имеют сложную конструкцию, высокую стоимость изготовления и эксплуатации. Недостатки гидродвигателей связаны с зависимостью скорости их работы от температуры окружающей среды, которая влияет на вязкость жидкости и динамические характеристики привода.

Электрические приводы используются в 40—50% серийно выпускаемых промышленных роботов со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности 3—6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ±0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.

Манипуляторы с электродвигателями дискретного или непрерывного типа имеют широкий диапазон грузоподъемности. Внешние условия слабо влияют на их работу. К преимуществам электропривода относятся легкость монтажа и наладки, отсутствие трубопроводов и низкий уровень шума при работе.

Как правило, в электроприводах используют синхронные, шаговые и двигатели постоянного тока [10].

Преимуществами электроприводов являются более высокая экономичность, большой КПД, удобство сборки и хорошие регулировочные свойства.

Комбинированные приводы позволяют максимально использовать достоинства отдельных типов приводов. Чаще всего в промышленных роботах применяют комбинацию пневматического и гидравлического приводов (пневмогидравлические и гидропневматические), а также электрического и гидравлического (электрогидравлические).

По функциональному признаку приводы манипуляторов делятся на регулируемые и следящие. Регулируемые приводы работают в основном с ЦПУ (цикличным программным управлением). Следящие приводы применяются тогда, когда необходима фиксация движения в любой точке.

В модулях промышленных роботов наиболее часто используют прямую передачу, когда выходное звено двигателя непосредственно, через жесткое соединение или через упругую муфту соединяется с подвижной частью. Так, если двигателем является пневмоцилиндр, то желательно, чтобы шток пневмоцилиндра был непосредственно соединен с подвижной частью (например, представлял собой часть выдвижной руки. Однако зачастую прямая передача невозможна по ряду причин, и тогда необходимо вводить дополнительные механизмы передач. Передачи в роботах выполняют разные функции:

• — передают движение на подвижную часть от далеко отстоящего двигателя;
• — изменяют ось линейного перемещения или ось вращения;
• — изменяют вид движения (например, преобразуют вращательное движение в прямолинейное поступательное или наоборот);
• — изменяют величины линейных перемещений или углов поворота.

В конструкции передач используются различные виды простых механизмов: зубчатые, шарнирно-рычажные, винтовые, червячные, с упругими звеньями, планетарные, а также комбинированные механизмы, построенные на различных сочетаниях перечисленных простых механизмов [11].

Исполнительным механизмом может быть схват, кисть, рука.

Для увеличения рабочей зоны манипулятора и автоматизации транспортных операций некоторые модели манипуляторов оснащают средствами передвижения, среди которых чаще всего применяются колесные устройства, имеющие электрические или гидравлические приводы.

Захватные устройства манипуляторов (захваты) выполняют функции рабочих органов, предназначены для захватывания предмета обработки и удержания его в процессе перемещения.

Промышленные роботы применяются на самых разнообразных операциях и работают с деталями, различными по прочности, массе, габаритам, шероховатости поверхности. Поэтому для манипуляторов разработано большое количество всевозможных захватных устройств — схватов. Вид захвата определяется формой, размером, массой, свойствами захватываемого предмета обработки и специфическими требованиями технологического процесса.

Манипуляторы промышленных роботов оснащают двумя классами рабочих органов, к которым относятся:

• — захватные устройства, предназначенные для фиксации и ориентации предметов манипулирования в целях их переноса и ориентированного установа в заданном месте или перемещения по заданной траектории с заданной ориентацией;
• — если робот предназначен для выполнения основной технологической операции (сварки, сборки, окраски и т. п.), его оснащают технологической головкой — соответствующим инструментом, который специально проектируют (или модернизируют) для конкретной технологической операции (процесса) [11].

По принципу действия различают три группы захватных устройств:

• — механические;
• — вакуумные;
• — электромагнитные.

Неуправляемые механические захватные устройства выполняют в виде пинцетов, цанговых пальцев, клещей с прижимной пружиной, усилие зажатия которых осуществляется за счет упругих свойств зажимающих элементов. Такие захваты применяют при манипулировании объектами небольшой массы.

Наиболее часто применяются механические схваты с регулируемым усилием или моментом, состоящие из механизма зажима и сменных губок. Широко используют механические захватные устройства клещевого типа (рис. 6.6). Движение зажимающих губок обеспечивают с помощью передаточного механизма (рычажного, реечного, клинового) от пневмопривода.

Рис. 6.6. Схемы механизмов захватных устройств типа клещей:

а — пружинный; б — рычажный; в — реечно-рычажный; г — клинорычажный; д — рычажно-диафрагменный Эластично-охватывающие захватные устройства используют при изготовлении хрупких изделий. При подаче сжатого воздуха через отверстие в корпусе 1 камера 2 сжимается и захватывает изделие (рис. 6.7, а). Если изделие захватывают за внутреннюю поверхность, то эластичную камеру делают снаружи. Захватное устройство с эластичными изгибающимися камерами (рис. 6.7, б) имеет жесткий корпус 1, на котором закреплена призма 3 и две камеры 2. Несимметричное расположение гофр приводит к тому, что при подаче сжатого воздуха камеры изгибаются, захватывая и прижимая деталь к призме. Этим достигается требуемое сочетание точности базирования детали с мягкостью захвата [9].

Рис. 6.7. Схемы эластично охватывающих захватных устройств:

а — с внутренней расширяющейся камерой, б — с изгибающимися камерами;

1 — корпус, 2 — камера, 3 — призма Кинематика механических захватывающих устройств весьма разнообразна и приспособлена к взаимодействию с цилиндрическими, плоскими, полыми и прочими изделиями. У значительной части роботов, особенно простых, движение захватного устройства осуществляется в одной плоскости по декартовым или полярным координатам.

Губки схватов могут быть универсальными или изготовленными из быстроотвердеющих материалов типа силиконовых резин методом формообразования по профилю захватываемого изделия. Для взятия хрупких предметов применяются губки в виде надувных подушек или схваты с несколькими резиновыми пальцами в виде полых разностенных трубок, несимметрично деформирующихся при подаче в них воздуха и мягко охватывающих переносимый предмет с разных сторон присосками из резины или другого эластичного полимера.

Вакуумные схваты используются преимущественно при работе с изделиями в виде листов или относительно легких объемных фигур с плавными обводами. Эти схваты очень просты по конструкции, имеют небольшую массу и достаточно универсальны [7].

Для перемещения крупногабаритных изделий и заготовок применяют схваты с несколькими присосками, расположение и ориентация которых в пространстве зависит от конфигурации изделия.

Главными элементами вакуумных захватных устройств являются эластичные присоски 1 (рис. 6.8) и эжекторы 2. Принцип действия такого захватного устройства состоит в следующем. Сжатый воздух поступает в эжектор и создает в нем разряжение — Др. Соответственно, давление +Др прижимает присоску к изделию 3. Это производит усилие удерживания, определяющее возможность дальнейшего переноса.

Изделие удерживается захватным устройством за счет силы его трения о присоску F [1].

Обычно число присосок на захватных устройствах определяется конструктивно с учетом формы изделия и бывает не меньше двух.

Область применения электромагнитных схватов несколько шире, чем вакуумных. Они могут работать с более мелкими и более тяжелыми изделиями разной формы. Однако возможность взаимодействия только с изделиями из магнитных материалов сужает диапазон их использования. Недостатком таких схватов является остаточный магнетизм и захват посторонних частиц, способных повредить поверхность обрабатываемого изделия [7].

Рис. 6.8. Схема вакуумного захватного устройства (пояснения в тексте)

Практика переработки пластмасс показала, что наиболее востребованы механические и вакуумные захватные устройства. Из всех промышленных роботов, применяемых в переработке пластмасс, 65% используют вакуумные (пневматические) захватные устройства.

Захваты могут быть одно-, двух-, трехи многостороннего действия.

К односторонним захватам (они вступают в контакт только с одной поверхностью предмета) относятся, например, конструкции типа вакуумных или магнитных присосок.

Использование захватов трехстороннего действия придает системе большую универсальность. Захват объекта происходит с трех сторон, возрастает надежность его удерживания за счет увеличения числа точек контакта и сил трения. Однако эти захваты имеют сложную конструкцию из-за увеличения массы пальцев и приводов.

В некоторых конструкциях манипуляторов схваты могут автоматически заменяться в соответствии с программой.

На схватах промышленных роботов, если это необходимо по условиям технологического процесса, устанавливают чувствительные элементы, дающие информацию об объекте и внешней среде, в которой функционирует робот. Схваты оснащают тактильными (измеряющими усилие сжатия), фотоэлектрическими, ультразвуковыми и другими датчиками, которые помогают ориентировать схват относительно детали, компенсируя неточности положения схвата, обусловленные неизбежными ошибками системы жесткого программирования манипулятора, а также уменьшают вероятность повреждения детали.

Широкое применение в последнее время находят многопозиционные (многоместные) захватные устройства. При наличии на руке робота двух и более захватов цикл загрузки-разгрузки оборудования сокращается.

Основные пространственные и технологические характеристики манипуляторов:

Рабочее пространство манипулятора — часть пространства, ограниченная поверхностями огибающими множество возможных положений его звеньев.

Зона обслуживания манипулятора — часть пространства, соответствующая множеству возможных положений центра схвата манипулятора. Зона обслуживания является важной характеристикой манипулятора, она определяется структурой и системой координат руки манипулятора. Объемы зон обслуживания, в пределах которых перемещается схват руки, определяются числом степеней подвижности и характером взаимодействия звеньев руки в ее сочленениях, а также значениями относительных линейных и угловых перемещений этих звеньев. Средние размеры зон обслуживания у большинства роботов составляют 1,5—5 м (без возможности их перемещения), у микророботов — до 0,5 м. Площадь, обслуживаемая роботом, может в 30—40 раз превышать занимаемую им площадь.

Подвижность манипулятора — число независимых обобщенных координат, однозначно определяющее положение схвата в пространстве.

Маневренность манипулятора — подвижность манипулятора при зафиксированном (неподвижном) схвате.

Быстродействие манипулятора определяют максимальной скоростью линейных перемещений центра схвата манипулятора и при одновременном взаимном перемещении нескольких звеньев руки зависит от кинематической схемы и скоростей перемещения каждого из ее звеньев. Линейные скорости подвижных звеньев составляют 500— 1400 мм/с. Скорости угловых перемещений при использовании гидроили пневмопривода — 90—180 град/с, а электропривода — не более 50 град/с. Мягкость и точность остановки схвата в заданных позициях достигается плавным уменьшением скорости его движения на небольшом конечном участке траектории.

Различают промышленные роботы с малым (V_M < 0,5 м/с), средним (0,5 < V_M < 1,0 м/с) и высоким (V_M > 1,0 м/с) быстродействием. Современные промышленные роботы имеют в основном среднее быстродействие и только около 20% — высокое [8].

Точность манипуляторов промышленных роботов определяется погрешностями позиционирования характеристической точки схвата (точка М) и погрешностями угловой ориентации схвата. Погрешности позиционирования манипулятора определяются технологическими отклонениями размеров его звеньев, зазорами в кинематических парах манипулятора и механизмов приводов, деформациями (упругими и температурными) звеньев, а также погрешностями системы управления и датчиков обратной связи. Точность воспроизведения траектории или позиционирования манипулятора зависит также от его габаритов, собственной инерционной массы и массы перемещаемого груза, чувствительности измерительных устройств информационной системы, а также типа и структуры системы управления. Существенную роль играет число степеней подвижности, поскольку итоговая погрешность движения схвата складывается из отдельных погрешностей каждой поступательной или вращательной пары.

В паспортных данных манипуляторов указывается максимально допустимое отклонение центра схвата манипулятора точки М от ее номинального расположения на множестве возможных конфигураций механизма. В результате погрешностей точка М описывает в пространстве некоторый эллипсоид, который называется эллипсоидом отклонений. Промышленные роботы делятся на группы с малой (r_M < 1 мм), средней (0,1 мм < r_M < 1 мм) и высокой (г_м <0,1 мм) точностью позиционирования. У большинства роботов средних габаритов отклонения центра схвата от программируемых координат составляют 0,03— 1,0 мм, у микророботов — 0,01 мм [8].