Разработка привода локтевого сустава руки промышленного робота

Харьковский национальный университет радиоэлектроники Факультет автоматики и компьютеризованных технологий Кафедра технологии та автоматизации производства РЕЗ та ЕОЗ Дипломный проект на тему: Разработка привода локтевого сустава руки промышленного робота Виполнил: студент Савицкий Дмитрий Александрович Руководитель проф. Синотин А.М.

Рецензент ас. Крюков М.О.

Харьков — 2013 года

Реферат

Пояснительная записка к бакалаврской работе содержит: __ с., __ рис., _ табл., __ источников по перечню ссылок.

Цель работы — разработка привода локтевого сустава руки робота с целью улучшения технических характеристик и уменьшения экономических показателей.

Благодаря сочетания однозаходной червячной и прямозубой зубчатой цилиндрической передачи в приводе получают большие передаточные числа, сниженную угловую скорость ведущего вала, высокую плавность движения, бесшумность работы и возможность точных делительных перемещений. Также червячная передача такого типа обладает самотормозящим эффектом и позволяет значительно уменьшить габаритные размеры конструкции, так как отпадает необходимость во включении в нее дополнительных тормозящих элементов, а также уменьшает погрешность всего механизма.

Разработан чертеж привода локтевого сустава руки робота. Для создания программы была использована среда «KOMPAS-3D V13» .

Область применения привода локтевого сустава руки робота — выполняет основные и вспомогательные технологические операции в промышленном производстве.

ПРИВОД ЛОКТЕВОГО СУСТАВА РУКИ РОБОТА МАНИПУЛЯТОРА, ПРОМЫШЛЕННЫЙ РОБОТ, ЧЕРВЯЧНАЯ ПЕРЕДАЧА, ПРЯМОЗУБАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА, ЧЕРТЕЖ.

• Реферат
• Введение
• 1. Анализ промышленных роботов-манипуляторов
• 1.1 Анализ основных теоретических сведений о промышленных роботах-манипуляторах
• 1.2 Классификация промышленных роботов
• 1.3 Анализ конструкции промышленных роботов
• 1.4 Анализ существующих промышленных роботов-манипуляторов
• 1.4.1 Промышленный Робот IRB 140
• 1.4.2 Промышленный робот Staubli TX40.
• 1.4.3 Промышленный робот Arc Mate 100iC/10S.
• 1.4.4 Промышленный робот MOTOMAN EA1900N
• 1.4.5 Промышленный робот KR 1000 TITAN
• 2. Постановка задачи
• 2.1 Анализ исходных данных
• 2.2 Анализ элементов конструкции привода робота
• 2.2.1 Анализ конструкции привода
• 2.2.2 Общие сведенья о зубчатых передачах
• 2.2.3 Прямозубая цилиндрическая передача
• 2.2.4 Червячная передача
• 3. Расчеты к разработке привода локтевого сустава руки робота
• 3.1 Исходные данные к разработке привода
• 3.2 Определение крутящего момента на входе редуктора Т_вх
• 3.3 Расчет общего коэффициента полезного действия редуктора
• 3.4 Определение передаточного отношения элементов передаточного механизма редуктора
• 3.4.1 Определим отклонение _откл
• 3.4.2 Определение угловой скорости привода
• 3.4.3 Определение приблизительной круговой скорости:
• 3.5 Анализ характеристики червячной передачи
• 3.6 Расчет параметров цилиндрических прямозубых колес
• 3.7 Исследование расчета вала
• 3.8 Расчет долговечности подшипников
• 3.9 Анализ результатов расчета
• 4. Охрана труда
• 4.1 Анализ условий труда на рабочем месте
• 4.2 Промышленная безопасность в лаборатории
• 4.3 Производственная санитария в лаборатории
• 4.4 Пожарная безопасность лаборатории
• Выводы
• Перечень ссылок

Перечень условных обозначений

ЭВМ — электронно-вычислительная машина;

ПР — промышленный робот;

ППР — производственно-промышленный робот;

СПУ — система программного управления;

ИИС — информационно-измерительная система;

СС — система связи;

КПД — коэффициент полезного действия.

Темой дипломной бакалаврской роботы является разработка привода локтевого сустава руки робота.

Проектирование современных приводов нового поколения основано на переносе функциональной нагрузки от механических приборов к интеллектуальным.

Интеграция элементов различной физической природы в механических приводах позволяет перейти на более высокий качественный уровень, достижение основных технологических показателей — скорости и точности движения выходного звена, а также обеспечить компактность конструкции и возможность ее к быстрой реконфигурации. В то же время разнородность отдельных элементов требует промышленного согласования их создания. Поэтому современные концепции проектирования механических приводов основаны на разделение процесса проектирования на параллельные потоки, каждый из которых соответствует синтезу одной подсистемы. При этом важно, чтобы эти системы взаимодействовали между собой. В противном случае на заключительном этапе проектирования механический привод, состоящий из полученных компонентов, может оказаться неработоспособным, или не соответствовать требованиям технического задания.

Целью данной работы является анализ исходных данных для разработки привода локтевого сустава руки робота на примере механического модуля промышленного робота — руки.

По одному из определений приводы машин — это механизмы, приводящие в движение механический модуль. Который в свою очередь служащий для снижения угловых скоростей ведомого вала с целью повышения крутящего момента и обеспечения необходимой скорости на выходе. Существуют комбинированные приводы, в которых механический модуль компонуют с вариатором, механический модуль используют в транспортных, грузоподъемных, обрабатывающих и др. машинах.

В качестве привода машин используются различные типы зубчатых передач: цилиндрические, червячные, планетарные редуктора. Связано это с тем, что такие разновидности достаточно экономичны по себестоимости.

Основными задачами, поставленными в данной разработке, являются:

а) проанализировать существующие промышленные роботы;

б) анализ элементов конструкций различных приводов и выбор данных для разработки привода робота;

в) проведение расчетов конструкции привода на показатели технических характеристик его параметров и сделан общий анализ полученных данных.

промышленный робот манипулятор привод

1. Анализ промышленных роботов-манипуляторов

1.1 Анализ основных теоретических сведений о промышленных роботах-манипуляторах

На сегодняшних промышленных предприятиях максимальную актуальность приобретает применения автоматизированных решений, безлюдное и бережливое производство, внедрение инновационных технологий и возможность устранить вредные факторы, которые оказывают отрицательное воздействие на здоровье человека.

Всё это стало причиной того, что большую популярность приобретают решения по автоматизированию производства на основе промышленных роботов, предоставляющих возможность обеспечивать цикл обработки с наивысшей степенью производительности и точности, избежать производственных ошибок и перерывов, характерных для обыкновенного человека.

Достоинства применения промышленных роботов в производстве очевидны.

Во-первых, любой промышленный робот рука манипулятор в большинстве случаев используется с целью заменить ручной труд. Таким образом, робот может применять инструментальный захват, чтобы зафиксировать инструменты и осуществить обработку деталей или удержать непосредственно заготовку, чтобы переместить ее в рабочую зону на последующую обработку.

Во-вторых, робот обладает рядом ограничений, сюда можно отнести, к примеру, зону досягаемости, потребность избежать столкновения с возможными препятствиями, грузоподъемность, необходимость программирования любых движений. На случае его правильного использования и предварительного анализа функционирования системы робот может обеспечивать безостановочное производство, увеличить эффективность и качество рабочего процесса. Основными особенностям, которыми отличаются промышленные роботы, являются следующие показатели.

При использовании робота обычно увеличивается производительность. В первую очередь, это объясняется более быстрым позиционированием и передвижением во время процесса обработки, также имеет значение и такой фактор, как автоматическая работа на протяжении 24 часов в сутки без простоев и перерывов.

На случай грамотно подобранного использования роботизированной системы в разы повышается производительность (в сравнении с ручным производством). Отдельного внимания заслуживает тот факт, что при довольно широкой номенклатуре продукции, постоянных переналадках, потребности значительного числа периферийного оборудования для различных деталей производительность может и уменьшаться, делая процесс трудным и неэффективным.

Повышение экономических показателей. Купить робот манипулятор означает получить замену человеку. Машина будет эффективно уменьшать расходы на оплату специалистов. Этот фактор наиболее важным является для экономически развитых стран, характеризующихся большими заработными платами трудящихся и потребностью существенных надбавок за ночное время, переработку и т. п.

На случай использования автоматизированной системы или робота, в цехе нужно только наличие оператора, который контролирует процесс, при этом он способен контролировать одновременно несколько систем.

Стоит отметить, что при изначальной закупке роботизированные ячейки представляют собой довольно серьезное денежное вложение. Неправильное использование оборудования, а также вероятные ошибки в его расстановке и комплектации способны стать причиной увеличения трудоемкости работы или времени обработки, соответственно, снижения экономичности производства.

Соблюдается высокий уровень безопасности. Использование роботов достаточно эффективно на вредных производствах, оказывающих отрицательное воздействие на людей, к примеру, в литейной промышленности, в процессе зачистки сварных швов, сварочных процессах, окрасочных работах (покрасочные роботы) и т. п. На случай, если ручной труд ограничивается законодательством, единственным решением может стать внедрение робота.

В большинстве случаев одной из причин внедрения инновационной системы на основе промышленного робота является потребность обеспечения требуемого по качества обработки в соответствии с документацией на изделие.

Значительная точность позиционирования промышленного робота манипулятора, а также повторяемость предоставляет возможность устранить вероятность производственного брака и обеспечивать высочайшее качество продукции. Исключить человеческий фактор означает минимизировать рабочие ошибки и сохранить постоянную повторяемость в течение всей производственной программы.

Минимизирование рабочего пространства. Грамотно укомплектованная ячейка на основе промышленного робота считается очень компактной. Это достигается за счет небольших размеров места, которое занимает промышленный робот, его эргономичной конструкции, возможностью его расположения в подвешенном состоянии и т. п.

Промышленный робот — это многозвенный механический манипулятор, имитирующий движения человеческой руки и снабжен управляющим устройством. Робот может быть оборудован также средствами перемещения.

Основное назначение робота — механизировать и автоматизировать манипуляции, что позволяет заменить людей на уже действующих производственных участках без существенной перестройки их технологической и организационной структуры.

Все промышленные механизмы можно разделить на автоматические и управляемые от дистанционного устройства. Если автоматы выполняют определенное действие строго по алгоритму программы, занесенной оператором, то дистанционные аппараты выполняют задания под удаленным управлением человека.

Промышленный робот может включать в конструкцию одну или несколько рук манипуляторов и, как правило, один блок ЭВМ. Конструкция руки робота состоит из типовых модулей, подобранных в соответствии с требованиями заказчика, который должен определиться с грузоподъемностью, точностью позиционирования, степени свободы.

Блок ЭВМ позволяет перепрограммировать робот манипулятор, провести подстройку точности и скорости работы. Фактически, для каждого задания создается индивидуальная программа с набором алгоритмов действий, по которым и будет ориентироваться робот.

Роботов обычно программируют операторы, передвигая руку в нужной им последовательности или путем воспроизведения этой последовательности с помощью настройки дистанционного управления. Некоторые сложные работы могут программироваться непосредственно голосом, получая приказы передвинуться на заданное расстояние и в заданном направлении. Новейшие образцы роботов оснащены сенсорной обратной связью и способны реагировать на происходящее в непосредственной близости от них. Для увеличения протяженности рабочего пространства, в котором может действовать рука робота, устанавливают на направляющие платформы или рамы, тем самым ограничивая подвижность. Диапазон размеров очень большой — от миниатюрных сборочных роботов, способных маневрировать в пространстве объемом около десяти кубических сантиметров, и роботов, созданных фирмой «Ламбертон Роботикс» в Шотландии, которые могут перемещать грузы массой до 1,5 т. в пространстве объемом в несколько кубических метров.

Применение современных промышленных роботов увеличивает производительность оборудования и выпуск продукции, улучшает качество, заменяет человека на монотонных и тяжелых работах, помогает экономить материалы и энергию. Кроме того, они имеют достаточную гибкость, чтобы использовать их при выпуске продукции средними и малыми партиями, то есть в той области, где традиционные средства автоматизации неприменимы. Мелкосерийная продукция имеет большой рынок.

Однако роботы еще не имеют многих важнейших качеств, присущих человеку, например не способны к разумному реагированию на непредвиденную обстановку и изменение рабочей среды, к самообучению на основе собственного опыта, использование тонкой координации системы «Рука — глаз». Роботы с захватами или подобные к ним применяются для выполнения манипуляционных операций, например при удалении заусенцев, литья, очистке слитков, ковке, термообработке, обслуживании станков на погрузке-разгрузке, формирования, упаковки, размещения деталей в паллеты и складирования.

Руки роботов вместо захватов могут оснащаться различными инструментами для выполнения работ, начиная с распыления вещества, покраски, нанесения клеевых и изоляционных покрытий и кончая сверлением, закручиванием гаек, шлифовкой, пескоструйной очисткой. Кроме того, роботов можно использовать для точечной и дуговой сварки, тепловой обработки и резки с помощью пламени или лазера, а также при очистке с помощью водяных струй. Сейчас роботы успешно приобретают специализацию, становясь красящими роботами, сварочными роботами, сборочными роботами и т. д.

Промышленные роботы также различаются способом крепления. Напольной конструкции составляют 53% общего количества, еще 39% - с креплением на базовых узлах оборудования и лишь 8% - подвесные конструкции. Между тем напольные конструкции — самые нерациональные и неэкономические, поскольку требуют значительных дополнительных площадей, вызывают психологическое напряжение при наладке и обслуживании, имеют минимальные возможности «многостаночного» обслуживания.

Особенностью современного этапа научно-технического прогресса является то, что определяющим фактором при разработке новой техники становится ограниченность материальных и человеческих ресурсов. Необходимо так выбирать ограниченное количество объектов разработки, чтобы при реальных возможностях получать наибольшие социально-экономические результаты. В стратегическом плане это означает поворот к первоочередному техническому перевооружению именно тех звеньев производства, где мы можем добиться результатов благодаря применению прогрессивной технологии, новых методов и процессов, — концентрации операций, многопозиционной и многоинструментальной обработки или сборки. В тактическом плане это означает снижение тиражирование тех технических средств роботизации, которые не обеспечивают высоких конечных результатов или эти результаты односторонние, например сокращение времени ручного обслуживания. При этом в конкретных производственных условиях следует руководствоваться известными методами расчетов и обоснованным рядом принципов технической политики. Различают четыре принципа технической политики.

Первый принцип — принцип достижения конечных результатов. Средства роботизации должны не просто имитировать или замещать действия человека, а выполнять производственные функции быстрее и лучше, только тогда они будут по-настоящему эффективными. Изменение численности какой-либо категорий работающих или замена ручного манипулирования автоматическим — не цель и не результат.

Анализ работ по автоматизации показывает, что:

60 — 70% - экономического эффекта получается благодаря более высокой производительности автоматизированного оборудования;

15 — 20% - за счет повышения или стабилизации качества;

10 — 15% - благодаря экономии фонда заработной платы.

Второй принцип технической политики при роботизации производства — принцип комплектного подхода. Все важнейшие компоненты производственного процесса — объекты производства, технологии, основное и вспомогательное оборудование, системы управления и обслуживания, кадры, удаление отходов — должны быть рассмотрены и в конце концов решены на новом, более высоком уровне. Иногда достаточно упустить из виду хотя бы один компонент производственного процесса, например конструкцию изделия, и вся система мер по автоматизации оказывается неэффективной. Тем не перспективнее попытки сводить автоматизацию лишь к преобразованию отдельных компонентов, например, созданию сложных и дорогих систем микропроцессорного управления при сохранении отсталой технологии, а таких примеров немало. И промышленные роботы и автоматизированные системы управления должны разрабатываться и внедряться с учетом прогресса технологии и конструкции и в комплексе приспосабливаться к требованиям производства — только тогда они будут эффективными.

Третий принцип технической политики при автоматизации производства — принцип необходимости: средства роботизации, включая перспективные и прогрессивные, должны применяться не там, где их можно приспособить, а там, где без них нельзя обойтись.

Подавляющее большинство универсальных металлорежущих станков, прессов, сварочных установок однопозиционные и одноинструментальные. В них одновременно обрабатывается лишь одно изделие одним инструментом. Это объясняется ограниченными возможностями человека, который не может одновременно управлять несколькими процессами или объектами.

Четвертый принцип — принцип своевременности: внедрение и тиражирования недостаточно зрелых технических решений недопустимы.

Наконец внедрения дорогостоящих, малонадежных и тихоходных систем и средств автоматизации приводит лишь к их дискредитации. На развитие роботизации как нового научно-технического направления, несомненно повлияло и то обстоятельство, что сначала создания промышленных роботов стали заниматься специалисты по вычислительной технике, технической кибернетики и т. д., которые ранее производственными вопросами автоматизации не занимались и вполне искренне верили, что именно главное — создать конструкцию робота, прежде систему его управления, и комплекс управляющих программ для процессов манипулирования, имитирующих действия человека.

Промышленные работы не является чем-то сверхъестественным. Их внедрение может быть эффективным или убыточным, сокращать кадровый дефицит или обострять его, все зависит от конкретных условий. Значимость промышленных роботов не в замене человека при обслуживании известных машин. Они стали тем звеном, которое позволило объединять разрозненное технологическое оборудование в комплексные гибкие автоматизированные производственные системы машин и приборов. Именно таким системам принадлежит будущее. Поэтому промышленные роботы будут и впредь развиваться и завоевывать все новые позиции. Однако не следует смешивать перспективы с реальными возможностями сегодняшнего дня. Очень спорно с учетом несовершенства конструкции и неподготовленности производства, а также допущенных ошибок, чтобы промышленные роботы уже в ближайшее время могли существенно повлиять на общий уровень ручных работ на производстве, тем более на уровень производительности труда во всех возможных приложениях.

1.2 Классификация промышленных роботов

Классификация промышленных роботов (ПР) 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 промышленного 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. 1.1, 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. 1.1, 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 поступательные степени подвижности. Такой тип робота состоит (рис. 1.1, 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. 1.1, 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 нем — поступательную, т. е. направленную вертикально. Манипулятор такого робота (рис. 1.1, 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 1.1 — 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 заданный 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.

1.3 Анализ конструкции промышленных роботов

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. 1.3.

Рисунок 1.3 — Общее устройство промышленного робота: 1 — основание (опорная конструкция) робота, 2 — колонна, 3 — «рука» манипулятора, 4 — кисть манипулятора, 5 — рабочий орган (захват), 6 — датчик обратной вязи, 7 — привод «руки», 8 — блок управляющего устройства с пультом управления

Среди самых распространенных действий, совершаемых промышленными роботами можно назвать следующие:

перемещение деталей и заготовок от станка к станку или от станка к системам сменных паллет;

сварка швов и точечная сварка;

покраска;

выполнение операций резки с движением инструмента по сложной траектории.

Достоинства использования:

достаточно быстрая окупаемость;

исключение влияния человеческого фактора на конвейерных производствах, а также при проведении монотонных работ, требующих высокой точности;

повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества;

возможность использования технологического оборудования в три смены, 365 дней в году;

рациональность использования производственных помещений;

исключение воздействия вредных факторов на персонал на производствах с повышенной опасностью.

1.4 Анализ существующих промышленных роботов-манипуляторов

1.4.1 Промышленный Робот IRB 140

Основные области применения:

электродуговая сварка;

сборка;

чистка;

обслуживание станков;

загрузки / разгрузки;

упаковка.

IRB 140 — компактный и эффективный промышленный робот с шестью степенями подвижности, способный работать с нагрузкой до 6 кг в рабочей зоне 810 мм (рисунок 1.4). Возможны различные способы установки: напольная, настенная, потолочная. Выпускается в различных модификациях: Standard, FoundryPlus, Clean Room и Wash. Манипулятор соответствует степени защиты IP 67, что значительно расширяет его сферу применения. Робот имеет расширенный радиус рабочей зоны благодаря механизму руки и возможности поворота по первой оси на углы до 360° даже при потолочном креплении.

Компактный дизайн с внутренним размещением разводки повышает гибкость работы. Опция защиты от столкновений с последующим уходом делает робот надежным и безопасным.

Если при работе преимущественно используется первая и вторая оси, то используется модель IRB 140T, которая имеет более высокие скорости, существенно сокращает время цикла и увеличивает производительность на 15 — 20%. IRB 140T хорошо подходит для процессов упаковки при управлении системой PickMaster.

Рисунок 1.4 — Промышленный робот IRB 140

Версии Foundry Plus и Wash применяются для выполнения работ на литейных производствах и при других процессах в агрессивной рабочей среде, где нужно повышенную коррозионную стойкость и герметичность. Отличный поверхностный доступ в сочетании с защитой IP 67 делает возможным мытье работа паром высокого давления. Роботы белого цвета в исполнении Clean Room относятся к классу 10, что позволяет применять их при производстве продуктов питания в обстановке жестких требований гигиены и чистоты.

1.4.2 Промышленный робот Staubli TX40.

Высокой скоростью и высокой полезностью нагрузку у TS60 робота (рисунок 1.5), уникальные возможности и преимущества, предназначенных для оптимизации эффективности и производительности во всех сферах, в результате чего неизменно высокое качество в сочетании с резко увеличенной пропускной способностью.

Технические характеристики:

степень свободы — 4;

максимальная грузоподъёмность — 8;

номинальная грузоподъёмность — 2;

радиус действия — 600 мм;

стабильность — ±0,01 мм;

ход — 200 или 400 мм;

класс защиты (с пыльником) — IP 54;

способ крепления — напольный или настенный.

Робот Staubli TX40 имеет быстрый ход, до 100выборов в минуту, возможность с нулевым временем простоя. Перо со стандартным диаметром 25 мм, позволяет носить с собой тяжелые предметы при сохранении высокой скорости.

Рисунок 1.5 — Промышленный робот Staubli TX40

1.4.3 Промышленный робот Arc Mate 100iC/10S.

Технические характеристики:

контролируемые оси 6;

контролеры R-30iA, R-30iA Mate;

грузоподъёмность 10 кг;

повторяемость 0.05 мм;

вес механической части 130 кг;

радиус действия 1098 мм.

Роботы FANUC обладают специально мощным программным обеспечением класса ARC TOOL. Имеет лёгкое соединение с наиболее используемыми источниками питания. Промышленный робот Arc Mate 100iC/10S (рисунок 1.6) применяют в дуговой сварке вольфрамовым, металлическим, плавящимся электродом в среде инертного газ, лазерной плазменной сварке и резке. Также робот использует передовые функции: экономия времени для задания траектории сватки, уменьшение времени на технологические переходы.

Рисунок 1.6 — Промышленный робот Arc Mate 100iC/10S

Данный тип робота рассчитан на высокую скорость перемещения от одного места сварки к другому. Вместе с высокопроизводительным контроллером от FANUC обеспечивает высокую скорость по осям, которая сокращает время передвижения от одного места сварки к другому. Также сокращается длинна кабельных соединений, обеспечивая точный контроль подачи сварочной проволоки.

1.4.4 Промышленный робот MOTOMAN EA1900N

Промышленные роботы MOTOMAN EA1900N это специализированный робот дуговой сварки. Интегрированный кабельный узел позволяет увеличить его износостойкость и позволяет удобного взаимодействия с периферийными устройствами при создании поточных линий с высокой плотностью сварочных узлов (рисунок 1.7). Сварочный аппарат расположен линейно на поворотной оси робота, увеличивает доступность и возможность процесса сварки кольцевых швов и сложных геометрических узлов. Компактное устройство подачи вместе с интегрированным кабельным узлом гарантируют возможность свободного представления проволоки и создание удобного эргономичного дизайна робота.

Назначение:

дуговая сварка;

составление;

перемещение;

обслуживание станков;

укладка на паллеты и упаковка;

шлифовка и полировка;

резка.

Технические характеристики:

масса манипулятора кг 130;

грузоподъемность кг 10;

количество осей 6;

максимальный радиус рабочей зоны мм 1378;

точность позиционирования мм ± 0.08 мм;

Рисунок 1.7 — Промышленный робот MOTOMAN EA1900N

1.4.5 Промышленный робот KR 1000 TITAN

KR 1000 TITAN — это самый сильный и самый большой шестиосевой робот на рынке. Благодаря грузоподъемности до 1000 кг этот робот используется, прежде всего в стекольной, литейной, автомобильной промышленности и в производстве строительных материалов (рисунок 1.8).

Достигнутое сочетание скорости и точности с рекордной мощностью открывает перед промышленными предприятиями новые возможности. Например, этот манипулятор может в одиночку перемещать и поворачивать автомобильный кузов.

Робот оснащён 9 моторами, которые могут вращать его сочленения по шести осям. По объёму рабочей зоны новый робот оставляет далеко позади другие промышленные манипуляторы.

KUKA KR 1000 «Titan» может поднимать на вытянутой «руке» одну тонну. Он обладает досягаемостью в 3,2 метра по окружности (так что может переносить объекты на расстояние в 6,4 метра), а по высоте способен перемещать свою «кисть» на 4,2 метра. Робот может выдерживать статическую нагрузку на изгиб до 60 тысяч ньютон-метров.

Нагрузки:

полезная нагрузка — 1000 кг;

дополнительная нагрузка — 50 кг.

Рабочая зона:

макс. радиус действия — 3202 мм.

Другие данные и исполнение:

количество осей — 6;

стабильность повторяемости — <�±0,1 мм;

вес — 4950 кг;

монтажное положение — на полу;

система управления — KR C2.

Рисунок 1.8 — Промышленный робот KR 1000 TITAN

Проанализировав информацию о промышленных роботах-манипуляторах и рассмотрев несколько ПР можно сделать вывод, что существует огромное разнообразие промышленных роботов, которые отличаются друг от друга габаритными размерами и весом (работы массой от нескольких килограммов до нескольких тонн), функциями и задачами, которые выполняют (дуговая сварка, малярные работы, шлифование, сборка, сборка на паллеты, и др.)., нагрузками, с которыми могут работать (от нескольких граммов до почти двух тонн), количеством мер подвижности, точностью позиционирования и др. Применение новейших технологий в проектирование, сборки и программирования промышленных роботов позволяет значительно повышать их скорость работы и точность. Но существенным недостатком промышленных роботов на данном этапе развития является их равно направленность в выполнении поставленных перед ним задач. Пока не существует роботов-манипуляторов широкого применения, существуют только узконаправлены. ПР создан для одной операции чрезвычайно сложно, а иногда даже невозможно модернизировать для выполнения других операций.

2. Постановка задачи

2.1 Анализ исходных данных

Объектом разработки является привод локтевого сустава руки робота. Для его проектирования за основу были взяты исходные данные: вращающийся момент Т и число вращений на выходе n.

Вращающийся момент — это векторная физическая величина, равная векторному произведению радиус-вектора (проведённого от оси вращения к точке приложения силы — по определению), на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.

От количества оборотов на выходе механизма зависит скорость и плавность движения руки робота.

2.2 Анализ элементов конструкции привода робота

2.2.1 Анализ конструкции привода

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). Кинематическая схема привода можно представить в таком виде (рис. 2.1). В нашем случае он состоит с электродвигателя совмещенный с проводным валом модуля с помощью червячной передачи и двух пар цилиндрических прямозубых колес. 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.

Рисунок 2.1 — Кинематическая схема привода

1 — двигатель; 2 — червячная передача; 3 — прямозубая цилиндрическая передача; 4 — подшипник.

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. Для нашего привода наиболее эффективным буде электрический двигатель ДП-1−26А (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 — Электродвигатель ДП-1−26А

По одному из определений привод — это механизм, который служит для снижения угловых скоростей ведомого вала с целью повышения вращательных моментов. В приводах применяют различные передачи: зубчатые передачи, цепные передачи, червячные передачи, а также используют их в различных сочетаниях — червячные и зубчатые, цепные и зубчатые и т. п. Существуют комбинированные приводы, в которых приводы компонуют с вариатором. Привод используют в транспортных, грузоподъемных, обрабатывающих и др. машинах.

Однако в любом случае главными характеристиками привода служат коэффициент полезного действия (КПД), мощность, передаточное отношение, угловые скорости валов, количество ступеней и передач и др.

2.2.2 Общие сведенья о зубчатых передачах

Зубчатой передачей называется механизм, служащий для передачи вращательного движения с одного вала на другой и изменения частоты вращения посредством зубчатых колес и реек.

Зубчатое колесо, сидящее на передающем вращение валу, называется ведущим, а на получающем вращение — ведомым. Меньшее из двух колес сопряженной пары называют шестерней; большее — колесом; термин «зубчатое колесо» относится к обеим деталям передачи.

Зубчатые передачи представляют собой наиболее распространенный вид передач в современном машиностроении. Они очень надежны в работе, обеспечивают постоянство передаточного числа, компактны, имеют высокий КПД, просты в эксплуатации, долговечны и могут передавать любую мощность (до 36 тыс. кВт).

К недостаткам зубчатых передач следует отнести: необходимость высокой точности изготовления и монтажа, шум при работе со значительными скоростями, невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа.

В связи с разнообразием условий эксплуатации формы элементов зубчатых зацеплений и конструкции — передачи весьма разнообразны.

Зубчатые передачи классифицируются по признакам, приведенным ниже.

По взаимному расположению осей колес: с параллельными осями (цилиндрическая передача — рисунок 2.3, 1 — 4); с пересекающимися осями (коническая передача — рисунок 2.3, 5,6); со скрещивающимися осями (винтовая передача — рисунок 2.3, 7; червячная передача — рисунок 2.3,8).

В зависимости от относительного вращения колес и расположения зубьев различают передачи с внешним и внутренним зацеплением. В первом случае (рисунок 2.3, 1−3) вращение колес происходит в противоположных направлениях, во втором (рисунок 2.3,4) — в одном направлении. Реечная передача (рисунок 2.3,9) служит для преобразования вращательного движения в поступательное.

По форме профиля различают зубья эвольвентные (рисунок 2.3, 1,2) и неэвольвентные, например цилиндрическая передача Новикова, зубья колес которой очерчены дугами окружности.

Рисунок 2.3 Классификация зубчатых передач

В зависимости от расположения теоретической линии зуба различают колеса с прямыми зубьями (рисунок 2.3, 1), косыми (рисунок 2.3,2), шевронными (рисунок 2.3,3) и винтовыми (рисунок 2.3,4). В не прямозубых передачах возрастает плавность работы, уменьшается износ и шум. Благодаря этому не прямозубые передачи большей частью применяют в установках, требующих высоких окружных скоростей и передачи больших мощностей.

По конструктивному оформлению различают закрытые передачи, размещенные в специальном непроницаемом корпусе и обеспеченные постоянной смазкой из масляной ванны, и открытые, работающие без смазки или периодически смазываемые консистентными смазками.

По величине окружной скорости передачи различают: тихоходные передачи (v равной до 3 м/с), среднескоростные (v равной от 3.15 м/с) и быстроходные (v более 15 м/с).

Рассмотрим подробней передачи применяемые в нашем приводе.

2.2.3 Прямозубая цилиндрическая передача

Зубчатые колеса для параллельных валов называют цилиндрическими. Прямозубое цилиндрическое колесо изображено на рисунке 2.4 Одно из двух входящих в зацепление зубчатых колес — передающее движение — является ведущим, другое — ведомым.

Рисунок 2.4 — Прямозубая цилиндрическая передача

Если одно из колес значительно меньше другого, оно называется шестерней. Если отношение частот вращения ведущего и ведомого колес равно единице, то оба зубчатых колеса имеют одинаковые размеры. Передаточное отношение равно отношению чисел зубьев двух колес. Например, шестерня с 10 зубьями вращается в 4 раза быстрее сцепленного с ней зубчатого колеса, имеющего 40 зубьев. Зубья могут быть расположены как на наружной, так и на внутренней поверхности колеса. При наружном зацеплении колеса вращаются в противоположных направлениях, при внутреннем — в одном. Для преобразования вращения в линейное перемещение ведомое колесо заменяется зубчатой «рейкой» — это как бы зубчатое колесо бесконечно большого диаметра.

2.2.4 Червячная передача

Червячная (или зубчато-винтовая) передача представляет собой кинематическую пару, состоящую из червяка и червячного колеса. Червячные передачи применяются для передачи вращения между валами, оси которых перекрещиваются под углом 90°. Червячная передача изображена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 — Червячная передача

Ведущее звено червячной передачи в большинстве случаев — червяк, а ведомое — червячное колесо. Обратная передача зачастую невозможна — КПД червячного редуктора в совокупности с передаточным отношением вызывают самоторможение редуктора.

Преимущество червячной передачи по сравнению с винтовой зубчатой в том, что начальный контакт звеньев происходит по линии, а не в точке. Угол скрещивания валов червяка и червячного колеса может быть каким угодно, но обычно он равен 90°. В отличие от косозубого колеса обод червячного колеса имеет вогнутую форму, способствующую некоторому облеганию червяка и соответственно увеличению площади контактных поверхностей. Направление и угол подъёма зубьев червячного колеса такие же, как и у витков резьбы червяка. Резьба червяка может быть однозаходной или многозаходной, а также правой или левой. Наиболее распространена правая резьба с числом заходов z1=1…4.

Различают два основных вида червячных передач: цилиндрические, или просто червячные, передачи (с цилиндрическими червяками) и глобоидные (с глобоидными червяками).

По сравнению с обыкновенными зубчатыми передачами, передаточное отношение (передаточное число) червячного редуктора может быть значительно большим. Так, например, при однозаходном червяке (z1=1) и червячном колесе с z2=100 передаточное число передачи u =100. При одном и том же передаточном числе червячный редуктор гораздо компактнее обыкновенной зубчатой передачи. Возможность осуществления большого передаточного числа при одной ступени передачи, компактность, плавность и бесшумность работы — основные достоинства редукторов с червячной передачей. Благодаря этим достоинствам червячные передачи широко применяют в подъёмно-транспортных машинах, различных станках и некоторых других машинах. Передаточное число червячной передачи принимают обычно в пределах u = 8…90, но в специальных установках оно доходит до u=1000 и более.