скачать книгу бесплатно
–число одновременно управляемых движений по степеням подвижности;
–число каналов связи и для обмена сигналами с внешним оборудованием, оснасткой и аппаратурой;
–параметры энергопитания (для роботов с пневмоприводом – давление и расход воздуха, для роботов с электроприводом – напряжение и потребляемая мощность);
–технические характеристики датчиков информационного оснащения важны для решения вопросов, связанных с применением робота и организацией робототехнического комплекса (РТК);
–технические показатели рабочих органов роботов устанавливают отдельно для инструментов, технологических головок и для захватных устройств.
Поскольку промышленные роботы являются структурным элементом РТС или РТК, то и требования к ним определяются условиями функционирования в этих системах. С этой точки зрения все требования, предъявляемые к промышленным роботам, можно разделить на следующие группы:
–обеспечение функций и параметров гибкой производственной системы (ГПС);
–гибкость, сочетающая простоту и экономичность при переходе на другое изделие;
–простота и надежность работы, в том числе в интервале температур от О°С до 50°С;
–устойчивость работы в автоматических режимах;
–совместимость с сопрягаемым оборудованием (соответствие сложности ПР технологическому и вспомогательному оборудованию и оснастке (отсутствие избыточных универсальности и памяти), сопрягаемость ПР с оборудованием комплекса, возможность реализации управляющих воздействий на соответствующее оборудование, возможность автоматической перенастройки);
–экономичность работы при соответствующем числе степеней подвижности;
–точность (повторяемость) позиционирования с небольшим временем затухания колебаний в точке позиционирования;
–высокая удельная грузоподъемность;
–высокая помехозащищенность.
Глава 3. Конструкция промышленного робота
Промышленный технологический робот состоит из механической системы (манипуляционная система и исполнительные устройства), информационной системы и системы управления. Стандартная схема работы технологического промышленного робота представлена на рис. 3.1. Для осуществления технологического процесса вводится управляющая программа (УП) из системы программного управления (СПУ). Захват заготовки производится по команде. Для этого обеспечивается поступательное перемещение манипулятора и вращательное движение захватывающего устройства. Далее заготовка перемещается в рабочую зону, где подвергается обработке. При этом рабочий орган обладает возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения. Через датчики обеспечивается обратная связь, учитывающая изменение внешних условий. Если происходит малейшее отклонение от заданной программы, то происходит корреляция движения. Если же наблюдается значительное отклонение и невозможность его исправления, то сигнал подается на главный компьютер. В результате робот может быть остановлен, чтобы его можно было отремонтировать.
Рис.3.1. Стандартная схема работы технологического промышленного робота
Общая функциональная схема промышленного робота представлена на рис. 3.2.
Рис.3.2. Общая функциональная схема промышленного робота
Управляющая (интеллектуальная) система – программируемое логическое устройство, предназначенное для формирования команд управления манипуляторами двигательной системы на основе анализа сигналов, поступающих от оператора и от информационной системы. Управляющая система робота предназначена, во-первых, для выработки закона управления приводами (двигателями) механизмов исполнительной системы, используя сигналы обратной связи от информационно-измерительной системы; во-вторых, для общения робота с человеком на каком-либо языке.
Двигательная (механическая) система состоит из комплекса исполнительных устройств (сервоприводов и манипуляторов), непосредственно воздействующих на окружающую среду. Механическая система манипулятора представляет собой кинематическую цепь, состоящая из подвижных звеньев с угловым или поступательным перемещением, которая заканчивается рабочим органом в виде захватного устройства или какого-нибудь инструмента. Манипулятор состоит из несущих конструкций, приводов, исполнительных и передаточных механизмов. Каждая степень подвижности манипулятора имеет свой двигатель (пневматический, электрический, гидравлический). В промышленных роботах часто используют волновые и планетарные редукторы, что позволяет уменьшить объем и массу сборочной единицы при высоком коэффициенте передачи. В промышленном роботе малой грузоподъемности используют традиционные зубчатые редукторы, а в тяжелых роботах – зубчатые редукторы в сочетании с винтовой парой.
Исполнительный механизм промышленного робота (механическая рука) осуществляет ориентирующие и транспортирующие движения. Чаще всего он имеет шарнирное исполнение. Рабочим органом промышленного робота является захватное устройство (сварочные клещи, окрасочный пистолет, сварочный инструмент и т.д.). Захватное устройство захватывает и удерживает объекты, перемещаемые манипулятором. Современные промышленные роботы комплектуют набором типовых захватных устройств.
Информационная система (ИС) обеспечивает сбор, первичную обработку и передачу в систему программного управления данных о состоянии внешней среды и о функционировании узлов и механизмов ПР, в том числе и блоков системы управления.
Система связи робота предназначена для организации обмена информацией между системами робота, между роботом и человеком или другими роботами на понятном им языке. Цель такого обмена – формулировка человеком заданий роботу, организация диалога между человеком и роботом, контроль за функционированием робота, диагностика неисправностей и регламентная проверка робота.
Информация от человека к роботу обычно поступает через пульт управления или через устройство ввода (набор команд с клавиатуры, речевое общение, ввод видеоинформации, ввод информации с помощью биопотенциалов и др.). Таким образом, человек может передавать информацию роботу как путем непосредственного ее занесения в память управляющей системы, так и путем воздействия через искусственные органы чувств
3.1. Механическая система
Механическая система (манипулятор) обеспечивает выполнение двигательных функций и реализацию технологического назначения ПР. Она обеспечивает движения выходного звена и закрепленного на нем рабочего органа в пространстве по заданной траектории и с заданной ориентацией.
Механическая система ПР образована двумя подсистемами – несущей механической системой (НМС) и исполнительной механической системой (ИМС). Особенность конструкции механической системы состоит в том, что одни и тс же элементы относятся как к одной, так и ко второй подсистемам, в состав которых в общем случае входят следующие элементы:
–опора, в виде основания или передвижных тележек напольного или подвесного типа;
–корпус робота различной формы с вмонтированными в него механизмами подъема и поворота руки и перемещения робота;
–корпус руки робота с вмонтированными в него механизмами перемещения руки, звена, а иногда и захватного устройства;
–рука робота с одним или несколькими звеньями;
–захватное устройство.
Кинематическое и компоновочное решения влияют на конструктивное исполнение элементов, определяющее конструкцию робота, которая, в свою очередь, определяет его основные характеристики: число степеней подвижности, маневренность, сервис, систему координатных перемещений и вид системы координат, в которой они работают. Основной рычажный механизм манипулятора может обеспечить полное соответствие этому условию лишь при наличии не менее чем шести управляемых степеней подвижности (свободы). В этом случае ПР представляет собой дорогую и достаточно сложную как в изготовлении, так и в эксплуатации автоматическую систему. В целях снижения стоимости и сложности ПР, по возможности, стремятся использовать механические системы с меньшим числом степеней свобод.
Опорные конструкции ПР выполняются в виде оснований, корпусов, стоек, рам тележек, порталов и т.п. Они служат для размещения всех устройств и агрегатов IIP, а также для обеспечения необходимой прочности и жесткости манипулятора.
Манипуляционная система (манипулятор) робота представляет собой многозвенный пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью, первое звено которого (стойка) является основанием робота, а последнее несет рабочий орган, непосредственно взаимодействующий с объектом манипулирования. Система звеньев МС структурно связана в кинематическую цепь с помощью вращательных или поступательных пар.
Под звеном механизма понимают деталь (либо совокупность деталей с общим законом движения), которая в процессе движения и взаимодействия с другими звеньями остается жесткой, не изменяя своих размеров и формы. Неподвижное звено механизма называется стойкой, или основанием. Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их определенное относительное движение, именуют кинематической парой, или, сокращенно, парой. Если одно из крайних звеньев многозвенного механизма закреплено к основанию, а другое свободно, то такой механизм относят к группе механизмов с открытой, или разомкнутой, кинематической цепью.
Свободное абсолютно твердое тело (или звено), не связанное с другими телами, может совершать три независимых поступательных движения в направлении осей X, У, Z и три вращательных относительно них. Минимальное количество обобщенных координат, полностью определяющее положение и возможные направления движения тела, называют числом его степеней свободы, или степеней подвижности. Промышленный робот, который имеют 6 степеней свободы, а это значит, что он способен двигаться по 6 различным направлениям, представлен рис.3.3.
Рис. 3.3. Промышленный робот с 6 степенями свободы
В конструкциях манипуляторов преимущественно распространены кинематические пары пятого класса, значительно реже используются пары четвертого и, тем более, третьего классов. Это объясняется тем, что пары высоких классов более сложны и менее технологичны по сравнению с парами низких классов, а кроме того, сложны в управлении. В связи с этим во многих случаях целесообразно вместо одной пары высокого применять несколько пар низкого класса.
Рабочий орган манипулятора ПР, необходимый для непосредственного воздействия на объект манипулирования при выполнении технологических операций или вспомогательных переходов, представляет собой захватное устройство или рабочий инструмент.
Устройство передвижения служит для перемещения манипулятора или ПР в целом в необходимое место рабочего пространства и состоит из ходовой части и приводных устройств.
Подобно человеческой руке манипулятор также перемещает концевой эффектор с одного места на другое. При оснащении концевого эффектора различными устройствами, у робота появляется возможность выполнять определенные технологические операции. В робототехнике концевой эффектор – устройство на конце руки робота, предназначенное для взаимодействия с окружающей средой. Одним из наиболее распространенных вариантов является подобие руки, которая позволяет роботу брать и перемещать объекты с места на место
Функциональная схема механической системы промышленного робота представлена на рис.3.4.
Рис. 3.4. Функциональная схема механической системы промышленного робота
Рассмотрев определение числа степеней подвижности, можно перейти к рассмотрению маневренности манипулятора ПР. Под маневренностью принято понимать число его степеней подвижности при неподвижном (зафиксированном в пространстве) положении его выходного звена (рабочего органа). Маневренность определяет возможность руки манипулятора выполнять сложные движения и обходить препятствия в рабочем пространстве при манипулировании с объектом или выполнении сложных операций.
Все манипуляционные устройства характеризуются маневренностью и коэффициентом сервиза (КС), под которым понимают возможность подхода РО к заданной точке с разных направлений. КС дает представление о двигательных возможностях М. Маневренность М – ??? число степеней подвижности при фиксированном положении РО, которая определяет возможность обхода манипулятором препятствий в рабочем объеме и способность к выполнению сложных операций.
Движения М подразделяются на группы. Так, к примеру, движения М, снабженного наиболее распространенным в ПР РО в виде (устройства захвата) УЗ бывают следующих видов:
–ориентирующие перемещения УЗ, соизмеримые с его размерами;
–транспортирующие перемещения, определяемые размерами звеньев руки и соизмеримые с размерами рабочего объема;
–координатные перемещения на расстояния, превышающие размеры ПР и размеры рабочего объема.
Совокупность степеней подвижности манипулятора ПР определяет возможность его рабочего органа занимать различные положения в разных областях ограниченного конкретными связями и размерами звеньев кинематической цепи рабочего пространства М.
3.1.1. Приводы промышленного робота
Привод промышленного робота предназначен 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, редукторы, преобразователи вращательного движения в поступательное и наоборот, тормоз, муфта и датчики перемещения исполнительных звеньев.
К приводам, применяемым в роботах, предъявляют весьма жесткие специфические требования:
–должны встраиваться в исполнительные системы робота – в манипуляторы и системы передвижения,
–габариты и масса приводов должны быть минимальными, так как приводы в роботах работают в основном в неустановившихся режимах и с переменной нагрузкой, то приводы в переходных процессах должны быть практически не колебательными.
Скорость поступательного движения на выходе приводов роботов должна составлять от долей до нескольких м/с при погрешности отработки перемещения, равной долям миллиметра.
Тип привода ПР определяется, с одной стороны, условиями функционирования, грузоподьемностью и требованиями к его управляемости. С другой же стороны, тип привода ПР определяется видом энергии, используемой для работы его исполнительных механизмов. Выбор типа привода зависит от функционального назначения и условий эксплуатации ПР (пожара-и взрывобезопасность, защищенность и невосприимчивость к отдельным видам помех), от требований к способу управления и регулирования, вида системы управления, грузоподьемности и требуемых динамических характеристик конструкции, способа регулирования, требований технологического процесса. Па выбор привода также может оказать влияние его компоновочная схема: расположение силовых двигателей (в едином блоке, на исполнительных звеньях, комбинированная).
В роботах нашли применение все известные типы приводов: электрические, гидравлические и пневматические; с поступательным и вращательным движением; регулируемые (по положению и скорости) и нерегулируемые; замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые; непрерывного и дискретного действия (в том числе шаговые). По имеющимся оценкам, примерно в 50% современных промышленных роботах используется электрический привод, в 30%– гидравлический и в 20%– пневматический.
Пневмопривод одной степени подвижности образован двигателем, распределительным устройством и регулятором скорости. Двигатель может быть либо поступательного движения – пневмоцилиндр, либо поворотный. К пневмоцилиндру часто пристроен тормоз, включающийся в конце хода поршня. Через шток поршень передаст движение от двигателя. Регулятор скорости привода поддерживает заданную скорость его движения путем стабилизации расхода воздуха, подаваемого в двигатель (например, с помощью дросселя с обратным клапаном).
Пневматические двигатели работают на сжатом воздухе давлением от 0,3 до 0,6 МПа. Сжатый воздух поступает на приводы от общего блока питания, который состоит из аппаратуры подготовки воздуха и редуктора. Подготовка воздуха заключается в его очистке от влаги и механических примесей и внесении распыленного масла для смазки трущихся поверхностей в двигателе. Редуктор обеспечивает поддержание определенного давления воздуха на входе привода. Сжатый воздух па вход блока питания поступает обычно из общей пневмосети, в которую он подается от компрессора (компрессорной станции). В мобильных роботах воздух поступает от баллонов, где он находится под повышенным давлением.
При простейшем цикловом управлении начальная и конечная точки перемещений определяются передвижными регулируемыми механическими упорами, устанавливаемыми на подвижной части привода (на штоке пневмоцилиндра или выходном валу поворотного двигателя). Для обеспечения точности позиционирования и быстродействия устанавливают различные гидравлические или пружинные демпферы, обеспечивающие плавный выход в точку позиционирования. Иногда используют способ торможения противодавлением путем переключения подачи воздуха из одной полости двигателя в другую – встречно движению поршня или лопасти в зависимости от двигателя. Использование таких схем приводов обеспечивает значительно более высокую точность (по сравнению с позиционным управлением с обратной связью по положению) (погрешность менее 0,1 мм), высокое быстродействие и скорость перемещения до нескольких метров в секунду.
Применение пневматических приводов в робототехнике объясняется их дешевизной, простотой и соответственно надежностью. Пневматические приводы применяют только в роботах небольшой грузоподъемности – до 10кг, реже 20кг.
Принцип его действия очень прост. Компрессор является своеобразной «газовой пружиной». Он сжимает воздух и хранит накопленную потенциальную энергию до момента подачи его в пневматический двигатель. В качестве двигателей в пневматических приводах используются:
–силовые пневмоцилиндры с возвратно-поступательным движением штока;
–поворотные пневмомоторы;
–ротационные пневмомоторы.
Наиболее распространены пневмоцилиндры, которые могут соединяться со звеньями манипулятора без помощи передаточных механизмов, что упрощает механическую систему робота. При расширении сжатого воздуха эта потенциальная энергия перейдет в кинетическую энергию поршня со штоком, рис.3.5, который является простейшим пневмодвигателем.
Данный пневмоцилиндр позволяют обеспечить только две точки позиционирования, соответствующие втянутому и выдвинутому положению штока. Соответственные позиции занимают и связанные со штоком объекты. Для увеличения точек позиционирования применяют многопозиционные пневмоцилиндры.
Рис. 3.5. Принцип действия пневмоцилиндра:
а-одностороннего действия, б-двустороннего действия
Все достоинства и недостатки пневмопривода связаны со свойствами главного рабочего тела – сжатого воздуха. Его высокая экологичность обусловливает широкое применение именно пневмоприводов в пищевой, электронной, фармацевтической промышленности и в точном приборостроении.
К недостаткам следует отнести:
–трудность реализации следящего привода;
–невозможность точного позиционирования из-за высокой сжимаемости энергоносителя;
–значительные размеры исполнительных двигателей из-за ограниченного давления энергоносителя (не более 0,6 МПа);
–необходимость в специальных тормозных устройствах для остановки исполнительных органов в заданных точках с доступными ускорениями;
–пониженный КПД (0,15-0,20).
Гидравлические приводы являются более сложными и дорогими по сравнению с пневматическими и электрическими. Однако простота реализации бесступенчатого регулирования скоростей, малая инерционность и компактность, возможность организации следящих систем с высоким быстродействием, а также наилучшее соотношение массогабаритных характеристик и удельной стоимости в диапазоне от 500 до 1 000 Вт и выше определяют их использование в качестве основного типа привода для тяжелых и сверхтяжелых роботов, рис.3.6.
Рис. 3.6. Гидравлический привод
Хорошая управляемость гидравлических приводов при наличии высококачественных динамических характеристик способствует их применению и в роботах средней грузоподъемности.
Объемным гидравлическим приводом называется совокупность устройств и гидролиний, предназначенных для передачи энергии и приведения в движение механизмов и рабочих органов машин посредством жидкости под давлением.
В гидроцилиндрах одностороннего действия шток выдвигается из исходного положения за счёт создания давления рабочей жидкости в цилиндре, а возврат – за счёт пружины. В гидроцилиндрах двухстороннего действия усилие на штоке создается за счет давления рабочей жидкости и при прямом, и при обратном ходе штока.
В качестве рабочих жидкостей применяются минеральные, синтетические и полусинтетические масла, жидкости на силиконовой основе, водомасляные и масляно-водные эмульсии. Гидропривод обеспечивает большой диапазон рабочих нагрузок робота (1…10000) Н, высокую точность позиционирования (0,01…2) мм, широкий диапазон скоростей рабочих органов (15… 2000) мм/с или (3…180) град/с. Рабочее давление жидкости лежит в пределах (14…21) Мпа.
Элементы гидропривода, аналогичны элементам пневмопривода: двигатель поступательного движения (гидроцилиндр) или углового перемещения (поворотный гидродвигатель). Различие состоит в использовании вместо сжатого воздуха гидрожидкости, (как правило, масла) подаваемого под давлением до 20 МПа. Это обеспечивает создание усилий на два порядка большее. Лучшие динамические показатели и показатели точности гидропривода обусловлены не сжимаемостью жидкости.
Для управления гидравлическими двигателями тоже используются золотники и клапаны. Поскольку они, как правило, имеют электрическое управление, то их называют электрогидравлические усилители (ЭГУ). Управление гидроприводами, обычно непрерывное.
Отличие от пневмоприводов состоит в том, что гидроприводы имеют собственный блок питания, входящий в состав робота. Образован он гидронасосом, фильтром, регулятором давления, устройством охлаждения и емкостью для гидрожидкости.
Достоинствами гидравлического привода являются:
–компактность и быстродействие,
–малая масса исполнительных двигателей,
–жесткие статические и высокие динамические характеристики,
–простота настройки точных значений скоростей звеньев и надежности их фиксации в текущих положениях,
–неограниченные мощность и грузоподъемность.
Благодаря высоким точностным качествам, гидропривод обеспечивает сложные технологические движения, необходимые, например, при контурной сварке и сборке.
К недостаткам гидропривода относятся:
–необходимость в собственных энергоустановках для преобразования энергии (гидростанциях);
–сравнительно малая скорость передачи гидравлического импульса при большой длине трубопроводов (более 2 м), снижающая быстродействие;
–зависимость расхода рабочей жидкости от влияния внешних условий окружающей среды (в первую очередь, температуры), что приводит к колебаниям скорости звеньев манипуляционного механизма;
