Глава8 Промышленные роботы

 

Робототехника – сравнительно новое, быстроразвивающееся и весьма перспективное направление науки и техники. Робот, являющийся одним из основных объектов изучения в этой науке, представляет собой универсальный автомат для воспроизведения двигательных и интеллектуальных функций человека. Именно создание промышленных роботов и станков с числовым программным управлением сделало реальностью осуществление главной мечты человечества в области материального производства – создание гибкого автоматизированного производства.

Среди всего многообразия роботов важным классом являются манипуляционные роботы. Специфика манипуляционных роботов, частным видом которых являются промышленные роботы, связана с наличием манипулятора – его исполнительного органа.

Практической целью создания роботов явилась передача им тех видов деятельности, которые для человека являются трудоемкими, тяжелыми, монотонными, вредными для здоровья и жизни. Это прежде всего вспомогательные производственные операции: загрузка и разгрузка установок, станков, полуавтоматов, и основные производственные операции: сварка, окраска, резка, сборка и т. д., а также работы в так называемых экстремальных условиях: под водой, в космосе, в радиоактивных и ядовитых средах, а также в средах с газовой средой и температурным режимом, неприемлемыми для человека.

Роботы, предназначенные для выполнения двигательных и управляющих функций в производственном процессе, называются промышленными. Именно необходимость решения производственных задач обеспечила бурное развитие в течение почти полувека исследований в области робототехники и производства роботов. От традиционных средств автоматизации промышленные роботы отличаются универсальностью, возможностью их быстрой переналадки, что позволяет создавать на базе универсального оборудования роботизированные технологические комплексы, быстропереналаживаемые гибкие производственные системы (ГПС), гибкие автоматизированные производства (ГАП). Создание ГАП в настоящее время рассматривается как одна из основных тенденций развития современного машиностроения.

Сложность промышленного робота, как объекта для изучения и проектирования, необычайно высокие требования, предъявляемые к нему как к автоматической манипуляционной системе, состоят в следующем: предельная погрешность перемещения рабочего органа соизмерима с аналогичной характеристикой наиболее точных станков при значительно больших величинах перемещений и количествах степеней подвижности. При этом для удовлетворительной производительности скорость должна быть выше на порядок. Поэтому изучение вопросов структуры, кинематики и динамики является весьма важной составной частью при разработке и практическом использовании исполнительных устройств промышленных роботов как объекта управления.

Промышленный робот – автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением, предназначенная для замены человека при выполнении основных и вспомогательных операций в производственных процессах.
Манипулятор – совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека.

Назначение и область применения.

Промышленные роботы предназначены для замены человека при выполнении основных и вспомогательных технологических операций в процессе промышленного производства. При этом решается важная социальная задача - освобождения человека от работ, связанных с опасностями для здоровья или с тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, не требующих высокой квалификации. Гибкие автоматизированные производства, создаваемые на базе промышленных роботов, позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и штучном производстве. Копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором, необходимы при выполнении различных работ с радиоактивными материалами. Кроме того, эти устройства незаменимы при выполнении работ в космосе, под водой, в химически активных средах. Таким образом, промышленные роботы и копирующие манипуляторы являются важными составными частями современного промышленного производства. Принципиальное устройство промышленного робота.

Манипулятор промышленного робота по своему функциональному назначению должен обеспечивать движение выходного звена и, закрепленного в нем, объекта манипулирования в пространстве по заданной траектории и с заданной ориентацией. Для полного выполнения этого требования основной рычажный механизм манипулятора должен иметь не менее шести подвижностей, причем движение по каждой из них должно быть управляемым. Промышленный робот с шестью подвижностями является сложной автоматической системой. Эта система сложна как в изготовлении, так и в эксплуатации. Поэтому в реальных конструкциях промышленных роботов часто используются механизмы с числом подвижностей менее шести. 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.
Рассмотрим для примера структурную и функциональную схемы промышленного робота с трехподвижным манипулятором. Основной механизм руки манипулятора состоит из неподвижного звена 0 и трех подвижных звеньев 1, 2 и 3 (рис.19.1).

Рис. 19.1

Механизм этого манипулятора соответствует цилиндрической системе координат. В этой системе звено 1 может вращаться относительно звена 0 (относительное угловое перемещение ₁₀), звено 2 перемещается по вертикали относительно звена 1 (относительное линейное перемещение S₂₁) и звено 3 перемещается в горизонтальной плоскости относительно звена 2 (относительное линейное перемещение S₃₂). На конце звена 3 укреплено захватное устройство или схват, предназначенный для захвата и удержания объекта манипулирования при работе манипулятора. Звенья основного рычажного механизма манипулятора образуют между собой три одноподвижные кинематические пары (одну вращательную А и две поступательные В и С) и могут обеспечить перемещение объекта в пространстве без управления его ориентацией. Для выполнения каждого из трех относительных движений манипулятор должен быть оснащен приводами, которые состоят двигателей с редуктором и системы датчиков обратной связии. Так как движение объекта осуществляется по заданному закону движения, то в системе должны быть устройства сохраняющие и задающие программу движения, которые назовем программоносителями. При управлении от ЭВМ такими устройствами могут быть дискеты, диски CD, магнитные ленты и др. Преобразование заданной программы движения в сигналы управления двигателями осуществляется системой управления. Эта система включает ЭВМ, с соответствующим программным обеспечением, цифроаналоговые преобразователи и усилители. Система управления, в соответствии с заданной программой, формирует и выдает на исполнительные устройства приводов (двигатели) управляющие воздействия u_i. При необходимости она корректирует эти воздействия по сигналам x_i, которые поступают в нее с датчиков обратной связи. Функциональная схема промышленного робота приведена на рис. 19.2.

Рис. 19.2

12.1. Промышленные роботы и манипуляторы.

Промышленный робот – программируемая автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением, предназначенная для замены человека при выполнении основных и вспомогательных операций в производственных процессах. Манипулятор – совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека.

12.2. Назначение и область применения.

Промышленные роботы предназначены для замены человека при выполнении основных и вспомогательных технологических операций в процессе промышленного производства. При этом решается важная социальная задача - освобождения человека от работ, связанных с опасностями для здоровья или с тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, не требующих высокой квалификации. Гибкие автоматизированные производства, создаваемые на базе промышленных роботов, позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и единичном производстве. Копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором, необходимы при выполнении различных работ с радиоактивными материалами. Кроме того, эти устройства незаменимы при выполнении работ в космосе, под водой, в химически активных средах. Таким образом, промышленные роботы и копирующие манипуляторы являются важными составными частями современного промышленного производства.

12.3. Классификация промышленных роботов.

Промышленные роботы классифицируются по следующим признакам:

o по характеру выполняемых технологических операций: основные, вспомогательные, универсальные;

o по виду производства: литейные, сварочные, кузнечно-прессовые, для механической обработки, сборочные, окрасочные, транспортно-складские;

o по системе координат руки манипулятора: прямоугольная, цилиндрическая, сферическая, сферическая угловая (ангулярная), другие;

o по числу подвижностей манипулятора;

o по грузоподъемности: сверхлегкие (до 10 Н), легкие (до 100 Н), средние (до 2000 Н), тяжелые (до 10000 Н), сверхтяжелые (свыше 10000 Н);

o по типу силового привода: электромеханический, пневматический, гидравлический, комбинированный;

o по подвижности основания: мобильные, стационарные;

o по виду программы: с жесткой программой, перепрограммируемые, адаптивные, с элементами искусственного интеллекта;

o по характеру программирования: позиционное, контурное, комбинированное.

12.4.Принципиальное устройство промышленного робота.

Манипулятор промышленного робота по своему функциональному назначению должен обеспечивать движение выходного звена и закрепленного в нем объекта манипулирования в пространстве по заданной траектории и с заданной ориентацией. Для полного выполнения этого требования основной рычажный механизм манипулятора должен иметь не менее шести подвижностей, причем движение по каждой из них должно быть управляемым. Промышленный робот с шестью подвижностями является сложной автоматической системой. Эта система сложна как в изготовлении, так и в эксплуатации. Поэтому в реальных конструкциях промышленных роботов часто используются механизмы с числом подвижностей менее шести. 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.Рассмотрим для примера структурную и функциональную схемы промышленного робота с трехподвижным манипулятором. Основной механизм руки манипулятора состоит из неподвижного звена 0 и трех подвижных звеньев 1,2 и 3 (рис.12.1). Структурная схема механизма этого манипулятора соответствует цилиндрической системе координат. В этой системе звено 1 может вращаться относительно звена 0 (относительное угловое перемещение  ₁₀), звено 2 перемещается по вертикали относительно звена 1 (относительное линейное перемещение S ₂₁) и звено 3 перемещается в горизонтальной плоскости относительно звена 2 (относительное линейное перемещение S ₃₂). На конце звена 3 укреплено захватное устройство или схват, предназначенный для захвата и удержания объекта манипулирования при работе манипулятора. Звенья основного рычажного механизма манипулятора образуют между собой три одноподвижные кинематические пары (одну вращательную А и две поступательные В и С) и могут обеспечить перемещение объекта в пространстве без управления его ориентацией. Для выполнения каждого из трех относительных движений манипулятор должен быть оснащен приводами, которые состоят из двигателей с редуктором и системы датчиков обратной связи. Так как движение объекта осуществляется по заданному закону движения, то в системе должны быть устройства сохраняющие и задающие программу движения, которые назовем носителями программ. При управлении от ЭВМ такими устройствами могут быть дискеты, диски CD, магнитные ленты и др. Преобразование заданной программы движения в сигналы управления двигателями осуществляется системой управления. Эта система включает ЭВМ, с соответствующим программным обеспечением, цифроаналоговые преобразователи и усилители. Система управления, в соответствии с заданной программой, формирует и выдает на исполнительные устройства приводов (двигатели) управляющие воздействия u _i. При необходимости она корректирует эти воздействия по сигналам  x_i, которые поступают в нее с датчиков обратной связи. Функциональная схема промышленного робота приведена на рис. 12.2.

12.5. Основные понятия и определения. Структура манипуляторов. Геометро-кинематические характеристики.

Формула строения - математическая запись структурной схемы манипулятора, содержащая информацию о числе его подвижностей, виде кинематических пар и их ориентации относительно осей базовой системы координат (системы, связанной с неподвижным звеном).

Движения, которые обеспечиваются манипулятором делятся на:

· глобальные (для роботов с подвижным основанием) - движения стойки манипулятора, которые существенно превышают размеры механизма;

• региональные (транспортные) - движения, обеспечиваемые первыми тремя звеньями манипулятора или его “рукой”, величина которых сопоставима с размерами механизма;
• локальные (ориентирующие) - движения, обеспечиваемые звеньями манипулятора, которые образуют его “кисть”, величина которых значительно меньше размеров механизма.

В соответствии с этой классификацией движений, в манипуляторе можно выделить два участка кинематической цепи с различными функциями: механизм руки и механизм кисти. Под “рукой” понимают ту часть манипулятора, которая обеспечивает перемещение центра схвата – точки М (региональные движения схвата); под “кистью” – те звенья и пары, которые обеспечивают ориентацию схвата (локальные движения схвата).

Структурная схема механизма – его графическое изображение на котором показаны стойка, подвижные звенья, кинематические пары и их взаимное расположение. Графическое изображение элементов схемы выполняется с учетом принятых условных обозначений. В таблице 12.1 приведены условные обозначения кинематических пар. Кинематической цепью называется система звеньев, образующих между собой кинематические пары. Цепь в которой каждое звено входит не более чем в две кинематические пары, называется простой. Незамкнутой называется такая кинематическая цепь, в которой есть звенья входящие только в одну кинематическую пару.

Таблица 12.1

Одноподвижная вращательная	Одноподвижная поступательная	Двухподвижная цилиндрическая
Двухподвижная сферическая	Трехподвижная сферическая	Трехподвижная плоская

Рассмотрим структурную схему антропоморфного манипулятора, то есть схему которая в первом приближении соответствует механизму руки человека (рис.12.3). Этот механизм состоит из трех подвижных звеньев и трех кинематических пар: двух трехподвижных сферических А_3сф и С_3сф и одной одноподвижной вращательной В_1в.

Кинематические пары манипулятора характеризуются: именем или обозначением КП - заглавная буква латинского алфавита (A,B,C и т.д.); звеньями, которые образуют пару (0/1,1/2 и т.п.); относительным движением звеньев в паре (для одноподвижных пар - вращательное, поступательное и винтовое); подвижностью КП (для низших пар от 1 до 3, для высших пар от 4 до 5); осью ориентации оси КП относительно осей базовой или локальной системы координат.

Рабочее пространство манипулятора - часть пространства, ограниченная поверхностями огибающими к множеству 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, а также конструктивными ограничениями наложенными относительные перемещения звеньев в КП.