ЛЕКЦИЯ 10

1 Промышленные роботы

1.1 Классификация

1.2 Назначение

1.3 Типовые схемы

1.4 Виды и применение ПР

1.1 Классификация

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. Промышленные роботы классифицируются по следующим признакам: по характеру выполняемых технологических операций: основные; вспомогательные; универсальные; по виду производства: литейные; сварочные; кузнечно-прессовые; для механической обработки; сборочные; окрасочные; транспортно-складские; по системе координат руки манипулятора: прямоугольная; цилиндрическая; сферическая; сферическая угловая (ангулярная); другие; по числу подвижностей манипулятора; по грузоподъемности: сверхлегкие (до 10 Н); легкие (до 100 Н); средние (до 2000 Н); тяжелые (до 10000 Н); сверхтяжелые (свыше 10000 Н); по типу силового привода: электромеханический; пневматический; гидравлический; комбинированный; по подвижности основания: мобильные; стационарные; по виду программы: с жесткой программой; перепрограммируемые; адаптивные; с элементами искусственного интеллекта; по характеру программирования: позиционное; контурное; комбинированное.

1.2 Назначение

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.

1.3Типовые схемы

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 (рисунок 1).

Рисунок 1 - Механизм руки манипулятора

Механизм этого манипулятора соответствует цилиндрической системе координат. В этой системе звено 1 может вращаться относительно звена 0 (относительное угловое перемещение), звено 2 перемещается по вертикали относительно звена 1 (относительное линейное перемещение) и звено 3 перемещается в горизонтальной плоскости относительно звена 2 (относительное линейное перемещение). 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 связи. 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. При необходимости она корректирует эти воздействия по сигналам, которые поступают в нее с датчиков обратной связи. Функциональная схема промышленного робота приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная схема промышленного робота

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.

Рассмотрим структурную схему антропоморфного манипулятора, то есть схему которая в первом приближении соответствует механизму руки человека (рисунок 3).

Рисунок 3 - Структурная схема манипулятора

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 захвата 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.

Подвижность манипулятора W - число независимых обобщенных координат однозначно определяющее положение захвата в пространстве.

или для незамкнутых кинематических цепей:

Маневренность манипулятора М - подвижность манипулятора при зафиксированном (неподвижном) захвате.

Возможность изменения ориентации захвата при размещении его центра в заданной точке зоны обслуживания характеризуется углом сервиса - телесным углом, который может описать последнее звено манипулятора (звено на котором закреплен захват) при фиксации центра захвата в заданной точке зоны обслуживания.

 

где: f_C - площадь сферической поверхности, описываемая точкой С звена 3, l_CM - длина звена 3.

подвижность манипулятора: W = 6 * 3 - (3 * 2 - 5 * 1) = 18 - 11 = 7; маневренность: M = 7 - 6 = 1; формула строения: W = [10 + 10 + 10 ] + 21 + [32 + 32 + 32 ].

Структура кинематической цепи манипулятора должна обеспечивать требуемое перемещение объекта в пространстве с заданной ориентацией. Для этого необходимо, чтобы захват манипулятора имел возможность выполнять движения минимум по шести координатам: трем линейным и трем угловым. Рассмотрим на объекте манипулирования точку М, которая совпадает с центром захвата. Положение объекта в неподвижной (базовой) системе координат 0x₀y₀z₀ определяется радиусом-вектором точки М и ориентацией единичного вектора с началом в этой точке. В математике положение точки в пространстве задается в одной из трех систем координат:

· прямоугольной декартовой;

· цилиндрической с координатами;

· сферической с координатами.

Ориентация объекта в пространстве задается углами и, вектором ориентации образует с осями базовой системы координат. На рисунке 4 дана схема шести подвижного манипулятора с вращательными кинематическими парами с координатами объекта манипулирования.

Рисунок 4 - Схема шестиподвижного манипулятора

При структурном синтезе механизма манипулятора необходимо учитывать следующее:

· кинематические пары манипуляторов снабжаются приводами, включающими двигатели и тормозные устройства, поэтому в схемах манипуляторов обычно используются одноподвижные кинематические пары: вращательные или поступательные;

· необходимо обеспечить не только заданную подвижность свата манипулятора, но и такую ориентацию осей кинематических пар, которая обеспечивала необходимую форму зоны обслуживания, а также простоту и удобство программирования его движений;

· при выборе ориентации кинематических пар необходимо учитывать расположение приводов (на основании или на подвижных звеньях), а также способ уравновешивания сил веса звеньев.

Структура манипулятора определяется и местом размещения приводов. Если приводы размещаются непосредственно в кинематических парах, то к массам подвижных звеньев манипулятора добавляются массы приводов. Суммарная нагрузка на приводы и их мощность увеличиваются, а отношение массы манипулятора к полезной нагрузке (максимальной массе объекта манипулирования) уменьшается. Поэтому при проектировании роботов приводы звеньев руки, как наиболее мощные и обладающие большей массой, стремятся разместить ближе к основанию робота. Для передачи движения от привода к звену используются дополнительные кинематические цепи.

 

 

		Таблица 1- Системе координат руки манипулятора
Прямоугольная (декартова)	Цилиндрическая
Сферическая	Угловая (ангулярная)

 

 

1.4 Виды и применение ПР

Промышленные роботы являются универсальным средством комплексной автоматизации производственных процессов. При автоматизации металлорежущего оборудования с помощью промышленных роботов устанавливают заготовки в рабочую зону станка, снимают детали со станка и раскладывают их в тару (накопитель), передают от станка к станку, кантуют детали (заготовки) в процессе обработки и транспортируют их, очищают базовые поверхности деталей и приспособлений, меняют инструмент и осуществляют другие операции.

По характеру конструктивного исполнения и связи со станком различают роботы стационарные (напольные), подвесные (установленные непосредственно на станке, подвешенные на специальной опоре портального или консольного типа) и передвижные.

В транспортных системах промышленные роботы выполняют операции по транспортированию обрабатываемых заготовок, их накоплению, обслуживанию складского оборудования и другие операции. Кроме того, применяют и автооператоры, которые представляют собой относительно простые непрограммируемые автоматические манипуляторы, предназначенные для выполнения одной заданной операции.

К промышленным роботам, работающим в гибких производственных системах, предъявляют дополнительные требования проведения работ в автоматическом режиме как при основных, так и при вспомогательных операциях; автоматической перенастройки при смене предметов производства по управляющим командам; возможности осуществления управляющего воздействия на основное технологическое оборудование; высокой надежности.

В гибких производственных системах применяют промышленные роботы различного конструктивного исполнения. Промышленные роботы с горизонтальной выдвижной рукой и консольным механизмом подъема. Роботы работают в цилиндрической системе координат. Они могут быть с одной и с двумя механическими руками. Рука робота представляет собой пневмоцилиндр с выдвижным штоком, на конце которого закреплено захватное устройство. В основании установлены механизм поворота вокруг вертикальной оси и механизм вертикального подъема руки.

Консольный механизм подъема обеспечивает сравнительно малый ход руки по высоте, поэтому большинство разработанных конструкций относится к специальным и специализирующим моделям, предназначенным для выполнения простейших загрузочных операций. В основном эти роботы имеют пневматический или электромеханический привод.

 

 

Рисунок 5 - Гибкий производственный модуль с роботом напольного типа

 

 

Рисунок 6 - Гибкий производственный модуль фирмы Heinemann (Германия)

 

 

Список используемой литературы:

1 Асфаль Р. Роботы и автоматизация производства. -М.: Машиностроение. 1989. -448с.