книги / Механика промышленных роботов и манипуляторов с электроприводом

1.3. Промышленные роботы

Автоматические роботы, получившие распространение в промышленно­ сти, называются промышленными роботами (ПР). ГОСТ 25686—85 дает следующее определение этого понятия. Промышленный робот — это авто­ матическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде ма­ н и п у л я то р а , имею щ его несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства для выполнения в производственном процессе двигательных или управляющих функций.

Промышленные роботы по степени совершенства принято делить на роботы 1, 2 и 3-го поколений. Роботы 1-го поколения имеют жесткую программу (поэтому они еще называются программными роботами) и тре­ буют точного позиционирования деталей, с которыми работают. Большин­ ство применяемых в настоящее время в промышленности роботов относится к 1-му поколению. Они состоят из манипулятора и программных блоков: генератора машинного времени, устройства считывания, устройства ввода и хранения программы. Человек-оператор через панель управления задает режим работы (обучения, автоматический, ручного управления, поциклового исполнения программы), осуществляет пуск и остановку робота. Робот может управлять технологическим оборудованием. Темп исполнения про­ граммы определяется генератором машинного времени.

Программные устройства могут иметь различные принципы построения и реализовываться на различной элементной базе. В целом они строятся на аналоговых либо на цифровых принципах. Вкачестве хранителей програм­ мы (элементов памяти) используются штекерные панели, штекерные барабаны, кассеты с магнитной лентой и т.п.

Первоначальная программа действий робота записывается в его память, как правило, с помощью человека. Это называется этапом обучения робота. Различают три метода обучения: 1) с помощью настройки механических устройств типа кулачков, конечных переключателей, барабанов — “обуче­ ние по точкам”; 2) с помощью пульта управления, как у станков с ЧПУ, — “обучение с пульта”, аналитическое программирование; 3) непосредствен­ но рукой оператора — “обучение показом”.

Эта информация запоминается, т.е. хранится в элементах памяти, затем по сигналу пуска воспроизводится, считывается и отрабатывается привода­ ми.

Роботы 2-го локоления представляют более совершенные устройства, в определенной степени приспособленные к изменяющейся внешней обста­ новке и не требующие точного позиционирования деталей. Их поэтому еще называют адаптивными. Роботы 2-го поколения имеют большое преимуще­ ство перед роботами 1-го поколения, так как не требуют разработки допол­ нительны х устройств, обладаю т необходимой гибкостью. Сфера применения таких роботов значительно шире, чем роботов 1-го поколения.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по доводке адаптивных роботов до промышленных образцов.

Функциональная схема управления роботом 2-го поколения включает схему управления роботом 1-го поколения, дополненную элементами адап­ тации. Блоки адаптации включают датчики процесса и блоки коррекции сигналов управляющих устройств. Средства очувствления адаптивных ро­ ботов весьма разнообразны. Сравнительно просто реализуется тактильное очувствление. Тактильные датчики устанавливаются непосредственно на рабочих органах — губках схватов. Применяются также локационные дат­ чики, работа которых основана на различных принципах. Чаще всего они могут работать на небольших расстояниях от предметов. Локационные дат­ чики дают возможность еще до соприкосновения с предметом управлять направлением и скоростью сближения.

В качестве сенсорных устройств могут применяться и любые другие датчики, определяющие температуру, цвет предметов, магнитные и элек­ трические свойства, химический состав и т.п.

Роботы 3-го поколения способны воспринимать окружающую обстанов­ ку и в зависимости от нес выбирать способ движения для достижения цели, сформулированной в программе в общем виде. Их называют интегральны­ ми или интеллектными. Робот должен уметь строить модели внешней среды на основе информации, получаемой от различных датчиков. Человек по отношению к роботу 3-го поколения выступает уже не как оператор, а как диспетчер (выдаст задания, принимает информацию об исполнении).

Термин «поколение» надо понимать лишь как степень развития техниче­ ских возможностей. Рассматриваемые разновидности роботов не вытесня­ ют друг друга, каждая из них будет существовать наряду с другими при постепенном совершенствовании их элементной базы.

По степени специализации ПР разделяются на специальные, специали­ зированные (целевые) и многоцелевые. Специальным называется робот, предназначенный для выполнения определенных технологических опера­ ций или обслуживания конкретной модели технологического оборудова­ ния. Специализированные роботы служат для выполнения технологических операций одного вида (сварка, окраска, сборка и т.п.) или для обслужива­ ния определенной группы моделей технологического оборудования (напри­ мер, группы моделей станков с горизонтальной осью шпинделя). Многоцелевые роботы предназначены для выполнения различных основ­ ных и вспомогательных технологических операций. Они конструктивно не зависят от обслуживаемого оборудования и характеризуются разнотипно­ стью совершаемых движений.

По выполняемой функции ПР подразделяются на вспомогательные, технологические и универсальные. Вспомогательные роботы выполняют операции типа “взять—перенести”. Технологические роботы используют­ ся в качестве производящих или обрабатывающих машин на таких опера-

циях> как гибка, сварка, сборка, окраска, контроль и т.п. Универсальными называются роботы, совмещающие функции вспомогательного и техноло­ гического роботов.

Под грузоподъемностью ПР понимается наибольшая масса объектов ма­ нипулирования (включая массу рабочего органа), которые могут переме­ щаться рукой робота при заданных условиях (при максимальной или минимальной скорости, при максимальном вылете руки и т.п.). По грузо­ подъемности ПР делятся на сверхлегкие (до 1 кг), легкие (до 10 кг), средние (до 200 кг), тяжелые (до 1000 кг), сверхтяжелые (свыше 1000 кг).

Рабочая зона манипулятора — это пространство, в котором находится его рабочий орган при всех возможных положениях манипулятора. Рабочая зона характеризуется объемом. По объему рабочей зоны ПР делятся на микророботы, выполняющие особо точные операции с весьма мелкими де­ талями (например, при производстве изделий микроэлектроники), мини­ роботы для точных операций с мелкими деталями (например, при производстве часовых механизмов), малые роботы, предназначенные, на­ пример, для операций холодной штамповки, средние роботы для операций, которые рабочие выполняют стоя, крупногабаритные роботы для выполне­ ния операций, превышающих физические возможности человека, и, нако­ нец, мобильные роботы, перемещающиеся по рельсовому пути, монорельсу или как-нибудь иначе.

подразделяются на роботы с позиционным управлением и с контурным управлением. Под позиционным управлением понимается программное управление ПР, при котором движение рабочего органа происходит по заданным точкам позиционирования без контроля траектории движения между ними. Частным случаем позиционного управления является цикло­ вое управление, при котором точки позиционирования задаются при помо­ щи жестких упоров. При цикловом управлении программируется только последовательность движений. Под контурным, управлением понимается управление ПР, при котором движение рабочего органа происходит по заданной траектории с определенной скоростью.

При позиционной системе управления сводится к минимуму отклонение гг требуемого положения при подходе к конечным точкам, но не контроли­ руется движение между этими точками, а также нс контролируется сочета­ ние движений по отдельным степеням подвижности. Такое перемещение приемлемо для операций загрузки—выгрузки металлорежущих станков, точечной сварки, но нс пригодно для операций окраски или дуговой сварки. Системы контурного управления обеспечивают движение по непрерывным траекториям с заданной скоростью. Для этого необходимо осуществить скоординированное управление движением по всем степеням подвижности. Обычно используется способ контурного управления с интерполятором. Это по существу позиционное управление, дополненное специальным вычис­ лительным блоком — интерполятором, который по определенному алго­

Движения, совершаемые человеком и воспроизводимые роботом, можно разделить на три класса: глобальные, региональные, локальные.

Глобальные движения — это перемещения на расстояния, превышаю­ щие размеры робота. Робот, совершающий глобальные движения, называ­ ется мобильным, а не совершающий — стационарным. Глобальные движения совершает робот, перемещаясь по подвесному монорельсу. Так, например, работают роботы, обслуживающие группу металлорежущих станков, установленных на одной линии. У большинства роботов глобаль­ ные движения отсутствуют.

Движения, совершаемые рукой робота в пределах его рабочей зоны и соизмеримые с его габаритами, называются региональными. Их также на­ зывают переносными, так как они обеспечивают переноообъекта в требуе­ мую точку. Эти движения соответствуют движениям, реализуемым плечом и предплечьем руки человека.

Локальные движения — это перемещения рабочего органа в малой зоне. Они соответствуют движениям кисти руки. Основное назначение этих дви­ жений — ориентирование объекта манипулирования в данной точке рабо-

некоторой произвольно выбранной точкой, и вращение относительно этой точки. Соответственно из шести независимых обобщенных координат, опи­ сывающих движение твердого тела, три координаты задают перемещение некоторой фиксированной точки тела в пространстве, а три характеризуют его вращение. Пространственный манипулятор в общем случае должен иметь шесть степеней подвижности: три для отработки региональных (пе­ реносных) движений и три — для локальных (ориентирующих).

В том случае, когда приходится манипулировать с несвободными пред­ метами, на которые наложены дополнительные связи, может оказаться, что указанных степеней подвижности мало. Так, например, для того чтобы на­ живить и завинтить гайку, поднять с пола ящик стола для установки его в направляющие стола, достаточно иметь манипулятор с шестью степенями подвижности. Однако без седьмого движения, винтового или прямолиней­ но-поступательною вдоль направляющих, нельзя навинтить гайку и задви­ нуть ящик в стол иначе, как используя сложную комбинацию движений.

Число степеней подвижности более шести может оказаться необходи­ мым при выполнении сложных работ, связанных с дополнительными огра­ ничениями на перемещение звеньев манипулятора при работе в стесненном пространстве. Увеличение числа степеней подвижности наделяет манипу­ лятор ценным свойством избыточности, однако это усложняет его и повы­ ш ает его стоимость. Для промышленных роботов, работающих в организованном рабочем пространстве, где рабочие зоны упорядочены и, как правило, лежат в горизонтальных и вертикальных плоскостях, при выполнении рабочих операций обычно оказывается достаточным 4—5 сте­ пеней (3 переносных и 1—2 ориентирующих). Простейшие неперепрограм­ мируемые роботы, называемые автооператорами, могут иметь 1—2 степени подвижности.

Кинематическая цепь региональных движений обычно осуществляется с использованием кинематических пар пятого класса (вращательных, по­ ступательных соединений) и содержит три звена. В таком случае возможны следующие последовательности располо­ жения кинематических пар:

ВВВ, ВВП, ВПВ, ПВВ, ППВ, ПВП, ВПП, ППП. Оси соседних кинематических пар могут иметь самое различное относи­ тельное расположение, однако получили распространение ма­ нипуляторы с коллинеарными или ортогональными осями (их называют ортогональными ма-

нипуляторами). Схемы манипуляторов весьма разнообразны (рис. 1.4). Из приведенных на рис. 1.4 схем наиболее распространены структурные

схемы типа BBBj, ВВП2, ВПП, ППП. Одной из простейших является схема

ППП (рис. 1.5) с прямоугольной системой координат, форма ее рабочей зоны — параллелепипед. Такая схема наиболее удобна для выполнения прямолинейных движений. При

служивания. Он может применяться в стесненной зоне обслуживания. Та­ кие манипуляторы обычно хорошо уравновешены и поэтому часто исполь­ зуются, когда программирование осуществляется методом обучения рукой человека на операциях окраски, нанесения защитных покрытий и т.п.

Каждая из рассмотренных схем обладает определенными достоинствами

инедостатками, поэтому выбор схемы является компромиссным решением

иведется с учетом предъявляемых к данному роботу требований. При выборе схем надо принимать во внимание не только их функциональные возможности, но и упрощение конструкции, технологичность ее изготовле­ ния, стоимость. При решении этих вопросов следует руководствоваться уже накопленным опытом проектирования роботов.

Основные технические характеристики робота — грузоподъемность, размеры зоны обслуживания, быстродействие, точность — тесно связаны между собой и с его компоновкой. Улучшение одних характеристик можно получить только за счет ухудшения других. Так, в частности, большая грузоподъемность несовместима с большим размером зоны обслуживания, большая скорость — с высокой точностью. Отсюда следует, что нет такой схемы робота, которая была бы оптимальной во всех случаях.

Кинематическая цепь, реализующая локальные движения, называется кистью робота, поскольку она выполняет функции, аналогичные кисти руки человека. Назначение кисти — ориентирующие движения. Из меха­ ники известно, что произвольную ориентацию твердому телу можно задать путем трех последовательных плоских поворотов, производимых относи­ тельно несовпадающих осей, в частности взаимно ортогональных, связан-