книги / Механика промышленных роботов и манипуляторов с электроприводом

Рис. 1.9. Устройство для ориенРис. 1.10. Зона обслуживания, доступная затации кисти на основе карданохватному устройству, и угол сервиса ва подвеса

ных с телом. Механической моделью, осуществляющей физическую реали­ зацию таких движений, служит карданов подвес, йредставляющий трех­ звенную кинематическую цепь с одними вращательными парами, причем оси пар пересекаются в одной точке. При этом движение выходного звена будет сферическим с центром в точке пересечения осей. Оно является композицией трех движений (рис. 1.9): прецессии (движения тела 1 по отношению к телу 0), нутации (движения тела 2 по отношению к телу 7), чистого вращения или ротации (движение тела 3 по отношению к телу 2).

Для удержания объекта манипулирования кисть снабжается захватным устройством. Назначение переносных и ориентирующих движений — по­ местить захватное устройство в любую точку рабочей зоны. Однако не всякая точка рабочей зоны манипулятора в равной мере доступна захват­ ному устройству, так как на его положение накладываются ограничения, связанные с конструкцией кинематических пар и длиной звеньев. Эти ог­ раничения не позволяют подводить захват (схват) к данной точке под любым желаемым углом.

Углом сервиса называется телесный угол, в пределах которого может находиться продольная ось захвата в том случае, если его центр находится в данной точке пространства. Рассмотрим манипулятор, схема которого приведена на рис. 1.10. Площадь Асферической поверхности с центром в точке S и радиусом г = SA равна 4тгг2, где 4и — телесный угол для сферы. Ось захвата манипулятора СВAS может занимать положение внутри неко­ торого шарового сектора, являющегося лишь частью сферы, определяя тем самым сферическую поверхность площади Ф; « в,г2, где 0,- — угол сервиса, причем 0/ <4тг. Отнош ение ^ = Ф//А = в {/(Ап) назы вается коэффициентом сервиса для манипулятора в данной точке. На границе

рабочего пространства этот угол, очевидно, равен нулю. Максимальное значение коэффициента сервиса равно единице. В этом случае захват со­ вершает полное сферическое движение вокругданной точки. Интегральной оценкой совершенства манипулятора является полный коэффициент сер­ виса, вычисляемый по формуле

« - , 5 « л л

где A Vi — элемент рабочего объема V.

ГОСТ 25686—85 вводит ряд определений, касающихся роботов и их геометрических характеристик.

Исполнительным устройством называется устройство, выполняющее все двигательные функции робота.

Рабочий орган — составная часть исполнительного устройства для не­ посредственного выполнения технологических операций и (или) вспомога­ тельных переходов.

Рабочее пространство манипулятора — часть физического пространст­ ва, в котором может находиться исполнительное устройство при функцио­ нировании манипулятора.

Рабочая зона — пространство, в котором может находиться рабочий орган.

Зона обслуживания — пространство, в котором рабочий орган выполня­ ет свои функции в соответствии с назначением.

Погрешность позиционирования рабочего органа манипулятора—откло­ нение положения рабочего органа от заданного управляющей программой.

Погрешность отработки траектории — отклонение траектории от задан­ ной.

Контрольные вопросы

1.Что такое робот в широком смысле слова? Что такое манипуляционный робот?

2.Как классифицируются манипуляционные роботы? Начертите функциональную схему автоматического робота. Охарактеризуйте назначение основных систем такого робота.

3.Что такое промышленный робот? По каким признакам классифицируются промышлен­

ные роботы?

4.Что такое позиционное и контурное управление?

5.Охарактеризуйте назначение глобального, регионального и локальногодвижения робота.

6.Сколько и каких степеней свободы должен иметь полный манипулятор? Что такое “избыточность” манипулятора и когда она необходима?

7.Как реализуется кинематическая цепь региональных (переносных) движений?

8.Дайте сравнительную оценку манипуляторов с прямоугольной, цилиндрической, сфе­ рической, шарнирной схемами.

9.На основе какого устройства реализуется кинематическая цепь ориентирующих движе­

ний?

ческая пара — это соединение звеньев, допускающее их относительное движение. Ограничения, налагаемые кинематическими парами на свободу движения звеньев, называются связями. По числу связей кинематические пары делятся на классы (от первого до пятого). В исполнительных органах роботов находят применение кинематические пары, как правило, третьего, четвертого и пятого классов. На рис. 2.1 сверху вниз представлены шаровой шарнир, шаровой шарнир с пальцем, цилиндрический шарнир (вращатель­ ная пара), поступательная пара, цилиндрическая пара, винтовая пара.

Схемы кинематических пар дают представление лишь о характере отно­ сительного перемещения звеньев. Шарикоили роликоподшипник эквива­ лентен вращ ательной паре, роликовые направляющие выполняют функции поступательной пары и т.д.

Разнообразие механизмов порождено разнообразием кинематических пар и способов соединения звеньев в единый агрегат, т.е. разнообразием структур. Различают механизмы с открытыми и с замкнутыми кинемати­ ческими цепями, рычажные, зубчатые и кулачковые механизмы. К рычаж­ ным относятся механизмы, содержащие в своем составе только низшие пары, т.е. пары, в которых соприкосновение элементов происходит по по­ верхностям (рис. 2.1). В высших парах соприкосновение происходит по точкам или линиям; зубчатые и кулачковые механизмы содержат именно такие пары.

Исполнительный орган манипулятора является средством механическо­ го взаимодействия с внешней средой, он обычно выполняется в виде рычаж­ ного механизма с открытой цепью. Для увеличения жесткости в ряде случаев открытые цепи дополняются замкнутыми контурами. Зубчатые и кулачковые механизмы используются для передачи движения от двигате­ лей к звеньям манипулятора. В ряде случаев ту же роль выполняют рычаж­ ные механизмы с замкнутой кинематической цепью.

Важнейшая характеристика кинематической цепи — число степеней свободы. В механизме под числом степеней свободы понимается число не­ зависимых обобщенных координат, определяющих положение механиче­ ской системы в пространстве и относительное расположение составляющих ее элементов, т.е. конфигурацию системы. Так же понимается и число степеней свободы кинематической цепи; оно называется еще степенью по­ движности.

Степень подвижности обычных механизмов с замкнутыми цепями, как правило, равна единице, в них для получения определенного движения достаточно иметь один двигатель. Встречаются механизмы с двумя и более двигателями, их называют дифференциальными, так как они способны раскладывать или суммировать движения по нескольким степеням свободы. Многодвигательные системы манипуляторов также представляют много­ степенные дифференциалы. Число степеней свободы звеньев манипулятора возрастает от стойки к последнему звену. Обычно достаточно, чтобы по-

следнее звено имело степень подвижности W - 6, если W>6, манипулятор обладает “избыточными” степенями свободы.

Избыточность манипулятора является полезным свойством при работе в стесненном пространстве, однако она приводит к увеличению числа уп­ равляемых обобщенных координат, усложняет манипулятор, снижает точ­ ность, повышает стоимость.

2.2. Рычажные механизмы

Рычажные механизмы отличаются большим разнообразием и широко применяются в манипуляторах. Их достоинства — простота устройства, высокая прочность и долговечность. По назначению они могут использо­ ваться либо как передаточные, либо как направляющие механизмы.

Направляющие механизмы предназначены для воспроизведения требу­ емого движения по заданной траектории. Передаточные механизмы служат для преобразования одного вида движения в другой, например вращатель­ ного в поступательное, либо для изменения параметров одного вида движе­ ния. Такие механизмы связывают двигатели манипулятора с ис­ полнительными звеньями. От них требуется высокая точность, жесткость, малые потери на трение, высокий коэффициент полезного действия.

В исполнительном органе манипулятора можно выделить две основные самостоятельные части, различающиеся функциональным назначением. Первая часть обеспечивает переносное движение рабочего органа в задан­ ную точку пространства, вторая выполняет ориентирующее движение. Первым от стойки идет участок, обеспечивающий переносное движение, в результате возникает связь между поступательным перемещением и ори­ ентацией. Специальное исполнение участка кинематической цепи пере­ носного движения может устранить эту связь — для этого используется манипулятор с прямоугольной системой координат. В общем случае при наличии вращательных пар такая связь всегда существует, а механизм ориентации обеспечивает развязку переносных и ориентирующих движе­ ний. Функциональное различие двух участков кинематической цепи при­ водит к их структурному и конструктивному различию, при этом имеет место большое разнообразие решений.

Рычажные механизмы с замкнутыми кинематическими цепями приме­ няются как в основной конструкции манипулятора, его “скелетной” части, так и в устройствах передачи движения — “мышечной” части. В некоторых случаях эти механизмы настолько органично входят в схему манипулятора (рис. 2.2), что даже трудно определить, какую основную функцию они выполняют. Кроме того, такие механизмы применяются в захватных уст­ ройствах рабочих органов, в уравновешивающих и других вспомогатель­ ных системах манипуляторов.

Рассмотрим свойства простейших четырехзвенных рычажных механиз­ мов, широко используемых в манипуляторах. На рис. 2.3 представлены

Рис. 2.2. Манипулятор с механизмами передачи движений на звенья

Рис. 2.3. Модификации плоского рычажного четырехзвенника: я-шарнирный четырехзвенник; б — кривошилно-ползунный механизм; в—кулисный механизм; г — тангенсный меха­ низм; д — синусный механизм; е — механизм эллипсографа

шесть разновидностей плоского четырехзвенника.

Шарнирный четырехзвенник служит для преобразования вращательно­ го движения в другие виды движений (поступательное, колебательное и др.). Шатун такого механизма совершает плоское движение; траектории его точек могут быть самыми разными — это позволяет использоват1/шатун в качестве исполнительного органа со сложным движением по заданной траектории. Шарнирный четырехзвенник находит применение в простей­ ших автооператорах. Такой автооператор обладает высокой жесткостью, точностью и быстродействием.

Кривошипно-ползунный механизм применяется для преобразования

Рис. 2.4. Механизм гибкого “хобота”

вращательного движения в поступательное или наоборот. Он часто исполь­ зуется в сочетании с пневмо- и гидроцилиндрами, а также для привода губок захватного устройства, в механизмах поворота колонны робота, в механиз­ мах уравновешивания и т.д.

Принцип работы кулисного механизма реализован в конструкции маль­ тийского креста, широко используемого в различных машинах-автоматах, в том числе в цикловых роботах.

Тангенсный и синусный механизмы реализуют соответствующую фун­ кцию перемещения ведомого звена в зависимости от угла поворота ведуще­ го звена. Как и механизм эллипсографа, они находят применение в приборных устройствах, в элементах передач и других вспомогательных системах манипуляторов.

Типичный пример использования рычажных механизмов с замкнутыми цепями — механизм гибкого “хобота” (рис. 2.4). Им оснащаются роботы с жесткой рукой, используемые на операциях окраски и сварки, что расши­ ряет их манипуляционные возможности.

Механизм гибкого “хобота” является рычажной системой, представля­ ющей последовательность плоских четырехзвенных механизмов, связан­ ных между собой тягам и . И зменение конфигурации первого четырехзвенника влечет за собой изменение конфигурации всех последу­ ющих, в результате чего “хобот” изгибается. В этом механизме всего одна обобщенная координата, ею можно управлять с помощью, например, сило­ вого цилиндра. Исследование и синтез такого механизма представляют достаточно сложную аналитическую задачу.

Из всех рычажных механизмов, применяемых в манипуляторах, следу­ ет особо выделить механизм шарнирного параллелограмма, т.е. шарнирный четырехзвенник, противоположные стороны которого попарно равны. Он

/ям X и Y исполнительной

нием (рис. 2.6). Если траек­ тория точки С — горизонтальная прямая, то точка Е также перемещается по горизонтальной прямой. Для перемещения по горизонтали руки мани­ пулятора с грузом достаточно лишь небольшого усилия для преодоления трения в шарнирах; поворот колонны производится вручную. Вертикальное * перемещение груза обеспечивается специальным силовым цилиндром. Ав­ томатическое управляющее устройство позволяет с помощью привода без приложения усилия поднимать груз и удерживать его на месте в любом положении. Этот механизм является примеров рычажного дифференциала

сдвумя независимыми движениями.

Крычажным механизмам следует отнести и винтовые механизмы (рис. 2.7). Недостаток винтовой пары скольжения — низкий коэффициент полез­ ного действия, малая точность из-за наличия зазора между витками гайки и винта. При малом угле подъема винтовой линии передача может быть

Рис. 2.7. Винтовые механизмы:

Рис. 2.8. Прецизионная шариковинтовая передача

самотормозящейся (необратимой).

В устройствах точной механики, в станках с ЧПУ и роботах широкое применение нашли шариковинтовые передачи с парой качения. У них меж­ ду винтом и гайкой устанавливаются тела качения, которые непрерывно циркулируют по замкнутому контуру. Для возврата тел качения гайка снабжена специальным каналом (рис. 2.8).

Особую ценность представляет возможность выборки осевого зазора, она достигается установкой двух гаек с осевым натягом относительно винта. Такие передачи характеризуются повышенной плавностью, жесткостью с в 107—108 Н/м, коэффициентом полезного действия 7) = 0,9 — 0,98. В комбинации с другими механизмами они позволяют получить очень боль­ шие передаточные отношения.

В роботах широкое применение нашло устройство, в котором шарико­ винтовая передача скомбинирована с рычажным механизмом типа кулис­ ного четырехзвенника (см. рис. 2.2). В этом случае входное движение задается ползуну, являющемуся гайкой шариковинтовой пары. Такое уст­ ройство используется как эффективный, прецизионный модуль вращатель­ ного движения в тех случаях, когда требуется ограниченный угол поворота. В технологических роботах со средней скоростью электродвигатель можно присоединить непосредственно к винту шариковинтового механизма без дополнительной редукции. Эти модули имеют большие габариты и массу, поэтому они используются для региональных перемещений звеньев мани­ пулятора и устанавливаются максимально близко к колонне робота.

2.3. Зубчатые механизмы

Приводные электродвигатели роботов, как правило, выполняются высо­ кооборотными, только при таких условиях удается достичь требуемой мощ­