книги / Механика промышленных роботов и манипуляторов с электроприводом

устранения зазоров в зацеплении используются упругие элементы, при этом одно из зубчатых колес выполняется разрезным, составленным из двух половинок, между которыми устанавливается упругий элемент. Другим вариантом устранения люфтов является конструкция, в которой передача мощности осуществляется от двигателя двумя параллельными кинемати­ ческими цепями, связанными между собой предварительно закрученным упругим валом — торсионом.

Недостатками цилиндрических редукторов являются большие габариты и масса, а также повышенная инерционность по сравнению сдругими вида­ ми зубчатых механизмов. Поэтому при больших передаточных отношениях И - 50—200) применяются планетарные механизмы, имеющие при этом малые массу и габариты. Использование планетарных редукторов ограни­ чено сложностью выборки зазоров и обеспечения высокой точности переда­ чи.

Схемы планетарных механизмов весьма разнообразны, но на практике получили распространение в основном трехколесные и четырехколесные. На основе простейших планетарных механизмов можно получить много­ ступенчатый механизм с большим передаточным отношением.

Для повышения КПД до 0,96—0,98 при большом передаточном отноше­ нии применяются двухступенчатые планетарные редукторы, дифференци­ альные механизмы с замыкающей рядовой ступенью, а также механизмы, в выходной ступени которых используется рядовая передача.

Благодаря применению нескольких сателлитов мощность передается несколькими параллельными потоками, что позволяет уменьшить модуль зубчатых колес, а следовательно, их размеры и массу редуктора. Для сни­ жения погрешностей, вызванных зазорами в зацеплении, в последней сту­ пени принимают большое передаточное отношение (10 и более), в результате чего выходное колесо получается большим и его закрепляют непосредственно на звене манипулятора, например на поворотной колонне.

При использовании планетарных механизмов в передачах необходимо провести кинематический расчет, который более сложен, чем для рядовой передачи, и основан на использовании метода обращения движения. Рас­ смотрим его на примере конического дифференциала (рис. 2.9, а).

Угловая скорость колеса 2 этого механизма находится из соотношения

^ 2 ~ ^ и +^2Н > где йГ2 иИ5н — векторы абсолютной угловой скорости соответственно колеса

2 и водила; аГ2я — вектор угловой скорости.2 относительно водила. Сообщим обращенное движение всему механизму вокруг колеса 1 со

скоростью-й//. Этот прием, очевидно, не изменит относительного движе­ ния звеньев, однако позволит рассматривать обращенный механизм как рядовую коническую передачу (рис. 2.9,6). Для нее справедливо выражение

wi н ^ 2 Н ~ z2^zi»

щеи)1Н =й)1—и)н .

4*со,.2Н

Рис. 2.9. Двухколесный конический дифференциал (а) и его обращенная модель (б)

Анализ формулы (2Л) показывает, что при = О

0)2Н = ~ °>H Z \/ Z 2~ _ механизм планетарный, при о>я = О

^ 2# = W\Z\/Z2

механизм радовой.

Конический дифференциал применяется в приводе кисти робота. Из приведенных выше соотношений вытекает, что при качении кисти имеет место и ее ротация, т.е. поворот вокруг собственной оси. Чтобы разъединить эти движения, следует сообщить центральному колесу 1 угловую скорость &>! =и>н .

Уравнение кинематической связи для симметричного конического диф­ ференциала (рис. 2.10), широко применяемого в роботах, полученное ука­ занным выше способом, имеет вид

(о1 + Û>3 = 2а>н .

Отсюда следует, что если скорости центральных колес одинаковы, диффе­ ренциал заблокирован (ЕГЯ = =133), а если одно из центральных колес неподвижно, £ГЯ = <з>/2, т.е. скорость водила равна половине скорости ведущего колеса при том же направлении вращения.

Конические дифференциальные механизмы используются во многих

этом не происходила ротация кисти, центральные конические колеса 1 и 3 должны иметь скорости Wj =â>3 =5)/. Эти движения обеспечиваются допол­ нительными кинематическими цепями, включающими взаимосвязанные трехколесные симметричные дифференциалы Д1 и Д2.

При включенном двигателе М2 и заторможенном двигателе M l водила дифференциалов получают скорости, равные половине скорости двигателя М2 у но вращаются в разных направлениях. Эти движения затем преобра­ зуются посредством конических передач в однонаправленные вращения колес 1 и 3 со скоростью, равной скорости водила. При включенном двига­ теле M l и остановленном двигателе М2 водила дифференциалов Д1 и Д2 получают скорости, также равные половине скорости двигателя M l t и вра­ щаются в одинаковых направлениях. Эти движения затем преобразуются в разнонаправленные движения колес 7 и 3.

Для преобразования вращательного движения в поступательное приме­ няется реечная зубчатая передача, представляющая, в сущности, вариант зубчатой передачи, у которой зубчатое колесо имеет бесконечно большой радиус. Реечные передачи, используемые для приведения в движение звеньев поступательной пары, имеют высокий КПД (0,9—0,98), допускают выборку зазоров, достаточно жесткие, могут работать при больших инер­ ционных нагрузках, обеспечивая скорости 0,5—1 м/с и перемещение 0,5— Юм. Передаточное отношение реечных передач находится в пределах 50—200 оборотов шестерни на один метр перемещения,"что позволяет использовать привод непосредственно от низкоскоростных высокомоментных электродви­ гателей. Реечные передачи используются в мобильныхроботахдля получения глобальных движений вдоль линии обслуживаемого оборудования.

7

/ / / / /

*&" VH

Рис. 2.12. Реечный дифференциал (а) и его обращенная схема (б)

Реечные передачи могут иметь и дифференциальные схемы. Линейные скорости точек механизма, представленного на рис. 2.12, связаны соотно­ шением

где vH — скорость водила; уАц — скорость точки Л относительно води­ ла.

Сообщим механизму обращенное поступательное движение со скоро­ с т ь ю -^ . Для обращенного механизма

V A H = V A V H = ' { V B V H ) - {2.3 )

После подстановки выражения (2.3) в (2.2) получим уравнение реечного дифференциала

V A “ 2 v H V В -

Если скорость точки В равна нулю, то vA = 2vH, т.е. происходит удвоение скорости водила, а значит, ход звена 3 в два раза больше хода водила.

В японском роботе “MatbacIRB-10" и в ряде других находит применение планетарный механизм с гибким тяговым органом — цепью, которая охва­ тывает неподвижную звездочку 1 и подвижную 2, закрепленную на несу­ щем подвижном звене (рис. 2.13,а). Звездочка 2 здесь играет роль сателлита, а несущее подвижное звено — роль водила. При вращении водила с угловой скоростью ь>н сателлит из-за наличия гибкой связи приобретает абсолютную угловую скорость о>2 в направлении, противопо­ ложном вращению водила.

Применим принцип обращения движения и рассмотрим образовавший­ ся механизм (рис. 2.13, б). Это рядовая цепная передача, для которой кинематическое уравнение имеет вид

-о>н /(т 2 ~ а)н ) = z2/z „

откуда следует уравнение для цепного планетарного механизма 0>2 = 0)ff(z2/ z J - l)/(z 2/zi).

Пусть, например, z2= , тогда и>2 = 0 и звездочка 2 при движении водила сохраняет ориентацию неизменной. Если же z2 = 0,5zj, то o>2 Оба

механизма используются в манипуляторах, первый — для развязки враща­ тельных движений, второй'— для получения прямолинейного движения за счет использования двух звеньев равной длины, вращающихся с одинако­ выми скоростями, но в противоположных направлениях.

Значительную редукцию скорости можно получить с помощью червяч­ ной передачи. Одно из ее достоинств — свойство самоторможения. При отключенном двигателе не происходит самопроизвольное движение под действием сил тяжести звеньев, отпадает необходимость в применении тормоза, повышается безопасность работ.

Червячные редукторы отличаются высокой жесткостью (с = 105 — 106 Н • м/рад), технологичностью и простотой конструкции. Они обеспечивают передаточные отношения i =30—100. Благодаря повышенной плавности и бесшумности червячные редукторы в сочетании с электродвигателями способствуют улучшению условий труда на рабочем месте. Однако они обладают такими серьезными недостатками, как низкий КПД (?)=0,7—0,8, а в раде случаев еще ниже), малая точность из-за сложности выборки зазоров, большая нагрузка на отдельный зуб. Червячные редукторы обычно применяются в быстроходных ступенях и дополняются цилиндрическими и реечными зубчатыми передачами.

Большое распространение в приводах роботов получили волновые пере­ дачи. Они просты по конструкции, могут реализовывать передаточное от­ ношение i = 100—250 при высоком КПД т) = 0,7—0,9, компактны, легко встраиваются в приводные модули, обеспечивают практически беззазорное зацепление. Недостатками волновых передач являются пониженная жест­ кость (с = 104 — 105 Н вм/рад), сложность изготовления, сравнительно низкая долговечность, высокие требования к качеству материалов и техно­ логии производства.

Волновые передачи находят применение в шарнирных роботах, образуя компактные приводные модули в соединении с электродвигателем, и ис­ пользуются в основном в малонагруженных узлах.

Волновые передачи появились сравнительно недавно, однако уже полу-

Рис. 2.14. Волновой редуктор с подвижным гибким колесом

чили широкое распространение. Отличительная особенность этих передач — наличие гибкого звена, способного деформироваться и за счет этого созда­ вать эффект преобразования движения.

Волновая передача, схема которой представлена на рис. 2.14, состоит из генератора волн 1 с роликами, взаимодействующими с тонкостенной ци­ линдрической оболочкой 2, растягивающими ее и придающими форму ова­ ла. Оболочка снабжена внешними зубьями, входящими в зацепление с зубьями жесткого зубчатого колеса 2. Число зубьев оболочки на один-два меньше числа зубьев жесткого колеса. Зубья выполняются с мелким моду­ лем. При вращении генератора волн зубья гибкой оболочки последователь­ но входят в зацепление с зубьями жесткого колеса. За полный оборот генератора гибкая оболочка поворачивается в сторону, противоположную вращению генератора, на угол, пропорциональный разнице чисел зубьев жесткого колеса и оболочки. Передаточное отношение такой передачи определяется по формуле

z = l / ( l - z 2/zi).

Другой вариант исполнения волнового ре­ дуктора представлен на рис. 2.15. В нем гибкой перегородкой герметично разъединены полости А и Б. Этот механизм позволяет передавать движение из одной среды в другую без подвиж­ ных уплотнений. Передаточное отношение оп­ ределяется по формуле

4.Какой механизм называется рычажным? Каковы две основные структуры рычажных механизмов?

5.Перечислите разновидности замкнутых четырехзвенников и укажите их основное назна­ чение при использовании в роботах.

6.Как устроен механизм гибкого “хобота”? Начертите структурную схему.

7.Что такое пантограф и каковы его свойства?

8.Какие требования предъявляются к зубчатым механизмам, применяемым в роботах?

9.Какими свойствами обладает конический дифференциал, в каких устройствах робота он

применяется? Начертите его схему.

10. Как устроена волновая передача и каковы ее основные свойства?

3.УСТРОЙСТВО ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

3.1.Общие принципы построения манипуляционных систем роботов

В основе структуры манипуляторов лежат открытые кинематические цепи, все звенья которых соединены вращательными или поступательными кинематическими парами. Каждое звено приводится в движение отдель­ ным двигателем с помощью передаточного механизма. Различают два ос­ новных способа размещения двигателей: 1) непосредственно на звеньях манипулятора таким образом, что каждое предыдущее звено является стой­ кой механизма, приводящего в движение последующее звено (рис. 3.1, я); 2) все приводы вынесены на общее основание с передачей движения соответствующим звеньям с помощью специальных передаточных меха­ низмов (рис. 3.1, б).

Первый способ построения манипуляционной системы робота более прост и удобен с точки зрения управления. При этом отсутствуют длинные кинематические цепи, предельно упрощена передача движения от двигате­ ля к исполнительному звену — вплоть до закрепления исполнительного звена манипулятора на выходном валу двигателя. Этот способ чаще всего применяется при использовании гидро- и пневмодвигатслсй.

На рис. 3.2 приведена конструктивная схема манипулятора с вращатель­ ными парами и встроенными приводными устройствами. Звено 1соединено со стойкой посредством ротационной вращательной пары, а остальные звенья совершают качатсльные движения в плоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа. Звенья приводятся в движение от двигателей М,- через редукторы 1} и зубчатые передачи внутреннего зацепления.

5