книги / Механика промышленных роботов и манипуляторов с электроприводом

Все четыре электромеханических привода звеньев выполнены одинако­ во. Каждый привод содержит электродвигатель 7 типа ПЯ 250Ф, волновой редуктор 76, датчик положения 10 типа ППК-15, тахогенератор 3 типа ТГП-3 (рис. 3.12). Вращение к валу датчика от вала двигателя передается с помощью зубчато-ременной передачи; в нее входит шкив 2 (z = 28), установленный на входном валу редуктора, шкив 9 (z=45), установленный на валу датчика, и зубчатый ремень 8 (модуль 1 мм). Тахогенератор смон­ тирован на крышке двигателя и соединяется с ротором при помощи муфты.

Волновой редуктор выполнен следующим образом. Ведущий вал 5 сое­ диняется с валом двигателя при помощи шпонки 4 и другим концом опира­ ется на подшипник 14 на выходном валу 13. На входном валу с радиальным зазором установлен эллиптический кулачок 18 генератора волн, соединен­ ный с валом компенсирующей муфтой 17. Таким образом обеспечивается самоустановка генератора волн в процессе работы. На кулачке имеется гибкий подшипник 6, взаимодействующий с гибким колесом 15 (d= 80 мм, z = 205, т = 0,4 мм), находящимся в зацеплении в двух зонах с жестким колесом 7 (z = 207), неподвижно закрепленным в корпусе 12. Ведомым

быть таким, чтобы не наблюдалось самопроизвольное движение звеньев. Электромеханический робот “AseaIRB-б" шведской фирмы по своему

строению близок к рассмотренному выше роботу ТУР-10, но отличается от него выполнением приводных модулей. Робот применяется для таких тех­ нологических операций, как сварка, окраска, снятие заусенцев и т.д. Он имеет антропоморфную схему, компоновка его узлов показана на рис. 3.13.

Техническая характеристика робота “AseaIRB-6” Число степеней подвижности 5 Переносные степени подвижности:

поворот платформы q\, град (град/с) 340(95) поворот плеча q2, град 80

поворот предплечья #3, град 65 Ориентирующие степени подвижности:

качание $4, град (град/с) 180(115) ротация q5, град (град/с) 360(195)

Грузоподъемность, кг 6 Точность позиционирования, мм 0,2

Тип управляющего устройства—позиционно-контурное Масса манипулятора, кг 125

Поворот руки вокруг вертикальной оси осуществляется от двигателя 1 через безлюфтовую волновую передачу 2, выходное звено которой связано с поворотной платформой 19. На платформе шарнирно закреплен мотор-ре­ дуктор 3 и параллелограммный механизм передачи движения к предплечью 10. Этот механизм состоит из двух кривошипов 5 и 8 и двух тяг 7, 14. Нижний кривошип с помощью шариковинтовой передачи 4 связан с выход­ ным валом мотор-редуктора; верхний кривошип связан с предплечьем 10.

Наклон плеча 14 обеспечивается мотор-редуктором 18, движение кото­ рого через шариковинтовую передачу сообщается кривошипу /б, жестко соединенному с плечом 14. Для разгрузки привода плеча предназначен дебаланс 6.

Механизмы ориентирующих степеней подвижности состоят из двух мо­ тор-редукторов 15, установленных соосно с плечевым шарниром системы тяг 13, 12, кривошипов 17, 9, 11, образующих параллелограммные транс­ ляторы (их два и они расположены по обеим сторонам плеча и предплечья). Качание кисти осуществляется непосредственно от кривошипа 11, а рота­ ция — от кривошипа параллельного транслятора через систему конических зубчатых колес.

Робот имеет антропоморфную схему (подъем и опускание рабочего ор­ гана происходит по вертикали и горизонтали) и работает в цилиндрической системе координат. Это обеспечивается за счет соответствующего управле­ ния двигателями плеча и предплечья; пересчет требуемых скоростей про­ исходит автоматически в управляющем устройстве.

Движение звеньев по всем степеням подвижности контролируется дат­ чиками положений. Измерительная система построена на фазоаналоговом принципе: разность фаз между сигналами датчиков и заданным сигналом преобразуется в аналоговый сигнал, управляющий сервосистемой. Управ­ ляющее устройство робота может работать в трех режимах: отточки к точке..

повышает точность, но увеличивает перемещаемую массу. Двигатели—по­ стоянного тока, напряжение питания — 220 В, общая потребляемая мощ­ ность — не более 1200 Вт. Каждый двигатель снабжен датчиками положения и скорости, а также электромагнитным тормозом, служащим для фиксации положения звеньев при отключенном двигателе.

В приводах переносных степеней подвижности и q3 использованы рядовые зубчатые передачи, в приводе координат q2 — планетарный меха­ низм с ведущим сателлитом. Передаточные отношения ÏJ = 60, i2 = 50, z3 = =30. Движения всех переносных степеней подвижности кинематически не­ зависимы.

Оригинальное устройство имеет приводная система кисти. Все три дви­ гателя М4, М5, М б размещены на предплечье манипулятора. При работе

двигателя М4 поворачивается корпус кисти, увлекая за собой концы транс­ миссионных валов, соединяющих двигатели М5 и Мб с кистью. При этом оси валов образуют скрещивающиеся прямые. Для того чтобы это оказалось возможным, на трансмиссионных валах приводов имеются компенсацион­ ные муфты, способные легко изгибаться, но при этом передавать крутящий момент. Конструктивно компенсационная муфта представляет втулку в виде толстостенной трубы. Встенках втулки выполнены сквозные винтовые пазы, таким образом она фактически превращена в винтовую пружину с прямоугольным сечением витка. Размер сечения в радиальном направле­ нии превосходит размер в осевом, что обеспечивает компенсационной муф­ те повышенную податливость на растяжение — сжатие, а следовательно, на изгиб, и повышенную жесткость на кручение.

Конструктивные особенности манипулятора обеспечивают ему при за­ данной грузоподъемности высокую точность на протяжении всего периода эксплуатации. Наработка на отказ робота составляет 500 ч, средний срок службы — не менее 10 лет.

Схема манипулятора с размещением приводов на звеньях позволяет свести к минимуму длину кинематических цепей. Привод каждого звена содержит не более двух зубчатых передач, высокая точность которых и наличие механизма выборки люфтов обеспечивают высокую точность пе­ редачи движения в целом. Для уменьшения погрешности кинематических цепей, вызванной деформацией скручивания валов, наиболее нагружен­ ные детали выполняются в виде труб большого диаметра.

Монококковая конструкция узлов манипулятора, при которой корпус­ ные детали воспринимают основную нагрузку, обеспечивает высокую жес­ ткость манипулятора при минимальном весе. В поперечном сечении корпусные детали узлов манипулятора имеют форму прямоугольника. По мере удаления от шарнира площадь сечения уменьшается, что приближает звено к балке равного сопротивления. Все это обеспечивает рациональное использование несущей способности корпуса и снижение его массы.

Подшипниковые опрры всех валов максимально разнесены в пределах габаритов звеньев манипулятора, что обеспечивает повышение жесткости конструкции, уменьшение реакции в опорах и снижение влияния деформа­ ций и зазоров. При этом используются подшипники больших диаметров, но более легких серий, что необходимо для повышения их несущей способно­ сти, плавности вращения, долговечности.

Все зубчатые колеса, непосредственно связанные с перемещаемыми звеньями, имеют максимально возможные диаметры в пределах габаритов корпусов. Это позволяет уменьшить усилия в зацеплении, а следовательно, снизить деформирование зубьев и его влияние на угловое положение звена в целом.

Кроме описанных мер облегчения конструкции, в манипуляторе осуще­ ствлено рациональное размещение масс.Центры масс звеньев прибли-

жены к осям вращения. Для этого узлы приводных механизмов располага­ ются по обе стороны от шарнира, причем более массивные части и электро­ двигатели — на коротком плече. Таким образом, конструкция звена оказывается полностью или частично статически уравновешенной, что сни­ жает мощность двигателя, необходимую для преодоления статической на­ грузки. Для уменьшения моментов инерции массивные узлы размещаются как можно ближе к оси вращения.

В целом конструкция манипулятора весьма совершенна. Многие приня­ тые решения являются эталонными для большого числа роботов последних лет разработки.

3.4. Рабочие органы манипуляторов

Рабочий орган — это составная часть исполнительного устройства мани­ пулятора для непосредственного выполнения технологической операции и (или) вспомогательных переходов. К рабочим органам относятся сварочные клещи, окрасочный пистолет, сборочный инструмент, захватное устройст­ во. Расширение области применения роботов во многих случаях тормозится отсутствием соответствующих рабочих органов.

Рабочий орган находится на конце кинематической цепи и поэтому в наибольшей мере подвержен агрессивному воздействию среды. Он посто­ янно контактирует с окружающими предметами и более подвержен опас­ ности повреждения. Рабочий орган максимально должен соответствовать условиям работы. Часто он оснащается датчиками и специальными приво­ дами. Он связан с роботом механическими, энергетическими, информаци­ онными связями, а также оснащается системами подачи материалов (сварочной электродной проволоки, охлаждающих веществ, воздуха и газа, смазочного материала, жидкости для окраски и распыления) к месту рабо­ ты. Все это позволяет рассматривать рабочий орган как отдельную подси­ стему робота, от совершенства которой во многом зависит эффективность использования робота.

Рабочие органы могут быть разделены на два вида: технологические инструменты и захватные устройства. Технологические инструменты ис­ пользуются для выполнения роботом специальных технологических про­ цессов. Захватные устройства предназначены для захватывания объектов манипулирования и надежного их удержания в процессе изменения про­ странственного положения.

Одна из наиболее важных областей использования роботов — монтаж и сборка изделий в машиностроении. Известно, что около 40 % трудоемкости изготовления машины приходится на сборочные работы. Внастоящее время роботы применяются для монтажа валов, колец, осей, корпусов, установки прокладок, монтажа резьбовых соединений, сборки подшипниковых узлов.

Сборка — это получение конечного изделия путем соединения несколь­ ких деталей. При этом внутренние связи между различными частями изде­

лия могут иметь от 0 до 5 степеней подвижности. -7уу Монтажом называется разновидность сборки, ког­ да изделие может быть разобрано на составляю­ щие его отдельные детали без повреждения.

Наиболее распространенной операцией монта­ жа является операция вставки цилиндрического пальца во втулку. При ее осуществлении важная роль отводится зрению и осязанию.Наибольшая точность позиционирования, достигаемая челове­ ком с помощью его органов чувств, — 0,2—0,5 мм. Для соединения деталей, допуск на которые зна­ чительно меньше, человек инстинктивно совер­ шает поисковые движения, наклоняя и перемещая деталь относительно оси монтажа.

Автоматическое выполнение роботом сборочных операций может про­ изводиться по схеме разомкнутой системы управления или по замкнутой схеме с обратными связями. В первом случае предъявляются повышенные требования к жесткости и точности робота, поэтому он может оказаться дорогим и неэффективным средством. При этой схеме робот используется в том случае, когда зазоры в соединении достаточно велики. При управлении с обратными связями от робота требуются более низкие точностные харак­ теристики, компенсация же неточности достигается за счет наличия у него адаптивных свойств. Роботы снабжаются силомоментаыми датчиками, по сигналам которых производится корректировка их движений. Это случай активной корректировки. Пример устройства с пассивной корректировкой (самокорректировкой) представлен на рис. 3.16. Конструкция состоит из трех параллельных стержней, шарнирно присоединенных к основаниям. Они обеспечивают поступательное перемещение основания, так как пред­ ставляют пространственный аналог шарнирного параллелограмма. Конст­ рукция, составленная из трех стержней с пересекающимися осями, является аналогом шарнирного четырехзвенника с мгновенным центром вращения шатуна в точке пересечения осей стержней — точке О. При этом обеспечивается сферическое движение вокруг точки О с наибольшей амп­ литудой. При выполнении поисковых движений в зоне контакта фасок пальца и отверстия происходит самокорректировка положения пальца по отверстию. С помощью такого устройства за несколько долей секунды осу­ ществляется соединение двух деталей с зазором в сотые доли миллиметра:

Помимо своих основных функций захватывания и удержания объекта манипулирования рабочий орган адаптивного робота используется для оп­ ределения расположения объекта и самого робота, контроля формы и раз­ меров объекта. С этой целью рабочий орган снабжается датчиками силомоментного или контактного очувствления.

Силомоментное очувствление необходимо для измерения сил и момен-

лей, таких как, например, наполненные стеклянные колбы, весьма эффек­ тивно использование датчика проскальзывания. По формируемому им сиг­ налу можно установить такое усилие зажима, при котором предмет не выскальзывает из захвата, но и не разрушается. Чувствительные элементы тактильных датчиков выполняются в форме пластин и покрывают всю внешнюю поверхность губок захвата. Они выполняются на основе тензорезисторных, пьезоэлектрических, электромагнитных, емкостных и магни­ тоупругих преобразователей, в них могут также применяться различные микровыключатели, струйные пневматические элементы, электропрово­ дящие полимеры и углеродные волокна.

3.5. Схемы и конструкции захватных устройств

Наиболее совершенное захватное устройство создано природой — это кисть руки человека. Однако копирование такого образца требует создания механической системы с 32 степенями подвижности, с огромным числом датчиков положения, усилий, давления и т.п. В результате может быть получена громоздкая и дорогостоящая конструкция.

Захватные устройства роботов могут быть универсального или специ­ ального типа. Наиболее предпочтительна разработка захватных устройств, предназначенных для выполнения конкретных функций. Универсальность захватных устройств достигается за счет применения набора таких органов. Они выполняются быстросъемными, поэтому их можно менять автомати­ чески в соответствии с получаемыми роботом заданиями, подобно тому, как происходит смена инструмента в обрабатывающих центрах.

При выполнении транспортных и загрузочных движений основными функциями захватного устройства являются захват и удержание детали, а также точное ее базирование относительно захватного устройства.

Выбор захватного устройства определяется массой объекта манипулиро­ вания и его физическими и геометрическими свойствами: жесткостью, спо­ собностью к деформированию, формой и структурой (например, наличием полостей), габаритами. Кроме того, следует принимать во внимание по­ ложение и ориентацию детали в начальной и конечной позициях, наличие поверхностей для захвата, возможность сохранения положения детали от­ носительно рабочих поверхностей, действующие силы (силы инерции, дав­ ления), состояние внешней среды (температура, влажность).

Среди перечисленных факторов наиболее существенную роль играют геометрические характеристики объекта манипулирования. По этим при­ знакам следует выделить следующие группы: плоские детали, полученные штамповкой, резкой, литьем; детали в форме тел вращения, полученные в результате механической обработки, литья, прессования; объемные детали произвольной формы; упаковочные коробки и контейнеры; изделия изме­ няемой формы (кабели, шланги, резиновые ленты, пленки).

Многочисленность факторов, влияющих на эффективность работы за-

Рис. 3.18. Схемы двухпальцевых схватов

хватного устройства, приводит к чрезвычайно большому разнообразию конструктивных решений. В то же время имеются общие обязательные требования ко всем захватным устройствам: надежность зажима и удержа­ ния, точность фиксирования положения объекта в захватном устройстве, недопустимость повреждения объекта.

Захватные устройства бывают следующих типов: механические (схва­ ты), вакуумные, с эластичными камерами, электромагнитные.

Простейшим захватным устройством является двухпальцевый схват, работающий по принципу клещевого зажима. На рис. 3.18,а, б, в представ­ лены три основные схемы двухпальцевых схватов: несимметричный схват с поступательным перемещением губок; симметричный схват; симметрич­ ный схват с поворотом губок. Несимметричный схват прост по конструк­ ции, однако вызывает смещение первоначального положения детали. Форма губок двухпальцевых схватов обеспечивает центрирование деталей и улучшает условия их удержания.

Трехпальцевые схваты обладают большей универсальностью, являются самоцентрирующимися, однако их конструкция намного сложнее. В зави­ симости от формы предметов могут применяться схваты с большим числом пальцев, а также схваты с пальцами, приспосабливающимися к форме предметов. Существует принципиальная разница между зацеплением при удержании предмета кончиками пальцев и захватыванием. Высокий коэф­ фициент трения кожи на кончиках пальцев человека позволяет удерживать тяжелые предметы при малых усилиях зажатия. Существуют некоторые виды пластиков и резины с аналогичными свойствами.

Приводные механические захватные устройства включают привод, ме­ ханизм зажима и захватывающие элементы — губки схвата. По виду ис­ пользуемого привода схваты подразделяются на электромеханические, пневматические и гидравлические; по виду механизмов зажима — на ры­ чажные, зубчатые, кулачковые. Схваты также различаются формой и ма­ териалом губок. В целях приспособления схватов к различной форме деталей губки делаются легкосъемными. Впроцессе механической обработ­ ки деталей часто изменяется форма поверхности удержания, поэтому робот снабжается сменными схватами или сменными губками.

В качестве приводного двигателя в схватах чаще всего используется пневмопривод в виде пневмоцилиндра двухили одностороннего действия;