Промислові роботи і маніпулятори. Призначення і сфери застосування. Класифікація промислових роботів
ЛЕКЦІЯ 35
ПРОМИСЛОВІ РОБОТИ І МАНІПУЛЯТОРИ
Короткий зміст: Промислові роботи і маніпулятори. Призначення і сфери застосування. Класифікація промислових роботів. Принциповий пристрій промислового робота. Основні поняття і визначення. Структура маніпуляторів. Геометро-кінематичні характеристики.
Промисловий робот - автоматична машина, що складається з маніпулятора і пристрою програмного управління його рухом, призначена для заміни людини при виконанні основних і допоміжних операцій у виробничих процесах.
Маніпулятор - сукупність просторового механізму важеля і системи приводів, що здійснює під управлінням програмованого автоматичного пристрою або людини-оператора дії (маніпуляції), аналогічні діям руки людини.
Призначення і сфера застосування.
Промислові роботи призначені для заміни людини при виконанні основних і допоміжних технологічних операцій в процесі промислового виробництва. При цьому вирішується важливе соціальне завдання - звільнення людини від робіт, пов'язаних з небезпеками для здоров'я або з важкою фізичною працею, а також від простих монотонних операцій, що не вимагають високої кваліфікації. Гнучкі автоматизовані виробництва, що створюються на базі промислових роботів, дозволяють вирішувати завдання автоматизації на підприємствах з широкою номенклатурою продукції при дрібносерійному і штучному виробництві. Копіюючі маніпулятори, керовані людиною-оператором, необхідні при виконанні різних робіт з радіоактивними матеріалами. Крім того, ці пристрої незамінні при виконанні робіт в космосі, під водою, в хімічно активних середовищах. Таким чином, промислові роботи і копіюючі маніпулятори є важливими складовими частинами сучасного промислового виробництва.
Класифікація промислових роботів.
Промислові роботи класифікуються по наступних ознаках:
|
ппо характхарактеру виконуваних технологічних операцій:
основні;
допоміжні;
універсальні;
за характером виробництва:
ливарні;
зварювальні;
ковальсько-пресові;
для механічної обробки;
складальні;
фарбування;
транспортно-складські;
за системою координат руки маніпулятора:
прямокутна;
циліндрична;
сферична;
сферична кутова (ангулярная);
інші;
по числу рухомостей маніпулятора;
по вантажопідйомності
надлегкі (до 10 Н);
легкі (до 100 Н);
середні (до 2000 Н);
важкі (до 10000 Н);
надважкі (понад 10000 Н);
за типом силового приводу
електромеханічний;
пневматичний;
гідравлічний;
комбінований;
за рухливості основи:
мобільні;
стаціонарні;
за виглядом програми
з жорсткою програмою;
такі, що перепрограмовуються;
адаптивні;
з елементами штучного інтелекту;
за характером програмування
позиційні;
контурні;
комбіновані.
|
Принциповий пристрій промислового робота.
Маніпулятор промислового робота за своїм функціональним призначенням повинен забезпечувати рух вихідної ланки і, закріпленого в нім, об'єкту маніпулювання в просторі по заданій траєкторії і із заданою орієнтацією. Для повного виконання цієї вимоги основний механізм важеля маніпулятора повинен мати не менше шести рухомостей, причому рух по кожній з них має бути керованим.
Промисловий робот з шістьма рухомостями є складною автоматичною системою. Ця система складна як у виготовленні, так і в експлуатації. Тому в реальних конструкціях промислових роботів часто використовуються механізми з числом рухомостей менше шести.
Найбільш прості маніпулятори мають три, рідше дві, рухливості. Такі маніпулятори значно дешевше у виготовленні і експлуатації, але пред'являють специфічні вимоги до організації робочого середовища. Ці вимоги пов'язані із заданою орієнтацією об'єктів маніпулювання відносно механізму робота. Тому устаткування повинне розташовуватися відносно такого робота з необхідною орієнтацією.
Розглянемо для прикладу структурну і функціональну схеми промислового робота з трьохрухомим маніпулятором. Основний механізм руки маніпулятора складається з нерухомої ланки 0 і трьох рухомих ланок 1, 2 і 3 (рис.19.1).
Механізм цього маніпулятора відповідає циліндричній системі координат. У цій системі ланка 1 може обертатися відносно ланки 0 (відносне кутове переміщення 10), ланка 2 переміщається по вертикалі відносно ланки 1 (відносне лінійне переміщення S21) і ланка 3 переміщається в горизонтальній площині відносно ланки 2 (відносне лінійне переміщення S32).
На кінці ланки 3 укріплений захватний пристрій або схват, призначений для захоплення і утримання об'єкту маніпулювання при роботі маніпулятора. Ланки основного механізму важеля маніпулятора утворюють між собою три однорухомі кінематичні пари (одну обертальну А і дві поступальні В і С) і можуть забезпечити переміщення об'єкту в просторі без управління його орієнтацією.
Для виконання кожного з трьох відносних рухів маніпулятор має бути оснащений приводами, які полягають двигунів з редуктором і системи датчиків зворотного зв'язку. Оскільки рух об'єкту здійснюється по заданому закону руху, то в системі мають бути пристрої зберігаючі і задаючі програму рухів, які назвемо програмоносіями.
При управлінні від ЕОМ такими пристроями можуть бути дискети, диски CD, магнітні стрічки і ін. Перетворення заданої програми руху в сигнали управління двигунами здійснюється системою управління. Ця система включає ЕОМ, з відповідним програмним забезпеченням, цифроаналогові перетворювачі і підсилювачі. Система управління, відповідно до заданої програми, формує і видає на виконавчі пристрої приводів (двигуни) дії ui, що управляють. При необхідності вона корегує ці дії по сигналах Dxi, які поступають в неї з датчиків зворотного зв'язку. Функціональна схема промислового робота приведена на рис. 19.2.
Основні поняття і визначення. Структура маніпуляторів.
Геометро-кінематичні характеристики.
Формула будови - математичний запис структурної схеми маніпулятора, що містить інформацію про число його рухомостей, виду кінематичних пар і їх орієнтації відносно осей базової системи координат (системи, пов'язаної з нерухомою ланкою).
Рухи, які забезпечуються маніпулятором діляться на:
глобальні (для роботів з рухомою підставою) - рухи стійки маніпулятора, які істотно перевищують розміри механізму;
регіональні (транспортні) - рухи, що забезпечуються першими трьома ланками маніпулятора або його "рукою", величина яких співставима з розмірами механізму;
локальні (орієнтуючі) - рухи, що забезпечуються ланками маніпулятора, які утворюють його "кисть", величина яких значно менше розмірів механізму.
Відповідно до цієї класифікації рухів, в маніпуляторі можна виділити дві ділянки кінематичного ланцюга з різними функціями: механізм руки і механізм кисті. Під "рукою" розуміють ту частину маніпулятора, яка забезпечує переміщення центру схвату - точки М (регіональні рухи схвата); під "кистю" - ті ланки і пари, які забезпечують орієнтацію схвату (локальні рухи схвату).
Розглянемо структурну схему антропоморфного маніпулятора, тобто схему яка в першому наближенні відповідає механізму руки людини (рис.19.3).
Цей механізм складається з трьох рухомих ланок і трьох кінематичних пар: дві трирухомих сферичних А3сф і С3сф і однієї однорухомої обертальної В1в.
Робочий простір маніпулятора - частина простору, обмежена поверхнями що огинають до безлічі можливих положень його ланок.
Зона обслуговування маніпулятора - частина простору відповідна безлічі можливих положень центру схвату маніпулятора. Зона обслуговування є важливою характеристикою маніпулятора. Вона визначається структурою і системою координат руки маніпулятора, а також конструктивними обмеженнями накладеними на відносні переміщення ланок в КП.
Рухливість маніпулятора W - число незалежних узагальнених координат що однозначно визначають положення схвату в просторі.
або для незамкнутих кінематичних ланцюгів:
Маневреність маніпулятора М - рухливість маніпулятора при зафіксованому (нерухомому) схвату.
Можливість зміни орієнтації схвату при розміщенні його центру в заданій точці зони обслуговування характеризується кутом сервісу - тілесним кутом , який може описати останню ланку маніпулятора (ланка на якому закріплений схват) при фіксації центру схвату в заданій точці зони обслуговування.
де: fC - площа сферичної поверхні, що описується точкою С ланки 3, lCM- довжина ланки 3.
|
Відносна величина ky = у / (4p), називається коефіцієнтом сервісу.
Для маніпулятора, зображеного на рис.19. рухомість маніпулятора:
W = 6 * 3 - (3 * 2 - 5 * 1) = 18 - 11 = 7;
маневреність:
M = 7 - 6 = 1;
формула будови:
W = [q10 + j10 + y10 ] + j21 + [q32 + j32 + y32 ].
|
Структура кінематичного ланцюга маніпулятора повинна забезпечувати необхідне переміщення об'єкту в просторі із заданою орієнтацією. Для цього необхідно, щоб схват маніпулятора мав можливість виконувати рухи мінімум по шести координатах: трьом лінійним і трьом кутовим. Розглянемо на об'єкті маніпулювання точку М, яка збігається з центром схвату. Положення об'єкту в нерухомій (базовій системі координат 0x0y0z0 визначається радіусом-вектором точки М і орієнтацією одиничного вектора з початком в цій точці. У математиці положення точки в просторі задається в одній з трьох систем координат:
в прямокутній декартовій з координатами xM, yM, zM;
циліндричній з координатами rsM, jM, zM;
сферичній з координатами rM, jM, qM
Орієнтація об'єкту в просторі задається кутами , , , які вектор орієнтації утворює з осями базової системи координат. На рис. 19.5 дана схема шести рухомого маніпулятора з обертальними кінематичними парами з координатами об'єкту маніпулювання.
При структурному синтезі механізму маніпулятора необхідно враховувати наступне:
кінематичні пари маніпуляторів забезпечуються приводами, що включають двигуни і гальмівні пристрої, тому в схемах маніпуляторів зазвичай використовуються однорухомі кінематичні пари: обертальні або поступальні;
необхідно забезпечити не тільки задану рухливість свата маніпулятора, але і таку орієнтацію осей кінематичних пар, яка забезпечувала необхідну форму зони обслуговування, а також простоту і зручність програмування його рухів;
при виборі орієнтації кінематичних пар необхідно враховувати розташування приводів (на підставі або на рухомих ланках), а також спосіб урівноваження сил ваги ланок.
При виконанні першої умови кінематичні пари з декількома рухомостями замінюють еквівалентними кінематичними з'єднаннями. Приклад такого з'єднання для сферичної пари даний на рис. 19.6.
Переміщення схвату в просторі можна забезпечити, якщо орієнтувати осі перших трьох кінематичних пар по осях однієї з осей координат. При цьому вибір системи координат визначає тип руки маніпулятора і вид його зони обслуговування. По ГОСТ 25685-83 визначені види систем координат для руки маніпулятора, які приведені в таблиці 19.1. Тут дані приклади структурних схем механізмів відповідні системам координат. Структурні схеми механізмів кисті, вживані в маніпуляторах, дані в таблиці 19.2. Приєднуючи до вихідної ланки руки той або інший механізм кисті, можна отримати більшість відомих структурних схем маніпуляторів, які застосовуються в реальних промислових роботах.
|
|
|
|
Сферична кінематична
пара
|
Еквівалентне кінематичне з'єднання
|
Рис. 19.6
|
Системи координат "руки" маніпулятора.
|
Таблиця 19.1
|
|
Прямокутна (декартова)
|
Циліндрична
|
|
|
|
|
Сферична
|
Кутова (ангулярна)
|
|
|
|
|
Інші
|
Структура маніпулятора визначається і місцем розміщення приводів. Якщо приводи розміщуються безпосередньо в кінематичних парах, то до мас рухомих ланок маніпулятора додаються маси приводів. Сумарне навантаження на приводи і їх потужність збільшуються, а відношення маси маніпулятора до корисного навантаження (максимальній масі об'єкту маніпулювання) зменшується. Тому при проектуванні роботів приводи ланок руки, як найбільш потужні і такі, що мають більшу масу, прагнуть розмістити ближче до основи робота. Для передачі руху від приводу до ланки використовуються додаткові кінематичні ланцюги.
Розглянемо схему руки маніпулятора ПР фірми ASEA (рис.19.7). До триланкового механізму з ангулярною системою координат додані:
для приводу ланки 2 - простий кулісний механізм, утворений ланками 4,5 і 2;
для приводу ланки 3 - ланцюг, що складається з кулісного механізму (ланки 6,7 і 8) і шарнірного чотириланковика (ланки 8,9,2 і 3).
Таким чином, в механізмі важеля можна виділити кінематичний ланцюг руки (ланки 1,2 і 3) і кінематичні ланцюги приводів. Маніпулятори розміщення приводів, що використовують принцип, на основі мають складніші механізми. Проте збільшення числа ланок і кінематичних пар компенсується зменшенням мас і моментів інерції, рухомих ланок маніпулятора. Крім того, замкнуті кінематичні ланцюги підвищують точність і жорсткість механізму. В цілому маніпулятори, що використовують принципи комбінованого розміщення приводів (частина приводів на підставі, частина на рухомих ланках), мають кращі енергетичні і динамічні характеристики, а також вищу точність.
У кінематичних схемах розглянутих маніпуляторів маси ланок викликають додаткове навантаження на приводи. Фірма SKILAM розробила робот SANCIO (рис. 19.8) в якому маси приводів і ланок сприймаються кінематичними парами, а на момент двигунів впливають тільки через сили тертя. Така структурна схема механізму вимагає збільшення розмірів кінематичних пар, проте в цілому був отриманий істотний виграш за енергетичними і динамічними показниками.
Дані приклади не охоплюють всіх можливих ситуацій раціонального вибору структури маніпуляторів. Вони тільки демонструють найбільш відомі з вдалих структурних схем.
Важлива особливість маніпуляторів - зміна структури механізму в процесі роботи. Відповідно до циклограми або програми роботи робота, в деяких кінематичних парах включаються гальмівні пристрої. При цьому дві ланки механізму жорстко з'єднуються з один одним, утворюючи одну ланку. Із структурної схеми механізму виключається одна кінематична пара і одна ланка, число рухомостей схвату механізму зменшується (зазвичай на одиницю).
Змінюється структура механізму і в тих випадках, коли в процесі виконання робочих операцій (на приклад, при складанні або зварюванні) схват з об'єктом маніпулювання стикається з навколишніми предметами, утворюючи з ними кінематичні пари. Кінематичний ланцюг механізму замикається, а число рухомостей зменшується. В цьому випадку в ланцюзі можуть виникати надлишкові зв'язки. Ці структурні особливості маніпуляторів необхідно враховувати при програмуванні роботи промислового робота.
Швидкодію ПР визначають максимальною швидкістю лінійних переміщень центру схвата маніпулятора. Розрізняють ПР з малою (VM<0.5 м/с), середньою (0.5 < VM < 1.0 м/с) і високою (VM>1.0м/с) швидкодією. Сучасні ПР мають в основному середню швидкодію і лише близько 20% - високу.
Точність маніпулятора ПР характеризується абсолютною лінійною похибкою позиціонування центру схвату. Промислові роботи діляться на групи з малою (D rM< 1 мм), середньою (0.1 мм < D rM < 1 мм) і високою (D rM< 0.1 мм) точністю позиціонування.
Контрольні питання до лекції 19
1. Що таке маніпулятор, автооператор і промисловий робот?
2. У чому особливості систем управління промислових роботів?
3. Що таке рухливість маніпулятора? Як вона визначається?
4. Дайте визначення робочого простору, зони обслуговування маніпулятора і його маневреності (на прикладі антропоморфного маніпулятора)
5. Що таке кут сервісу? Що таке коефіцієнт сервісу?
6. Приведіть структурні схеми механізмів схвату маніпуляторів.
Промислові роботи і маніпулятори. Призначення і сфери застосування. Класифікація промислових роботів