Общие вопросы проектирования манипуляторов

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАНИПУЛЯТОРОВ

По мере развития машиностроения прежде всего автоматизировались наиболее сложные и трудоемкие операции, связанные с изменениями формы и размеров изделий. Загрузка и разгрузка технологического оборудования осуществлялись обычно вручную или простейшими средствами механизации. В последнее время в связи с задачами комплексной автоматизации производства и освоения новых областей деятельности человека (под водой, в опасных средах, в космосе) большое внимание уделяется автоматизации операций манипулирования — перемещения и ориентации изделий и инструмента.

Манипуляторы при свободном перемещении рабочего органа представляют собой пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью. Его звенья связаны кинематическими парами пятого класса (вращательными или поступательными), оснащенными приводами. Каждая такая кинематическая пара с приводом обеспечивает одну степень подвижности манипулятора. Число, вид и взаимное расположение степеней подвижности определяют манипуляционные возможности устройства.

Манипуляторы оснащаются захватными устройствами, предназначенными для захватывания и удержания объекта манипулирования — обрабатываемого изделия или обрабатывающего инструмента. Захватное устройство и инструмент называют рабочим органом манипулятора. Захватное устройство, в котором захватывание и удержание производятся относительным перемещением его частей, называется схватом.

При выполнении разнообразных, часто заранее непредвиденных работ используют манипуляторы, управляемые человеком с помощью органов управления, установленных стационарно (дистанционно-управляемые манипуляторы) или вблизи схвата (погрузочные манипуляторы). Погрузочные манипуляторы можно оборудовать специальными автоматическими устройствами уравновешивания. Такой сбалансированный манипулятор человек легко перемещает незначительным усилием руки. Среди дистанционно-управляемых манипуляторов можно выделить копирующие манипуляторы; у которых в качестве органов управления используют задающие манипуляторы, выполненные либо в виде точной копии рабочего манипулятора, либо в некотором масштабе к нему.

Для автоматизации повторяющихся операций манипуляторы снабжаются системой программного управления. Манипуляторы с малым количеством степеней подвижности (n=1÷3), работающие по жесткой программе, называют автооператорами. Однако эти признаки условны, так как любое автоматическое устройство обычно предусматривает возможность перенастройки, в том числе замену механического программоносителя — кулачка. Свободно программируемые автоматические манипуляторы с большим числом степеней подвижности (п=5÷6), используемые в промышленном производстве, называют промышленными роботами (ПР).

Различают две основные системы управления ПР: позиционную и контурную. В позиционной системе управления программируется только последовательность точек, в которых должен останавливаться рабочий орган, и порядок их прохождения. Перемещение между запрограммированными точками позиционирования происходит по случайным, неконтролируемым траекториям. Частный случай позиционного управления, отличающийся малым количеством точек позиционирования (от двух до пяти по каждой степени подвижности) и, как правило, фиксацией в этих точках с помощью упоров, называют цикловым управлением. В контурной системе управления программируются и воспроизводятся траектории движения любой формы.

Основные этапы проектирования манипуляторов и их содержание

Техническая организация роботизированных производств зависит от конструкции используемых роботов. При проектировании роботизированных технологических комплексов (РТК) в соответствии с требованиями автоматизируемого производства должны быть выбраны необходимые типы ПР, их системы управления, компоновочно-кинематические схемы манипуляторов и их параметры. Если промышленность не выпускает такие роботы, то приходится разрабатывать проект модификации ближайшей по своим характеристикам модели. В отдельных случаях модификация нецелесообразна из-за слишком большого отличия прототипа от требуемых параметров. Тогда разрабатывают новую модель робота, причем проектируют не просто ПР, а составной элемент роботизированной производственной системы. Поэтому его основные функциональные, конструктивные и эксплуатационные характеристики должны быть тесно связаны с соответствующими характеристиками других элементов системы.

Чтобы решить вопрос о возможности и способе применения ПР для автоматизации конкретного производственного процесса, необходимо знать следующие основные характеристики робота:

функциональные — число, вид и взаимное расположение степеней подвижности; число и диапазоны установок точек позиционирования по каждой степени подвижности; формы, размеры и расположение рабочей зоны — множества всех точек пространства, в которых могут находиться рабочие органы ПР; число и вид программ и команд в программе; число, вид и характеристики каналов связи систем управления с внешним оборудованием; грузоподъемность робота; возможные технологические усилия на рабочих органах; диапазоны скоростей и ускорений рабочих органов робота и точность их задания; адаптацию робота или его схватов к погрешностям расположения, формы и массы объектов манипулирования;

конструктивные — способ установки ПР (напольный, на портале, встроенный и др.); формы, размеры и расположение рабочего пространства — множества точек, в которых могут находиться элементы конструкции ПР; виды и диапазоны регулирования взаимного расположения степеней подвижности; систематические погрешности позиционирования; случайные статические и динамические погрешности; максимальные ускорения при разгоне и торможении; податливость манипулятора, собственные частоты и коэффициенты затухания; габариты, размеры, массу и т. д.;

эксплуатационные — показатели надежности и ремонтопригодности; время переналадки на новые объекты манипулирования или режимы работы: потребляемую мощность и источники питания; взрыво- и пожаробезопасность; стоимость и др.

Приведенное выше разделение характеристик роботов на группы в достаточной мере условное. При разработке конструкции робота удобно учитывать более детальные градации характеристики: компоновочно-геометрические; точностные; быстродействия и динамики; силовые; прочностные; жесткостные и т. д.

Известно, что в каталогах по ПР и проспектах обычно отражается лишь часть из перечисленных характеристик [8]. Остальные характеристики ПР разработчику приходится определять путем изучения соответствующей технической и эксплуатационной документации на ПР или в процессе его исследования перед внедрением.

Промышленные роботы разрабатываются в соответствии с ГОСТ 2.103—68 (СТ СЭВ 208—75), 2.118—73 (Техническое предложение), 2.119—73 (Эскизный проект), 2.120—73 (Технический проект) и др.* Проектирование ПР после уточнения потребности в нем и цели проектирования начинается с формирования технических требований, предъявляемых к нему со стороны автоматизируемого производства. Эти требования разнообразны и обусловливаются видом производства, характером автоматизируемых технологических процессов и объектов манипулирования, существующей организацией производства, требуемой производительностью и т. д. Разная значимость требований позволяет разделить весь процесс проектирования на соответствующие этапы, что существенно облегчает процедуру проектирования.

При разработке технического предложения достаточно ограничиться такими основными требованиями, как размеры и форма рабочей зоны, количество точек и точность позиционирования, грузоподъемность, перемещения и скорости, типы приводов и системы управления, способ сопряжения с другим оборудованием. В соответствии с этими требованиями выбирают принципиальную схему манипулятора, определяют вид, взаимную ориентацию, число и последовательность расположения степеней подвижности; выбирают тип привода и системы управления, способ установки робота (напольный, на портале и др.), уточняют несущие конструкции манипулятора, тип захватного устройства. Если нет заранее выбранного конкретного (иногда «сборного») прототипа робота, то этот этап проектирования трудно формализуется.

С учетом различных функциональных, компоновочных и других организационно-технических соображений конструкции ПР разбивают на отдельные узлы — функциональные и конструктивные модули. Их часто разрабатывают и изготовляют разные коллективы и в различное время. Поэтому необходимо сформулировать взаимосвязанные технические требования к модулям, выполнение которых обеспечит заданные свойства робота в целом. Причем при проектировании модулей следует ориентироваться на максимально возможное использование унифицированных элементов и хорошо отработанных конструкций.

При разработке эскизного проекта ПР оценивают скорости и ускорения характерных точек манипулятора, определяют нагрузку на модули в наиболее тяжелых режимах работы, формируют точностные требования к отдельным узлам ПР.

В ходе проектирования модулей ПР в соответствии с техническими требованиями выбирают их компоновочные схемы. Из условий прочности, жесткости и точности определяют форму и размеры несущих конструкций модулей, направляющих, осей и их опор, требования к точности их изготовления. Рассчитывают нагрузки на привод, на основе которых выбирают необходимый двигатель и проектируют передачи.

После выбора основных технических решений и конструктивной проработки в первом приближении модулей и всего манипулятора разрабатывают его привод и систему управления. Выбирают типы датчиков, источников питания и усилителей. Рассчитывают их параметры и подбирают нужные типоразмеры из числа выпускаемых промышленностью моделей. Оценивают достигнутые на этапе эскизного проектирования основные функциональные, конструктивные и эксплуатационные характеристики робота.

Следует иметь в виду, что проектирование нового ПР — итерационная процедура: в ходе проектирования нередко приходится возвращаться к пересмотру ранее принятых решений после выявления несоответствия отдельных конструктивных решений тем или иным требованиям или их недостаточной рациональности. После выполнения эскизного проекта в ходе дальнейшего технического проектирования ПР производится всесторонний комплексный анализ его точностных, динамических и прочностных характеристик. По результатам этого анализа вносят в случае необходимости коррективы в принятые ранее решения и после утверждения технического проекта переходят к разработке рабочей документации на опытный образец ПР.

Изготовленный образец ПР всесторонне исследуют, осуществляют доводку конструкции, уточняют или впервые определяют экспериментально его характеристики. После внесения необходимых изменений в рабочую документацию осуществляют технологическую подготовку к изготовлению опытной партии и дальнейшему серийному производству ПР.

Перечисленные этапы технического проектирования ПР должны сопровождаться соответствующей технико-экономической, эргономической и художественно-конструкторской проработкой проекта.

Выбор компоновочных схем манипуляторов

На этапе общей компоновки манипулятора выбирают количество, вид и взаимное расположение его степеней подвижности. С компоновкой манипулятора прежде всего связаны такие эксплуатационные характеристики робота, как форма, расположение и размеры рабочего пространства и рабочей зоны. Рабочее пространство характеризует ту часть объема, которую занимает робот и, следовательно, в которой не могут находиться остальное оборудование технологического комплекса и строительные конструкции. Рабочая зона характеризует досягаемость роботом тех или иных точек пространства.

Перемещение рабочего органа между точками рабочей зоны осуществляется так называемыми переносными степенями подвижности манипулятора. Ориентация рабочего органа осуществляется ориентирующими степенями подвижности. При их работе может также происходить некоторое перемещение рабочего органа, но оно обычно мало по сравнению с перемещением, обусловленным переносными степенями подвижности, т.е. ориентирующие степени подвижности незначительно влияют на форму и размеры рабочей зоны робота.

В табл. 1.1 приведены примеры наиболее распространенных обобщенных компоновочно-кинематических схем роботов. Ориентирующие степени подвижности условно опущены.

Для систематизации разнообразных компоновок манипуляторов используют обобщенное понятие системы координат робота. По виду системы координат различают:

манипуляторы, работающие в плоской прямоугольной системе координат (схемы 1, 2 и 3), — содержат две взаимно перпендикулярные поступательные степени подвижности;

манипуляторы, работающие в плоской полярной системе координат (схемы 4, 5 и 6), — содержат взаимно перпендикулярные вращательные и поступательные степени подвижности, причем вращательная степень подвижности соединена с неподвижным основанием и производит поворот поступательно;

Таблица 1.1

Продолжение табл. 1.1

манипуляторы, работающие в плоской сложной полярной системе координат (схемы 7, 8, 9 и 10),— содержат две вращательные степени подвижности с параллельными осями;

манипуляторы, работающие в полярной системе координат, с рабочей зоной в виде цилиндрической поверхности (схемы 11, 12 и 13) — содержат поступательную и вращательную степени подвижности, но в данном случае поступательная степень подвижности установлена на неподвижном основании и обеспечивает перемещение вращательной степени подвижности;

манипуляторы, работающие в прямоугольной (объемной) системе координат (схемы 1.1, 2.1 и 3.1), — содержат две взаимно перпендикулярные поступательные степени подвижности;

манипуляторы, работающие в цилиндрической системе координат (схемы 1.2, 2.2, 3.2, 4.1, 5.1 и 6.1), — содержат одну вращательную и две взаимно перпендикулярные поступательные степени подвижности;

манипуляторы, работающие в сложной цилиндрической полярной системе координат (схемы 7.1, 8.1, 9.1 и 10.1), — содержат одну поступательную и две вращательные степени подвижности с параллельными осями;

манипуляторы, работающие в сферической системе координат (схемы 4.2, 5.2 и 6.2), — содержат две вращательные и одну поступательную степени подвижности со взаимно перпендикулярными осями;