Общие вопросы проектирования манипуляторов

манипуляторы, работающие в сложной сферической полярной системе координат (схемы 7.2, 8.2, 9.2 и 10.2), — содержат три вращательные степени подвижности, оси двух из которых параллельны, а ось третьей перпендикулярна осям двух предыдущих. Манипуляторы, работающие в сложных плоских полярных, а также сложных цилиндрических и сферических системах координат, иногда объединяют в одну группу и называют либо ангулярными, либо манипуляторами, работающими в комбинированных системах координат.

Таким образом, система координат определяет вид и взаимную ориентацию переносных степеней подвижности и форму рабочей зоны. Кроме этих признаков компоновки роботов с одинаковыми системами координат могут различаться последовательностью и дублированием степеней подвижности, а также общей ориентацией манипулятора и соответственно рабочей зоны относительно горизонта.

Рассмотрим области целесообразного применения различных компоновок манипуляторов. Перемещения рабочего органа между двумя или более точками, лежащими на общей прямой или окружности (рис. 1.1, а, б), могут быть выполнены простейшим устройством с одной поступательной или вращательной степенью подвижности. Манипуляторы с поступательными степенями подвижности, особенно при перемещениях до 1 м, являются, как правило, наиболее простыми. В пределе они могут состоять только из силового цилиндра с вспомогательной направляющей. Манипуляторы с вращательными степенями подвижности несколько сложнее. В них обычно кроме двигателя имеются дополнительные передачи. При той же точности позиционирования рабочего органа требуется в 5÷15 раз более высокая точность позиционирования привода. Основное достоинство манипуляторов с вращательными степенями подвижности — значительно меньшие габаритные размеры (в два — шесть раз) при той же протяженности траектории перемещения, что и у манипуляторов с поступательными степенями подвижности.

Рис. 1.1

 

При отсутствии препятствий перемещение изделия между двумя или более точками его снятия и установки (сопряжения) в технологическое оборудование осуществляется манипуляторами с двумя степенями подвижности. Траектории, изображенные на рис. 1.1, в — д, и соответствующие им компоновки (схемы 2, 3, 11 и 6, табл. 1.1) применяют, например, при загрузке штампов или сборке. Траектории, изображенные на рис. 1.1,е, и соответствующие компоновки (схема 4) используют в упрощенных манипуляторах, например для раскладки изделий на поддоны или обслуживания прессов. Траектории, показанные на рис. 1.1,ж, з, и соответствующие компоновки (схемы 1, 12, 13) применяют для загрузки штампов или металлорежущих станков или смены в них инструмента.

Если на пути перемещения имеются препятствия, то транспортирование изделия между двумя или более точками его снятия и установки в технологическое оборудование может осуществляться также манипулятором с двумя поступательными степенями подвижности (схема 3). Однако это возможно, если сопрягающее движение (установка изделия в оснастку оборудования или снятие с него) лежит в плоскости манипулирования (рис. 1.2,а). В остальных случаях (рис. 1.2,6) данная задача решается манипуляторами с тремя переносными степенями подвижности (схема 1.2, 2.2, 4.1, 5.1). В таких роботах сопрягающее движение, как правило, осуществляется поступательной степенью подвижности с относительно небольшим ходом (50 - 150 мм), а транспортирование изделия — двумя другими степенями подвижности: одной вращательной и другой поступательной.

Для автоматизации сварки, окраски, обработки сложных поверхностей, а также загрузки оборудования разной высоты (рис. 1.2,в) требуются роботы с рабочей зоной, габаритные размеры которой в различных направлениях соизмеримы. Такие задачи манипулирования решаются роботами с тремя переносными степенями подвижности.

Рис. 1.2

Манипуляторы, работающие в плоской прямоугольной системе координат (схема 2.1 и 3.1), применяют преимущественно для сварки, сборки, раскладки изделий. Некоторое увеличение габаритных размеров роботов в данном случае компенсируется возможностью движения с высокой точностью по естественным прямолинейным траекториям при относительно простой позиционной системе управления.

Компактные роботы, работающие в цилиндрической (схема 2.2) или сферической (схема 4.2, 6.2) системе координат, применяют для автоматизации различных операций.

Еще большей компактностью при тех же размерах рабочей зоны обладают ангулярные манипуляторы (схема 7.1; 8.2; 9.1; 10.2). В приводах ангулярных роботов не всегда удается эффективно использовать простые, компактные и мощные гидравлические цилиндры. Однако благодаря созданию новых высокомоментных и точных гидравлических и электрических приводов в последнее время ангулярные роботы получают все более широкое применение.

Использование в роботах переносных вращательных степеней подвижности приводит к однозначной связи ориентации рабочего органа робота с его перемещением в рабочей зоне. Эти нарушения ориентации могут быть некритичны для изделий в виде тел вращения либо компенсированы соответствующей расстановкой обслуживаемого оборудования или введением дополнительных ориентирующих степеней подвижности. Поэтому ангулярные роботы, как правило, содержат две-три ориентирующие степени подвижности.

Унификация и агрегатно-модульное построение роботов

Промышленные роботы — это специальные устройства, предназначенные для автоматизации манипулирования в различных производственных процессах. Поэтому большое значение имеет их унификация — устранение неоправданного многообразия конструкций манипуляторов с одинаковыми параметрами и назначением. Основными этапами унификации роботов и их элементов, так же как и любого другого оборудования, являются;

группирование роботов (или их элементов) с одинаковыми функциями (отбор роботов с одинаковыми системами координат, предназначенных для автоматизации подобных производственных процессов и т. п.);

формирование перечня основных функциональных параметров унифицируемых устройств (грузоподъемность, точность, ход степеней подвижности и т. п.);

переход от случайного набора значений параметров к некоторому упорядоченному параметрическому ряду;

группирование известных унифицируемых устройств, параметры которых лежат в пределах одного интервала этого ряда;

сравнение и выбор наилучших типовых схемных и конструкторских решений для каждого интервала параметрического ряда. Возможности роботов описываются многочисленными параметрами. Если для каждого параметра ввести свой ряд, то получим настолько большое количество роботов, отличающихся сочетаниями типовых значений различных параметров, что такая унификация теряет смысл. Проблему сокращения многообразия конструкций роботов до разумных пределов можно решить за счет уменьшения числа рассматриваемых параметров, частоты их параметрических рядов и разнообразия допустимых сочетаний различных параметров.

К основным параметрам роботов прежде всего относятся: тип общей компоновочной схемы, вид системы управления, диапазоны перемещений степеней подвижности, грузоподъемность. Уменьшение частоты рядов этих параметров позволяет снизить стоимость роботов за счет увеличения серийности. Но, с другой стороны, оно приводит к некоторому завышению их функциональных возможностей по сравнению с требуемыми для автоматизации конкретных производств. При выборе рациональной частоты параметрических рядов следует учитывать технические требования к роботам для различных производственных процессов, а также интенсивность зависимости их сложности или стоимости от функциональных параметров.

ГОСТом 26.062 — 83 устанавливаются следующие параметрические ряды:

номинальной грузоподъемности 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 1,0; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000;. 6300; 10000 Н;

максимальных линейных перемещений 12; 20; 32;, 50; 80; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1400;. 1600; 1800; 2000 мм;

максимальных углов поворота 30; 45; 60; 90; 120; 180; 210; 240; 260; 300; 360°.

Для дальнейшего сокращения многообразия роботов можно выделить группы роботов с наиболее устойчивыми компоновками и сочетаниями параметров:

средние роботы с грузоподъемностью 100 — 1000 Н, диапазоном горизонтальных и вертикальных перемещений 1 — 1,5 м, двумя, реже тремя ориентирующими степенями подвижности и позиционной или контурной системой управления выполняют по компоновочным схемам 2.1; 3.1; 2.2; 4.2; 5.2; 6.2; 7.1; 8.1; 8.2; 9.1 (см. табл. 1.1);

подвижные подвесные (портальные) роботы со средней грузоподъемностью 100 — 1000 Н, горизонтальным перемещением всего робота по порталу 2 — 10 м, а вертикальным 0,5 — 1 м, одной, реже двумя ориентирующими степенями подвижности и позиционной или цикловой системой управления выполняют по схемам 3; 6.1; 9.1.

средние и легкие роботы с грузоподъемностью 10 — 1000 Н, радиальным перемещением 0,5 — 1 м, перемещением вдоль оси поворота руки 0,1 — 0,2 м, одной ориентирующей степенью подвижности и цикловой системой управления выполняют чаще всего по компоновочным схемам 5.1; 2.2;

особо легкие мини-роботы с грузоподъемностью 0,5 — 2 Н, горизонтальным перемещением 50 — 200 мм, подъемом руки 20 — 30 мм, одной ориентирующей степенью подвижности и цикловой системой управления имеют компоновочные схемы 2; 3; 5.1.

Таким образом, все множество роботов можно свести примерно к тридцати типоразмерам, установив в пределах каждой группы несколько градаций грузоподъемности и перемещения. Эти модели можно рассматривать как основные, базовые, модификация которых позволяет получить редко встречающиеся варианты.

Унификация составных частей роботов позволяет значительно увеличить разнообразие компоновок и параметров манипуляторов при сохранении высокой степени их унификации. Различные сочетания небольшого числа типоразмеров таких элементов образуют компоновки роботов с самыми разнообразными эксплуатационными возможностями. Причем чем больше частей, на которые делится робот, тем значительнее этот эффект.

Кроме проблемы унификации разделение робота на части вызывается также рядом компоновочных, организационных и технологических соображений. Части робота могут разрабатываться, изготовляться и отлаживаться различными коллективами и в разное время. Разделение робота на части необходимо для удобства доступа к тем или иным устройствам при их обслуживании и ремонте. Кроме того, отдельные детали выполняются составными для экономии материалов, удобства обработки, увеличения долговечности и ремонтопригодности. Однако следует учитывать и негативные стороны такого разделения — усложнение конструкций, прежде всего разъемов различного рода коммуникаций, а также увеличение массы при той же жесткости.

Чаще всего разделяют роботы на унифицируемые элементы по «естественным разъемам, вызванным компоновочно-технологическими соображениями. Однако иногда вводят дополнительные разъемы, пристыковочные элементы и промежуточные детали, позволяющие увеличить количество вариантов компоновки робота.

Рассмотрим некоторые, наиболее распространенные унифицируемые составные части роботов.

Системы управления. Одни и те же типы систем могут управлять манипуляторами с различными видами, ходами и грузоподъемностью степеней подвижности.

Манипуляторы с тремя и более степенями подвижности. При тех же эксплуатационных параметрах конструкции таких манипуляторов являются наиболее легкими, поскольку имеется возможность наилучшим образом согласовать между собой характеристики различных составляющих узлов робота. Поэтому манипуляторы, выполненные в виде единого, унифицированного устройства, обычно используют для пространственного перемещения рабочего органа с большими скоростями и ускорениями. Часто они играют роль базовых, которые приспосабливаются к специфике автоматизируемых производств за счет той или иной модификации.

Модули двух степеней подвижности. Здесь и далее под модулем понимается унифицированный, функционально-законченный узел, оформленный конструктивно как самостоятельное изделие. Это понятие эквивалентно термину агрегат, применяемому в станкостроении и некоторых других областях машиностроения. Две степени подвижности объединяются в один модуль при условии часто повторяющегося сочетания их вида, ходов и места в общей компоновке робота. Наиболее часто в виде таких узлов выполняют модули: двух координатных поступательных перемещений с моноблочной кареткой (рис. 1.3, а - г); колонны роботов с цилиндрической системой координат (рис. 1.3, д,е); руки с вращением рабочего органа (рис. 1.3,ж, з); кисти (рис. 1.3,и); руки ангулярного манипулятора (рис. 1.3,к).

Узлы, содержащие корпуса, несущие части элементов двух соседних кинематических пар и часть приводов (рис. 1.4,а). Любой манипулятор легко разделяется на звенья по кинематическим парам. Поэтому одним из наиболее распространенных методов модификации базовых конструкций манипуляторов является замена их отдельных звеньев на звенья с иными параметрами или даже видом степени подвижности (рис. 1.4,б).

Рис. 1.3

Рис. 1.4

 

 

 

Рис. 1.5

Таким образом, для перекомпоновки манипулятора требуются взаимозаменяемость элементов кинематических пар и приводов и высокая квалификация обслуживающего персонала.