Роботы манипуляторы, купить в Москве по выгодной цене — Роботбаза

  Промышленные роботы и манипуляторы

  Краткое содержание: Промышленные роботы
и манипуляторы. Назначение и области применения. Классификация
промышленных роботов. Принципиальное устройство промышленного
робота.Основные понятия и определения.Структура манипуляторов.
Геометро-кинематические характеристики.

Контрольные вопросы

    Промышленный робот – автоматическая
машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его
движением, предназначенная для замены человека при выполнении основных и
вспомогательных операций в производственных процессах.
Манипулятор – совокупность пространственного рычажного механизма и
системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого
автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции),
аналогичные действиям руки человека.

Назначение и область применения.

    Промышленные роботы предназначены для замены
человека при выполнении основных и вспомогательных технологических операций в
процессе промышленного производства. При этом решается важная социальная задача
– освобождения человека от работ, связанных с опасностями для здоровья или с
тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, не требующих
высокой квалификации. Гибкие автоматизированные производства, создаваемые на
базе промышленных роботов, позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях
с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и штучном производстве.
Копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором, необходимы при
выполнении различных работ с радиоактивными материалами. Кроме того, эти
устройства незаменимы при выполнении работ в космосе, под водой, в химически
активных средах. Таким образом, промышленные роботы и копирующие манипуляторы
являются важными составными частями современного промышленного производства.

Классификация промышленных
роботов.

    Промышленные роботы классифицируются по следующим
признакам:

Принципиальное устройство
промышленного робота.

    Манипулятор промышленного робота по своему
функциональному назначению должен обеспечивать движение выходного звена и,
закрепленного в нем, объекта манипулирования в пространстве по заданной
траектории и с заданной ориентацией. Для полного выполнения этого требования
основной рычажный механизм манипулятора должен иметь не менее шести
подвижностей, причем движение по каждой из них должно быть управляемым.
Промышленный робот с шестью подвижностями является сложной автоматической
системой. Эта система сложна как в изготовлении, так и в эксплуатации. Поэтому в
реальных конструкциях промышленных роботов часто используются механизмы с числом
подвижностей менее шести. Наиболее простые манипуляторы имеют три, реже две,
подвижности. Такие манипуляторы значительно дешевле в изготовлении и
эксплуатации, но предъявляют специфические требования к организации рабочей
среды. Эти требования связаны с заданной ориентацией объектов манипулирования
относительно механизма робота. Поэтому оборудование должно располагаться
относительно такого робота с требуемой ориентацией.
Рассмотрим
для примера структурную и функциональную схемы промышленного робота с
трехподвижным манипулятором. Основной механизм руки манипулятора состоит из
неподвижного звена 0 и трех подвижных звеньев 1, 2 и 3 (рис.19.1).

    Механизм этого манипулятора соответствует цилиндрической
системе координат. В этой системе звено 1 может вращаться относительно звена
0 (относительное угловое перемещение j₁₀), звено 2 перемещается
по вертикали относительно звена 1 (относительное линейное перемещение S₂₁)
и звено 3 перемещается в горизонтальной плоскости относительно звена 2 (относительное
линейное перемещение S₃₂). На конце
звена 3 укреплено захватное устройство или схват, предназначенный для захвата
и удержания объекта манипулирования при работе манипулятора. Звенья основного
рычажного механизма манипулятора образуют между собой три одноподвижные кинематические
пары (одну вращательную А и две поступательные В и С) и могут обеспечить перемещение
объекта в пространстве без управления его ориентацией. Для выполнения каждого
из трех относительных движений манипулятор должен быть оснащен приводами, которые
состоят двигателей с редуктором и системы датчиков обратной связии. Так как
движение объекта осуществляется по заданному закону движения, то в системе должны
быть устройства сохраняющие и задающие программу движения, которые назовем программоносителями.
При управлении от ЭВМ такими устройствами могут быть дискеты, диски CD, магнитные
ленты и др. Преобразование заданной программы движения в сигналы управления
двигателями осуществляется системой управления. Эта система включает ЭВМ, с
соответствующим программным обеспечением, цифроаналоговые преобразователи и
усилители. Система управления, в соответствии с заданной программой, формирует
и выдает на исполнительные устройства приводов (двигатели) управляющие воздействия
u_i. При необходимости она корректирует
эти воздействия по сигналам Dx_i,
которые поступают в нее с датчиков обратной связи. Функциональная схема промышленного
робота приведена на рис. 19.2.

Основные понятия и определения.
Структура манипуляторов.
Геометро-кинематические характеристики.

    Формула строения – математическая
запись структурной схемы манипулятора, содержащая информацию о числе его
подвижностей, виде кинематических пар и их ориентации относительно осей базовой
системы координат (системы, связанной с неподвижным звеном).

    Движения, которые обеспечиваются манипулятором
делятся на:

• глобальные (для роботов с подвижным основанием) – движения стойки
  манипулятора, которые существенно превышают размеры механизма;
• региональные (транспортные) – движения, обеспечиваемые первыми
  тремя звеньями манипулятора или его “рукой”, величина которых сопоставима с
  размерами механизма;
• локальные (ориентирующие) – движения, обеспечиваемые звеньями
  манипулятора, которые образуют его “кисть”, величина которых значительно
  меньше размеров механизма.

    В соответствии с этой классификацией движений, в
манипуляторе можно выделить два участка кинематической цепи с различными
функциями: механизм руки и механизм кисти. Под “рукой” понимают ту часть
манипулятора, которая обеспечивает перемещение центра схвата – точки М
(региональные движения схвата); под “кистью” – те звенья и пары, которые
обеспечивают ориентацию схвата (локальные движения схвата).
Рассмотрим структурную схему антропоморфного манипулятора, то есть схему которая
в первом приближении соответствует механизму руки человека (рис.19.3).

    Этот механизм состоит из трех подвижных звеньев и
трех кинематических пар: двух трехподвижных сферических
А_3сф и С_3сф и одной
одноподвижной вращательной В_1в.

    Кинематические пары манипулятора характеризуются:
именем или обозначением КП – заглавная буква латинского алфавита (A,B,C и т.д.);
звеньями, которые образуют пару (0/1,1/2 и т.п.); относительным движением
звеньев в паре ( для одноподвижных пар – вращательное, поступательное и
винтовое); подвижностью КП (для низших пар от 1 до 3, для высших пар от 4 до 5);
осью ориентации оси КП относительно осей базовой или локальной системы
координат.
Рабочее пространство манипулятора –
часть пространства, ограниченная поверхностями огибающими к множеству возможных
положений его звеньев.
Зона обслуживания
манипулятора – часть пространства соответствующая множеству возможных
положений центра схвата манипулятора. Зона обслуживания является важной
характеристикой манипулятора. Она определяется структурой и системой координат
руки манипулятора, а также конструктивными ограничениями наложенными
относительные перемещения звеньев в КП.
Подвижность
манипулятора W – число независимых обобщенных координат однозначно
определяющее положение схвата в пространстве.

или для незамкнутых кинематических цепей:

    Маневренность манипулятора М –
подвижность манипулятора при зафиксированном (неподвижном) схвате.

    Возможность изменения ориентации схвата при
размещении его центра в заданной точке зоны обслуживания характеризуется углом
сервиса – телесным углом y, который может
описать последнее звено манипулятора (звено на котором закреплен схват) при
фиксации центра схвата в заданной точке зоны обслуживания.

где: f_C – площадь
сферической поверхности, описываемая точкой С звена 3,
l_CM– длина звена 3.

    Относительная величина k_y = y /
(4p), называется коэффициентом сервиса. Для
манипулятора, изображенного на рис.19.4,

    Структура кинематической цепи манипулятора должна
обеспечивать требуемое перемещение объекта в пространстве с заданной
ориентацией. Для этого необходимо, чтобы схват манипулятора имел возможность
выпонять движения минимум по шести координатам: трем линейным и трем угловым.
Рассмотрим на объекте манипулирования точку М, которая совпадает с центром
схвата. Положение объекта в неподвижной (базовой) системе координат
0x₀y₀z₀
определяется радиусом-вектором точки М и ориентацией единичного вектора с началом в
этой точке. В математике положение точки в пространстве задается в одной из трех
систем координат:

• прямоугольной декартовой с координатами x_M, y_M,
  z_M;
• цилиндрической с координатами r_{sM, j
  M},z_M;
• сферической с координатамиr_{M, j
  M},_{q M}.

    Ориентация объекта в пространстве задается углами
a, b и g, которые вектор ориентации образует с
осями базовой системы координат. На рис. 19.5 дана схема шести подвижного
манипулятора с вращательными кинематическими парами с координатами объекта
манипулирования.

    При структурном синтезе механизма манипулятора
необходимо учитывать следующее:

• кинематические пары манипуляторов снабжаются приводами, включающими
  двигатели и тормозные устройства, поэтому в схемах манипуляторов обычно
  используются одноподвижные кинематические пары: вращательные или
  поступательные;
• необходимо обеспечить не только заданную подвижность свата манипулятора,
  но и такую ориентацию осей кинематических пар, которая обеспечивала
  необходимую форму зоны обслуживания, а также простоту и удобство
  программирования его движений;
• при выборе ориентации кинематических пар необходимо учитывать расположение
  приводов (на основании или на подвижных звеньях), а также способ
  уравновешивания сил веса звеньев.

    При выполнении первого условия кинематические
пары с несколькими подвижностями заменяют эквивалентными кинематическими
соединениями. Пример такого соединения для сферической пары дан на рис.
19.6.
Перемещение схвата в пространстве можно обеспечить, если
ориентировать оси первых трех кинематических пар по осям одной из осей
координат. При этом выбор системы координат определяет тип руки манипулятора и
вид его зоны обслуживания. По ГОСТ 25685-83 определены виды систем координат для
руки манипулятора, которые приведены в таблице 19.1. Здесь даны примеры
структурных схем механизмов соответствующие системам координат. Структурные
схемы механизмов кисти, применяемые в манипуляторах, даны в таблице 19.2.
Присоединяя к выходному звену руки тот или иной механизм кисти, можно получить
большинство известных структурных схем манипуляторов, которые применяются в
реальных промышленных роботах.

Рис. 19.6

    Структура манипулятора определяется и местом
размещения приводов. Если приводы размещаются непосредственно в кинематических
парах, то к массам подвижных звеньев манипулятора добавляются массы приводов.
Суммарная нагрузка на приводы и их мощность увеличиваются, а отношение массы
манипулятора к полезной нагрузке (максимальной массе объекта манипулирования)
уменьшается. Поэтому при проектировании роботов приводы звеньев руки, как
наиболее мощные и обладающие большей массой, стремятся разместить ближе к
основанию робота. Для передачи движения от привода к звену используются
дополнительные кинематические цепи. Рассмотрим схему руки манипулятора ПР фирмы
ASEA (рис.19.7). К трехзвенному механизму с ангулярной системой координат
добавлены:

• для привода звена 2 – простейший кулисный механизм, образованный звеньями
  4,5 и 2;
• для привода звена 3 – цепь, состоящая из кулисного механизма (звенья 6,7 и
  8) и шарнирного четырехзвенника (звенья 8,9,2 и 3).

    Таким образом, в рычажном механизме можно
выделить кинематическую цепь руки (звенья 1,2 и 3) и кинематические цепи
приводов. Манипуляторы использующие принцип размещения приводов на основании
имеют более сложные механизмы. Однако увеличение числа звеньев и кинематических
пар компенсируется уменьшением масс и моментов инерции, подвижных звеньев
манипулятора. Кроме того, замкнутые кинематические цепи повышают точность и
жесткость механизма. В целом манипуляторы, использующие принципы
комбинированного размещения приводов (часть приводов на основании, часть на
подвижных звеньях), обладают лучшими энергетическими и динамическими
характеристиками, а также более высокой точностью.
В
кинематических схемах рассмотренных манипуляторов веса звеньев вызывают
дополнительную нагрузку на приводы. Фирма SKILAM разработала робот
SANCIO (рис. 19.8) в котором веса приводов и звеньев воспринимаются
кинематическими парами, а на момент двигателей влияют только через силы трения.
Такая структурная схема механизма потребовала увеличения размеров кинематических
пар, однако в целом был получен существенный выигрыш по энергетическим и
динамическим показателям.
Данные примеры не охватывают всех
возможных ситуаций рационального выбора структуры манипуляторов. Они только
демонстрируют наиболее известные из удачных структурных схем.

    Важная особенность манипуляторов – изменение
структуры механизма в процессе работы, о чем говорилось на лекции по структуре
механизмов. В соответствии с циклограммой или программой работы робота, в
некоторых кинематических парах включаются тормозные устройства. При этом два
звена механизма жестко соединяются с друг другом, образуя одно звено. Из
структурной схемы механизма исключается одна кинематическая пара и одно звено,
число подвижностей схвата механизма уменьшается (обычно на единицу). Изменяется
структура механизма и в тех случаях, когда в процессе выполнения рабочих
операций (на пример, при сборке или сварке) схват с объектом манипулирования
соприкасается с окружающими предметами, образуя с ними кинематические пары.
Кинематическая цепь механизма замыкается, а число подвижностей уменьшается. В
этом случае в цепи могут возникать избыточные связи. Эти структурные особенности
манипуляторов необходимо учитывать при программировании работы промышленного
робота.
Быстродействие ПР определяют максимальной скоростью линейных перемещений
центра схвата манипулятора. Различают ПР с малым (V_M<0.5
м/с), средним (0.5 < V_M< 1.0 м/с) и высоким (V_M>1.0м/с)
быстродействием. Современные ПР имеют в основном среднее быстродействие и только
около 20% – высокое.
Точность манипулятора ПР характеризуется абсолютной линейной погрешностью
позиционирования центра схвата. Промышленные роботы делятся на группы с малой
(D r_M<
1 мм), средней (0.1 мм < D r_M< 1 мм) и высокой (Dr_M< 0.1 мм)
точностью позиционирования.

Контрольные вопросы к лекции 19

1. Что такое манипулятор, автооператор и промышленный робот?(стр.1-2)

2. В чем особенности систем управления промышленных роботов?(стр.2-4)

3. Что такое подвижность манипулятора? Как она определяется?(стр.5-6)

4. Дайте определения рабочего пространства, зоны обслуживания манипулятора
и его маневренности (на примере антропоморфного манипулятора) (стр.4-6)

5. Что такое угол сервиса? Что такое коэффициент сервиса? (стр.5-6)

6. Приведите структурные схемы механизмов схвата манипуляторов.(стр.7-9)

Перейти к содержанию