Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет Самолеты

Гибридное производство

Очень интересным представляется подход компании Stratasys, которая создала промышленный аппарат нового типа — гибрид робота и 3D-принтера.

Конечно, любой 3D-принтер обладает признаками робота, но тут — это совершенно традиционной формы роботизированный манипулятор, имеющий в том числе и функцию FDM-печати. Stratasys Infinite-Build 3D Demonstrator предназначен, прежде всего, для авиационного и космического производства, в котором так важна его способность производить печать на вертикальных поверхностях неограниченной площади, в соответствии с концепцией “infinite-build” — “бесконечное построение”.


Восьмиосевой механизм манипулятора, обилие специально разработанных композитных материалов для печати, традиционно высокое качество изготовления — все говорит нам о том, что у этого аппарата и его потомков большое будущее.

3D Systems — Figure 4

компании 3D Systems — модульная робототехническаяя система для автоматизации стереолитографической 3D-печати, ни больше, ни меньше.


Это целый автоматический комплекс, который способен производить новые изделия каждые несколько минут — в отличие от нескольких часов на обычных SLS-принтерах.

Кроме того, в цикл уже включены и такие этапы, как промывка, отделение поддержек и дозасветка, а не только первичная экспозиция. Все это Figure 4 делает сам, без вмешательства оператора в процесс работы.

Благодаря модульности, на основе Figure 4 можно создать достаточно крупные автоматические линии, используя стандартные компоненты.


Этот комплекс был представлен общественности в этом году, на выставке The International Dental Show в Кёльне, как и новый 3D-принтер ProJet

— полноцветный 3D-принтер предназначенный для анатомического моделирования медицинских изделий и быстрого прототипирования любых промышленных образцов.

Принтер также роботизирован — снабжен системой автоматической загрузки, удаления и переработки печатного порошка.

Можно с уверенностью сказать, что комплексный подход к 3D-печати — часть производственной культуры будущего. Он даст радикально новое сочетание скорости, точности, удобства и снижения себестоимости изделий.

Carbon — Carbon SpeedCell

Carbon SpeedCell — технологическое решение от компании Carbon, которое включает в себя новый 3D-принтер The M2, работающий по технологии CLIP, и финишинговый аппарат для стереолитографических распечаток Smart Part Washer.

CLIP — технология бесслойной стереолитографической печати, обеспечивающая скорость от 25 до 100 раз быстрее обычной SLS и новый уровень качества поверхности.

Система CLIP (Continuous Liquid Interface Production) позволяет получить невозможные ранее формы изделий требующие минимальной постобработки. Точных характеристик аппаратного комплекса производитель пока не предоставил, но сам подход уже радует — это почти готовое решение для любой мастерской, в которой требуется стереолитографическая печать.

DMG MORI — LASERTEC 65 3D

Аппарат сочетающий в себе несколько разных подходов к обработке деталей: это и классический фрезерный станок с программным управлением — пятиосевой и весьма точный, и лазерный режущий инструмент с теми же степенями свободы, и печатающий металлом 3D-принтер с технологией лазерного напыления.

Сложно представить себе операцию, которую не смог бы произвести этот станок с металлической деталью. Гибридный подход: фрезеровка заготовки, наплавление недостающих деталей или печать с нуля и чистовая обработка — все операции могут произведены с деталью за один подход, в рамках одной заданной программы, без прерывания технологического цикла. Размер обрабатываемой и/или печатаемой детали составляет до 600 на 400 мм, а вес может быть до 600 кг.

Такое МФУ для работы по металлу уже многое изменило в культуре производства штучных и мелкосерийных изделий, а в ближайшее время подобный подход может распространиться и на серийное производство.

EOS — Additive Manufacturing

Компания EOS создала манипуляторы, которые способны производить различные операции, где требуется захват и перемещение детали. Разработки EOS в этой области основываются на наблюдениях за поведением животных, в частности — этот манипулятор создан по примеру хобота слона.

Такой робот-манипулятор может быть использован во множестве промышленных операций, как то: в транспортировке и упаковке, в перемещении деталей из одной рабочей зоны в другую, например — из 3D-принтера в камеру пост-обработки, чтобы исключить участие человека на этом этапе.

Вот так он устроен:

Также компания спонсирует и представляет проект Roboy — это мобильный гуманоидный робот, который способен выполнять любые движения свойственные человеку и служить помощником на производстве.

Известный производитель печатающих металлом 3D-принтеров, Concept Laser заключил соглашение с компанией Swisslog, их общий проект — M Line Factory, это система перемещения металлических 3D-печатных деталей между станками Concept Laser с помощью роботов Swisslog.

Компании продолжают совершенствование аппаратных комплексов для 3D-печати металлом. Роботизированные составляющие этих машин способны провести деталь через весь цикл — от загрузки проекта в память, до выхода готового изделия на склад, — без необходимости вмешательства оператора.

Additive Industries — The MetalFAB1

Единственная в своем роде установка — единая система для печати, транспортировки из рабочей камеры и хранения готовых деталей. Фактически — готовый цех металлической 3D-печати в одном корпусе.

Существуют роботы, которые способны выполнять функции сварочных и фрезерных станков c программным управлением.

А также такие, которые обслуживают традиционные фрезерные ЧПУ-станки, увеличивая их производительность.

Например, вот так это делает упомянутый выше Sawyer:

Системы передвижения мобильных роботов

Системы передвижения роботов относятся к их исполнительным систе­мам наряду с манипуляционными системами. В современных мобильных роботах нашли применение практически все известные транспортные средства. Кроме того, предметом робототехники являются различные бионические способы передвижения (локомоций), заимствованные у жи­вой природы и не освоенные еще в технике. К ним, прежде всего, отно­сится шагание. Основной специфической частью всех систем передвижения являются движители, преобразующие усилие от двигателей приводов в усилие, движущее систему передвижения.

По типу внешней среды средства передвижения подразделяются на на­земные, водные, воздушные и космические, а по широте применения — на универсальные и специальные, предназначенные для особых условий и целей. Наземные универсальные системы передвижения — это тради­ционные колесные и гусеничные транспортные средства, а также шагающие(стопоходящие). Первые наземные мобильные роботы были созданы в связи с потребностью расширения рабочей зоны их манипуля­торов, а также для выполнения чисто транспортных операций (внутри­цеховой, складской и другой транспорт). На рис. 3.16 и 3.17 показаны примеры мобильных роботов на колесном и гусеничном ходу.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 3.16.Мобильный робот на колесном ходу (ЦНИИ РТК)

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис.3.17. Мобильный робот на гусеничном ходу (ЦНИИ РТК)

Особый раздел робототехники составляют шагающие системы передви­жения и основанные на них транспортные машины. Они являются пред­метом робототехники потому, что механические ноги — педипуляторы от латинского слова (pes, pedis — нога) — наиболее близки другому ос­новному объекту робототехники — манипуляторам. Однако значение и потенциальные области применения шагающих машин выходят за пре­делы робототехники. Способ передвижения с помощью ног (шагание, бег, прыгание), как известно, является наиболее распространенным в жи­вой природе. Однако в технике он еще не получил заметного применения прежде всего из-за сложности управления.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 3.19.Звено манипулятора, перемещающегося на воздушных подушках

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 3.20.Робот “Труболаз” для обследования трубопроводов (ЦНИИ РТК): а — внутри трубы; 6— вне трубы. Передвижение осуществляется путем поочередного закрепления концов корпуса и сокращения его длины на основе эффекта памяти формы

Развитие робототехники создало необходимую научно-техническую осно­ву для реализации этого принципиально нового для техники способа пере­движения и для создания нового типа транспортных машин — шагающих.

Шагающий способ представляет основной интерес для движения по за­ранее неподготовленной местности с препятствиями. Традиционные ко­лесные и гусеничные транспортные машины оставляют за собой непре­рывную колею, тратя на это значительно большую энергию, чем в случае передвижения шагами, когда взаимодействие с грунтом происходит только в местах упора стопы. Помимо этого шагающий способ передви­жения обладает и большей проходимостью на пересеченной местности вплоть до возможности передвигаться прыжками, преодолевать препят­ствия и т. п. При шагающем способе меньше разрушается грунт, что, на­пример, важно в тундре. При передвижении по достаточно гладким и подготовленным поверхностям этот способ уступает колесному в эконо­мичности, скорости передвижения и простоте управления.

В задачи системы управления шагающей машины входят:

· стабилизация в процессе движения положения корпуса машины в про­странстве на определенной высоте от грунта независимо от рельефа местности;

· обеспечение движения по определенному маршруту с обходом препят­ствий;

· связанное управление ногами, реализующее определенную походку с адаптацией к рельефу местности.

Поскольку основное назначение шагающих машин — передвижение по сильно пересеченной местности, управление ими обязательно должно быть адаптивным. В системе управления при этом выделяют обычно сле­дующие 3 уровня управления:

· первый, нижний, уровень — управление приводами степеней подвиж­ности ног;

· второй уровень — построение походки, т. е. координации движений ног, со стабилизацией при этом положения корпуса машины в про­странстве;

· третий уровень — формирование типа походки, направления и скоро­сти движения, исходя из заданного маршрута в целом.

Первый и второй уровни реализуются автоматически, а третий уровень осуществляется с участием человека-оператора (“водителя”).

Попытки создать шагающие аппараты предпринимались давно. Одна из первых моделей стопоходящей машины была создана в прошлом веке математиком и механиком П.Л. Чебышевым. На рис. 3.21 показан четы-

На рис. 3.22 показана одна из первых разработок шагающего транспортно­го промышленного робота, разработанного в США для внутрицеховых работ, в частности, в металлургии. Грузоподъемность робота — 300 кг. В передней части робота — место оператора.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 3.22. Четырехногий транспортный робот для внутрицеховых работ

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 3.24. Шестиногий шагающий аппарат с приклеивающимися стопами ног:

1 — телевизионная камера; 2 — шланг питания и управления;

3 — стопа ноги; в которую подается клейкая жидкость;

4 — одна из поднятых ног; 5 — корпус

Водные системы передвижения роботов основаны на традиционных средствах водного транспорта. На рис. 1.7 (см. главу]) был показан один из первых отечественных подводных роботов “Манта”, в котором использованы винтовыедвижители для погружения, поступательного движения и маневрирования. Такие же движители применяются и во всех последующих конструкциях подводных роботов. Их типовая система пе­редвижения включает 1 или 2 вертикально направленных движителя за­глубления и 2 или 3 поворотных движителя, создающих управляемый по направлению и величине продольный вектор тяги для поступательного движения аппарата. Двигатели, входящие в состав этих движителей, — обычно электрические, постоянного тока.

Воздушные системы передвижения, как и водные, развиваются по 2 направлениям: во-первых, используются давно освоенные в авиации спосо­бы полета, а, во-вторых, ведутся исследования по освоению машущих способов полета, известных в живой природе. На рис. 3.26 показан один из экспериментальных образцов подобного аппарата.

Космические системы передвижения разделяются на системы для сво­бодно летающих роботов, для роботов, обслуживающих космические аппараты (снаружи и внутри), и для напланетных роботов. На рис. 3.27 показан пример конструкции свободнолетающего робота. Он имеет дви­гательную установку с системой двигателей, создающих усилие по отдельным степеням подвижности робота, систему питания двигателей с топливными баками, два манипулятора, навигационную систему, систе­му ориентации робота, систему радиосвязи, телевизионную систему, включающую две неподвижные и одну подвижную передающие телеви-

На рис. 3.28 приведен образец космического шагающего робота для на­ружного обслуживания орбитальных космических станций. Он пред­ставляет собой манипулятор, оба конца которого являются рабочими органами в виде стыковочного устройства. С их помощью манипулятор шагает по расположенным на поверхности обслуживаемого объекта та­келажным элементам, через которые он получает электроэнергию и осу­ществляет связь с пультом управления.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

                  Рис. 3.28.Космический шагающий робот “Циркуль”

для наружного обслуживания орбитальных станций (ЦНИИ РТК):

I — модуль управления шарниром; 2 — вращающийся токосъемник;

3 — телевизионная камера; 4 — стыковочное устройство; 5 — такелажный элемент; 6 — привод (бесколлекторный двигатель; тормоз; инкрементный датчик);

7 — переносный пульт управления

На рис. 3.29 показан один из вариантов отечественных напланетных ро­ботов. Он имеет восьмиколесное шасси, где у каждого колеса свой элек­трический привод (мотор-колесо). На рис. 3.30 показано шасси “Марсо-хода”, разработанного по международной программе “Марс-96”. Шасси имеет значительно большую проходимость, чем у его предшественников “Луноходов”, за счет изменяемой конфигурации. Оно реализовано на трехосной схеме со свободной подвеской осей, 6 индивидуально управ­ляемыми мотор-колесами в форме усеченных конусов и 2 механизмами шагания.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 3.29. Напланетный космический аппарат “Луноход”

Сенсорные системы

Сенсорные системы предназначены для получения информации о внешней среде и положении робота в ней. В отдельных системах роботов имеются также различные чувствительные устройства — датчики, необходимые для функционирования этих систем (например, датчики обрат­ной связи в приводах, во вторичных источниках питания и т. п.). Эти устройства, ориентированные на внутренние параметры робота, не спе­цифичны для него в целом и не относятся к сенсорным системам робота.

По выявляемым свойствам и параметрам сенсорные системы можно раз­делить на следующие 3 группы.

1. Системы, дающие общую картину окружающей среды с последующим
выделением отдельных объектов, значимых для выполнения роботом
его функций.

2. Системы, определяющие различные физико-химические свойства
внешней среды и ее объектов.

3. Системы, определяющие координаты местоположения робота и па­раметры его движения, включая его координаты относительно объек­тов внешней среды и усилия взаимодействия с ними.

К сенсорным системам первой группы относятся системы технического рения и различного типа локаторы. Вторая группа сенсорных систем наиболее многообразна. Это измерители геометрических параметров, плотности, температуры, оптических свойств, химического состава и т. д. Третья группа сенсорных систем определяет параметры, относящиеся к самому роботу. Это измерители его географических координат в про­странстве от спутниковых систем до использующих магнитное поле Земли, измерители угловых координат (гироскопы), измерители перемеще­ния и скорости, в том числе и относительно отдельных объектов внешней среды вплоть до фиксации соприкосновения с ними.

Сенсорные системы, используемые в системах передвижения робота, подразделяются на системы, обеспечивающие навигацию в пространстве и системы, обеспечивающие безопасность движения (предотвращение столкновений с препятствиями и опрокидываний на уклонах, попадания в недопустимые для робота внешние условия и т. п.).

Сенсорные системы, обслуживающие манипуляторы, тоже образуют две подгруппы: системы, входящие в контур управления движением манипу­лятора, и системы, очувствления его рабочего органа. В число последних систем часто входят размещенные у рабочего органа манипулятора сис­темы технического зрения и измерители усилий.

Контактные сенсорные системыприменяются для очувствления рабочих органов манипуляторов и корпуса (бампера) мобильных роботов. Они позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды (тактиль­ные сенсоры), измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия (сило-моментные сенсоры), определять проскальзывание объектов при их удержании захватным устройством. Контактным сенсорным системам свойственна простота, но они накладывают существенные ограничения на динамику и прежде всего на быстродействие управления роботом.

Тактильные сенсоры помимо получения информации о контакте приме­няются и для определения размеров объектов (путем их ощупывания). Они реализуются с помощью концевых выключателей, герметизирован­ных магнитоуправляемых контактов, на основе токопроводящей резины (“искусственная кожа”) и т. д. Важным требованием, предъявляемым к этим устройствам, является высокая чувствительность (срабатывание при усилии в единицы и десятки грамм), малые габариты, высокая меха­ническая прочность и надежность.

В бесконтактных сенсорных системах для получения требуемой инфор­мации используются излучаемые ими специальные сигналы (оптические, радиотехнические, ультразвуковые и т. д.) и естественные излучения сре­ды и ее объектов.

Смотрите про коптеры:  Прогулочно-туристское судно из старой списанной шлюпки (Проекты / Парусные яхты) -

В настоящее время для очувствления роботов наиболее широкое приме­нение получили системы технического зрения, локационные, сило-моментные и тактильные. Наиболее универсальными из них являются системы технического зрения. Как было отмечено в § 1.2, развитие систем технического зрения и использующих их очувствленных роботов стало одним из определяющих направлений современной робототехни­ки. При этом наряду с изучением и использованием методов решения этой задачи, присущих живой природе, широким фронтом ведутся раз­работки технических решений, не имеющих аналогов в природе. По сравнению со зрением живых организмов задачи технического зрения проще, так как для них, как правило, существенно более ограничен и заранее известен перечень объектов внешней среды, с которыми предстоит иметь дело. Часто также существует возможность специально организовать внешнюю среду для облегчения работы видеосистем. Например, для распознавания объектов можно маркировать их, применять контрасти­рующие с объектами поверхности, на которых они расположены, специ­альные системы освещения и т. д.

Зрительная информация обрабатывается иерархически на нескольких уровнях аналогично тому, как это происходит в живых организмах (см. главу 2). В аппаратной реализации эти уровни образуют 2 основных эта­па обработки информации. Первый этап — предварительная обработка первичной зрительной информации с целью сокращения объема инфор­мации с выделением только той, которая необходима для функциониро­вания робота при выполнении им конкретных операций.

ПРИВОДЫ РОБОТОВ

Классификация приводов

Привод, как известно, включает, прежде всего, двигатель и устройство управления им. Кроме того, в состав привода могут входить различные

механизмы для передачи и преобразования движения (редукторы, преобразователи вращательного движения в поступательное и наоборот), тормоз и муфта.

К приводам, применяемым в роботах, предъявляют весьма жесткие специфические требования. В связи с необходимостью встраивания приводов в исполнительные системы робота — в манипуляторы и системы передвижения — габариты и масса приводов должны быть минимальными. Приводы в роботах работают в основном в неустановившихся режимах и с переменной нагрузкой. При этом переходные процессы в них должны быть практически неколебательными. Важными параметрами приводов роботов являются также надежность, стоимость, удобство эксплуатации. Требования, предъявляемые к их способу управления, быстродействию и точности, непосредственно определяются соответствующими требова­ниями к роботу в целом, рассмотренными в § 3.1 при классификации ро­ботов. В частности, обычно требуется, чтобы скорость поступательного движения на выходе приводов роботов в среднем составляла от долей до нескольких м/с при погрешности отработки перемещения, равной долям миллиметра.

В роботах нашли применение практически все известные типы приводов: электрические, гидравлические и пневматические; с поступательным и вращательным движением; регулируемые (по положению и скорости) и нерегулируемые; замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые; непрерывного и дискретного действия (в том числе шаговые).

На рис. 4.1 приведена типовая схема привода манипулятора. Наряду с общей обратной связью по положению в схеме имеется обратная связь по

скорости, которая играет роль корректирующей гибкой обратной связи и часто, кроме того, служит для управления скоростью. В тех случаях, когда механизм М является редуктором и понижает скорость, датчик скорости ставится не как показано на рисунке, а на выходе двигателя пе­ред механизмом, чтобы увеличить снимаемый с датчика сигнал по ско­рости. Устройство управления может быть непрерывного действия, ре­лейным, импульсивным или цифровым.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 4.1. Типовая схема позиционного привода манипуляторов:

Д — двигатель; М — механизм передачи и преобразования перемещения;

ДП, ДС — датчики положения и скорости; УУт, УУт — составные части

устройства управления УУп

Применение пневматических приводов в робототехнике объясняется их дешевизной, простотой и соответственно надежностью. Правда, эти при­воды плохо управляемы и поэтому используются в основном как нерегу­лируемые с цикловым управлением. Пневматические приводы применя­ют только в роботах небольшой грузоподъемности— до 10 кг, реже 20 кг.

Гидравлические приводы наиболее сложны и дороги по сравнению с пневматическими и электрическими. Однако при мощности 500—1000 Вт и выше они обладают наилучшими массогабаритными характеристиками и поэтому являются основным типом привода для тяжелых и сверхтяже­лых роботов. Гидравлические приводы хорошо управляются, поэтому они нашли также применение в роботах средней грузоподъемности, для которых требуются высококачественные динамические характеристики.

Электрический привод, несмотря на его хорошую управляемость, просто­ту подвода энергии, больший к.п.д. и удобство эксплуатации имеет худ­шие массогабаритные характеристики, чем пневматический и гидравли­ческий приводы. Прогрессивное увеличение в последние годы доли электромеханических роботов в общем парке роботов в мире вызвано быстрым прогрессом в создании новых типов электрических двигателей, специально предназначенных для роботов и позволяющих создавать бо­лее компактные комплектные приводы всех требуемых типов. На сегодня основная область применения электрических приводов в робототехни­ке — это роботы средней грузоподъемности (десятки килограмм), легкие роботы с высококачественным управлением и мобильные роботы.

Пневматические приводы

В пневмопривод одной степени подвижности входят двигатель, распре­делительное устройство и регулятор скорости. Двигатель может быть поступательного движения — пневмоцилиндр и поворотный. Пневмоцилиндр состоит из гильзы, выполненной из прецизионной трубы обычно с фторопластовой накладкой внутри, поршня с уплотнением, которое име­ет малое трение по фторопласту, и штока. К пневмоцилиндру часто при­строен тормоз, включающийся в конце хода поршня. Поршень со што­ком, который присоединен к нагрузке двигателя, движется под действием сжатого воздуха, подаваемого в полость цилиндра с одной стороны поршня. Полость, расположенная с другой стороны поршня, соединяется при этом с атмосферой для выпуска воздуха, сжимаемого движущимся поршнем. Направление движения поршня со штоком зависит от того, с какой стороны от поршня подается сжатый воздух.

Поворотные пневматические двигатели, применяемые в роботах, имеют ограниченный угол поворота (неполноповоротные двигатели). Их под­вижная часть представляет собой лопасть, укрепленную на выходном валу и расположенную в кольцеобразном корпусе. Внутри корпуса име­ется перегородка, с двух сторон которой получаются полости для возду­ха, разделенные подвижной лопастью.

Распределительное устройство пневмопривода служит для управления подачей воздуха в двигатель. Выполняют его из золотников или клапа­нов обычно с электромагнитным приводом, управляющие сигналы на которые поступают от устройства управления робота.

Регулятор скорости поддерживает заданную скорость движения привода путем стабилизации расхода воздуха, подаваемого в двигатель (напри­мер, с помощью дросселя с обратным клапаном).

Пневматические двигатели работают на сжатом воздухе давлением 0,3— 0,6 МПа. Сжатый воздух поступает на приводы от общего блока пита­ния, который состоит из аппаратуры подготовки воздуха и редуктора. Подготовка воздуха заключается в его очистке от влаги и механических примесей и внесении распыленного масла для смазки трущихся поверхностей в двигателе. Редуктор обеспечивает поддержание определенного давления воздуха на входе привода.

Сжатый воздух на вход блока питания поступает обычно из общей пневмосети предприятия, в которую он подается от компрессора (компрес­сорной станции). В мобильных роботах воздух поступает из баллонов, в которых он находится под повышенным давлением.

Как было указано, в настоящее время подавляющее большинство пневмоприводов роботов имеют простейшее цикловое управление (по упо­рам). При таком управлении привод перемещается из начального поло­жения сразу в конечное, которое определяется механическим упором, установленным на подвижной части привода (на штоке пневмоцилиндра или выходном валу поворотного двигателя). Упор находит на демпфер, который гасит энергию движения, обеспечивая безударное торможение привода. Одновременно с этим прекращается подача воздуха в двига­тель. Демпферы в основном гидравлические, а для маломощных приво­дов — более простые пружинные. Прибегают также к способу торможения противодавлением, при котором демпфер не требуется, а торможение происходит за счет переключения подачи воздуха в момент торможения изодной полости двигателя в другую, выхлопную полость, т. е. встречно движению поршня (или лопасти в поворотном двигателе).

На рис. 4.4 показан один из первых отечественных серийных пневмати­ческих промышленных роботов МП-9С (разработчик — ЦНИИ РТК, производитель — АвтоВАЗ). Робот получил широкое применение на сборочных операциях и для обслуживания прессов.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 4.4. Пневматический промышленный робот МП-9С

Пневматическая схема робота МП-9С представлена на рис. 4.6. Воздух из магистрали через запорный муфтовый вентиль 1, влагоотделитель 2, ре­гулятор давления 3 и маслораспылитель 5 поступает к электропневмати­ческим нормально закрытым клапанам 7—13. Давление в системе кон­тролируется с помощью технического манометра 4.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 4.6. Пневматическая схема промышленного робота МП-9С

При включении клапана 7 воздух поступает в пневмоцилиндр 17 схвата. Пальцы схвата сближаются и зажимают деталь. При отключении клапа­на 7 воздух из пневмоцилиндра 17 стравливается в атмосферу и поршень под действием пружины возвращается в исходное положение. При вклю­чении клапанов 8, 10, 12 воздух поступает соответственно к пневмоцилиндрам поворота манипулятора 16, подъема манипулятора 15, выдви­жения захватного устройства 14, а через клапаны 9, 11, 13 и дроссели 6 стравливается в атмосферу. С помощью дросселей 6 регулируется ско­рость поршней пневмоцилиндров и, соответственно, звеньев манипуля­торов.

Устройство управления робота МП-9С выполнено, как уже было отме­чено, в виде отдельной стойки и состоит из 2 частей. В нижней части рас­положены блок подготовки воздуха и электроуправляемые воздухорас­пределители. На боковую поверхность стойки выведены штуцеры для подсоединения к пневмоцилиндрам манипулятора. Верхняя часть содер­жит электронные блоки и лицевую панель устройства. На лицевой пане­ли (рис. 4.7) расположены элементы ручного управления приводами ро­бота и ряд плоских многопозиционных переключателей, на которых набирается программа рабочего цикла робота и технологического обо­рудования. С помощью кнопок Пуски Стоппроизводятся запуск и оста­новка манипулятора в автоматическом режиме. Кнопки Автомати На­ладкапредназначены для включения соответствующего режима работы. Остальные кнопки служат для ручного управления приводами манипу­лятора в режиме “Наладка”:

· кнопка Зажим-Разжим— соответственно для сжатия и разжима паль­цев схвата;

· кнопка Вверх-Вниз— для подъема и опускания манипулятора;

· кнопка Выдвижение-Втягивание— для выдвижения и втягивания схвата;

· кнопка Вправо-Влево— для включения поворота манипулятора во­круг вертикальной оси.

Кнопки снабжены сигнальными лампочками, высвечивающими заданные команды во всех режимах работы приводов манипулятора. На многопо­зиционных переключателях, показанных на рис. 4.7 сверху, набирается программа работы робота и другого работающего с ним оборудования. Каждая позиция переключателя соответствует одной команде на пере­мещение какого-либо одного звена манипулятора или одной команде на включение внешнего технологического оборудования. В устройстве управления применены десятипозиционные переключатели, позиции ко­торых соответствуют следующим командам: конец цикла (программы); выдвижение схвата; втягивание схвата; поворот манипулятора вправо; поворот манипулятора влево; подъем манипулятора; опускание манипу­лятора; зажим пальцев схвата; разжим пальцев схвата; пуск технологиче­ского оборудования.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 4.7. Лицевая панель устройства управления промышленного робота МП-9С

Гидравлические приводы

Как было отмечено в § 4.1, гидроприводы нашли основное применение в роботах большой грузоподъемности, а также в роботах средней грузо­подъемности, когда требуется особо качественное управление. Гидро­привод состоит из тех же основных частей, что и пневмопривод. Основой его является двигатель поступательного движения (гидроцилиндр) или углового движения (поворотный гидродвигатель), которые устроены по­добно аналогичным пневматическим двигателям, только вместо сжатого воздуха в них используется жидкость (обычно масло) под давлением до 20 МПа. Соответственно создается и на 2 порядка большее усилие. Не­сжимаемость жидкости обеспечивает гидроприводу значительно лучшие динамические и точностные характеристики по сравнению с пневмопри­водом.

Управление гидравлическими двигателями осуществляется с помощью золотников и клапанов, которые имеют обычно электрическое управле­ние, т. е. представляют собой электрогидравлические усилители (ЭГУ). Гидроприводы чаще всего выполняют с непрерывным управлением.

В отличие от пневмоприводов гидроприводы имеют свой блок питания, входящий в состав робота. Этот блок состоит из гидронасоса, фильтра, регулятора давления, устройства охлаждения (обычно водяного) и мас­ляного аккумулятора с запасом масла.

На рис. 4.9 показан гидравлический промышленный робот, предназна­ченный для нанесения покрытий. Рабочим инструментом является крас­кораспылитель. Робот состоит из 3 частей: манипулятора, насосной станции и устройства управления (в центре).

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис.4.9. Гидравлический промышленный робот с непрерывным управлением “Коут-а-Матик” фирмы “Ретаб” (Швеция)

Гидравлическая схема робота представлена на рис. 4.11. Насосом 8 мас­ло через обратный клапан 6 нагнетается в ресивер 23 и через фильтр высокого давления 24 попадает в напорную магистраль. Заданное давление масла поддерживается клапаном 10, управляемым реле давления 5, и контролируется по манометру 7. В случае аварийного падения давления масла в гидросистеме реле давления 5 отключает манипулятор. Из гид­росистемы масло сливается в бак 9 через теплообменник 12 и фильтр 11. Насосная станция, выполненная в отдельном корпусе, соединяется с бло­ками распределителей, размещенными в станине, с помощью шлангов с быстроразъемными муфтами 13 и 22.

Каждый из приводов робота управляется соответствующим распредели­телем 3, 4, 14, 15, 16, 21. Переливные клапаны 1, 2, 17—20 при нерабо­тающем масляном насосе соединяют противоположные полости гидро­цилиндров и гидродвигателей и позволяют перемещать рабочий орган в режиме обучения. При включении насоса под давлением масла клапаны переключаются и соединяют двигатели с соответствующими распредели­телями. В устройстве управления управляющие программы записывают­ся на магнитном диске — для каждого привода на отдельной дорожке.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 4.11.Гидравлическая схема робота “Коут-а-Матик”

Электрические приводы

В промышленных роботах нашли применение электроприводы следую­щих типов:

· на двигателях постоянного тока традиционных коллекторных и бес­
коллекторных (вентильных);

· на асинхронных двигателях как нерегулируемых (с цикловым управ­
лением), так и с частотным управлением;

· на шаговых двигателях;

· на различного типа регулируемых муфтах в сочетании с нерегулируемым асинхронным двигателем или двигателем постоянного тока;

· на электромагнитах (соленоидных и других типов).

В основном применяются традиционные электроприводы с угловым пе­ремещением, т. е. вращающиеся. Однако в роботах с поступательными перемещениями наряду с вращающимися двигателями в комбинации с механизмами, преобразующими вращательное движение в поступатель­ное (типа передачи шестерня-рейка и т. п.), нашли применение и специ­альные линейные приводы постоянного и переменного тока.

Электроприводы для роботов в общем случае включают электродвига­тель, снабженный датчиками обратной связи по положению и скорости, механическую передачу, часто тормоз, иногда муфту (например, для за­щиты двигателя от перегрузки) и устройство управления.

К перспективным разработкам электрических приводов для роботов от­носятся высокомоментные безредукторные двигатели, приводы с непо­средственным цифровым управлением и бездатчиковые приводы с расче­том значений перемещения и скорости по измеряемым электрическим переменным двигателя.

Примеры электромеханических промышленных роботов были приведе­ны на рис. 3.6 и 3.8. На рис. 4.12 показан внешний вид электромеханиче­ского промышленного робота ИРб-6, устройство которого было приве­дено на рис. 3.6.

Устройство управления робота выполнено на микроЭВМ с записью управляющих программ на магнитной ленте. Программирование выпол­няется обучением с помощью переносного пульта. Робот может функцио­нировать в режимах непрерывного и дискретного позиционного управления и комплектоваться различными сенсорными системами, включая систему технического зрения и сило-моментный сенсор. Благодаря своим широким функциональным возможностям ИРб-6 нашел применение как универ­сальный робот для выполнения многих основных технологических операций (дуговая и точечная сварка, механическая сборка, очистка отливок) и обслуживания станков и другого технологического оборудования, прежде всего, в автомобильной промышленности.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 4.12. Электромеханический промышленный робот ИРб-6 фирмы АСЕА (Швеция)

Микроприводы

Развитие микроробототехники в первую очередь потребовало создания соответствующих микроприводов. Для этого наряду с традиционными принципами действия и конструкциями, созданными в рамках традици­онного точного машиностроения, были разработаны совершенно новые приводы для микроперемещений, основанные на использовании управ­ляемых гибких деформаций (см. рис. 3.10). Одним из таких перспектив­ных типов микроприводов являются пъезоприводы. На рис. 4.18, а пока­зана схема основного элемента такого привода — пьезопреобразователя электрической энергии в энергию механического перемещения [12]. Он представляет собой пакет из пьезокерамических шайб 1 с нанесенными на торцы серебряными электродами, на которые параллельно подается электрическое напряжение. При этом за счет обратного пьезоэлектриче­ского эффекта происходит увеличение или уменьшение толщины шайб в зависимости от полярности приложенного напряжения. На рис. 4.18, б показан другой тип таких преобразователей, основанный на изгибных деформациях многослойных пластин из пьезоэлектрических и пассивных металлических или полимерных слоев. Такие преобразователи имеют больший ход, чем использующие деформацию расширение-сжатие, но худшие точностные и силовые параметры.

Смотрите про коптеры:  Популярные производители радиоуправляемых самолетов

Величина перемещения на выходе таких электромеханических преобра­зователей (ход) — до десятых долей мм; скорость — до 1—2 м/с, погреш­ность управляемого позиционирования — доли мкм, усилие— сотни Н, мощность — десятки Вт. Из таких преобразователей создаются трехсте­пенные микроманипуляционные системы. Они часто комбинируются с обычными электромеханическими манипуляционными системами, обес­печивающими перемещение в десятки мм с погрешностью, перекрывае­мой микроманипуляционной системой. Получается манипулятор, со­стоящий из последовательно соединенных систем грубого и точного позиционирования, рабочий ход которого определяется первой систе­мой, а точность— второй.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 4.18.Пьезоэлектрические преобразователи микроприводов:

а — с поступательной деформацией растяжение-сжатие: 1—секция пьезокерамических шайб, 2 — фланец, 3 — шпилька, 4 — гайка, 5 — пластмассовая втулка, 6 — слюдяная шайба;

б— с изгибной деформацией: 1, 2 — пьезоэлектрические пластины, 3 — металлическая рессора

Помимо пьезоэлектрических существуют микроприводы и других ти­пов — пьезомагнитные, электро- и магнитострикционные, биметалличе­ские, на эффекте памяти формы, электростатические, принцип действия которых описан в § 4.7, пневматические, гидравлические [12].

Для мобильных микророботов, предназначенных для передвижения в уз­ких полостях (тонкие трубопроводы, желудочно-кишечный тракт, крове­носные сосуды человека и т. п.), разработаны специальные микродвижители, реализующие способ передвижения, подобный используемому гусеницами и червями. Вариант такой системы передвижения на пьезоприводах состо­ит из нескольких пьезоэлектрических сегментов, соединенных централь­ным стержнем из того же материала. Попарно расширяющиеся за счет пьезоэффекта сегменты выполняют функции фиксаторов, а поступательное перемещение осуществляется путем удлинения центрального стержня. Частота импульсов движения—10—20 МГц.

Существуют аналогичные системы, основанные на пневматике. На пе­реднем и заднем концах такого микроробота имеются пневмофиксаторы, которые попеременно закрепляются на стенках полости. При этом кор­пус робота также попеременно удлиняется при закрепленном заднем и сокращается при закрепленном переднем конце. Для передвижения по­добных роботов используется и управляемое внешнее силовое магнитное поле [13].

Основные уже определившиеся области применения микроприводов и основанных на них микроманипуляторов и микророботов — это микро­операции в промышленности (микрообработка, сборка, сварка и т. п.), биологические и фармакологические технологии, медицина (осмотр внутренностей, доставка туда лекарств, хирургические операции).

§

Математическое описание приводов

Приводы, используемые в манипуляторах, были рассмотрены в главе 4. Это электрические, гидравлические и пневматические позиционные при­воды. Кроме того, известны случаи применения в манипуляторах шаго­вых приводов и приводов с управляемыми муфтами и нерегулируемыми двигателями.

В соответствии с уравнением динамики механической системы манипулятора математическое описание системы приводов манипулятора (5.1) представляет собой зависимость

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет ,                                                                                            (5.24)

где (Qд — вектор движущих сил на выходе приводов манипулятора раз­мерности п, приводящих в движение его степени подвижности; Ап— опе­ратор системы приводов; Uп — вектор управляющих воздействий на входе приводов.

Что касается перемещений qна выходе приводов, то поскольку послед­ние связаны общей механической системой манипулятора, они не явля­ются независимыми переменными и для их нахождения надо решать со­вместно систему уравнений, описывающих механическую систему с приводами.

Математическое описание двигателя отдельного привода с угловым пе­ремещением (вращающегося) имеет вид:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет .                                                                        (5.25)

Здесь Jд — момент инерции; Мн — момент нагрузки на валу двигателя; Мд — движущий момент, развиваемый двигателем; ωд — угловая ско­рость; Тд— постоянная времени цепи, связывающей Мд с управляющим воздействием Uп;f(Uпд) — статическая характеристика двигателя.

В линейном приближении последняя зависимость

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет .                                                                                  (5.26)

С учетом (5.26) система (5.25) сводится к уравнению:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет  ,                                                        (5.27)

где Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет , Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет .

Для электрического двигателя Тд — это электромагнитная постоянная вре­мени, которой обычно можно пренебречь по сравнению с постоянной вре­мени Т’д, определяемой Jд. При Тд=0 уравнение (5.27) принимает вид:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет .                                                                      (5.28)

Математическое описание привода в целом включает кроме двигателя, описание механической передачи на выходе (например, редуктора) и устройства управления. Для типовой схемы привода алгоритм, реали­зуемый его устройством управления, — это пропорционально-диффе­ренцирующее (ПД) или пропорционально-интегро-дифференцирующее (ПИД) управление.

При исследовании динамики манипуляторов “в большом” необходимо учитывать нелинейность статической характеристики двигателя — не­чувствительность и насыщение по Uпи ωд, которые ограничивают быст­родействие привода.

Математическое описание манипулятора с приводами

В общем виде математическое описание манипулятора включает рас­смотренные зависимости:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет                                                                                                      (5.29)

Здесь Ами Ап — операторы механической системы и системы приво­дов манипулятора, а Uп— вектор управляющих воздействий на входе приводов.

Если воспользоваться уравнением динамики манипулятора (5.14) и ли­неаризовать уравнение привода по схеме на рис. 4.1, получим структур­ную схему манипулятора с такими приводами, показанную на рис. 5.8, и систему уравнений:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет                                                           (5.30)

Здесь Uп — вектор управляющих воздействий на входе системы приво­дов; Wn2(р) — передаточная матрица системы приводов, связывающая векторы (Qд и Uп; Wn1(р); Wn3(р) — передаточные матрицы последователь­ных и параллельных корректирующих звеньев, Jд— диагональная мат­рица моментов инерции двигателей, приведенных к выходу приводов q (умножением на квадрат передаточного отношения редуктора).

Исключив в (5.30) промежуточные переменные можно получить следую­щее общее уравнение:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

(5.31)

При необходимости в схему, приведенную на рис.5.8, могут быть введены различные нелинейности типа насыщения, нечувствительности, сухого трения и т. п.

Вместе с тем при исследовании конкретных систем и конкретных режимов их работы в их математическом описании могут быть сделаны и следующие упрощения.

1. При невысоких скоростях движения (примерно менее 0,5 м/с), когда динамическое взаимовлияние приводов мало, можно пренебречь этим взаимовлиянием по ускорению и скорости, т. е. недиагональными элементами матрицы А(q) и смешанными произведениями скоростей в выражении b(pq,q) [17].

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 5.8. Структурная схема манипулятора с приводами

В этом случае левая часть уравнения (5.31) принимает вид:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Здесь Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет , т.е. не содержит членов Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет ;

Jэ(q)=(J,J,…Jnэ) – диагональная матрица эффективных моментов инерции относительно qi i-го и всех последующих звеньев (i 1),…,п, которая находится по формуле:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет                                                                                                                     (5.32)

т. е. исходя из уравнения динамики механической системы манипуля­тора при замене А(q) на Jэ(q). Соответственно это выражение можно представить так:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет                                                                               (5.33)

Кроме того, при наличии в приводах редукторов с большим переда­точным числом величинами Jдi(q можно пренебречь по сравнению с Jдi и соответственно в уравнении (5.31) пренебречь А(q).

2. Обычно, особенно при невысоких скоростях движения, переходные
процессы в приводах протекают существенно быстрее, чем перемеще­ния самого манипулятора. Поэтому уравнение манипулятора (5.31) можно разделить на 2 решаемых независимо: одно уравнение в виде уравнения (5.31) при p =0 в его правой части и второе в виде второго и третьего уравнений системы (5.30).

3. Можно, используя метод “замороженных” коэффициентов, разбить рабочую зону манипулятора на участки, в которых в членах b(pq,q) и с(q) уравнения динамики манипулятора ставить постоянные значения q.

§

Особенности дискретного позиционного управления

Типовые примеры роботов с дискретным позиционным управлением — это промышленные роботы для точечной сварки (рис. 7.1), сборки (см. рис 3.5) и для обслуживания металлорежущих станков и другого техно­логического оборудования.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 7.1. Гидравлический промышленный робот для точечной сварки с дискретным позиционным программным управлением фирмы “Юнимейт” (США)

Такие роботы имеют большое число (десятки) точек позиционирования рабочего органа благодаря применению позиционных приводов, типо­вая схема которых приведена на рис. 4.1.

Процесс перемещения на очередной шаг, как и в цикловых приводах, со­стоит из этапов разгона, движения с постоянной скоростью и торможе­ния (см. рис. 6.1), однако здесь в отличие от цикловых приводов точность позиционирования, а также устойчивость и качество переходного про­цесса должны обеспечиваться замкнутой обратными связями системой управления. (Исключение составляют только получившие небольшое, как и цикловые приводы, распространение в робототехнике разомкнутые позиционные приводы на шаговых двигателях.) Таким образом, с точки зрения управления, принципиальным отличием роботов с дискретным позиционным управлением от цикловых является необходимость обеспе­чения устойчивости и качества управления.

Другое отличие — это значительно большая роль взаимовлияния приво­дов. Если в цикловых системах оно, как было показано, может повлиять только на быстродействие, то в позиционных взаимовлияние приводов сказывается на всех показателях системы, включая точность.

Позиционные системы также значительно чувствительнее к нестацио­нарности параметров и влиянию внешних возмущений, чем цикловые, поскольку последние являются разомкнутыми релейными системами.

Дискретное позиционное управление отдельным приводом

Основной вариант алгоритма дискретного позиционного программного управления приводом соответствует структурной схеме следящей систе­мы (см. рис. 4.1), которая последовательно отрабатывает заданные при­ращения управляемой выходной координаты qi. Эта схема может быть дополнена другими средствами коррекции, компенсирующими воздейст­вия внешних возмущений и, прежде всего, нагрузки, торможением в точ­ках позиционирования с помощью специального тормоза.

Синтез оптимального алгоритма управления при необходимости обеспе­чить максимальное быстродействие, как уже отмечалось в главе 6, приво­дит к релейному управлению. Однако поскольку такая система двухпозиционного релейного управления неустойчива в малом, при подходе к точкам позиционирования необходимо переходить на другой алгоритм управления. В результате получается система так называемого дуального управления с переменной структурой, показанная на рис. 7.2. Устройство управления непрерывного действия включается вблизи очередной точки

позиционирования, т. е. при малом рассогласовании Δq = q – q3 > а уст­ройство релейного управления включается в момент подачи программ­ного задания на очередной шаг и также при возникновении больших рассогласований, вызванных любыми причинами.. (Коммутирующий элемент КЭ на рис. 7.2 показан условно. Такой же алгоритм может быть реализован, например, с помощью управляемых ключей, осуществляю­щих нужного знака форсировку двигателя в соответствующие интервалы времени.)

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 7.2. Схема системы дуального управления приводом: КЭ — коммутирующий элемент

Рассмотрим алгоритмы релейного управления, а затем вернемся к каналу непрерывного управления. На рис. 7.3 показан процесс такого опти­мального по быстродействию релейного управления электрическим при­водом, описываемый 2 дифференциальными уравнениями первого по­рядка с ограничениями по входному напряжению и по движущему моменту, т. е. по току [23].

В соответствии с теорией оптимального управления оптимальный алго­ритм процесса управления напряжением на входе привода состоит из 3 интервалов: на первом из которых предельное значение имеет момент двигателя Мддпр, на втором — напряжение на его входе (на якоре) u=uпр и на третьем — опять Мд, но уже с обратным знаком Мд=-Мд пр.

На рис. 7.3, а на фазовой плоскости сплошными линиями показаны оп­тимальные по быстродействию процессы движения при отработке зада­ния ф3 при ограничении по движущему моменту Мдм1. Они состоят из парабол, выходящих из начальных точек (φ3,0) на оси абсцисс, и общей параболы, описывающей этап торможения, — линии переключения. (Пунктиром показан процесс, соответствующий наличию ограничения еще и скорости. Напомним, что момент и скорость связаны механиче­ской характеристикой двигателя.)

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 7.3. Фазовые траектории (а) и механические характеристики (б) электропривода с релейным позиционным управлением: φ — угол поворота выходного вала двигателя; Мд— движущий момент; uпр — предельное значение напряжения на входе двигателя

Для двигателя постоянного тока с независимым возбуждением и управ­лением по напряжению на якоре ограниченные переменные связаны с напряжением на якоре известными выражениями:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет                                                                                           (7.1)

Здесь I — ток в цепи якоря двигателя, имеющий ограничение Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет , которое определяет предельное значение момента Мд≤МдпрмIпр, где См — коэффициент электромагнитного момента;СЕ — коэффициент противо-э.д.с. двигателя, R — активное сопротивление цепи якоря дви­гателя.

Уравнение линии переключения выглядит так:

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

где Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет  — функция переключения.

Для RIпр≤uпр

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет                                                                               (7.2)

где Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет , i — передаточное отношение редуктора привода, а JH и Jд—моменты инерции нагрузки и якоря двигателя.

Алгоритм управления двигателем представляет собой двухпозиционное релейное управление с входным сигналом ±uпр. Знак этого сигнала оп­ределяется знаком функции переключения (7.2). Ограничение тока при этом осуществляется с помощью обратной связи по току. При достаточ­но сильной этой связи ток, а, следовательно, и момент двигателя будут практически безинерционно следовать за входным напряжением и, реа­лизуя режим моментного управления двигателем.

Отрезок 1—2 на рис. 7.3 соответствует этапу разгона с постоянным уско­рением, т. е. с Мддпр; участок 2—3 — продолжение этапа разгона, но с и = uпр, когда с ростом противо-э.д.с. напряжение на якоре достигло своего предельного значения; 3—4 — этап движения с постоянной скоро­стью, который может возникать при достаточно большой длительности процесса разгона в прежнем режиме ограничения и; 4—5 — момент пере­хода к этапу торможения реверсированием тока якоря и соответственно момента; 5—6 — этап торможения при Mд= – Mдпр.

§

Особенности непрерывного (контурного) управления роботами

Типичные роботы с непрерывным, т. е. контурным управлением — это промышленные роботы для дуговой сварки и резки, для нанесения по­крытий. На рис. 8.1 и 8.2 показаны примеры таких роботов. Их главное отличие от роботов с дискретным позиционным управлением заключает­ся в непрерывном движении рабочего органа манипулятора по траекто­рии. Сама программная траектория при этом может задаваться и в виде дискретной функции времени, т. е. последовательности точек. Важно, что рабочий орган должен проходить эти точки без остановок, как это про­исходит при дискретном позиционном управлении.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 8.3. Динамическое запаздывание q(t) при отработке программной траектории q3(t)

Управляющую программу можно находить и экспериментально методом обучения на реальном роботе. Существуют два способа такого обучения. Первый — путем непрерывного перемещения рабочего органа манипу­лятора рукой оператора с записью сигналов с датчиков обратной связи приводов. Для того чтобы двигатели манипулятора не препятствовали этому, его конструкция должна предусматривать возможность их отсо­единения от механической системы манипулятора (с сохранением соеди­нения с ней датчиков обратной связи).

Другой способ основан на последовательной установке рабочего органа с помощью приводов в точках, заранее выбранных на программной тра­ектории с записью показаний датчиков обратной связи приводов, как при программировании систем дискретного позиционного управления. Затем для формирования заданной траектории между этими точками при воспроизведении запрограммированного движения используется интер­полятор. Необходимая динамическая коррекция при программировании таким методом обучения также подбирается экспериментально, путем многократного пробного воспроизведения требуемой траектории за за­данное время.

Второй путь уменьшения динамической ошибки — это повышение быст­родействия самой системы автоматического управления введением в нее динамической коррекции, которая будет формироваться непосредствен­но в ходе отработки подаваемой на вход системы требуемой программной траектории. Конечно, этот путь значительно сложнее, поскольку мы игнорируем априорное знание подлежащей реализации траектории, но зато он упрощает программирование робота, сводя его только к кинема­тическому синтезу программной траектории для приводов.

Смотрите про коптеры:  Syma X30 как подключить к телефону

В целом различают 2 варианта программирования систем непрерывного (контурного) управления — кинематическое и динамическое. Первый вариант соответствует малым скоростям движения рабочего органа, примерно менее 0,5 м/с, когда динамической погрешностью отработки программной траектории при имеющемся быстродействии системы управления можно пренебречь. Второй вариант относится к большим скоростям, когда необходимо вводить динамическую коррекцию в управляющую программу, т. е. при аналитическом ее расчете решать об­ратную задачу динамики, а не кинематики как в первом случае.

Развитием описанных выше способов программирования методом обу­чения стало применение в них современных способов управления мани­пуляторами человеком-оператором (см. главу 10). Так, программирова­ние путем перемещения рабочего органа манипулятора рукой оператора может осуществляться с помощью трехстепенной задающей рукоятки, которая укрепляется на время программирования на рабочем органе ма­нипулятора. Оператор, смещая эту рукоятку с нейтрального положения в нужном направлении, осуществляет перемещение рабочего органа мани­пулятора, управляя с помощью контактов задающей рукоятки привода­ми манипулятора через его устройство управления. В таком варианте этот способ программирования применим ко всем манипуляторам и не требует отсоединения двигателей приводов как в его исходном варианте.

Способ программирования обучением путем управления приводами ма­нипулятора через его устройство управления (обычно с помощью пере­носного пульта) состоит в следующем. На время программирования на рабочий орган манипулятора укрепляется передающая телевизионная камера, дающая крупным планом на экран персонального компьютера изображение объектов внешней среды, с которыми манипулятор должен взаимодействовать. Управление манипулятором осуществляется через компьютер с помощью мыши или такой же задающей рукояткой, как в предыдущей системе. Преимущество этого варианта системы програм­мирования — в значительно большем быстродействии и точности.

§

Классификация технологических комплексов с роботами на основных технологических операциях

Как было отмечено в главе 1, с начала развития современной робототех­ники по мере совершенствования роботов происходит устойчивый рост доли ПР, применяемых на основных технологических операциях. В 1980—1981 гг. их доля в общем парке роботов впервые превысила 50%. Опыт показывает, что, хотя внедрение ПР на основных операциях требу­ет значительно больших (в 3—4 раза) затрат, чем на вспомогательных операциях, именно здесь достигается наибольшая эффективность приме­нения ПР при высвобождении рабочих. Велик и социальный эффект в связи с вредностью для человека ряда таких операций (например, окра­ска, сварка) или с их монотонностью (например, сборка на конвейере). В машиностроении основными типами технологических комплексов, в которых ПР получили широкое применение на основных операциях, яв­ляются комплексы сборки, сварки, нанесения покрытий, шлифования, зачистки, клепки. К таким комплексам относятся также комплексы для бурения в горном деле, монтажа огнеупоров в металлургии, для монтаж­ных и облицовочных работ в строительстве, упаковки штучной продук­ции в легкой и пищевой промышленности.

Сборочные робототехнические комплексы

Этот тип робототехнических комплексов по своему значению является, пожалуй, наиболее важным. Сборочные операции в машиностроении составляют до 40% себестоимости изделий, а в приборостроении ешё больше — до 50—60%. Вместе с этим степень автоматизации сборочных работ сегодня весьма низка в связи с ограниченными возможностями, которые имеют здесь традиционные средства автоматизации в виде спе­циальных сборочных автоматов. Такие автоматы применимы главным образом в массовом производстве, в то время как, например, в машино­строении до 80% продукции относится к серийному и мелкосерийном) производству. Поэтому создание гибких сборочных комплексов на базе ПР является одним из основных направлений в автоматизации сбороч­ных операций.

К сборочным операциям относятся механическая сборка, электрический монтаж, микроэлектронная сборка. Процесс сборки состоит из следую­щих последовательных взаимосвязанных операций:

· загрузка собираемых деталей в загрузочные и транспортные устройства (обычно с их ориентацией);

· перемещение деталей к месту сборки;

· базирование, т. е. фиксация в строго определенной позиции, с ориен­тацией деталей на сборочной позиции;

· собственно операция сборки, т. е. сопряжения деталей, включая часто закрепление;

· контрольно-измерительные операции в ходе сборки;

· удаление собранного узла со сборочной позиции для перемещения его на следующую позицию, если сборка не закончена.

На рис. 15.1 показан участок одного из первых отечественных робототехнических сборочных комплексов массового производства механи­ческих наручных часов на базе специальных ПР, относящийся к п. 2 при­веденной классификации. На прямоточной транспортной системе закре­плено приспособление-спутник, которое перемещается от позиции к по­зиции по прямой линии с фиксацией через равные промежутки времени.

Сборка осуществляется по принципу параллельно-последовательной сборки на всех позициях одновременно с последующим перемещением приспособления-спутника на очередной шаг. Установка оснащена специ­альными пневматическими ПР с приспособлениями, сменяемыми в зави­симости от марки собираемых часов.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 15.1. Робототехническая сборочная линия массового производства наручных часов

На рис. 15.5 показан один из первых робототехнических комплексов, осуществляющих сборку на одном рабочем месте такого достаточно сложного изделия, как пылесос. Комплекс смонтирован на сборочном столе и включает 2 электромеханических манипулятора (1, 2) с 8 степе­нями подвижности (первый (силовой) работает в вертикальной плоско­сти, а второй — в горизонтальной) и 7 телевизионных камер. 3 из них (α, β, γ) ориентированы вертикально, а 4 (А, В, С, D) — горизонтально. За­хватное устройство горизонтального манипулятора снабжено датчиками тактильными, усилия и давления. Пылесос 3 собирается из 3 узлов: фильтра 4, электродвигателя 5 и корпуса 6, которые поступают на сборку неориентированными.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 15.5.Робототехнический комплекс для сборки пылесосов1 фирмы “Хитачи” (Япония)

Близки к сборочным роботам и часто применяются вместе с ними робо­ты для контроля размеров — измерительные машины. Их рабочим орга­ном является измерительный щуп, которым производится ощупывание контролируемого изделия в нужных точках. Обычно такие измеритель­ные машины имеют прямоугольную систему координат и ЧПУ, обеспе­чивающее точность до единиц микрометров. На рис. 15.6 показан при­мер измерительной машины.

§

Сварка — одна из областей широкого применения ПР. Из многочислен­ных видов сварки ПР получили основное применение на контактной то­чечной, дуговой, а также на электронно-лучевой сварке. Контактная то­чечная сварка осуществляется путем нагрева импульсным электрическим током. Рабочими органами ПР для выполнения такой операции являют­ся сварочные клещи (рис. 15.7). Существуют сварочные ПР, у которых манипулятор заканчивается одним электродом, а вторым электродом служит само свариваемое изделие (рис. 15.8). Промышленные роботы для контактной точечной сварки имеют специальную конструкцию, которая предусматривает размещение сварочного трансформатора и токопроводящего кабеля, идущего от него к сварочным клещам. Сварочный трансформатор расположен обычно на манипуляторе ПР, в том числе и непосредственно в его рабочем органе (для того, чтобы максимально со­кратить длину кабеля от трансформатора к сварочным клещам, по кото­рым проходит большой импульсный сварочный ток). Грузоподъемность таких сварочных ПР составляет 20—30 кг. Управление ПР, применяемых для контактной точечной сварки, — дискретное позиционное. Устройст­во управления рассчитано на работу в условиях сильных электромагнит­ных помех, создаваемых импульсами сварочного тока.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 15.7. Сварочный робот “Юнимейт”

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 15.8. Сварочный робот фирмы “КУКА”

Робототехнические комплексы для нанесения покрытий

Промышленные роботы нашли применение на операциях нанесения раз­личных покрытий: лакокрасочных, защитных, упрочняющих, герметизи­рующих и т. п. Операции эти для человека не только физически тяжелы, но и вредны. В большинстве случаев нанесение покрытий связано с при­менением взрыво- и пожароопасных веществ. Поэтому используемые на таких операциях ПР должны иметь взрывобезопасное исполнение. Для нанесения покрытий широко применяют пульверизаторы. На рис. 15.11 показан ПР с пульверизатором в качестве рабочего органа. Робот такого же назначения показан на рис. 4.9. Управление такими ПР— непрерыв­ное (контурное) с программированием методом обучения. По сравнению со сварочными ПР требование к точности ПР для нанесения покрытий существенно ниже, а к быстродействию, наоборот, выше. Применяется в этих ПР и адаптивное управление с использованием системы техническо­го зрения для определения габаритов очередного изделия, на которое должно быть нанесено покрытие. По полученным данным автоматиче­ски выбирается и корректируется управляющая программа для ПР.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 15.11. Роботизированный окрасочный комплекс с ПР фирмы “Девилбис” (США)

Другим вариантом технологии нанесения покрытий является использо­вание для этого электростатического поля. Этот способ обеспечивает более высокое качество покрытия и более экономичен. Однако высокое напряжение (десятки киловольт) создает дополнительную взрывоопасность, что ограничивает область применения окрасочных ПР с такого типа распылителями.

§

Классификация роботизированных технологических комплексов

 Одна из актуальных задач робототехники — замена рабочих, занятых на вспомогательных операциях. Хотя, как было отмечено ранее, стоимость автоматизации вспомогательных операций в 3—4 раза ниже, чем основ­ных, степень их автоматизации почти вдвое ниже. В результате сегодня около половины рабочих, занятых в промышленности, работают на та­ких наименее престижных и не требующих высокой квалификации руч­ных операциях. Роботизированные технологические комплексы (РТК), в которых ПР используются на вспомогательных операциях по обслужи­ванию основного технологического оборудования, и сами такие ПР классифицируются по виду основного технологического процесса или реализующего его основного технологического оборудования. Основ­ными по значению типами таких РТК являются РТК механообработки, штамповки, прессования пластмасс, горячей штамповки и ковки, литья под давлением и внутрицехового транспорта.

Роботизированные технологические комплексы механообработки

Одна из важных областей применения ПР на вспомогательных операци­ях — обслуживание металлорежущих станков. Здесь ПР выполняют наи­более типичную вспомогательную операцию загрузки-разгрузки оборудования, т. е. установки обрабатываемой детали и снятия ее по оконча­нии обработки. Аналогичные операции осуществляют ПР и при обслу­живании других видов технологического оборудования. Имеются еще и некоторые более специальные вспомогательные операции, выполняемые ПР, такие как смазка пресс-форм, погружение деталей в жидкость, меж­операционная транспортировка, штабелирование и т. д.

Основным технологическим оборудованием в РТК механообработки яв­ляются станки токарные, сверлильные, фрезерные, зубообрабатывающие, шлифовальные и т. д. К технологическому оборудованию предъявляются следующие основные требования: автоматический режим работы, согласуемость его системы управления с системой ПР, возможность доступа манипулятора ПР в зону установки детали на станке.

Для обеспечения автоматического режима РТК в его состав должны вхо­дить устройства удаления стружки, смазки и охлаждения рабочих орга­нов и инструмента, очистки поверхностей базирования, средства кон­троля качества обработки изделий; магазины с поштучной выдачей ориентированных деталей; устройства ограждения. В соответствии с первым требованием, предъявляемым к РТК, основным типом станков для них являются станки с ЧПУ.

Вследствие значительного времени механообработки в таких комплек­сах, как отмечалось в § 14.2, широкое применение получило обслужива­ние одним ПР нескольких станков. Варианты соответствующих компо­новок РТК со стационарными и мобильными ПР приведены на рис. 14.3—14.5.

Для обслуживания станков в простейших случаях применяют ПР с цик­ловым управлением, а наиболее общим вариантом является использова­ние дискретных позиционных ПР. Эти ПР перепрограммируются в сред­нем один раз в неделю, т. е. реже, чем обслуживаемые ими станки с ЧПУ. Средняя длительность цикла работы таких ПР — минуты.

На рис. 16.1, а показана простейшая роботизированная технологическая ячейка “станок-ПР”. Деталь, которую надо обработать, ПР берет из ле­вого магазина. В нем детали расположены в ориентированном положе­нии в ячейках или подаются поштучно к ПР. По окончании обработки ПР снимает деталь и кладет ее в правый магазин. Из таких ячеек соби­рают участки, подобные показанному на рис. 14.5. При последователь­ном соединении подобных ячеек в линию все последующие ячейки полу­чают детали из магазина на выходе предыдущей ячейки. Однако для левого магазина самой первой ячейки существует задача предваритель­ного ориентированного размещения в нем деталей, получаемых в общем случае в неориентированном виде, т. е. навалом.

Принципиально возможны следующие варианты решения этой задачи:

·применение специального ориентирующего устройства (рис. 16.1,6);

·использование для загрузки магазина адаптивного ПР;

·применение такого ПР для обслуживания станка первой ячейки (рис. 16.1, в).

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 16.1.Компоновки роботизированных технологических ячеек “станок-ПР”:

ТО — основное технологическое оборудование; М — магазин с поштучной

выдачей ориентированных деталей; ОУ — ориентирующее устройство;

Н — детали навалом; АПР — адаптивный ПР

В настоящее время широкое распространение получили специальные ориентирующие устройства типа вибробункеров.

Основной недостаток применения адаптированных ПР — их значитель­ная стоимость. Поэтому в тех случаях, когда могут быть использованы специальные ориентирующие устройства, они являются более пред­почтительными. К сожалению, область их применения, как и вообще всех специальных устройств, ограничена крупносерийным и серийным производствами с достаточно редкой сменяемостью обрабатываемых де­талей. Для ослабления этого ограничения создаются перестраиваемые ориентирующие устройства (со сменными частями и т. п.).

Вариант использования адаптивных ПР непосредственно для обслужи­вания станков в основном применим только при достаточно длительном цикле обработки деталей на станке, продолжительность которого позво­ляет осуществлять обслуживание одним ПР нескольких станков (рис. 16.1, г и д). В этом случае стоимость ПР соответственно распределя­ется на несколько технологических ячеек.

§

Еще одной областью широкого применения ПР является холодная лис­товая штамповка. Объясняется это большим травматизмом рабочих, достигающим 30%, и монотонностью обслуживания прессов, а также простотой применения на этих операциях ПР. Промышленный робот используется здесь, как и в механообработке, прежде всего для выполне­ния операций загрузки-разгрузки: загрузка прессов исходным листовым материалом (подача листа в штамп) и разгрузка штампа (съем штампов­ки и укладка ее в магазин). На рис. 14.1 и 14.2 были представлены основ­ные компоновки РТК холодной штамповки.

Основной особенностью применения ПР на холодной штамповке по сравнению с механообработкой является необходимость обеспечить зна­чительно большее быстродействие, поскольку цикл работы пресса изме­ряется всего несколькими секундами. Используемые здесь ПР имеют простое цикловое управление, как правило, цилиндрическую систему координат и не более трех степеней подвижности. Захватное устройство чаще всего выполняется в виде вакуумных присосок. Для обеспечения необходимой быстроты обслуживания пресса часто применяют ПР с двумя манипуляторами — один для загрузки, а другой для разгрузки штампа.

Устройства передвижения мехатронных систем/роботов — Викиверситет

Рис. 16.3.Роботизированный комплекс холодной штамповки с адаптивным ПР

на входе: С — стол; ВД — видео датчик; УП — устройство подсветки;

УПО — устройство предобработки видеоинформации; П — пресс

Иногда разгрузку осуществляют с помощью толкателя, устанавливаемо­го на станине пресса, или сдувания штамповки сжатым воздухом. На рис. 16.3 показан пример РТК холодной штамповки с адаптивным ПР на входе для взятия заготовок из навала.

Адаптивный позиционный робот ПР1 с техническим зрением берет не­ориентированные листовые заготовки из магазина М1, где они располо­жены навалом, и в произвольном положении кладет на стол С. Над сто­лом расположены видеодатчик ВД (телевизионная камера) и устройство подсветки УП. Информация от видеодатчика поступает на устройство предварительной обработки видеоинформации УПО, где осуществляется выделение контура заготовки. Далее в ЭВМ вычисляются координаты и ориентация заготовки и формируются корректирующие сигналы, пере­даваемые в устройство управления ПР1, по которым робот смещает заготовку на столе в расчетную позицию для последующего взятия ее цикловым промышленным роботом ПР2. Цикловой робот ПР2 устанав­ливает эту заготовку в пресс П, затем извлекает из него отштампованную деталь и кладет в магазин готовых деталей М2.

Оцените статью
Радиокоптер.ру
Добавить комментарий

Adblock
detector