Читать книгу Робототехника в промышленности - Юрий Степанович Почанин - Страница 3

Решая задачи производства, рабочий орган манипулятора промышленного робота совершает требуемые движения, транспортируя объект или выполняя технологическую операцию. Перемещение рабочего органа осуществляется исполнительным механизмом, являющимся механической частью исполнительного устройства промышленного робота. Исполнительный механизм (ИМ) представляет собой систему твердых упругих тел, соединенных между собой. Эти твердые тела, являясь функциональными элементами кинематической цепи промышленного робота, называются звеньями.

Соединение звеньев механической системы в кинематическую цепь осуществляется с помощью кинематических пар. В большинстве своем это пары вращательные или поступательные, обеспечивающие одну степень свободы. Совокупность некоторого числа подвижных звеньев обеспечивает механизму определенное число степеней подвижности.

Кинематическое звено – совокупность жестко соединенных друг с другом тел, входящих в состав механизма, в данном случае в состав манипулятора. Входное кинематическое звено – это звено, получающее независимое, заданное движение.

Конструктивно звенья могут быть образованы несколькими деталями, неподвижными относительно друг друга. Неподвижное звено принято называть основанием или стойкой. Звено же, которому передастся движение для преобразования исполнительным механизмом в необходимые движения других звеньев – входное. Звено, реализующее движение, для выполнения которого предназначен ИМ, называют выходным или конечным. Максимальное количество таких звеньев определяется числом степеней подвижности исполнительного механизма. Между входным и выходным звеньями находятся промежуточные звенья.

Движения звеньев манипулятора (М) по заданным траекториям невозможны без наложения на их определенные точки, линии или поверхности пространственно-кинематических связей, объединяющих эти звенья в кинематическую цепь.

Кинематическая цепь – это совокупность кинематических звеньев, подвижно соединенных друг с другом с помощью кинематических пар. Если в кинематической цепи есть кинематические звенья, входящие в одну кинематическую пару, то такая цепь называется разомкнутой, а если же каждое звено входит как минимум в две кинематических пары, то это замкнутая кинематическая цепь.

Кинематическая пара – подвижное соединение двух кинематических звеньев, допускающее их вполне определенное движение относительно друг друга.

Кинематические пары делятся на пять классов. Класс пары определяется числом связей. Разность между возможным числом степеней свободы кинематической пары W в прямоугольной системе координат и числом условий связи (W-5) определяет ее подвижность. Число возможных степеней свободы в прямоугольной системе координат равно шести (3 поступательных движения в направлении 3-х осей координат и плюс 3 вращательных вокруг этих осей). Итак, требуемое перемещение объекта в пространстве с заданной ориентацией реализуется кинематической структурой, образованной кинематическими цепями манипулятора.

В соответствии с реализацией выделенных ранее групп движений (глобальные, региональные и локальные) в манипуляторе выделяют и соответствующие системы. Это система передвижений, свойственная только мобильным роботам, и манипуляционная система. При этом в манипуляционной системе две различные по функциональному назначению кинематические цепи: рука и кисть.

Под «рукой» понимают ту часть манипулятора, которая обеспечивает транспортирующие перемещения (региональные движения), а под «кистью» – ориентирующие, т.е. звенья и пары которой обеспечивают ориентацию схвата (его локальные движения).

Для транспортирования выходного звена в любую точку рабочего пространства по заданной траектории и с заданной ориентацией необходимо, чтобы механизм манипулятора имел не менее шести управляемых степеней подвижности. Однако в этом случае данная автоматическая система будет весьма сложная и дорогостоящая, как с конструктивной, так и с эксплуатационной точек зрения. Поэтому в тех случаях, когда производственные задачи могут решаться с использованием более простых машин, применяют механизмы с меньшим числом степеней подвижности – тремя, а иногда и двумя.

По кинематической схеме промышленные манипуляционные роботы подразделяют на следующие.

1. Робот с линейной системой координатных перемещений имеет, как показано на рис.1.1, прямоугольную, или декартову, систему координат. Рассматриваемый манипулятор ПР имеет три линейных степени подвижности, реализованных одноподвижными поступательными кинематическими парами. Такая система перемещений обеспечивает прямолинейное движение рабочего органа М в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Основание робота представляет собой корпус, выполненный в виде балочной, мостовой или портальной конструкции. По его направляющим поступательно перемещается в одном из горизонтальных направлений узел, реализующий вертикальное перемещение рабочего органа. Вертикальное перемещение относительно стойки (или колонны), совершающей горизонтальное движение относительно корпуса, выполняет подвижно закрепленная на ней тележка (или каретка). Второе горизонтальное перемещение рабочего органа в направлении, перпендикулярном движению стойки, обеспечивает «рука» манипулятора, совершающая движение относительно закрепленной па стойке тележки. Форма рабочего пространства, ограниченного крайними положениями рабочего органа, называемого рабочей зоной, представляет собой прямоугольный параллелепипед.

Рис.1.1. Схема робота с прямоугольной системой координат

Простота и свойства системы линейных координатных перемещений манипуляторов с прямоугольной системой координат (удобство обслуживания рабочей зоны, относительно высокая жесткость) обеспечили использование таких ПР в стесненных условиях, в подвесном исполнении и при необходимости обеспечения высокой точности. Примерами могут служить обслуживание основного технологического оборудования (металлорежущие станки) и сборочных операций. Несмотря на все их преимущества (сравнительная простота манипулятора и его программирования), эти промышленные роботы используются сравнительно редко. Их недостатки это – увеличение габаритов при относительно малом объеме рабочей зоны, увеличение длительности циклограммы процесса. Как правило, для выполнения подобных работ используют каретки, подвешиваемые на направляющих, либо используют портальные конструкции.

2.Робот с цилиндрической системой координат имеет одну вращательную и две поступательные подвижные кинематические пары для реализации необходимых степеней подвижности, как показано на рис.1.2. Они образуют полярную систему координатных перемещений. В отличие от предыдущей схемы манипулятора с линейно системой координатных перемещений, у рассматриваемого колонна не перемещается относительно корпуса горизонтально, а совершает поворот вокруг своей оси. Остальные степени подвижности реализуются, как и в предыдущем случае. Форма рабочей зоны такого манипулятора ПР представляет собой полый цилиндр.

Рис. 1.2. Схема робота с цилиндрической системой координат

Удобство конструкции и программирования способствовало более широкому распространению таких манипуляторов с полярной системой координатных перемещений. Эта система позволяет обслуживать рабочее пространство с большим объемом и облегчает планировку и компоновку рабочих мест и оборудования при создании робототехнических комплексов. Однако у этой системы координатных перемещений есть и недостаток. Им является затруднение обслуживания технологического оборудования, расположенного на небольшой высоте.

3. Робот со сферической системой координат, схема которого представлена на рис. 1.3, имеет две вращательные подвижные кинематические пары и одну поступательную. В отличие от предыдущей схемы, в рассматриваемой еще одна поступательная кинематическая пара заменена на вращательную, однако «рука» манипулятора всё ещё способна совершать поступательные перемещения. Форма рабочей зоны такого манипулятора представляет собой полый шар, ограниченный сферической и двумя плоскими поверхностями. Такие манипуляторы более громоздки по сравнению с предыдущими и нуждаются в более сложной системе программного управления.

Рис. 1.3. Схема робота со сферической системой координат

Тем не менее, их высокая универсальность, наряду с возможностью обслуживания рабочих зон большего объема (в сравнении с манипуляторами прямоугольной и цилиндрической систем координат), определили их более широкое распространение.

4.Робот с ангулярной (угловой) системой координатных перемещений и сферической системой координат, схема которого представлена па рис. 1.4, имеет три вращательные подвижные кинематические пары, обеспечивающие степени подвижности.

Рис. 1.4. Схема робота с ангулярной (угловой) системой координатных перемещений

Такую конфигурацию ещё называют антропоморфной. Положение и ориентация манипулятора в рабочей зоне такого робота определяются за счет изменения только угловых положений его звеньев друг относительно друга. Иными словами, манипулятор состоит из звеньев аналогично руке человека. Форма же рабочей зоны представляет собой сложное сферическое пространство, ограниченное сферическими и цилиндрическими поверхностями.

Ангулярная система координатных перемещений является достаточно сложной как с конструкторской точки зрения, поскольку необходимы специальные меры для повышения точности и жесткости манипулятора, так и с точки зрения программирования. В результате, помимо сказанного, требуется использование более сложных устройств программного управления. В то же время, эти манипуляторы отличает высокая универсальность и наибольший объём обслуживаемой рабочей зоны. Благодаря этому они хорошо компонуются с оборудованием, позволяя минимизировать производственные площади.

5. Робот с полярной системой координатных перемещений и цилиндрической системой координат, схема его манипулятора представлена на рис. 1.5.

Рис.1.5. Схема робота с полярной или сложной цилиндрической системой координат

Степени подвижности данного манипулятора реализованы тремя вращательными одноподвижными кинематическими парами и одной поступательной одноподвижной кинематической парой. Манипулятор такого робота состоит из вращающейся колонны, или корпуса, присоединенного к нему и поворачивающегося в той же горизонтальной плоскости звена, на конце которого в направляющей перемещается вертикально «рука».

6. Кинематическая схема робота SCARA имеет две вращательные степени подвижности с параллельными осями, обеспечивающими плавные движения в выбранной плоскости, рис.1.6. Кинематика робота представлена на рис.1.7.

Рис.1.6. Кинематическая схема робота SCARA

Рис.1.7. Кинематика робота SCARA

Сочлененный манипулятор робота более широко используется для сборки во всем мире благодаря простоте и беспрепятственного монтажа. Роботы SCARA обычно имеют так называемую последовательную архитектуру, в которой один базовый двигатель должен нести все остальные установленные двигатели. Сам SCARA-робот, оригинальное исполнение. Один шаговый мотор приводит в движение внутренний рычаг, на котором установлен второй шаговик для привода наружного рычага. Промышленные SCARA-роботы используют именно этот вариант. Одним из недостатков этих типов роботов является то, что они чрезвычайно дороги по сравнению с довольно недорогими декартовыми роботами. Кроме того, для работы им требуется сложное программное обеспечение высокого уровня.

7. Параллельные роботы. Роботы с параллельной кинематикой – роботы, звенья которых образуют замкнутые кинематические цепи с вращательными и поступательными шарнирами, имеющими параллельные оси. Структурная схема параллельного робота показана на рис.1.8.

Рис.1.8. Структурная схема параллельного робота

Параллельный робот специально разработан, чтобы оставаться жестким и противостоять всем нежелательным помехам и движениям, в отличие от серийных роботов-манипуляторов. Хотя каждый привод работает с определенной степенью свободы, их гибкость в конечном итоге ограничивается другими приводами. Его жесткость и прочность отделяют параллельные манипуляторы от серийных цепных роботов.

8. Роботы с комбинированной кинематикой-роботы, кинематика которых представляет собой комбинацию указанных выше схем.

Выбор системы координат определяет тип руки манипулятора и вид его зоны обслуживания.