Робототехника в промышленности

Юрий Степанович Почанин, 2022

В книге подробно в популярном виде рассмотрены основные конструктивные элементы промышленных роботов, а именно, механическая система, информационно-измерительная система, системы управления. Описаны принципы работы датчиков внешней информации, к которым относятся датчики технического зрения, силомоментные, локационные, тактильные, температуры и химические, датчиков внутренней информации роботов. к которым относятся датчики линейных, угловых перемещений и скоростей, датчики, измеряющие давление, силу и крутящих моментов звеньев манипулятора. Рассмотрены области применения промышленных роботов в производстве на сборочных операциях, механической обработке деталей, на сварочных работах, в литейном , прессовом и штамповочном упаковочном производствах, а также при транспортировки грузов в цехах и складах (транспортные роботы).

Глава 3. Конструкция промышленного робота

Промышленный технологический робот состоит из механической системы (манипуляционная система и исполнительные устройства), информационной системы и системы управления. Стандартная схема работы технологического промышленного робота представлена на рис. 3.1. Для осуществления технологического процесса вводится управляющая программа (УП) из системы программного управления (СПУ). Захват заготовки производится по команде. Для этого обеспечивается поступательное перемещение манипулятора и вращательное движение захватывающего устройства. Далее заготовка перемещается в рабочую зону, где подвергается обработке. При этом рабочий орган обладает возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения. Через датчики обеспечивается обратная связь, учитывающая изменение внешних условий. Если происходит малейшее отклонение от заданной программы, то происходит корреляция движения. Если же наблюдается значительное отклонение и невозможность его исправления, то сигнал подается на главный компьютер. В результате робот может быть остановлен, чтобы его можно было отремонтировать.

Рис.3.1. Стандартная схема работы технологического промышленного робота

Общая функциональная схема промышленного робота представлена на рис. 3.2.

Рис.3.2. Общая функциональная схема промышленного робота

Управляющая (интеллектуальная) система — программируемое логическое устройство, предназначенное для формирования команд управления манипуляторами двигательной системы на основе анализа сигналов, поступающих от оператора и от информационной системы. Управляющая система робота предназначена, во-первых, для выработки закона управления приводами (двигателями) механизмов исполнительной системы, используя сигналы обратной связи от информационно-измерительной системы; во-вторых, для общения робота с человеком на каком-либо языке.

Двигательная (механическая) система состоит из комплекса исполнительных устройств (сервоприводов и манипуляторов), непосредственно воздействующих на окружающую среду. Механическая система манипулятора представляет собой кинематическую цепь, состоящая из подвижных звеньев с угловым или поступательным перемещением, которая заканчивается рабочим органом в виде захватного устройства или какого-нибудь инструмента. Манипулятор состоит из несущих конструкций, приводов, исполнительных и передаточных механизмов. Каждая степень подвижности манипулятора имеет свой двигатель (пневматический, электрический, гидравлический). В промышленных роботах часто используют волновые и планетарные редукторы, что позволяет уменьшить объем и массу сборочной единицы при высоком коэффициенте передачи. В промышленном роботе малой грузоподъемности используют традиционные зубчатые редукторы, а в тяжелых роботах — зубчатые редукторы в сочетании с винтовой парой.

Исполнительный механизм промышленного робота (механическая рука) осуществляет ориентирующие и транспортирующие движения. Чаще всего он имеет шарнирное исполнение. Рабочим органом промышленного робота является захватное устройство (сварочные клещи, окрасочный пистолет, сварочный инструмент и т.д.). Захватное устройство захватывает и удерживает объекты, перемещаемые манипулятором. Современные промышленные роботы комплектуют набором типовых захватных устройств.

Информационная система (ИС) обеспечивает сбор, первичную обработку и передачу в систему программного управления данных о состоянии внешней среды и о функционировании узлов и механизмов ПР, в том числе и блоков системы управления.

Система связи робота предназначена для организации обмена информацией между системами робота, между роботом и человеком или другими роботами на понятном им языке. Цель такого обмена — формулировка человеком заданий роботу, организация диалога между человеком и роботом, контроль за функционированием робота, диагностика неисправностей и регламентная проверка робота.

Информация от человека к роботу обычно поступает через пульт управления или через устройство ввода (набор команд с клавиатуры, речевое общение, ввод видеоинформации, ввод информации с помощью биопотенциалов и др.). Таким образом, человек может передавать информацию роботу как путем непосредственного ее занесения в память управляющей системы, так и путем воздействия через искусственные органы чувств

3.1. Механическая система

Механическая система (манипулятор) обеспечивает выполнение двигательных функций и реализацию технологического назначения ПР. Она обеспечивает движения выходного звена и закрепленного на нем рабочего органа в пространстве по заданной траектории и с заданной ориентацией.

Механическая система ПР образована двумя подсистемами — несущей механической системой (НМС) и исполнительной механической системой (ИМС). Особенность конструкции механической системы состоит в том, что одни и тс же элементы относятся как к одной, так и ко второй подсистемам, в состав которых в общем случае входят следующие элементы:

–опора, в виде основания или передвижных тележек напольного или подвесного типа;

–корпус робота различной формы с вмонтированными в него механизмами подъема и поворота руки и перемещения робота;

–корпус руки робота с вмонтированными в него механизмами перемещения руки, звена, а иногда и захватного устройства;

–рука робота с одним или несколькими звеньями;

–захватное устройство.

Кинематическое и компоновочное решения влияют на конструктивное исполнение элементов, определяющее конструкцию робота, которая, в свою очередь, определяет его основные характеристики: число степеней подвижности, маневренность, сервис, систему координатных перемещений и вид системы координат, в которой они работают. Основной рычажный механизм манипулятора может обеспечить полное соответствие этому условию лишь при наличии не менее чем шести управляемых степеней подвижности (свободы). В этом случае ПР представляет собой дорогую и достаточно сложную как в изготовлении, так и в эксплуатации автоматическую систему. В целях снижения стоимости и сложности ПР, по возможности, стремятся использовать механические системы с меньшим числом степеней свобод.

Опорные конструкции ПР выполняются в виде оснований, корпусов, стоек, рам тележек, порталов и т.п. Они служат для размещения всех устройств и агрегатов IIP, а также для обеспечения необходимой прочности и жесткости манипулятора.

Манипуляционная система (манипулятор) робота представляет собой многозвенный пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью, первое звено которого (стойка) является основанием робота, а последнее несет рабочий орган, непосредственно взаимодействующий с объектом манипулирования. Система звеньев МС структурно связана в кинематическую цепь с помощью вращательных или поступательных пар.

Под звеном механизма понимают деталь (либо совокупность деталей с общим законом движения), которая в процессе движения и взаимодействия с другими звеньями остается жесткой, не изменяя своих размеров и формы. Неподвижное звено механизма называется стойкой, или основанием. Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их определенное относительное движение, именуют кинематической парой, или, сокращенно, парой. Если одно из крайних звеньев многозвенного механизма закреплено к основанию, а другое свободно, то такой механизм относят к группе механизмов с открытой, или разомкнутой, кинематической цепью.

Свободное абсолютно твердое тело (или звено), не связанное с другими телами, может совершать три независимых поступательных движения в направлении осей X, У, Z и три вращательных относительно них. Минимальное количество обобщенных координат, полностью определяющее положение и возможные направления движения тела, называют числом его степеней свободы, или степеней подвижности. Промышленный робот, который имеют 6 степеней свободы, а это значит, что он способен двигаться по 6 различным направлениям, представлен рис.3.3.

Рис. 3.3. Промышленный робот с 6 степенями свободы

В конструкциях манипуляторов преимущественно распространены кинематические пары пятого класса, значительно реже используются пары четвертого и, тем более, третьего классов. Это объясняется тем, что пары высоких классов более сложны и менее технологичны по сравнению с парами низких классов, а кроме того, сложны в управлении. В связи с этим во многих случаях целесообразно вместо одной пары высокого применять несколько пар низкого класса.

Рабочий орган манипулятора ПР, необходимый для непосредственного воздействия на объект манипулирования при выполнении технологических операций или вспомогательных переходов, представляет собой захватное устройство или рабочий инструмент.

Устройство передвижения служит для перемещения манипулятора или ПР в целом в необходимое место рабочего пространства и состоит из ходовой части и приводных устройств.

Подобно человеческой руке манипулятор также перемещает концевой эффектор с одного места на другое. При оснащении концевого эффектора различными устройствами, у робота появляется возможность выполнять определенные технологические операции. В робототехнике концевой эффектор — устройство на конце руки робота, предназначенное для взаимодействия с окружающей средой. Одним из наиболее распространенных вариантов является подобие руки, которая позволяет роботу брать и перемещать объекты с места на место

Функциональная схема механической системы промышленного робота представлена на рис.3.4.

Рис. 3.4. Функциональная схема механической системы промышленного робота

Рассмотрев определение числа степеней подвижности, можно перейти к рассмотрению маневренности манипулятора ПР. Под маневренностью принято понимать число его степеней подвижности при неподвижном (зафиксированном в пространстве) положении его выходного звена (рабочего органа). Маневренность определяет возможность руки манипулятора выполнять сложные движения и обходить препятствия в рабочем пространстве при манипулировании с объектом или выполнении сложных операций.

Все манипуляционные устройства характеризуются маневренностью и коэффициентом сервиза (КС), под которым понимают возможность подхода РО к заданной точке с разных направлений. КС дает представление о двигательных возможностях М. Маневренность М — ϶ᴛᴏ число степеней подвижности при фиксированном положении РО, которая определяет возможность обхода манипулятором препятствий в рабочем объеме и способность к выполнению сложных операций.

Движения М подразделяются на группы. Так, к примеру, движения М, снабженного наиболее распространенным в ПР РО в виде (устройства захвата) УЗ бывают следующих видов:

–ориентирующие перемещения УЗ, соизмеримые с его размерами;

–транспортирующие перемещения, определяемые размерами звеньев руки и соизмеримые с размерами рабочего объема;

–координатные перемещения на расстояния, превышающие размеры ПР и размеры рабочего объема.

Совокупность степеней подвижности манипулятора ПР определяет возможность его рабочего органа занимать различные положения в разных областях ограниченного конкретными связями и размерами звеньев кинематической цепи рабочего пространства М.

3.1.1. Приводы промышленного робота

Привод промышленного робота предназначен для преобразования подводимой энергии в механическое движение исполнительных звеньев манипулятора в соответствии с командными сигналами, поступающими от системы управления и в общем виде содержит энергоустановку, двигатели, редукторы, преобразователи вращательного движения в поступательное и наоборот, тормоз, муфта и датчики перемещения исполнительных звеньев.

К приводам, применяемым в роботах, предъявляют весьма жесткие специфические требования:

–должны встраиваться в исполнительные системы робота — в манипуляторы и системы передвижения,

–габариты и масса приводов должны быть минимальными, так как приводы в роботах работают в основном в неустановившихся режимах и с переменной нагрузкой, то приводы в переходных процессах должны быть практически не колебательными.

Скорость поступательного движения на выходе приводов роботов должна составлять от долей до нескольких м/с при погрешности отработки перемещения, равной долям миллиметра.

Тип привода ПР определяется, с одной стороны, условиями функционирования, грузоподьемностью и требованиями к его управляемости. С другой же стороны, тип привода ПР определяется видом энергии, используемой для работы его исполнительных механизмов. Выбор типа привода зависит от функционального назначения и условий эксплуатации ПР (пожара-и взрывобезопасность, защищенность и невосприимчивость к отдельным видам помех), от требований к способу управления и регулирования, вида системы управления, грузоподьемности и требуемых динамических характеристик конструкции, способа регулирования, требований технологического процесса. Па выбор привода также может оказать влияние его компоновочная схема: расположение силовых двигателей (в едином блоке, на исполнительных звеньях, комбинированная).

В роботах нашли применение 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). По имеющимся оценкам, примерно в 50% современных промышленных роботах используется электрический привод, в 30% — гидравлический и в 20% — пневматический.

Пневмопривод одной степени подвижности образован двигателем, распределительным устройством и регулятором скорости. Двигатель может быть либо поступательного движения — пневмоцилиндр, либо поворотный. К пневмоцилиндру часто пристроен тормоз, включающийся в конце хода поршня. Через шток поршень передаст движение от двигателя. Регулятор скорости привода поддерживает заданную скорость его движения путем стабилизации расхода воздуха, подаваемого в двигатель (например, с помощью дросселя с обратным клапаном).

Пневматические двигатели работают на сжатом воздухе давлением от 0,3 до 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 па вход блока питания поступает обычно из общей пневмосети, в которую он подается от компрессора (компрессорной станции). В мобильных роботах воздух поступает от баллонов, где он находится под повышенным давлением.

При простейшем цикловом управлении начальная и конечная точки перемещений определяются передвижными регулируемыми механическими упорами, устанавливаемыми на подвижной части привода (на штоке пневмоцилиндра или выходном валу поворотного двигателя). Для обеспечения точности позиционирования и быстродействия устанавливают различные гидравлические или пружинные демпферы, обеспечивающие плавный выход в точку позиционирования. Иногда используют способ торможения противодавлением путем переключения подачи воздуха из одной полости двигателя в другую — встречно движению поршня или лопасти в зависимости от двигателя. Использование таких схем приводов обеспечивает значительно более высокую точность (по сравнению с позиционным управлением с обратной связью по положению) (погрешность менее 0,1 мм), высокое быстродействие и скорость перемещения до нескольких метров в секунду.

Применение пневматических приводов в робототехнике объясняется их дешевизной, простотой и соответственно надежностью. Пневматические приводы применяют только в роботах небольшой грузоподъемности — до 10кг, реже 20кг.

Принцип его действия очень прост. Компрессор является своеобразной «газовой пружиной». Он сжимает воздух и хранит накопленную потенциальную энергию до момента подачи его в пневматический двигатель. В качестве двигателей в пневматических приводах используются:

–силовые пневмоцилиндры с возвратно-поступательным движением штока;

–поворотные пневмомоторы;

–ротационные пневмомоторы.

Наиболее распространены пневмоцилиндры, которые могут соединяться со звеньями манипулятора без помощи передаточных механизмов, что упрощает механическую систему робота. При расширении сжатого воздуха эта потенциальная энергия перейдет в кинетическую энергию поршня со штоком, рис.3.5, который является простейшим пневмодвигателем.

Данный пневмоцилиндр позволяют обеспечить только две точки позиционирования, соответствующие втянутому и выдвинутому положению штока. Соответственные позиции занимают и связанные со штоком объекты. Для увеличения точек позиционирования применяют многопозиционные пневмоцилиндры.

Рис. 3.5. Принцип действия пневмоцилиндра:

а-одностороннего действия, б-двустороннего действия

Все достоинства и недостатки пневмопривода связаны со свойствами главного рабочего тела — сжатого воздуха. Его высокая экологичность обусловливает широкое применение именно пневмоприводов в пищевой, электронной, фармацевтической промышленности и в точном приборостроении.

К недостаткам следует отнести:

–трудность реализации следящего привода;

–невозможность точного позиционирования из-за высокой сжимаемости энергоносителя;

–значительные размеры исполнительных двигателей из-за ограниченного давления энергоносителя (не более 0,6 МПа);

–необходимость в специальных тормозных устройствах для остановки исполнительных органов в заданных точках с доступными ускорениями;

–пониженный КПД (0,15-0,20).

Гидравлические приводы являются более сложными и дорогими по сравнению с пневматическими и электрическими. Однако простота реализации бесступенчатого регулирования скоростей, малая инерционность и компактность, возможность организации следящих систем с высоким быстродействием, а также наилучшее соотношение массогабаритных характеристик и удельной стоимости в диапазоне от 500 до 1 000 Вт и выше определяют их использование в качестве основного типа привода для тяжелых и сверхтяжелых роботов, рис.3.6.

Рис. 3.6. Гидравлический привод

Хорошая управляемость гидравлических приводов при наличии высококачественных динамических характеристик способствует их применению и в роботах средней грузоподъемности.

Объемным гидравлическим приводом называется совокупность устройств и гидролиний, предназначенных для передачи энергии и приведения в движение механизмов и рабочих органов машин посредством жидкости под давлением.

В гидроцилиндрах одностороннего действия шток выдвигается из исходного положения за счёт создания давления рабочей жидкости в цилиндре, а возврат — за счёт пружины. В гидроцилиндрах двухстороннего действия усилие на штоке создается за счет давления рабочей жидкости и при прямом, и при обратном ходе штока.

В качестве рабочих жидкостей применяются минеральные, синтетические и полусинтетические масла, жидкости на силиконовой основе, водомасляные и масляно-водные эмульсии. Гидропривод обеспечивает большой диапазон рабочих нагрузок робота (1…10000) Н, высокую точность позиционирования (0,01…2) мм, широкий диапазон скоростей рабочих органов (15… 2000) мм/с или (3…180) град/с. Рабочее давление жидкости лежит в пределах (14…21) Мпа.

Элементы гидропривода, аналогичны элементам пневмопривода: двигатель поступательного движения (гидроцилиндр) или углового перемещения (поворотный гидродвигатель). Различие состоит в использовании вместо сжатого воздуха гидрожидкости, (как правило, масла) подаваемого под давлением до 20 МПа. Это обеспечивает создание усилий на два порядка большее. Лучшие динамические показатели и показатели точности гидропривода обусловлены не сжимаемостью жидкости.

Для управления гидравлическими двигателями тоже используются золотники и клапаны. Поскольку они, как правило, имеют электрическое управление, то их называют электрогидравлические усилители (ЭГУ). Управление гидроприводами, обычно непрерывное.

Отличие от пневмоприводов состоит в том, что гидроприводы имеют собственный блок питания, входящий в состав робота. Образован он гидронасосом, фильтром, регулятором давления, устройством охлаждения и емкостью для гидрожидкости.

Достоинствами гидравлического привода являются:

–компактность и быстродействие,

–малая масса исполнительных двигателей,

–жесткие статические и высокие динамические характеристики,

–простота настройки точных значений скоростей звеньев и надежности их фиксации в текущих положениях,

–неограниченные мощность и грузоподъемность.

Благодаря высоким точностным качествам, гидропривод обеспечивает сложные технологические движения, необходимые, например, при контурной сварке и сборке.

К недостаткам гидропривода относятся:

–необходимость в собственных энергоустановках для преобразования энергии (гидростанциях);

–сравнительно малая скорость передачи гидравлического импульса при большой длине трубопроводов (более 2 м), снижающая быстродействие;

–зависимость расхода рабочей жидкости от влияния внешних условий окружающей среды (в первую очередь, температуры), что приводит к колебаниям скорости звеньев манипуляционного механизма;

–конструктивная сложность и высокие требования к исполнению элементов гидросистемы.

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. Электрические приводы не обладают столь же большой силой или быстродействием, но позволяют добиться лучших точностных характеристик и поэтому наибольшее распространение получил привод на основе электродвигателей. Электродвигатели могут осуществлять вращательное или линейное движение, движение без цели или точное позиционирование (шаговые двигатели), Электрические приводы используются в 40…50% серийно выпускаемых ПР со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности 3…6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ± 0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.

Электропривод ПР состоит из следующих элементов:

— исполнительного элемента (двигателя);

— преобразователя;

— регуляторов тока, скорости и угла;

— датчиков обратной связи по току, скорости и углу.

Особенностями электроприводов ПР являются расширенный диапазон малых моментов (всего до 0,05 Нм), повышенная максимальная частота вращения (до 15×103 об/мин), уменьшенная инерция двигателей, возможность встраивания в ЭД электромагнитных тормозов и различных датчиков, а также механических и волновых передач.

В последнее время в мировой и отечественной практике применения ПР электрический привод находит все большее применение. Применяются следующие электродвигатели. В настоящее время следящие электроприводы ПР, как правило, строятся на базе электродвигателей постоянного тока (ПТ), так как при этом получается более простые надежные схемы управления. По способу возбуждения электродвигатели ПТ делятся на электродвигатели с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов.

Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов наиболее перспективны вследствие малой инерционности. К преимуществам этих двигателей следует отнести также высокий КПД и независимость потока возбуждения от изменения температуры окружающей среды.

Двигатели постоянного тока с вентильным (тиристорным) управлением позволило создать бесконтактные двигатели ПТ, в которых щеточно-коллекторный узел заменен надежной полупроводниковой схемой.

Системы электродвигателей ПР являются реверсивными. Реверсивный преобразователь должен обеспечить протекание тока в обоих направлениях.

Шаговые двигатели (ШД). Все большее распространение в ПР получает дискретный привод с шаговыми двигателями, который через механическую передачу соединен с исполнительным механизмом. Принцип действия ШД основан на дискретном изменении магнитного поля в зазоре машины.

При периодических переключениях обмоток статора ШД магнитодвижущая сила (МДС) статора поворачивается на определенный шаг, вызывая поворот ротора на тот же шаг. Применение ШД даст возможность преобразовать управляющие импульсные сигналы в угол поворота вала без датчика обратной связи. В каждом сегменте присутствуют шаговые двигатели, которые заставляют суставы двигаться. Управление суставами и роботом в целом осуществляется с помощью компьютера, который заставляет вращаться конкретные шаговые двигатели. В некоторых манипуляторах вместо двигателей могут применяться пневматические или гидравлические элементы.

Сегодня основной областью применения электрических приводов в робототехнике являются мобильные ПР, легкие роботы с высококачественным управлением и промышленные роботы средней грузоподъемности. Создание новых типов электрических двигателей, специально предназначенных для ПР, позволяющих создавать более компактные комплектные приводы всех типов, способствует прогрессивному росту доли электрических приводов, используемых в робототехнике.

Бесщеточный двигатель постоянного тока (БДПТ). Бесщеточный или бес коллекторный — это один из типов приводов, набирающих популярность в робототехнике. Как понятно из названия, такой двигатель не использует щетки для коммутации, а вместо этого он коммутируется за счет электроники. Принцип работы данного привода основан на взаимодействии магнитных полей между электромагнитом и постоянным магнитом. Когда катушка находится под напряжением, противоположные полюса ротора и статора притягиваются друг к другу. Эти активаторы используются практически в любых роботах.

Достоинства БДПТ заключается в следующем:

–быстродействие относительно характеристик вращающего момента;

–более высокая частота вращения;

–высокие динамические характеристики;

–длительный срок службы;

–бесшумная работа.

Недостатки:

–сложный и дорогостоящий регулятор скорости;

–не работает без электроники;

–синхронный привод.

В промышленных роботах применяются электроприводы с двигателями постоянного либо переменного тока. В роботах с позиционным управлением и цикловым управлением по упорам применяются электроприводы дискретного действия. Причем управление скоростью для обеспечения позиционирования в заданной точке также осуществляется дискретно. Изменение скорости обычно осуществляется при использовании двигателей постоянного тока путем включения гасящих сопротивлений в цепь якоря, а при использовании двигателей переменного тока — переключением пар полюсов или переходом на другой двигатель, а также торможением с помощью демпфирующих устройств.

В системах контурного управления необходимо осуществление непрерывного управления перемещением и скоростью перемещения рабочих органов ПР. Здесь наряду с электродвигателями непрерывного действия используются шаговые электродвигатели, обеспечивающие высокую точность позиционирования при отсутствии дополнительных элементов обратной связи по положению и скорости.

Следует отметить ряд специфических особенностей использования электроприводов в промышленных роботах. К ним, прежде всего, необходимо отнести работу в существенно нестационарных нагрузочных режимах, обусловленных изменяющейся конфигурацией манипуляционной системы ПР. Это обстоятельство предъявляет повышенные требования к жесткости электропривода, что и обусловливает наличие отдельного контура стабилизации скорости с тахогенераторами в качестве датчиков обратной связи. Кроме того, не стационарность нагрузки приводит к существенным колебаниям приведенного к валу электродвигателя момента инерции нагрузки, что предъявляет дополнительные требования к динамическим характеристикам привода.

Синхронный двигатель содержит ротор, который синхронно вращается с колеблющимся полем или током. Синхронные приводы имеют множество преимуществ перед другими двигателями. В первую очередь это относится к энергетическим показателям. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.

Преимущества:

–высокая экономичность;

–удобство сборки и хорошие регулировочные свойства;

–очевидна целесообразность применения синхронного привода для механизмов, не требующих регулирования скорости.

Недостатки:

–применение синхронного двигателя затруднено, если механизмы обладают большими маховыми массами, где необходимо иметь регулируемый или двойной привод;

–не имеет начального пускового момента, следовательно, для его пуска необходимо разогнать ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Асинхронные двигатели (АД) — имеют ограниченное применение в ПР. Это объясняется сложностью и высокой стоимостью электронных преобразователей, применяемых для регулирования частоты вращения. Тем не менее в ПР грузоподъемностью свыше 40 кг их использование оправдано.

В зависимости от вида напряжения питания и отметки статора различают двух и трехфазные АД. Этот тип двигателя используется в основном для питания ведущих колес автомобиля, поэтому и может найти место в колесной робототехнике. Наличие мощных полупроводников сделало практичным использование более простых асинхронных электродвигателей переменного тока.

Преимущества:

–простота и надежность из-за отсутствия коллектора;

–низкая стоимость;

–значительно низкая масса;

–меньшие габариты.

Недостатки:

–могут перегреваться, особенно под нагрузкой;

–невозможность стабильно держать частоту вращения;

–относительно небольшой пусковой механизм.

Сервопривод. Это тип электромеханических двигателей, которые не вращаются постоянно, как шаговые, а перемещаются по сигналу в определенное положение и сохраняют его до следующего сигнала. В сервоприводах используется механизм обратной связи, позволяющий обрабатывать ошибки и исправлять их в позиционировании. Такая система называется следящей. Если какая-то сила оказывает давление на привод, изменяя его положение, двигатель будет применять силу в противоположном направлении, чтобы исправить возникающую ошибку. Таким образом, достигается высокая точность позиционирования.

Звенья, сочленённые посредством редукторов, приводятся в движение, и удерживаются в определенном положении при помощи сервомоторов (серводвигателей), рис 3.7.

Рис. 3.7. Сервомотор

Сервомоторы являются высокопроизводительными моторами, способными точно контролировать положение и скорость, но не каждый тип сервомотора подойдет для современного промышленного робота, так как есть ряд строгих требований, например, точность перемещения до 0,01мм. Расположение серводвигателей в роботах отмечено красными кружками на рис. 3.8.

Преимущества сервомоторов:

–более высокая скорость вращения;

–высокая мощность;

–позиция механизма всегда на виду и доступна для корректирования.

Недостатки:

–сложная система подключения и управления;

–требует квалифицированного обслуживания;

–высокая стоимость.

Рис. 3.8. Расположение и назначение сервомоторов

Редукторы. Физически функцию сустава (сочленения), соединяющего два соседних звена робота, несут редукторы. Они представляют собой, как правило, законченное механическое устройство, с корпусом в виде составного цилиндра. С одной стороны редуктор крепится к звену N, где установлен мотор, с другой стороны к редуктору крепится корпус звена N+1. Расположение и назначение редукторов показано на рис.3.9.

Рис. 3.9. Расположение и назначение редукторов

Редукторы нижних осей (с первой по третью) обычно имеют полую середину для того, чтобы сквозь них можно было провести электрические провода и пневматические трубки для следующих осей и исполнительного органа (инструмента) робота. Однако, основной задачей редуктора является увеличение силы вращения мотора, за счет снижения скорости вращения. Внутри редуктора находится множество механических передач разного рода, устроенных таким образом, чтобы вращение вала двигателя преобразовывалось в более мощное вращение на выходе из редуктора, но с меньшей скоростью. Таким образом, уменьшая вращение мотора в 10 раз, можно достичь десятикратного увеличения мощности привода.

Трансмиссия или передача — является компонентом, который передает крутящий момент, вырабатываемый приводами и редукторами и преобразует его в движение робота. Виды передач, используемых в промышленных роботах, показаны на рис.3.10.

Трансмиссия также способна изменять направление и величину мощности привода. Двигатель, используемый в роботах, обычно размещается рядом с суставами, но его также можно разместить вдали от суставов, используя трансмиссионные механизмы, такие как ремни и шестерни. Такая схема применяется в запястье роботов серии R от Kawasaki, что позволило сделать запястье более компактным.

Рис. 3.10. Виды передач

.

Довольно часто манипуляторы имеют встроенные датчики давления, благодаря чему они могут контролировать силу захвата. К примеру, в задачу робота может входить перемещение лампочки с одного места на другое, чтобы проверить работает ли она. Если сила будет высока, то лампочка просто лопнет. Контролирование силы сжатия гарантирует, что лампочка не пострадает. При помощи других конечных эффекторов могут использоваться распылители порошка, различные дрели и так далее.

Устройство управления приводом. Устройство управления приводом может быть непрерывного действия, релейным, импульсным или цифровым.

Обобщенная функциональная схема привода промышленных роботов приведена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Обобщенная функциональная схема привода:

КС — канал связи; ОС — обратная связь

Функциональна схема электропривода. Электропривод современного ПР представляет собой комплекс приводов, каждый из которых управляет отдельной степенью подвижности. Рассмотрим на примере электроприводного ПР модели HdS05/06 (фирма GdA, Германия) наиболее распространенную функциональную схему, рис. 3.12.

Рис.3.12. Функциональная схема управления электромеханического робота модели HdS05/06.

Данный ПР обладает шестью степенями подвижности, обозначенными на схеме как θ1…θ6. Все шесть электроприводов (ЭП1…ЭП6) управляются от общего центрального вычислительного устройства (ЦВчУ) системы программного управления (СПУ) ПР. Центральное вычислительное устройство выдает сигналы на цифровые регуляторы положения (ЦРП1-ЦРП6) отдельных приводов. Цифровые регуляторы положения управляют сервоприводами (СП1-СП6) в соответствии с сигналами ЦВчУ и датчиков угла (ДУ), например, кодовых датчиков угла с фотоэлектрическим преобразованием.

Одним из наиболее сложных и ответственных элементов в электроприводном ПР является сервопривод (СП). Схема сервопривода ПР приведена на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Схема сервопривода ПР.

Данная схема представляет собой аналогово-цифровую систему автоматического управления, в которой сочетаются преимущества комбинированной аналоговой системы, работающей по принципу трехконтурной системы подчиненного регулирования, с достоинствами цифровой системы (высокая точность и удобство программирования).

Первый контур образован двигателем (М) с преобразователем (ПР) и регулятором тока (РТ). Во второй контур входят датчик скорости (ДС) и регулятор скорости (РС). В состав третьего контура дополнительно входят датчик угла (ДУ) и цифровой регулятор положения (ЦРП).

В качестве регуляторов скорости и тока в ПР чаще всего используются аналоговые, а в последнее время — и цифровые, операционные усилители с помощью которых легко реализуется практически любой требуемый закон управления. Датчик скорости также может быть как аналоговым, так и цифровым.

В ряде случаев применение датчика скорости не требуется, т.к. сигнал об изменении скорости может быть вычислен в цифровом регуляторе положения (ЦРП) путем дифференцирования сигнала с датчика угла (ДУ)

Современные тенденции развития робототехники таковы, что позволяют выпускать сервоприводы, которые конструктивно объединяют двигатель, преобразователь, датчики и регуляторы скорости и тока.

Для электроприводов используют специальные двигатели с электромагнитным тормозом и управлением от ЧПУ, обеспечивающие многопозиционное или контурное управление. В малых и средних роботах применяются высоко моментные шаговые приводы. Электроприводы комплектуют шаговыми и линейными двигателями.

Структура устройства программного управления приводом показана на рис.3.14.

Рис. 3.14. Структура устройства программного управления:

УП—управляющая программа; УВ—устройство ввода; УО—устройство обработки; УУП—устройство управления приводом; УТК—устройство технических команд; УОС—устройство обратной связи; ИЭТК—исполнительные элементы технологических команд; П—привод; ДОС—датчик обратной связи; ТК—технологическая команда; ИОС—информация обратной связи.

В общем случае, структура привода образована устройством управления, состоящим из информационной и силовой частей, двигателя, передаточного устройства, выполняющего передачу механического движения от двигателя к исполнительному органу и согласование видов их движений и их параметров.

Структура электропривода роботов, в общем случае, образована электродвигателем с датчиками обратной связи по положению и скорости, передаточным устройством (механической передачей), тормозом, муфтами (например, для защиты двигателя от перегрузки) и устройством управления.

По функциональному признаку приводы ПР делятся на регулируемые и следящие. Регулируемые приводы работают, в основном, с ЦПУ (цикловым программным управлением). Следящие приводы — с ЧПУ и применяются тогда, когда необходима фиксация движения в любой точке.

3.1.2. Рабочий орган промышленного робота

Рабочий орган или захватное устройство — это узел механической системы ПР, обеспечивающий захватывание и удержание в определенном положении объекта манипулирования. Объекты могут иметь различные размеры, форму и массу, поэтому захваты относят к числу сменных элементов ПР и манипуляторов. Как правило, ПР комплектуют набором типовых (для данной модели) захватных устройств, которые можно менять в зависимости от требований конкретной технологической задачи.

Манипуляторы промышленных роботов оснащают двумя классами рабочих органов, к которым относятся:

–захватные устройства (ЗУ), предназначенные для захватывания и удержания предметов производства (ПП) или технологической оснастки;

–инструменты и технологические головки — приспособления и устройства, выполняющие основные технологические операции.

Захватные устройства могут удерживать детали, оснастку, инструменты и технологические головки. В качестве инструментов и технологических головок роботы оснащают ковшами для разливки расплавленного металла; клещами для точечной сварки; горелками для дуговой сварки, пламенной резки и зачистки; сверлильными, фрезерными, шлифовальными головками и др. В качестве рабочего органа используют сборочные инструменты (винта — и гайковерты, запрессовщики и т.п.), краскопульты и измерительные головки. Ограничений на тип и устройство рабочих органов нет, их выбирают из существующих конструкций или проектируют в соответствии с требованиями конкретного технологического процесса.

Рабочий орган связывает манипулятор с удерживаемой или обрабатываемой деталью. Это важная часть робота, поскольку он является последним звеном, через которое робот взаимодействует с предметом производства. Успешное применение робота во многом зависит от конструкции и изготовления его рабочего органа, конструкция которого должна соответствовать требованиям конкретного технологического процесса и быть увязанной с конструктивно-технологическими особенностями примененного робота, а также с системой управления и информационного обеспечения всего технологического оборудования, входящего в состав роботизированного комплекса. Очевидна и зависимость рабочего органа от принятой организации рабочей среды.

Свойства рабочего органа ПР. Вне зависимости от назначения рабочий орган промышленного робота обладает следующими свойствами:

–является многоэлементной механической системой, имеющей конкретное технологическое назначение;

–определяет непосредственную область применения конкретной модели промышленного робота;

–относится к числу сменных компонентов манипулятора промышленного робота;

–представляет собой приспособления, имеющие, как правило, один или более приводов;

–может содержать датчики внешней информации, обеспечивающие его адаптацию к конкретным условиям рабочей среды и решаемой задачи;

–может быть многофункциональным устройством, обеспечивающим решение более чем одной технологической задачи (перенос детали с одновременным измерением ее параметров; обрезка облоя деталей; сортировка деталей; разделение слоистых материалов и т.п.).

В состав рабочего органа робота входят: узел крепления захвата или инструмента к присоединительному фланцу руки робота; несущая конструкция; привод (пружинный, пневматический, гидравлический, электромеханический или другой); механические соединительные и рабочие элементы (рычаги, пальцы, насадки, инструмент и т.п.); датчики. При этом датчики вводят в состав рабочего органа с различными целями: для его очувствления (тактильные, силовые, силомоментные), оценки хода технологического процесса (например, контроля подачи электрода, расхода материалов, крутящего момента при сверлении или завинчивании и т.п.) и определения состояния объекта манипулирования.

Для захватных устройств определены усилие захватывания, показатели быстродействия (время захватывания, время отпускания, время локальных перемещений ЗУ), характерные предельные размеры захватываемого предмета производства (например, минимальный и максимальный диаметры цилиндрического предмета). Если робот имеет набор сменных схватов, то указываются общие пределы для всех этих схватов.

Показатели быстродействия (время перемещений, захватывания и отпускания) зависят преимущественно от вида привода (двигателей), а при одном и том же виде привода изменяются не в очень широких пределах. Обычно везде, где это возможно, используют пневматические приводы, так как они наиболее быстроходны, недороги, сравнительно мало весят и их легко обслуживать.

Технические показатели инструментов и технологических головок также устанавливают отдельно для каждого типа инструмента. Обычно это показатели, характеризующие параметры технологического процесса (усилие запрессовки в прессовых головках, расход краски для распылителей окрасочных роботов, максимальная сила тока электросварочного устройства, момент затяжки гайковерта и т.п.).

Технические требования к конструкции рабочего органа можно разделить на две группы:

–общие требования, относящиеся и к захватным устройствам, и к инструментам, и к любым другим видам оснастки;

–специальные требования, предъявляемые конкретными условиями работы (со стороны обслуживаемого оборудования и примененного промышленного робота, а также конкретными технологическими процессами, операциями, организацией окружающей среды и т.п.).

Соответствие технологическому назначению и техническим показателям робота. Рабочий орган должен быть спроектирован, выбран и (или) модернизирован так, чтобы иметь технические показатели, полностью соответствующие заданному технологическому назначению, условиям производственного процесса и не ухудшающие технические показатели промышленного робота (соответствовать прежде всего показателям грузоподъемности, погрешности позиционирования, не способствовать появлению вибраций и т.п.).

Безопасность для обслуживающего персонала, безаварийность и надежность в работе — относятся к самым важным требованиям. Рабочий орган взаимодействует не только с предметом производства, но и с другим оборудованием: станками, конвейерами, питателями, зажимными приспособлениями и т.п. В ряде случаев может происходить взаимодействие и с человеком-оператором (например, оператор может периодически загружать заготовки в питатель, производить выборочные измерения обработанных деталей или устанавливать детали в зажимное приспособление для сварки). При сбоях программы возможно отключение питания рабочего органа, а также его столкновение с предметами, находящимися в рабочей зоне робота, что может привести к его повреждению, а также представлять опасность для оператора и вызвать аварийную ситуацию. В этой связи:

–при отключении питания захватное устройство должно продолжать удерживать предмет производства, а технологическая головка полностью отключаться и отходить (с помощью пружин, противовесов и т.п.) в безопасный сектор зоны обслуживания ПР;

–между оборудованием, различными приспособлениями и роботом должна предусматриваться взаимная блокировка, препятствующая возникновению аварийных ситуаций;

–рабочие органы робота следует защищать средствами обеспечения безопасности (тактильными скобами, инфракрасными датчиками и т.п.) от возможных столкновений с объектами, расположенными в зоне обслуживания ПР;

–показатели надежности рабочего органа должны быть сопоставимы с показателями промышленного робота.

Грузоподъемность манипулятора включает и массу рабочего органа, а общая масса объектов манипулирования влияет на скорость перемещений, величину инерционных нагрузок и, в конечном счете, — на производительность РТК и точность обработки. Обычно для снижения массы разрабатывают тонкостенные, но усиленные ребрами жесткости конструкции, в которых используют легкие и прочные материалы (алюминий, магний).

Малые габариты рабочего органа способствуют снижению его массы, позволяют экономнее использовать рабочую зону, улучшают рабочие характеристики робота, содействуя уменьшению момента инерции последнего звена манипулятора.

Максимальная жесткость и прочность рабочего органа во многом определяют рабочие характеристики робота. Недостаточная жесткость рабочего органа ухудшает погрешность позиционирования руки манипулятора. Закрепление нежесткой или непрочной оснастки на присоединительном фланце может вызвать чрезмерную вибрацию, которая при применяемых скоростях перемещения конечного звена руки (до 2,5 м/с) может привести к повреждению или разрушению рабочего органа. Использование жестких конструкций позволяет избежать вибраций.

Максимальное усилие сжатия объекта манипулирования при гарантии надежного удержания и недопущении его разрушения или повреждения поверхности (благодаря применению эластичных накладок на пальцах ЗУ, силовых и силомоментных датчиков и т.п.).

Возможность применения для выполнения различных технологических операций и использования для работы с различными предметами производства в пределах одного или разных конструктивно-технологических классов достигается в результате применения:

–универсальных, широкодиапазонных и антропоморфных захватных устройств (в том числе за счет ручной перенастройки на детали разных размеров и использования сменных вкладышей и накладок);

–перенастраиваемых (в том числе автоматически) технологических головок;

–многоцелевых технологических головок, обеспечивающих выполнение нескольких технологических операций (например, головок, работающих с использованием методов электромагнитного или вихревого ориентирования деталей);

–автоматической смены захватных устройств и инструментов в соответствии с классом предметов производства и требованиями технологической операции.

Удобство технического обслуживания, замены и ремонта. Необходимо предусмотреть легкость и безопасность контрольного осмотра рабочего органа, возможность быстрой замены непрочных и изнашиваемых элементов конструкции, а также сменных деталей (накладок, вкладышей, пальцев). В целях уменьшения числа инструментов, требуемых для технического обслуживания, в конструкции рабочего органа по возможности следует использовать один и тот же тип крепежных деталей.

Классификация захватных устройств ПР проводится по нескольким принципам. Захватные устройства (ЗУ), или захваты, относятся к группе комплектующих изделий промышленных роботов. По принципу действия все ЗУ принято укрупненно подразделять на три группы: механические, вакуумные, магнитные, рис. 3.15.

Рис. 3.15. Классификация захватных устройств ПР по принципу действия

В приведенную классификацию дополнительно введены ЗУ с эластичными камерами, которые относят к группе универсальных захватов, и прочие ЗУ, к которым можно отнести, например, бесконтактные струйные и электростатические захваты. Рассмотрим другие частные классификации ЗУ по наиболее важным классификационным признакам.

По способу удержания объекта, рис. 3.16.

Рис. 3.16. Классификация захватных устройств ПР по способу удержания объекта

Схватывающие ЗУ удерживают объект благодаря кинематическому воздействию рабочих элементов (губок, пальцев, клещей) с помощью сил трения или комбинации сил трения и запирающих усилий. Все схватывающие ЗУ активного типа подразделяются на две группы: механические (клещи, тиски, шарнирные пальцы) и с эластичными рабочими камерами, деформирующимися под действием нагнетаемого внутрь сжатого воздуха или жидкости.

В поддерживающих ЗУ для удержания объекта используют нижнюю поверхность, выступающие части объекта или имеющиеся в его корпусе отверстия. К таким ЗУ относят крюки, петли, вилки, лопатки и захваты питателей, не зажимающие заготовки.

Удерживающие ЗУ обеспечивают силовое воздействие на объект благодаря использованию различных физических эффектов. Наиболее распространены вакуумные и магнитные ЗУ. Реже встречаются ЗУ, использующие эффект электростатического притяжения, адгезии и др.

По способу действия выделяют ЗУ: не приводные (например, с использованием пружины) и приводные (наличие какого-либо привода для срабатывания захвата).

По поверхности захватывания объекта: наружные (для захвата валов, корпусов, пластин) и внутренние (для захвата втулок, колец, шайб и т. п.).

По виду управления ЗУ подразделяются, рис. 3.17.

Рис. 3.17. Классификация захватных устройств ПР по виду управления

Неуправляемые — пружинные механические устройства с постоянными магнитами или с вакуумными присосками без принудительного разрежения. Для снятия объекта с таких ЗУ требуется усилие большее, чем усилие его удержания.

Командные ЗУ управляются только командами на захватывание или отпускание объекта. К этой группе относят ЗУ с пружинным приводом, оснащаемые стопорными устройствами и срабатывающие через такт. Разжимаются и зажимаются губки пружинных ЗУ благодаря взаимодействию их с объектом манипулирования.

Жесткопрограммируемые ЗУ управляются сигналами системы управления ПР. Величина перемещения губок, взаимное расположение рабочих элементов, усилие зажима в таких ЗУ могут меняться по программе, которая может управлять и действием технологических приспособлений.

Адаптивные ЗУ — программируемые устройства, оснащенные различными датчиками внешней информации (определения формы поверхности, массы объекта, усилия зажима, наличия проскальзывания объекта относительно рабочих элементов ЗУ).

По характеру крепления ЗУ к руке манипулятора выделяют следующие виды ЗУ, рис. 3.18.

Несменяемые ЗУ — устройства, являющиеся неотъемлемой частью конструкции руки манипулятора, замена которых не предусматривается.

Рис. 3.18. Классификация захватных устройств ПР по характеру крепления ЗУ к руке манипулятора

Сменные — устройства, представляющие собой самостоятельные узлы с базовыми поверхностями для крепления к руке манипулятора.

Быстросменные ЗУ — сменные, у которых конструкция базовых поверхностей для крепления ЗУ к манипулятору обеспечивает их быструю смену (например, исполнение в виде байонетного замка).

Пригодные для автоматической смены ЗУ — устройства, у которых конструкция базовых поверхностей обеспечивает возможность их автоматического закрепления на руке манипулятора.

Поскольку в машиностроении широкое распространение получили ПР с механическими захватами, приведем классификацию механических ЗУ по наличию и типу привода и типу передаточного механизма, рис. 3.19.

Рис. 3.19. Классификация механических захватных устройств ПР

В ней выделены две группы ЗУ: приводные и неприводные. По типу механизма, передающего усилие от привода к зажимному органу, представлены четыре группы.

Из множества схем механизмов передачи усилий в захвате на практике чаше всего используются схемы плоских механизмов с одним двигателем и одной степенью свободы для захватывания призматических (любого сечения) и плоских объектов.

В случае длинномерных объектов они обеспечивают захватывание одного сечения. Простейшими являются схемы с прямой передачей, в которых единственный подвижный рабочий элемент жестко связан со штоком пневмоцилиндра и поэтому перемещается по его оси. Введение объекта в зону между рабочими элементами осуществляется вдоль вертикальной оси.

Из механизмов с несколькими степенями подвижности наиболее распространены механизмы с двумя выходными звеньями, симметрично расположенными и симметрично перемещающимися относительно средней плоскости. В схеме с простейшим шарнирно-рычажным механизмом осуществляется преобразование линейного горизонтального движения штока пневмоцилиндра во вращательное движение верхнего рабочего элемента. Введение объекта в зону между рабочими элементами осуществляется вдоль горизонтальной оси (обычно выдвижением руки).

Очень распространены схемы клещевых захватов, в которых выходные звенья вращаются симметрично относительно горизонтальной оси вокруг неподвижных осей в противоположные стороны. Все эти схемы выполнены так, чтобы сжатие губок захвата осуществлялось при подаче давления в бесштоковую полость пневмоцилиндра. Общим недостатком клещевых захватов является вращение рычагов. При жестком закреплении на них рабочих элементов не может быть обеспечено захватывание плоских предметов различной толщины, поэтому клещевые ЗУ чаще используются для захватывания цилиндрических объектов.

В группе шарнирных механизмов определенный интерес представляет схема, в которой один механизм присоединен к другому. Необходимость такого соединения состоит в том, что при подходящем выборе параметров может быть получено очень широкое раскрытие рабочих элементов, необходимое в ряде случаев. Рабочие элементы вращаются вместе с рычагами, как у обычного клещевого захвата. Все рассмотренные шарнирные механизмы имеют только вращательные пары, они достаточно просты в изготовлении, что особенно важно при доводке и модернизации захватов в процессе эксплуатации роботов. Увеличенные зазоры и погрешности сопрягаемых поверхностей не существенно сказываются на стабильности положения объекта, поскольку при захватывании зазоры выбираются в одну сторону. При правильном выборе параметров и ограничении перемещений и углов поворота звеньев заклинивание и застревание объекта практически исключаются.