Технологическое оборудование машиностроительных произ­водств

ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ (ПР)

ПР — автоматическая машина, стационарная или подвижная, со­стоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имею­щего несколько степеней подвижности, и устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигатель­ных и управляющих функций.

По характеру выполняемых операций ПР подразделяют на три группы: 1. Производственные роботы, служащие для автоматизации основных операций технологического процесса (сборка, сварка, окра­ска и т. д.). 2. Подъемно-транспортные роботы, служащие для автома­тизации вспомогательных операций (установка — снятие заготовок и инструмента, удаление стружки и т. д.). 3. Универсальные роботы, выполняющие как основные, так и вспомогательные операции.

Структурная схема ПР показана на рис. 222. Основным элементом любого ПР является механическая система, предназначенная для вы­полнения двигательных функций и реализации его технологического назначения. Механическая система конструктивно состоит из следую­щих основных узлов: несущих конструкций; приводов; исполнитель­ных механизмов и захватных устройств. Захват и удерживание объекта манипулирования выполняется захватным устройством, которое уста­навливается на исполнительном механизме, часто называемом —«ру­кой» ПР.

Система программного управления служит для программирования движений ПР, как правило, технологического оборудования, сохране­ния УП, ее воспроизведения и обработки.

Информационная система выполняет сбор, первичную обработку и передачу в систему программного управления данных о функциони-

Ровании узлов и механизмов ПР и о состоянии внешней среды (объекта манипулирования, технологического оборудования). Информацион­ные системы ПР по функциональному назначению подразделяют на три подсистемы: 1. Восприятия и переработки информации о внешней среде, в которой работает ПР. 2. Внутренней информации о состоянии самого ПР. 3. Обеспечения техники безопасности.

Модель ПР для использования в конкретных производственных условиях выбирают по технологическим показателям, к которым от­носятся: 1. Номинальная грузоподъемность ПР. 2. Усилие зажима (захвата, удержания) объекта манипулирования захватным устройст­вом. 3. Число степеней подвижности ПР — сумма возможных коорди­натных движений объекта манипулирования относительно основания ПР. 4. Рабочая зона ПР — пространство, в котором может находиться исполнительное устройство при функционировании ПР. Рабочая зона характеризуется формой и геометрическими размерами. 5 . Погреш­ность позиционирования ПР (отклонения положения рабочего органа ПР от заданного УП). 6. Мобильность — способность ПР совершать движения.

По мобильности ПР подразделяют на две группы: стационарные (обеспечивающие, ориентирующие и транспортирующие движения); передвижные (обеспечивающие дополнительно к указанным еще и координатные движения).

Исполнительные механизмы ПР. Исполнительный механизм (ма­нипулятор) ПР представляет собой совокупность подвижно соединен­ных звеньев, служащих для воздействия на объект манипулирования или обрабатываемую среду. Соединение звеньев манипулятора в ки­нематическую цепь выполняется посредством кинематических пар. В большинстве конструкций манипуляторов ПР применяются кинема­тические пары класса V вращательные или поступательные. Они обеспечивают одну степень свободы в относительном движении каж­дого из подвижно соединяемых звеньев (табл. 9).

Важной характеристикой манипулятора является число степеней подвижности, определяемое числом степеней свободы кинематической цепи относительно неподвижного звена. В открытых кинематических цепях, к которым относятся манипуляторы ПР, число п подвижных звеньев всегда равно числу кинематических пар р. Для кинематической цепи, состоящей только из кинематических пар класса V, число степеней подвижности W— вп — 5р.

Звенья манипуляторов ПР в большинстве случаев образуют посту­пательные и вращательные пары класса V. В случаях, когда в кинема­тическую цепь входят только вращательные пары, манипулятор ПР имеет антропоморфную схему, подобную руке человека. 364

9. Условные обозначения элементов структурных кинематических схем мани­пуляторов ПР

Для обеспечения перемещения захватного устройства ПР в любую точку рабочего пространства манипулятор должен иметь три степени подвижности. Еще три такие степени нужны для обеспечения захват­ному устройству любой ориентации в этой точке. В зависимости от конкретных условий производства манипуляторы ПР имеют от двух до семи степеней подвижности.

В зависимости от конструктивной схемы захватное устройство манипулятора ПР может располагаться в рабочей зоне, имеющей ту или иную форму, а его движения осуществляться в различных системах координат, которые бывают двух видов: прямоугольные и криволиней­ные. В прямоугольной системе координат (плоская и пространствен­ная) объект манипулирования помещается в определенную точку рабочей зоны за счет прямолинейных перемещений звеньев манипу­лятора ПР по двум (или трем) взаимно перпендикулярным осям. В криволинейной системе координат наиболее распространены поляр­ные плоские, цилиндрические и сферические координаты. К разно­видностям криволинейной системы относятся ангулярная, плоская и пространственная (цилиндрическая и сферическая) координаты, ко­торые характерны для многозвенных манипуляторов ПР. В табл. 10 даны структурные кинематические схемы и формы рабочих зон ПР.

Приводы ПР. Для перемещения рабочих органов ПР используют пневматические, гидравлические, электрические и комбинированные приводы. Наиболее распространены пневматические приводы (45 % общего мирового парка ПР).

Приводы ПР классифицируют по ряду признаков. По числу дви­гателей различают групповой, однодвигательный и многодвигательный привод. Групповой привод обеспечивает одновременное перемещение нескольких звеньев ПР либо может обеспечивать согласованное пере­мещение звеньев нескольких ПР. Для передачи заданной мощности на несколько звеньев и ее распределения между ними используют транс­миссии, поэтому такой привод также называют трансмиссионным. Индивидуальный или однодвигательный привод обеспечивает движе­ние только одного звена исполнительного механизма ПР. Это значи­тельно упрощает конструкцию механических передач, а в ряде случаев позволяет отказаться от них. У многодвигательного привода двигатели совместно работают на общий вал, что дает возможность распределить потребляемую мощность между отдельными двигателями и улучшить условия работы механической передачи.

По способу управления приводы делят на нерегулируемые, обес­печивающие движение звеньев с одной рабочей скоростью; регулиру­емые, обеспечивающие регулирование скорости движения звеньев под воздействием устройств управления; следящие, обеспечивающие отра­ботку перемещений с определенной точностью согласно произвольно меняющемуся задающему сигналу; адаптивные — автоматически изби­рающие параметры управления при изменении условий работы с целью выработки оптимального режима.

На рис. 223, а дана схема ПР с пневматическим приводом и цикловым управлением. Привод состоит из пневмоцилиндра 7 со

Штоком 7, на котором закреплена скалка 5 с регулируемыми упорами 3 и 6, неподвижного упора 4 с демпфирующим устройством 2, возду­хораспределителя 8, устройства управления УУ. Сигнал с УУ, несущий логическую информацию о направлении перемещения штока 7, посту­пает на управляющий электромагнит воздухораспределителя 8, кото­рый в соответствии с управляющим воздействием соединяет одну из полостей пневмоцилиндра с гидростанцией, а другую — с окружающей средой. При этом шток 7 перемещается в требуемом направлении до соприкосновения упоров 3 или 6 с упором 4. Положение упоров 3 и 6 определяет величину перемещения штока 7 при прямом и обратном ходе. Демпфирующее устройство 2 обеспечивает торможение штока 7 с заданным ускорением при нажатии упорами 3 и 6 на кнопки демпфера.

На рис. 223, б показана функциональная схема следящего электро­гидравлического привода, работающего по замкнутой схеме. Поток жидкости от электрогидравлического устройства ЭГУ подается на гидромотор ГД, перемещающий звено манипулятора ЗМ. Положение X штока ГД регистрируется датчиком положения ДП, преобразуется в электрический сигнал обратной связи t/oc и сравнивается с заданным 368

О — с качающейся выдвижной рукой, б — с горизонтальной выдвижной рукой и консольным меха­низмом подъема, в — с горизонтальной выдвижной рукой, установленной на подъемной каретке, г — с многозвенной рукой

Значением сигнала U3. Разность этих сигналов AUусиливается элект­рическим усилителем ЭУ и подается в ЭГУ в качестве входного сигнала Uy. Шаговые электрогидравлические приводы работают по разомкну­той схеме, что создает опасность потери информации о положении выходного звена. Поэтому при их использовании предусматривают оснащение звеньев ПР дополнительными датчиками положения.

Типовые конструкции ПР. Конструкция механической системы ПР зависит от служебного назначения, привода, системы управления и ряда других факторов.

Напольные ПР с качающейся выдвижной рукой работают в сфе­рической и цилиндрической системах координат (рис. 224, а).

Напольные ПР с горизонтальной выдвижной рукой и консольным механизмом подъема наиболее распространены. ПР с пневматическим приводом и выдвижной рукой (рис. 224, б) работает в цилиндрической системе координат. Рука 2 ПР представляет собой пневмоцилиндр с выдвижным штоком, на конце которого установлено захватное устрой­ство 3. На основании 1 расположены механизм поворота вокруг вертикальной оси и механизм вертикального подъема руки.

Поворот вокруг вертикальной оси выполняется двумя пневмоци - линдрами, соединенными цепной передачей с блоком звездочек, смон­тированным на поворотной колонне. Такие ПР выпускают в одно-, двух-, трехруком исполнении.

Напольные ПР с горизонтальной выдвижной рукой 1, установлен­ной на подъемной каретке 2 (рис. 224, в), работают в цилиндрической системе координат и могут обслуживать один или два станка. В ПР такого рода используют все виды приводов рабочих органов и их комбинации, а также все известные виды систем управления. Грузо­подъемность различных конструкций ПР от 1 до 1000 кг, число степеней подвижности от трех до семи.

Напольные работы с многозвенной рукой работают, как правило, в ангулярной системе координат, оснащаются гидравлическими или электрическими приводами и управляются посредством позиционной или контурной системы (рис. 224, г).

Портальные ПР. Преимуществами этих ПР является экономия производственной площади и удобство обслуживания. Использование опорных систем большой длины позволяет компоновать участки с групповым обслуживанием станков одним ПР при линейном располо­жении оборудования.

ПР строят на основе агрегатно-модульного принципа. Новые мо­дели ПР создаются на базе унифицированных агрегатных узлов и блоков. Это обеспечивает широкий диапазон конструкции ПР с тех­ническими параметрами, которые наиболее полно соответствуют кон­кретным требованиям производства. На рис. 225 даны варианты принципиальных схем компоновок ПР, построенных на основе ис­пользования девяти различных модулей.

Захватные устройства ПР. Эти устройства предназначены для захватывания и удержания в определенном положении объектов ма­нипулирования (заготовок или инструментов). ПР комплектуют набо­ром типовых захватных устройств, которые можно менять в зависимости от конкретного рабочего задания.

Захватные устройства ПР классифицируют по принципу действия и по способу управления, характеру базирования объекта манипули­рования, степени специализации.

По принципу действия захватные устройства подразделяют на механические, магнитные, электромагнитные, вакуумные с эластич­ными камерами. По способу управления различают неуправляемые командные, жесткопрограммируемые и адаптивные захватные устрой­ства.

Неуправляемые захватные устройства — устройства с постоянными магнитами или с вакуумными присосками без принудительного разря­жения в виде разрезных упругих валиков, подпружиненных клещей и т. д. Эти устройства используют в массовом производстве при мани­пулировании с объектами небольшой массы и габаритных размеров.

Рука

Выдвижная

Рука

Выдвижная

Рука

Трехшарнирная

Механизм поворота

Механизм подъема

Каретка

Монорельс

Да

Рис. 225. Варианты принципиальных схем компоновок различных ПР

На рис. 226, б показаны примеры неуправляемых механических захватных устройств, в которых удержание детали осуществляется за счет упругого воздействия зажимных элементов, а удаление произво­дится посредством дополнительных приспособлений.

Командные захватные устройства управляются только командами на захватывание или опускание объекта. На рис. 226, в показано клещевидное командное захватное устройство с рычажными механиз­мами.

В жесткопрограммируемых захватных устройствах, управляемых системой управления ПР, усилие зажима и величина перемещения губок могут регулироваться в зависимости от заданной программы.

На рис. 226, г показано широкозахватное центрирующее захватное устройство со сменными губками, которые позволяют манипулировать объектами различной формы. На штоке 4 пневмоцилиндра 1 установ - 372
лена планка 5, на которой шар - нирно закреплены тяги 2, свя­занные с рычагами 3. К пос­ледним крепятся держатели 6, несущие сменные губки 7. Пе­реналадка на другой тип объекта манипулирования выполняется перестановкой осей тяг 2 в до­полнительные отверстия план­ки 5 сдвигом держателей 6 по рычагам 3 и сменой держателей 6 или губок 7. При загрузке то­карных станков с ЧПУ приме­няют центрирующие захватные устройства (рис. 226, д), оснащенные подпружиненными упорами для фиксации объекта по торцу в момент смены баз. На рис. 226, е показано центрирующее захватное устройство с расширяющейся эластичной камерой 2, которая закреплена на корпусе 1 пружинными кольцами 3. При подаче сжатого воздуха через отверстия в корпусе камера разду­вается и удерживает объект за счет силы трения.

В вакуумных захватных устройствах (рис. 226, ж) для захвата изделий применяют различные виды присосок из резины или пласт­масс. Для создания вакуума используют насосы различного типа, в большинстве случаев эжекторные, работающие под действием сжатого воздуха.

Электромагнитные захватные устройства по конструкции и области применения примерно аналогичны вакуумным, обладающим более простой конструкцией, более высокой скоростью захвата изделий и силой притяжения на единицу площади поверхности. Однако их можно применять только для изделий из магнитных материалов.

Системы управления ПР. В зависимости от служебного назначения ПР структуры систем автоматического программного управления от­личаются как по составу, так и по организации взаимодействия между составляющими элементами. Каждую из типовых систем управления ПР можно рассматривать как частный случай системы, структурная схема которой дана на рис. 227.

Информацию о требуемой траектории перемещения захватного устройства ПР записывают с помощью задающего устройства ЗДУ. Эту операцию называют программированием систем управления ПР. Уп­равляющее устройство УУ реализует алгоритмы управления, которые обеспечивают выполнение программных движений, синхронизируют работу всех подсистем ПР совместно с внешним оборудованием ВО, ведут контроль состояния системы и выдают информацию в блок индикации БИ.

Сигналы, выработанные УУ, преобразуются в устройствах сопря­
жения УС и поступают в подсистему приводов манипулятора ПМ, которые согласно программе перемещают звенья манипулятора М. Истинное положение этих звеньев определяется посредством ДОС. Информация от ДОС, преобразованная в УУ, используется для управ­ления. При некоторых способах программирования эта информация передается в запоминающее устройство ЗУ.

Система может работать в одном из двух режимов: программиро­вание и автоматическое воспроизведение программных движений.