Общие вопросы проектирования манипуляторов

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАНИПУЛЯТОРОВ

По мере развития машиностроения прежде всего автоматизировались наиболее сложные и трудоемкие операции, связанные с изменениями формы и размеров изделий. Загрузка и разгрузка технологического оборудования осуществлялись обычно вручную или простейшими средствами механизации. В последнее время в связи с задачами комплексной автоматизации производства и освоения новых областей деятельности человека (под водой, в опасных средах, в космосе) большое внимание уделяется автоматизации операций манипулирования — перемещения и ориентации изделий и инструмента.

Манипуляторы при свободном перемещении рабочего органа представляют собой пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью. Его звенья связаны кинематическими парами пятого класса (вращательными или поступательными), оснащенными приводами. Каждая такая кинематическая пара с приводом обеспечивает одну степень подвижности манипулятора. Число, вид и взаимное расположение степеней подвижности определяют манипуляционные возможности устройства.

Манипуляторы оснащаются захватными устройствами, предназначенными для захватывания и удержания объекта манипулирования — обрабатываемого изделия или обрабатывающего инструмента. Захватное устройство и инструмент называют рабочим органом манипулятора. Захватное устройство, в котором захватывание и удержание производятся относительным перемещением его частей, называется схватом.

При выполнении разнообразных, часто заранее непредвиденных работ используют манипуляторы, управляемые человеком с помощью органов управления, установленных стационарно (дистанционно-управляемые манипуляторы) или вблизи схвата (погрузочные манипуляторы). Погрузочные манипуляторы можно оборудовать специальными автоматическими устройствами уравновешивания. Такой сбалансированный манипулятор человек легко перемещает незначительным усилием руки. Среди дистанционно-управляемых манипуляторов можно выделить копирующие манипуляторы; у которых в качестве органов управления используют задающие манипуляторы, выполненные либо в виде точной копии рабочего манипулятора, либо в некотором масштабе к нему.

Для автоматизации повторяющихся операций манипуляторы снабжаются системой программного управления. Манипуляторы с малым количеством степеней подвижности (n=1÷3), работающие по жесткой программе, называют автооператорами. Однако эти признаки условны, так как любое автоматическое устройство обычно предусматривает возможность перенастройки, в том числе замену механического программоносителя — кулачка. Свободно программируемые автоматические манипуляторы с большим числом степеней подвижности (п=5÷6), используемые в промышленном производстве, называют промышленными роботами (ПР).

Различают две основные системы управления ПР: позиционную и контурную. В позиционной системе управления программируется только последовательность точек, в которых должен останавливаться рабочий орган, и порядок их прохождения. Перемещение между запрограммированными точками позиционирования происходит по случайным, неконтролируемым траекториям. Частный случай позиционного управления, отличающийся малым количеством точек позиционирования (от двух до пяти по каждой степени подвижности) и, как правило, фиксацией в этих точках с помощью упоров, называют цикловым управлением. В контурной системе управления программируются и воспроизводятся траектории движения любой формы.

Основные этапы проектирования манипуляторов и их содержание

Техническая организация роботизированных производств зависит от конструкции используемых роботов. При проектировании роботизированных технологических комплексов (РТК) в соответствии с требованиями автоматизируемого производства должны быть выбраны необходимые типы ПР, их системы управления, компоновочно-кинематические схемы манипуляторов и их параметры. Если промышленность не выпускает такие роботы, то приходится разрабатывать проект модификации ближайшей по своим характеристикам модели. В отдельных случаях модификация нецелесообразна из-за слишком большого отличия прототипа от требуемых параметров. Тогда разрабатывают новую модель робота, причем проектируют не просто ПР, а составной элемент роботизированной производственной системы. Поэтому его основные функциональные, конструктивные и эксплуатационные характеристики должны быть тесно связаны с соответствующими характеристиками других элементов системы.

Чтобы решить вопрос о возможности и способе применения ПР для автоматизации конкретного производственного процесса, необходимо знать следующие основные характеристики робота:

функциональные — число, вид и взаимное расположение степеней подвижности; число и диапазоны установок точек позиционирования по каждой степени подвижности; формы, размеры и расположение рабочей зоны — множества всех точек пространства, в которых могут находиться рабочие органы ПР; число и вид программ и команд в программе; число, вид и характеристики каналов связи систем управления с внешним оборудованием; грузоподъемность робота; возможные технологические усилия на рабочих органах; диапазоны скоростей и ускорений рабочих органов робота и точность их задания; адаптацию робота или его схватов к погрешностям расположения, формы и массы объектов манипулирования;

конструктивные — способ установки ПР (напольный, на портале, встроенный и др.); формы, размеры и расположение рабочего пространства — множества точек, в которых могут находиться элементы конструкции ПР; виды и диапазоны регулирования взаимного расположения степеней подвижности; систематические погрешности позиционирования; случайные статические и динамические погрешности; максимальные ускорения при разгоне и торможении; податливость манипулятора, собственные частоты и коэффициенты затухания; габариты, размеры, массу и т. д.;

эксплуатационные — показатели надежности и ремонтопригодности; время переналадки на новые объекты манипулирования или режимы работы: потребляемую мощность и источники питания; взрыво- и пожаробезопасность; стоимость и др.

Приведенное выше разделение характеристик роботов на группы в достаточной мере условное. При разработке конструкции робота удобно учитывать более детальные градации характеристики: компоновочно-геометрические; точностные; быстродействия и динамики; силовые; прочностные; жесткостные и т. д.

Известно, что в каталогах по ПР и проспектах обычно отражается лишь часть из перечисленных характеристик [8]. Остальные характеристики ПР разработчику приходится определять путем изучения соответствующей технической и эксплуатационной документации на ПР или в процессе его исследования перед внедрением.

Промышленные роботы разрабатываются в соответствии с ГОСТ 2.103—68 (СТ СЭВ 208—75), 2.118—73 (Техническое предложение), 2.119—73 (Эскизный проект), 2.120—73 (Технический проект) и др.* Проектирование ПР после уточнения потребности в нем и цели проектирования начинается с формирования технических требований, предъявляемых к нему со стороны автоматизируемого производства. Эти требования разнообразны и обусловливаются видом производства, характером автоматизируемых технологических процессов и объектов манипулирования, существующей организацией производства, требуемой производительностью и т. д. Разная значимость требований позволяет разделить весь процесс проектирования на соответствующие этапы, что существенно облегчает процедуру проектирования.

При разработке технического предложения достаточно ограничиться такими основными требованиями, как размеры и форма рабочей зоны, количество точек и точность позиционирования, грузоподъемность, перемещения и скорости, типы приводов и системы управления, способ сопряжения с другим оборудованием. В соответствии с этими требованиями выбирают принципиальную схему манипулятора, определяют вид, взаимную ориентацию, число и последовательность расположения степеней подвижности; выбирают тип привода и системы управления, способ установки робота (напольный, на портале и др.), уточняют несущие конструкции манипулятора, тип захватного устройства. Если нет заранее выбранного конкретного (иногда «сборного») прототипа робота, то этот этап проектирования трудно формализуется.

С учетом различных функциональных, компоновочных и других организационно-технических соображений конструкции ПР разбивают на отдельные узлы — функциональные и конструктивные модули. Их часто разрабатывают и изготовляют разные коллективы и в различное время. Поэтому необходимо сформулировать взаимосвязанные технические требования к модулям, выполнение которых обеспечит заданные свойства робота в целом. Причем при проектировании модулей следует ориентироваться на максимально возможное использование унифицированных элементов и хорошо отработанных конструкций.

При разработке эскизного проекта ПР оценивают скорости и ускорения характерных точек манипулятора, определяют нагрузку на модули в наиболее тяжелых режимах работы, формируют точностные требования к отдельным узлам ПР.

В ходе проектирования модулей ПР в соответствии с техническими требованиями выбирают их компоновочные схемы. Из условий прочности, жесткости и точности определяют форму и размеры несущих конструкций модулей, направляющих, осей и их опор, требования к точности их изготовления. Рассчитывают нагрузки на привод, на основе которых выбирают необходимый двигатель и проектируют передачи.

После выбора основных технических решений и конструктивной проработки в первом приближении модулей и всего манипулятора разрабатывают его привод и систему управления. Выбирают типы датчиков, источников питания и усилителей. Рассчитывают их параметры и подбирают нужные типоразмеры из числа выпускаемых промышленностью моделей. Оценивают достигнутые на этапе эскизного проектирования основные функциональные, конструктивные и эксплуатационные характеристики робота.

Следует иметь в виду, что проектирование нового ПР — итерационная процедура: в ходе проектирования нередко приходится возвращаться к пересмотру ранее принятых решений после выявления несоответствия отдельных конструктивных решений тем или иным требованиям или их недостаточной рациональности. После выполнения эскизного проекта в ходе дальнейшего технического проектирования ПР производится всесторонний комплексный анализ его точностных, динамических и прочностных характеристик. По результатам этого анализа вносят в случае необходимости коррективы в принятые ранее решения и после утверждения технического проекта переходят к разработке рабочей документации на опытный образец ПР.

Изготовленный образец ПР всесторонне исследуют, осуществляют доводку конструкции, уточняют или впервые определяют экспериментально его характеристики. После внесения необходимых изменений в рабочую документацию осуществляют технологическую подготовку к изготовлению опытной партии и дальнейшему серийному производству ПР.

Перечисленные этапы технического проектирования ПР должны сопровождаться соответствующей технико-экономической, эргономической и художественно-конструкторской проработкой проекта.

Выбор компоновочных схем манипуляторов

На этапе общей компоновки манипулятора выбирают количество, вид и взаимное расположение его степеней подвижности. С компоновкой манипулятора прежде всего связаны такие эксплуатационные характеристики робота, как форма, расположение и размеры рабочего пространства и рабочей зоны. Рабочее пространство характеризует ту часть объема, которую занимает робот и, следовательно, в которой не могут находиться остальное оборудование технологического комплекса и строительные конструкции. Рабочая зона характеризует досягаемость роботом тех или иных точек пространства.

Перемещение рабочего органа между точками рабочей зоны осуществляется так называемыми переносными степенями подвижности манипулятора. Ориентация рабочего органа осуществляется ориентирующими степенями подвижности. При их работе может также происходить некоторое перемещение рабочего органа, но оно обычно мало по сравнению с перемещением, обусловленным переносными степенями подвижности, т.е. ориентирующие степени подвижности незначительно влияют на форму и размеры рабочей зоны робота.

В табл. 1.1 приведены примеры наиболее распространенных обобщенных компоновочно-кинематических схем роботов. Ориентирующие степени подвижности условно опущены.

Для систематизации разнообразных компоновок манипуляторов используют обобщенное понятие системы координат робота. По виду системы координат различают:

манипуляторы, работающие в плоской прямоугольной системе координат (схемы 1, 2 и 3), — содержат две взаимно перпендикулярные поступательные степени подвижности;

манипуляторы, работающие в плоской полярной системе координат (схемы 4, 5 и 6), — содержат взаимно перпендикулярные вращательные и поступательные степени подвижности, причем вращательная степень подвижности соединена с неподвижным основанием и производит поворот поступательно;

Таблица 1.1

Продолжение табл. 1.1

манипуляторы, работающие в плоской сложной полярной системе координат (схемы 7, 8, 9 и 10),— содержат две вращательные степени подвижности с параллельными осями;

манипуляторы, работающие в полярной системе координат, с рабочей зоной в виде цилиндрической поверхности (схемы 11, 12 и 13) — содержат поступательную и вращательную степени подвижности, но в данном случае поступательная степень подвижности установлена на неподвижном основании и обеспечивает перемещение вращательной степени подвижности;

манипуляторы, работающие в прямоугольной (объемной) системе координат (схемы 1.1, 2.1 и 3.1), — содержат две взаимно перпендикулярные поступательные степени подвижности;

манипуляторы, работающие в цилиндрической системе координат (схемы 1.2, 2.2, 3.2, 4.1, 5.1 и 6.1), — содержат одну вращательную и две взаимно перпендикулярные поступательные степени подвижности;

манипуляторы, работающие в сложной цилиндрической полярной системе координат (схемы 7.1, 8.1, 9.1 и 10.1), — содержат одну поступательную и две вращательные степени подвижности с параллельными осями;

манипуляторы, работающие в сферической системе координат (схемы 4.2, 5.2 и 6.2), — содержат две вращательные и одну поступательную степени подвижности со взаимно перпендикулярными осями;

манипуляторы, работающие в сложной сферической полярной системе координат (схемы 7.2, 8.2, 9.2 и 10.2), — содержат три вращательные степени подвижности, оси двух из которых параллельны, а ось третьей перпендикулярна осям двух предыдущих. Манипуляторы, работающие в сложных плоских полярных, а также сложных цилиндрических и сферических системах координат, иногда объединяют в одну группу и называют либо ангулярными, либо манипуляторами, работающими в комбинированных системах координат.

Таким образом, система координат определяет вид и взаимную ориентацию переносных степеней подвижности и форму рабочей зоны. Кроме этих признаков компоновки роботов с одинаковыми системами координат могут различаться последовательностью и дублированием степеней подвижности, а также общей ориентацией манипулятора и соответственно рабочей зоны относительно горизонта.

Рассмотрим области целесообразного применения различных компоновок манипуляторов. Перемещения рабочего органа между двумя или более точками, лежащими на общей прямой или окружности (рис. 1.1, а, б), могут быть выполнены простейшим устройством с одной поступательной или вращательной степенью подвижности. Манипуляторы с поступательными степенями подвижности, особенно при перемещениях до 1 м, являются, как правило, наиболее простыми. В пределе они могут состоять только из силового цилиндра с вспомогательной направляющей. Манипуляторы с вращательными степенями подвижности несколько сложнее. В них обычно кроме двигателя имеются дополнительные передачи. При той же точности позиционирования рабочего органа требуется в 5÷15 раз более высокая точность позиционирования привода. Основное достоинство манипуляторов с вращательными степенями подвижности — значительно меньшие габаритные размеры (в два — шесть раз) при той же протяженности траектории перемещения, что и у манипуляторов с поступательными степенями подвижности.

Рис. 1.1

При отсутствии препятствий перемещение изделия между двумя или более точками его снятия и установки (сопряжения) в технологическое оборудование осуществляется манипуляторами с двумя степенями подвижности. Траектории, изображенные на рис. 1.1, в — д, и соответствующие им компоновки (схемы 2, 3, 11 и 6, табл. 1.1) применяют, например, при загрузке штампов или сборке. Траектории, изображенные на рис. 1.1,е, и соответствующие компоновки (схема 4) используют в упрощенных манипуляторах, например для раскладки изделий на поддоны или обслуживания прессов. Траектории, показанные на рис. 1.1,ж, з, и соответствующие компоновки (схемы 1, 12, 13) применяют для загрузки штампов или металлорежущих станков или смены в них инструмента.

Если на пути перемещения имеются препятствия, то транспортирование изделия между двумя или более точками его снятия и установки в технологическое оборудование может осуществляться также манипулятором с двумя поступательными степенями подвижности (схема 3). Однако это возможно, если сопрягающее движение (установка изделия в оснастку оборудования или снятие с него) лежит в плоскости манипулирования (рис. 1.2,а). В остальных случаях (рис. 1.2,6) данная задача решается манипуляторами с тремя переносными степенями подвижности (схема 1.2, 2.2, 4.1, 5.1). В таких роботах сопрягающее движение, как правило, осуществляется поступательной степенью подвижности с относительно небольшим ходом (50 - 150 мм), а транспортирование изделия — двумя другими степенями подвижности: одной вращательной и другой поступательной.

Для автоматизации сварки, окраски, обработки сложных поверхностей, а также загрузки оборудования разной высоты (рис. 1.2,в) требуются роботы с рабочей зоной, габаритные размеры которой в различных направлениях соизмеримы. Такие задачи манипулирования решаются роботами с тремя переносными степенями подвижности.

Рис. 1.2

Манипуляторы, работающие в плоской прямоугольной системе координат (схема 2.1 и 3.1), применяют преимущественно для сварки, сборки, раскладки изделий. Некоторое увеличение габаритных размеров роботов в данном случае компенсируется возможностью движения с высокой точностью по естественным прямолинейным траекториям при относительно простой позиционной системе управления.

Компактные роботы, работающие в цилиндрической (схема 2.2) или сферической (схема 4.2, 6.2) системе координат, применяют для автоматизации различных операций.

Еще большей компактностью при тех же размерах рабочей зоны обладают ангулярные манипуляторы (схема 7.1; 8.2; 9.1; 10.2). В приводах ангулярных роботов не всегда удается эффективно использовать простые, компактные и мощные гидравлические цилиндры. Однако благодаря созданию новых высокомоментных и точных гидравлических и электрических приводов в последнее время ангулярные роботы получают все более широкое применение.

Использование в роботах переносных вращательных степеней подвижности приводит к однозначной связи ориентации рабочего органа робота с его перемещением в рабочей зоне. Эти нарушения ориентации могут быть некритичны для изделий в виде тел вращения либо компенсированы соответствующей расстановкой обслуживаемого оборудования или введением дополнительных ориентирующих степеней подвижности. Поэтому ангулярные роботы, как правило, содержат две-три ориентирующие степени подвижности.

Унификация и агрегатно-модульное построение роботов

Промышленные роботы — это специальные устройства, предназначенные для автоматизации манипулирования в различных производственных процессах. Поэтому большое значение имеет их унификация — устранение неоправданного многообразия конструкций манипуляторов с одинаковыми параметрами и назначением. Основными этапами унификации роботов и их элементов, так же как и любого другого оборудования, являются;

группирование роботов (или их элементов) с одинаковыми функциями (отбор роботов с одинаковыми системами координат, предназначенных для автоматизации подобных производственных процессов и т. п.);

формирование перечня основных функциональных параметров унифицируемых устройств (грузоподъемность, точность, ход степеней подвижности и т. п.);

переход от случайного набора значений параметров к некоторому упорядоченному параметрическому ряду;

группирование известных унифицируемых устройств, параметры которых лежат в пределах одного интервала этого ряда;

сравнение и выбор наилучших типовых схемных и конструкторских решений для каждого интервала параметрического ряда. Возможности роботов описываются многочисленными параметрами. Если для каждого параметра ввести свой ряд, то получим настолько большое количество роботов, отличающихся сочетаниями типовых значений различных параметров, что такая унификация теряет смысл. Проблему сокращения многообразия конструкций роботов до разумных пределов можно решить за счет уменьшения числа рассматриваемых параметров, частоты их параметрических рядов и разнообразия допустимых сочетаний различных параметров.

К основным параметрам роботов прежде всего относятся: тип общей компоновочной схемы, вид системы управления, диапазоны перемещений степеней подвижности, грузоподъемность. Уменьшение частоты рядов этих параметров позволяет снизить стоимость роботов за счет увеличения серийности. Но, с другой стороны, оно приводит к некоторому завышению их функциональных возможностей по сравнению с требуемыми для автоматизации конкретных производств. При выборе рациональной частоты параметрических рядов следует учитывать технические требования к роботам для различных производственных процессов, а также интенсивность зависимости их сложности или стоимости от функциональных параметров.

ГОСТом 26.062 — 83 устанавливаются следующие параметрические ряды:

номинальной грузоподъемности 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 1,0; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000;. 6300; 10000 Н;

максимальных линейных перемещений 12; 20; 32;, 50; 80; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1400;. 1600; 1800; 2000 мм;

максимальных углов поворота 30; 45; 60; 90; 120; 180; 210; 240; 260; 300; 360°.

Для дальнейшего сокращения многообразия роботов можно выделить группы роботов с наиболее устойчивыми компоновками и сочетаниями параметров:

средние роботы с грузоподъемностью 100 — 1000 Н, диапазоном горизонтальных и вертикальных перемещений 1 — 1,5 м, двумя, реже тремя ориентирующими степенями подвижности и позиционной или контурной системой управления выполняют по компоновочным схемам 2.1; 3.1; 2.2; 4.2; 5.2; 6.2; 7.1; 8.1; 8.2; 9.1 (см. табл. 1.1);

подвижные подвесные (портальные) роботы со средней грузоподъемностью 100 — 1000 Н, горизонтальным перемещением всего робота по порталу 2 — 10 м, а вертикальным 0,5 — 1 м, одной, реже двумя ориентирующими степенями подвижности и позиционной или цикловой системой управления выполняют по схемам 3; 6.1; 9.1.

средние и легкие роботы с грузоподъемностью 10 — 1000 Н, радиальным перемещением 0,5 — 1 м, перемещением вдоль оси поворота руки 0,1 — 0,2 м, одной ориентирующей степенью подвижности и цикловой системой управления выполняют чаще всего по компоновочным схемам 5.1; 2.2;

особо легкие мини-роботы с грузоподъемностью 0,5 — 2 Н, горизонтальным перемещением 50 — 200 мм, подъемом руки 20 — 30 мм, одной ориентирующей степенью подвижности и цикловой системой управления имеют компоновочные схемы 2; 3; 5.1.

Таким образом, все множество роботов можно свести примерно к тридцати типоразмерам, установив в пределах каждой группы несколько градаций грузоподъемности и перемещения. Эти модели можно рассматривать как основные, базовые, модификация которых позволяет получить редко встречающиеся варианты.

Унификация составных частей роботов позволяет значительно увеличить разнообразие компоновок и параметров манипуляторов при сохранении высокой степени их унификации. Различные сочетания небольшого числа типоразмеров таких элементов образуют компоновки роботов с самыми разнообразными эксплуатационными возможностями. Причем чем больше частей, на которые делится робот, тем значительнее этот эффект.

Кроме проблемы унификации разделение робота на части вызывается также рядом компоновочных, организационных и технологических соображений. Части робота могут разрабатываться, изготовляться и отлаживаться различными коллективами и в разное время. Разделение робота на части необходимо для удобства доступа к тем или иным устройствам при их обслуживании и ремонте. Кроме того, отдельные детали выполняются составными для экономии материалов, удобства обработки, увеличения долговечности и ремонтопригодности. Однако следует учитывать и негативные стороны такого разделения — усложнение конструкций, прежде всего разъемов различного рода коммуникаций, а также увеличение массы при той же жесткости.

Чаще всего разделяют роботы на унифицируемые элементы по «естественным разъемам, вызванным компоновочно-технологическими соображениями. Однако иногда вводят дополнительные разъемы, пристыковочные элементы и промежуточные детали, позволяющие увеличить количество вариантов компоновки робота.

Рассмотрим некоторые, наиболее распространенные унифицируемые составные части роботов.

Системы управления. Одни и те же типы систем могут управлять манипуляторами с различными видами, ходами и грузоподъемностью степеней подвижности.

Манипуляторы с тремя и более степенями подвижности. При тех же эксплуатационных параметрах конструкции таких манипуляторов являются наиболее легкими, поскольку имеется возможность наилучшим образом согласовать между собой характеристики различных составляющих узлов робота. Поэтому манипуляторы, выполненные в виде единого, унифицированного устройства, обычно используют для пространственного перемещения рабочего органа с большими скоростями и ускорениями. Часто они играют роль базовых, которые приспосабливаются к специфике автоматизируемых производств за счет той или иной модификации.

Модули двух степеней подвижности. Здесь и далее под модулем понимается унифицированный, функционально-законченный узел, оформленный конструктивно как самостоятельное изделие. Это понятие эквивалентно термину агрегат, применяемому в станкостроении и некоторых других областях машиностроения. Две степени подвижности объединяются в один модуль при условии часто повторяющегося сочетания их вида, ходов и места в общей компоновке робота. Наиболее часто в виде таких узлов выполняют модули: двух координатных поступательных перемещений с моноблочной кареткой (рис. 1.3, а - г); колонны роботов с цилиндрической системой координат (рис. 1.3, д,е); руки с вращением рабочего органа (рис. 1.3,ж, з); кисти (рис. 1.3,и); руки ангулярного манипулятора (рис. 1.3,к).

Узлы, содержащие корпуса, несущие части элементов двух соседних кинематических пар и часть приводов (рис. 1.4,а). Любой манипулятор легко разделяется на звенья по кинематическим парам. Поэтому одним из наиболее распространенных методов модификации базовых конструкций манипуляторов является замена их отдельных звеньев на звенья с иными параметрами или даже видом степени подвижности (рис. 1.4,б).

Рис. 1.3

Рис. 1.4

Рис. 1.5

Таким образом, для перекомпоновки манипулятора требуются взаимозаменяемость элементов кинематических пар и приводов и высокая квалификация обслуживающего персонала.