Целевые механизмы промышленного робота

Движения манипулятора промышленного робота в той или иной степени подражают движениям руки человека, это и понятно, поскольку робот создан для замены человека. Особенностью робота является наличие руки, снабженной кистью и схватом (или захватом). Этот механизм должен иметь достаточную мощность привода для обеспечения требуемой грузоподъемности и достаточную жесткость для обеспече­ния требуемой точности позиционирования и быстродействия. Если еще учесть, что для обеспечения требуемой зоны обслуживания ру­ка робота должна обладать значительным наибольшим вылетом, то сложность проектирования руки становится очевидной.

Сама рука манипулятора обычно имеет поступательное перемещение относительно корпуса робота. Дополнительные степени подвижности создаются за счет вращательных движений кисти руки относительно руки. Пример расположения кинематических пар кисти руки показан на рис. 60. Кисть руки 2 несет схват 3 и имеет две оси поворота (углы b и g) относительно руки 1.

Поскольку рука робота обычно имеет несколько кинематических пар, то для взаимного перемещения ее звеньев используют либо распреде­ленный привод, либо сосредоточен­ный привод. В первом случае каж­дая кинематическая пара снабжается отдельным двигателем, максималь­но приближенным к паре. Достоинством такого способа является сокращение длины кинематических цепей, но масса руки при этом увеличивается за счет двигателей.

Во втором случае двигатели устанавливаются в наиболее жесткой (напри­мер, в неподвижной) части манипулятора, и движение от них к другим кинема­тическим зве-ньям руки подводится кинематическими передачами. В этом случае рука робота имеет сложную кинематику, однако общая мас­са ее может быть уменьшена.

Пример реализации первого способа показан на рис. 61. Кисть ро­бота совершает два вращательных движения вокруг взаимно перпенди­кулярных осей, поворот вокруг вертикальной (на рисунке) оси осуще­ствляется от двигателя через червячную передачу 4, поворот вокруг горизонтальной оси – через червячную передачу 5 от отдельного дви­гателя. Схват 2 манипулятора имеет пневмопривод 3, который обеспе­чивает сведение и разведение захватных губок 1. Все приводы могут работать независимо друг от друга.

Кисть руки робота с сосредоточенным приводом показана конструктивно на рис. 62. Кисть 14 по­ворачивается вокруг оси 16 от­носительно части 2 руки. Одновременно возможен поворот час­ти 7 относительно продольной оси кисти 14. Кисть заканчивается схватом 10. Все кинематические пары приводятся в движение от двигателя 1, помещенного в осно­вании руки. Через муфту 20 вра­щение передается валу 19, вращаю­щемуся в подшипниках 18 и несу­щему коническую шестерню 3. Эта шестерня зацепляется с шестерней 17, свободно вращающейся на оси 16. При включении муфты 4 корпус 14 кисти руки соединяется с шес­терней 17, и происходит его по­ворот вокруг оси 16. Через кони­ческую шестерню 5 вращение может передаваться на муфту 6. При включении муфты 6 может соединяться с шестерней 5 либо корпус 7, вращающийся в подшипниках 15, что вызывает его поворот вокруг продольной оси, либо вал 12, вращающийся в подшипниках 13. В последнем случае через кинематические элементы 8, 9 и 11 происходит сведение или разведение губок схвата.

Описанная схема имеет более сложную кинематику, чем схема на рис. 61. Однако при этом допускается применение двигателя большей массы и, следовательно, большей мощности. Кроме того, масса руки распределяется более удачно вдоль ее длины, что позволяет улучшить жесткость руки и уменьшить ее момент инерции относительно корпуса манипулятора. Известно большое разнообразие конструктивных схем ру­ки манипулятора.

Робот должен захватывать объект манипулирования, для чего кисть его руки снабжается схватом (или захватом). Поскольку не­обходимо обеспечить достаточную универсальность промышленного робо­та по отношению к различным объектам манипулирования, то этому требованию, в первую очередь, должен удовлетворять его схват. В существующих конструкциях промышленных роботов не удалось со­здать универсальный схват, одинаково приспособленный к манипулиро­ванию объектами различной формы.

Поэтому схваты выполняются сменными или имеют сменные захватные эле­менты (губки). В каждом конкретном случае схват приспосабливается к захвату деталей определенного вида: цилиндрических деталей, длинных валов, призматических деталей, плоских деталей и т.д.

Наибольшее распространение получили механические схваты, в кото­рых усилие удерживания объекта манипулирования создается механичес­ким путем. В таких схватах объект манипулирования зажимается между механическими элементами: губками, пальцами, эластичными элементами и т.д. В кинематике таких схватов применяются различные рычажные, клиновые, кулачковые и другие механизмы.

Пример выполнения схватов для цилиндрических и призматических де­талей показан на рис. 63. Схваты построены с использованием рычажных и клиновых механизмов. Для захвата цилиндрических деталей применяют­ся призматические губки, для призматической детали – плоские губки. Схваты характеризуются следующими параметрами: 1) усилие захвата; 2) наибольший ход захватных губок; 3) диапазон изменения размеров захватываемых деталей. Привод схвата чаще всего осуществляется от отдельного пневмоцилиндра, хотя могут применяться отдельные электро­двигатели, гидропривод и механический привод от общей кинематичес­кой цепи руки (рис. 62).

Схват, который показан на рис. 64, может использоваться как для цилиндрических, так и для призматических деталей. К кисти 1 руки манипулятора крепится основание 2 схвата, в котором размещен пневмоцилиндр привода схвата. Шток 3 пневмоцилиндра соединен с ползуном, совершающим возвратно-поступательные перемещения, с которым, в свою очередь, соединены серьги 4. Через серьги 4 усилие пневмоцилиндра передается рычагам 5 с осью вращения 6. При повороте рычагов 5 от пневмоцилиндра 2 происходит движение захвата и зажима объекта манипулирования.

К рычагам 5 винтами крепятся сменные губки 7 и 8. Губка 7 позволяет захватывать цилиндрические детали, губка 8 – плоские. Могут использоваться при этом и другие губки, в зависимости от особенностей конфигурации объекта манипулирования.

Захват деталей сложной формы, особенно если эти детали выполнены из хрупких или мягких материалов, является сложной задачей. В частности, для ее решения применим схват с гибкими пальцами (рис. 65). Пальцы 1 схвата выполнены из эластичного упругого материала, например, из резины. Наружная сторона 3 каждого пальца обладает пониженной жесткостью по сравнению с внутренней стороной 2. Внутри палец имеет объем, куда подается сжатый воздух через штуцер 4. При наличии внутреннего давления за счет разной жесткости наружной 3 и внутренней 2 сторон палец изгибается внутрь вдоль оси 5, причем степень изгиба зависит от внутреннего давления. Схват снабжен пятью пальцами, и одновременная подача в их полости давления позволяет пальцами захватывать и зажимать с дозируемой величиной усилия изделия различной формы.

Распространенной задачей является манипулирование с плоскими тонкими объектами из листового материала при наличии доступа только к одной поверхности объекта. Если объект выполнен из ферромагнитного материала, то возможно использование электромагнитного захвата (рис. 66). К присоединительному элементу 5 кисти манипулятора закреплена крестовина 4, на которой, в свою очередь, крепятся электромагниты 1, могущие иметь разное исполнение. Электромагнит имеет магнитопровод 2 и катушку 3, выводы от которой присоединяются к источнику питания. Электромагнитный захват прост по конструкции, усилие захвата легко регулируется изменением тока электромагнита, однако для надежной работы такой захват требует тщательной настройки.

Вакуумный захват (рис. 67) применим для деталей из любого материала, но имеет ограничения по качеству поверхности у захватываемого объекта. Такой схват неприменим для деталей с грубой поверхностью. Действует вакуумный охват по принципу вакуумной присоски. Относительно корпуса 4 перемещается присоска 1, которая пружинами 3 прижимается к поверхности объекта. Для ограничения перемещения присоски во втулке 2 имеется направляющий паз, в который входит штифт присоски. После прижатия присоски к поверхности объекта в ее полости через трубопровод 5 создается разряжение и обеспечивается усилие захвата.

В качестве устройства, создающего вакуум, часто используется эжектор. Конструкция эжектора показана на рис. 68. К входному соплу эжектора подводится сжатый воздух, который истекает в атмосферу через выходное сопло. В камере между соплами при этом создается разряжение, и эта камера соединяется с рабочей полостью вакуумного захвата. Недостатком эжектора является его шумность.

Схват должен надежно удерживать объект при всех режимах работы. Перемещаемый объект создает как статические, так и динамические наг­рузки на удерживающие его элементы схвата. На рис. 69, а показан случай линейного перемещения изделия в горизонтальной плоскости. Объект 2 зажат между губками 1 и 3 силой зажима Fи перемещает­ся схватом в направлении l. В статическом состоянии усилие схва­та создает между губками и объектом силу трения, которая должна быть больше силы тяжести P объекта,

,

где m – масса объекта; g – ускорение силы тяжести; f – коэф­фициент силы трения; F – сила нормального давления, создаваемого при зажиме.

При перемещении изделия в режиме его разгона и торможения на губки схвата действуют отжимающие инерционные силы

, ,

где J_р, J_т – инерционные силы разгона и торможения; a_p, a_т – ускорения разгона и торможения.

Таким образом, условием надежного захвата для рассматриваемого слу­чая является выполнение следующих ограничений:

, , .

В соответствии с этими ограничениями при выборе усилия зажима сле­дует учитывать как массу объекта, так и ускорения, с которыми объект должен перемещаться.

Для случая на рис. 69, б усилие зажима F должно создавать силу трения большую, чем инерционное усилие J, возникающее при разгоне объекта или при его торможении во время удара ограничителя хода схвата 1 в упор 2,

,

где a_max – наибольшее возможное ускорение объекта.

При перемещении объекта по дуге окружности радиуса R (рис. 69, в) создается центробежная сила J , которую также следует учитывать при расчете усилия захвата,

,

где w – угловая скорость движения объекта.

Реальные случаи манипулирования объектами включают, как правило, все перечисленные варианты, когда на схват действуют масса объекта и инерционные силы, что следует иметь ввиду при определении требуемого усилия зажима. Недостаточное усилие зажима может привести к выбросу объекта из схвата при больших ускорениях, что недопустимо не только с точки зрения нарушения функционирования манипулятора, но и с точки зрения техники безопасности.

Усилие со стороны привода схвата рассчитывается в зависимости от кинематики применяемого механизма. В качестве примера на рис. 70 показан привод схвата с использованием клина.

Для этого случая ,

где h_р = 0,95 – коэффициент полезного действия передачи; m – приведенный угол трения.

Для вакуумного схвата сила притяжения

,

где k_р = 0,85 – коэффициент запаса; S – активная площадь присоса; Р_а – атмосферное давление; Р_в – давление в вакуумной камере.

Притягивающая сила в случае использования электромагнитного схвата

,

где J – ток в обмотке электромагнита; W – число витков обмотки: k – коэффициент; S – активная площадь соприкосновения объекта с полюсами электромагнита; R_в R_м – магнитное сопротивление немагнитного зазора и ферромагнитного участка соответственно.

На практике известно большое число различных схватов, и выбор типа схвата приходится часто осуществлять при проектировании роботизированной технологической ячейки применительно к конкретному объекту манипулирования, при этом возможно и проектирование схвата, поскольку стандартные схваты роботов не всегда пригодны при решении конкретных задач. Схват в этом случае должен быть рассчитан по надежности удержания объекта манипулирования.