Классификация промышленных роботов. Критерии выбора модели робота

 

Классификация ПР до настоящего времени полностью не устоялась.

Модель робота выбирается механиком или ведущим технологом в соответствии с ниже приведенными признаками.

 

I. Степень организованности.

1 – роботы первого поколения – жестко программируемые. Они работают по жесткой неизменяемой программе и используют цикловую программу управления и жесткие упоры для позиционирования. Привод – пневматический.

2 – адаптивные роботы – 2-го поколения. Такие роботы снабжены специальными устройствами, позволяющими адаптироваться к производственной обстановке (захватное устройство, контролирующее массу заготовки, размер детали и т.п.).

3 – роботы 3-го поколения – интеллектуальные, интегральные. Они могут работать в режиме самообучения, используя общую программу “целеуказание”. Для этого их снабжают системами технического зрения, и они могут оперировать деталями, не имеющими определенного положения. Данные роботы пока широкого производственного применения не нашли из-за сложности и дороговизны.

II. Тип системы управления.

1 – позиционная система, когда робот отрабатывает перемещения по заданным координатам опорных точек. Это сопровождается простыми траекториями, и используется на Роботы служат для выполнения простых линейных перемещений, ограниченных опорными точками, траектории отрабатываются с постоянными скоростями. Такие ПР применимы при автоматизации сборочных работ, складирования и др. простых технических операциях (установка – снятие детали).

2 – контурная система – обеспечивают перемещение по сложным пространственным траекториям, причем скорость перемещения можно менять, (сварка, окраска, нанесение клея и т.д.).

 

III. Степень специализации.

· специальные, т.е. для специальных технологических операций;

· универсальные, т.е. для выполнения различных технологических операций

 

IV. Тип привода.

1 – пневмопривод (150 моделей, 55% всех существующих моделей). Достоинства:

- высокое быстродействие;

- относительная простота конструкции робота.

Недостатки:

- мало развиваемые усилия;

- сложность регулирования режимов перемещения.

2 – гидравлический привод (40% всех моделей) – тяжелые роботы в кузнечно-прессовом производстве для массивных заготовок.

Достоинства:

- большие развиваемые усилия привода;

- возможность плавного изменения скорости.

Недостатки:

- наличие загрязнений из-за утечек масла;

- сложность привода из-за присутствия гидростанций.

3 – электромеханический привод (10%, но развиваются).

 

(БОЛЕЕ ПОДРОБНО ПО ПРИВОДАМ ПР - СМ. НИЖЕ)

 

Возможны сочетания приводов в одной конструкции ПР

Специфические требования к ПР:

· минимальные габариты и вес

· повышенные энергетические характеристики

· легкость регулирования в большом диапазоне скоростей

· реверсивность

· плавность движений, простота изменения режимов

· взаимосвязанная работа всех по степеням подвижности

 

Электродвигатель – не требует промежуточного рабочего тела (жидкости или воздуха), нет необходимости в гидростанциях, издающих шум, легко регулируются по скорости. С ними просто создать замкнутые следящие приводы (для контурных СУ). Этот вид приводов получает все большее распространение в ПР.

Кроме привода для конструкции ПР характерно наличие:

1. Усилителей мощности

2. Передаточных устройства

3. Корректирующих цепей (по необходимости)

4. Датчиков обратной связи (по необходимости)

Наличие всех указанных элементов необходимо в замкнутых следящих системах.

Большинство же пневмоприводов, часть гидроприводов и приводы с шаговыми электроприводами действуют по разомкнутому принципу.

Наиболее просты приводы с пневматическими силовыми цилиндрами.

Пневмоприводы

Они могут быть непосредственно связанными с механизмами поступательного перемещения либо преобразовывать его во вращательное:

 

a - модуль поступательного перемещения с силовыми цилиндрами; б - высокомоментные электродвигатели непосредственно в шарнире модуля; в - с механизмом рейка-шестерня; г - с парой винт-гайка; д - гибкая связь с использованием цепи, ленты и т.д.

 

Рисунок 21 – Типы пневмоприводов, используемых в ПР

 

 

1 - входной штуцер; 2 – вентиль; 3 – влагоотделитель; 4 - пневмоклапан редукционный; 5- манометр; 6 – маслораспылитель; 7 – пневмораспределитель; 8 – пневмоцилиндр.

Рисунок 22 – Схема пневматического циклового робота (одной степени подвижности)

 

Исполнительные пневмоцилиндры – это цилиндры с прямолинейным движением поршня. Подача воздуха идет через распределитель, а выход воздуха через другой. Скорость движения регулируется дросселем с изменяющимся проходным сечением. Подробней изображено на схеме:

 

Рисунок 23 – Пример линейного пневмопривода с распределителем

 

Пневмодвигатель дает большую скорость движения. При цикловом управлении оно ограничивается упорами. Для исключения резких ударов в конце хода предусматривается торможение. Используется внутренний процесс торможения либо устанавливается внешний демпфер.

Часто ставится задача обеспечить несколько точек позиционирования.

 

1 – корпус; 2 – шток.

 

Рисунок 24 – Пневмоцилиндр, обеспечивающий четыре точки позиционирования

 

За счет работы левого цилиндра АВ корпус 1 может перемещаться на величину X₁, а выходной шток 2 за счет работы правого цилиндра СД - на величину X₂, причем отношение X₁ к X₂ = 1 к 2. Поэтому, если оба перемещения отсутствуют, имеем положение 1, при перемещении на X₁ – положение 2, при X₂ положение3, а при X₁ +X₂ – положение 4.

По второй схеме несколько позиций осуществляется устройством нескольких выходных отверстий (1-7) в атмосферу, причем открывается одно из них. Например, надо остановится в позиции 4, то откроется это отверстие и поршень остановится когда перекроет его.

 

 

Рисунок 25 – Многопозиционный позиционер

 

 

1 - пневмоцилиндр основной; 2 - пневмоцилиндр тормозной; 3 - датчик обратной связи; 4- рейка; 5 - шток исполнительного устройства

 

 

Рисунок 26 – Пневматическая система позиционирования с датчиком обратной связи (принципиальная схема)

 

Рисунок 27 – График работы системы и образование погрешности позиционированя

 

Особенностью пневмоприводоя ПР является применение неполноповоротных пневмоцилиндров для осуществления движения поворота. Этоо упрощает конструкцию привода. Пример приведен на рис. 28.

 

 

Рисунок 28 – Неполно-поворотный пневмоцолиндр

Гидравлические приводы.

 

ГП применяются для ПР двух видов:

1. дроссельного управления

· с гидронасосом постоянной подачи

· с гидронасосом переменной подачи

2. объемного управления

Управляться может либо гидроцилиндр, либо гидромотор. Гидронасос постоянной подачи дешевле, чем переменной, но больше энергетические затраты из-за потерь при постоянном нагнетании жидкости при высоком давлении (идет перелив в бак с образованием дополнительной теплоты, поэтому еще требуется охлаждение гидросистемы).

Этих недостатков нет у привода дроссельного управления с гидронасосом переменной подачи.

Поэтому постоянная подача масла в гидростанции характерна для моделей ПР малой грузоподъемности, а переменной – для роботов большой и сверх большой грузоподъемности (сотни кг).

 

 

1 – бак; 2 - заборный фильтр; 3 - гидронасос переменной подачи; 4 - регулятор подачи насоса; 5- электродвигатель; 6 - фильтр тонкой очистки; 7 - пневмогидравлический аккумулятор; 8 - золотниковый распределитель; 9 – гидроцилиндр; 10 - золотниковый распределитель; 11 – гидромотор.

 

Рисунок 29 – Схема гидравлического привода дроссельного управления с гидронасосом переменной подачи.

 

Пневморегулятор служит для стабилизации давления в нагнетающей магистрали при резких изменениях давления (подключение, отключение потребителей).

Дросселирование потоков рабочей жидкости идет за счет изменения проходных сечений золотникового распределителя 8 (10). Проходное сечение зависит от положения кромок золотника относительно протоки золотниковой втулки. Смещение золотника определяет скорость и направление перемещения гидродвигателя.

 

1 – бак; 2 - заборный фильтр; 3 - гидронасос переменной подачи; 4 – электромотор; 5 - гидронасос с изменяющейся подачей масла; 6 - микрогидродвигатель дроссельного управления; 7 - обратный клапан; 8 - предохранительный клапан; 9 – гидромотор; 10 – гидроцилиндр.

Рисунок 30 – Схема гидравлического привода объемного управления.

Подача масла гидронасосом 5 регулируется гидродвигателем 6, работающим по принципу дроссельного регулирования от насоса 2 постоянной подачи. Обратные клапаны 7 служат для подпитки гидросистемы маслом, клапаны 8 – исключают случайные перегрузки в магистралях. Особенность: каждый из двигателей 9 и 10 должен иметь свою отдельную систему регулирования (4, 5, 6).

Часто в гидросистемах ПР используется неполноповоротный лопостной гидродвигатель, называемый также гидроквадрантом. Вал 1 с лопастью 2 поворачивается в корпусе 3 при поступлении масла под давлением в ту или иную полость корпуса от специального золотникового устройства 4. Угол поворота до 270^о. Устройство может поворачивать звено механизма манипулятора без промежуточных передач.

 

V. Точность позиционирования.

По этому показателю ПР делятся на три группы:

1 –роботы невысокой точности; погрешность позиционирования Δ _П ≥ ± 0, 5 мм;

2 – роботы средней точности позиционирования, для которых погрешность

Δ _П = ±(0, 1...0, 5) мм;

3 – роботы высокой точности позиционирования; их погрешность не превышает Δ _П = ± 0, 1 мм.

Точность позиционирования определяется через соответствующую погрешность, которая определяется как разность между фактическими координатами точки позиционирования и заданными по программе в памяти робота. Данная погрешность является двумерной случайной величиной, т.к. определяется на плоскости в двух координатных осях ОХ и ОУ. Причем она зависит от множества факторов, трудно учитываемых по отдельности. Она определяет точностные свойства промышленного робота и является случайной погрешностью, так как на нее влияют несколько факторов:

· непостоянство массы детали;

· непостоянство сил трения;

· непостоянство направляющих;

· колебания давления;

· колебания скорости перемещения и т.д.

Для ее определения в захватное устройство ПР закрепляют эталонную оправку, затем производят повторение рабочих циклов не менее 25 раз. В каждом рабочем цикле происходит фактическое смещение центра оправки от координат точки, заданной программой, в этом и заключается появление погрешности. Установлено, что все точки позиционирования располагаются на плоскости в предлах элипса рассеивания. Большая ось элипса располагается вдоль линии наименьшей жесткости механизма ПР.

Сама же погрешность подчиняется нормальному закону распределения.

Погрешность характеризуется величиной поля рассеивания, которое и устанавливает практическое значение этой величины в полученных пределах. Строят полигон и кривую практического распределения погрешности, после чего наносят в том же масштабе допускаемое значение погрешности Δ _П.

Иначе говоря, производят сравнение с паспортными данными робота. Далее делается вывод о соответствии ПР точностным требованиям.

 

Рисунок 31 – Схема к определению погрешности позиционирования ПР

Кривая, ограничивающая точки позиционирования на плоскости, называется “эллипс рассеивания”, причем установлено, что данная погрешность подчиняется нормальному закону распределения по каждой из осей.

В каждом отдельном рабочем цикле погрешность позиционирования определяется достаточно просто:

(9)

Данная величина указывается в паспорте робота и должна проверяться экспериментально при получении робота и при последующей эксплуатации.

 

VI. – по виду рабочей зоны робота.

Под рабочей зоной понимается то трехмерное пространство, в котором располагаются опорные точки траектории робота.

Технолог обязан разместить в этом пространстве все виды оснастки как самого робота, так и самого станка.

Форма рабочей зоны связана с системой координат, которую использует данный робот. Поэтому различают следующие виды рабочих зон:

а – прямоугольная рабочая зона. Данная рабочая зона удобна для операций сборки, но отсутствуют криволинейные перемещения робота.

б – цилиндрическая форма рабочей зоны. L=R – r. Появляется угол поворота j. Поэтому данная схема удобна при обслуживании роботом нескольких единиц оборудования.

в – сферическая рабочая зона (использует полярную систему координат). Данные промышленные роботы обеспечивают сложные пространственные перемещения (сваривание швов, нанесение покрытий и т.д.).

г – комбинированные – более сложные рабочие зоны, сочетающие элементы а, б, в. Применяются в наиболее сложных производственных случаях (чтобы обеспечить доступ роботов в трудно доступные точки). Частным случаем такой комбинированной системой координат является ангулярная.

 

 

Рисунок 32 – Разновидности систем координат и рабочих зон роботов

VII. Грузоподъемность.

Под грузоподъемностью понимается способность ПР поднимать, переносить и надежно удерживать полезный груз на всех режимах манипулирования.

 

По этому показателю все роботы условно подразделяются на три группы:

1 – легкие промышленные роботы (с грузоподъемностью менее 5 кг);

2 – средние роботы (с грузоподъемностью от 5до 60 кг);

3 – тяжелые (более 60 кг).

Необходимо учитывать, что в грузоподъемность робота должна входить масса захватного устройства, т.е. – это сумма массы детали и захватного устройства, где обе величины принимаются, примерно, по 50%.

Практически можно считать:

 

G = M_дет + M_З.У.

 

VIII. – по сборочному или рабочему усилию, развиваемому приводами робота

1 – силовые роботы – усилие привода превышает 100 Н;

2 – несиловые (сила меньше 100 Н).

 

IX – по конструктивному исполнению.

1 – встроенные в технологическое оборудование;

2 – автономные (независимые от оборудования);

3 – стационарные (напольные или подвесные);

4 – подвижные (транспортные).

 

X – по числу степеней подвижности.

С одной, двумя, ..., восемью степенями подвижности.

В моделях имеющих больше шести степеней подвижности некоторые из них дублируются для получения более сложных траекторий и доступа в закрытые части пространства.

 

(БОЛЕЕ ПОДРОБНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ЧИСЛА СТЕП. ПОДВИЖНОСТИ - СМ. НИЖЕ)

На основании приведенной классификации технолог выбирает нужную модель робота, учитывая при этом стоимость модели, объем памяти системы управления и занимаемую площадь. Дополнительные параметры указаны в табл.

Таблица – Дополнительные критерии выбора модели робота

(ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ)

Число степеней подвижности определяют по формуле Соснова-Малышева:

 

W=6n-5p₅-4p₄-3p₃-2p₂-p₁;

 

Где: n - число подвижных звеньев кинематической цепи;

p₁, p_2, p_3, p_4, p₅ - число кинематических пар соответственно 1, 2, 3, 4, 5 - классов.

Для плоских механизмов:

 

W_пл=3n-2p₅-p₄;

 

Для механизмов, образованных только парами 5 класса:

 

W=6n-5p₅ или W=3n-2p₅;

Число «n» подвижных звеньев в открытых кинематических цепях всегда равно числу пар:

n=p₁+p₂+p₃+p₄+p₅;

 

Таким образом, для ПР и манипуляторов:

 

W_м=p₅+2p₄+3p₃+4p₂+5p₁;

 

Или для плоского механизма:

W_1.пл=p₅+2p₄;

 

Все относительные движения звеньев МС ПР можно разделить на 3 вида:

1. ориентирующие или локальные

2. транспортирующие или региональные

3. координатные или глобальные

В 1 случае движение ЗУ (инструмента) соизмеримо с его размерами.

Во 2 случае движение соизмеримо с размерами рабочей зоны ПР и определяется размерами руки и ее звеньев.

В 3 случае перемещение на расстояния, превышающее размеры самого ПР и обслуживаемого им рабочего места (характерно для подвижных ПР).

 

Механическая система (МС) - обеспечивает выполнение двигательных функций (это собственно манипулятор ПР) – пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью. Она состоит из:

· несущая конструкция

· приводы

· передаточные механизмы

· исполнительные механизмы

· ЗУ (постоянно закрепленные или быстросменные)

Обозначения звеньев и кинематических пар приведено по ГОСТ 2.707-68 с дополнительными обозначениями, рекомендованными для ПР.

Наибольшее применение нашли КП 5 класса – вращательные или поступательные, обеспечивающие 1 степень свободы. Совокупность нескольких подвижных звеньев обеспечивает заданное число степеней подвижности, что является высшей характеристикой МС ПР.

 

Механическая система ПР структурно делится на 4 элемента:

1. основание - неподвижное звено в виде опоры или путепровода

2. корпус (стойка, каретка)

3. механическая рука – исполнительный орган

4. ЗУ

Число степеней подвижности: основания W=0, корпуса W_к > = 0 и определяется подвижностью (мобильностью) робота, механической руки W_м > = 1 и определяется назначением робота, захватного устройства W_з> = 0 и определяется способом зажима детали – объекта манипулирования.

 

Маневренность - это число степеней подвижности МС при фиксированном положении ЗУ, которое определяет способность обхода рукой препятствий в рабочей зоне при выполнении сложных операций.

 

Коэффициент сервиса - характеристика возможности подхода ЗУ (конечного звена манипулятора) в заданную точку с различных направлений, дает представление о двигательных возможностях манипулятора.

Иначе, это совокупность возможных положений оси ЗУ, при которых его центр находится в заданной точке рабочего пространства. Он зависит от телесного угла Q, называемого углом обслуживания (сервиса).

 

 

Коэффициент сервиса определяется так (в данной точке):

 

 

 

Нулевые значения – па границе рабочей зоны, где ось ЗУ может занимать только одно положение. При значении равном 1 получаем точки рабочего пространства 100% сервиса, когда ось ЗУ может занимать любое пространственное положение.

Полный коэффициент сервиса ПР принято называть среднее значение коэффициента сервиса в рабочем пространстве, объемом V:

 

 

Для этого расчета рекомендуется использовать ЭВМ.

Система координатных перемещений (система координат ПР) определяет кинематику основных движений и форму рабочего пространства.

К основным движениям относятся все движения МС кроме движения «зажим-разжим» ЗУ, ориентирующих движений, а так же дополнительных перемещений основания ПР.

Системы координат бывают прямоугольные и криволинейные.

Прямоугольные бывают:

· плоские

· пространственные, здесь деталь перемещается ПР прямоугольно по 2^м или 3^м взаимно перпендикулярным осям соответственно.

Криволинейные бывают:

· плоские полярные – когда деталь перемещается в одной плоскости по радиус-вектору, поворачиваемому на угол

· цилиндрическая – дополнительно к первому виду есть перемещение по нормали к указанному вектору (ось Z)

· сферическая (полярная)- движения линейные на величину радиуса r и два угловых перемещения на угол s и d в двух взаимно перпендикулярных плоскостях

· ангулярная – свойственна многозвенным конструкциям МС. Деталь перемещается в плоскости благодаря относительным поворотам звеньев руки, имеющих постоянную длину (робот ARX-2).

 

На схемах эти системы координат выглядят так, как они представлены на рисунке 33.

 

· прямоугольная плоская

 

 

· прямоугольная пространственная

 

· криволинейная (а - плоская, б - цилиндрическая, в - сферическая)

Рисунок 33 – Некоторые иные разновидности систем координат и рабочих зон ПР

Далее даны примеры структурных кинематических схем ПР, с помощью которых реализуются эти движения

1. Прямоугольная: а – плоская, б – пространственная.

 

 

2. Криволинейные: а – полярная плоская, б – цилиндрическая, в – сферическая.

 

3. Ангулярные системы: а – плоская, б – цилиндрическая, в – сферическая.

 

 

Рисунок 34 – Структурные кинематические схемы промышленных роботов

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: