книги / Механика промышленных роботов и манипуляторов с электроприводом

Рис. 3.2. Манипулятор с приводами, встроенными в звенья

Однако применение этого способа построения манипуляционной систе­ мы ограничено из-за.следующих его недостатков:

а) многие двигатели из-за большой номинальной скорости и малого выходного усилия требуют применения редукторов;

б) приводные двигатели с редукторами имеют большие габариты, пре­ пятствующие их размещению вблизи шарниров (в особенности вблизи ра­ бочего органа) ;

в) трудно создать компактную конструкцию манипулятора, способную работать в условиях стесненного рабочего пространства;

г) размещение двигателей с редукторами непосредственно на звеньях увеличивает их массу и момент инерции, что снижает грузоподъемность манипулятора и ухудшает его динамические характеристики (общая масса звеньев в 10—50 раз превышает переносимую массу груза);

д) трудно осуществить защиту двигателей и устройств коммутации энергии от неблагоприятного воздействия внешней среды (температуры, электромагнитного излучения и т.п.).

Промышленный робот с открытой кинематической цепью не является идеальным объектом для автоматического управления. При конструирова­ нии роботов стремятся достигнуть высокой частоты собственных колебаний и высокой жесткости с целью улучшения управляемости и сокращения времени на затухание колебательного процесса. Поскольку собственные частоты колебаний обратно пропорциональны корню квадратному из мо­ мента инерции, основной задачей проектирования роботов является умень­ шение масс подвижных частей и расстояний в них от центров масс до осей вращения.

Вынесение приводов на основание позволяет снизить требования к йассогеометрическим характеристикам двигателей, а значит, создает возмож­ ность применения любых типов приводных устройств без ограничения их массы и габаритов. В этом случае увеличение грузоподъемности достигает­ ся при облегчении конструкции исполнительного органа. Масса манипуля­ тора сосредоточивается в основании; оно становится более прочным и тяжелым.

Указанные преимущества достигаются за счет применения длинных кинематических цепей. При проектировании манипуляторов с такой схе-

Рис. 3.3. Манипулятор с приводами на основании

мой необходимо учитывать следующие положения:усложнена передача движе­ ния через подвижные соединения звень­ ев; дополнительные передачи создают взаимосвязь движений звеньев, затруд­ няющую управление манипулятором; точность манипулятора понижена из-за наличия длинных кинематических цепей и большого количества кинематических пар; трение в передачах приводит к до­ полнительной потере энергии, износу и, как следствие, к снижению точности по­ зиционирования; для создания манипу­ ляторов с высоким классом точности к элементам его конструкции необходимо

Рис.3.4. Схема манипулятора с передачей предъявлять гораздо более высокие тре- движения посредством параллелограммов бования, чем к таким же элементам ма­

нипуляторов первой схемы.

На рис. 3.3 приведена схема электромеханического манипулятора типа МЭМ с приводом звеньев, вынесенным на основание. Проводка движения к звеньям осуществляется коаксиальными трубчатыми валами с закреплен­ ными на концах коническими зубчатыми колесами; шарниры построены на основе зубчатых дифференциалов с коническими колесами. Использование дифференциальных механизмов приводит к взаимосвязи движений звень­ ев, для устранения которой вводятся специальные механизмы развязки движений. Коаксиальные валы выполняют как функции органов передачи движения, так и функции несущих элементов конструкции.

Избежать связанности движений можно, используя параллелограммные рычажные механизмы. На таком принципе построена, например, рука робота “Asea” (рис. 3.4). Звенья руки получают движения отдвигателей М2 и M J, расположенных на поворотной платформе У, с помощью модулей

Сцелью улучшения компоновки и уравновешивания звеньев двигатели

иредукторы можно размещать на значительном удалении друг от друга, соединяя их трансмиссионными валами или быстроходными цепными пе­ редачами. Двигатели как наиболее тяжелые элементы привода выполняют роль дебалансов, уравновешивая силу тяжести руки. Приближение редук­ тора к управляемым звеньям позволяет повысить точность позиционирова­ ния, так как кинематические цепи, в наибольшей мере влияющие на нее, оказываются жесткими и короткими.

Существуют манипуляторы, в которых одно приводное устройство ис­ пользуется для привода всех звеньев. Это позволяет сократить число дви­ гателей. Однако для управления звеньями требуются специальные распределительные механизмы, например электромагнитные муфты. Уп­ равление двигателями осуществляется последовательными включениями, поэтому быстродействие манипулятора ограничено.

Робот может иметь напольное и подвесное исполнения. В первом случае облегчается доступ к роботу для его наладки и обслуживания, упрощаются монтаж и установка, рационально используется площадь, однако робот загромождает рабочее пространство, создает повышенную опасность для обслуживающего персонала. При подвесном исполнении робот монтирует­ ся на портале. Для увеличения зоны обслуживания он дополняется сте­ пенью подвижности, обеспечивающей его передвижение вдоль портала. Мобильность робота достигается при его установке на специальное транс­ портное средство. Все это порождает многообразие технических решений, поэтому не может быть универсальных рекомендаций, пригодных для всех случаев; каждый выбор должен быть обоснован.

3.2. Приводы степеней подвижности

Под приводом машин и механизмов понимается система взаимосвязан­ ных устройств для приведения в движение одного или нескольких твердых тел, входящих в состав машины или механизма. В привод включаются двигатель, устройство управления им, различные механизмы для передачи

ипреобразования движения, тормоза, гасители колебаний и т.д.

Кприводам, применяемым в роботах, предъявляются весьма жесткие требования, касающиеся прежде всего их удельной мощности и массогаба­ ритных характеристик. Они должны устойчиво работать в переходных ре­ жимах, которые для роботов в большинстве случаев являются рабочими. Колебания в системе привода необходимо сводить к минимуму. Привод должен обладать высокой долговечностью и обеспечивать ресурс надежной работы порядка 10 тыс. ч.

Масса подвижных частей робота включает массу исполнительного орга­ на, двигателей и передаточных механизмов. Для повышения быстродейст­ вия необходимо, чтобы полная масса была минимальной. Увеличение же КПД, как правило, связано с увеличением массы привода, так как в быст­

родействующих роботах для обеспечения требуемого теплового режима работы двигателя его мощность вдвое превышает потребную для выполне­ ния работы. При размещении двигателей на звеньях робот переносит допол­ нительную массу, поэтому в данном случае требуются малогабаритные двигатели, работающие с максимальной мощностью и некоторым снижени­ ем КПД, с высокой номинальной скоростью, снабженные редукторами с большими передаточными отношениями. Схема с размещением двигателей на основании гораздо меньше ограничивает выбор типа двигателя. Он мо­ жет работать с большим КПД, на более устойчивом режиме.

При выборе типа двигателя следует предусматривать возможность дли­ тельного приложения усилия без движения, например при удержании на месте какого-либо груза или при создании усилия затягивания.

Привод должен быть бесшумным и безопасным в работе, при прекраще­ нии подачи энергии он должен блокироваться. Шум, создаваемый роботом, крайне нежелателен с точки зрения психофизиологического воздействия на человека, работающего рядом или обслуживающего робот. Для уменьше­ ния шума следует осуществлять виброизоляцию подвижных частей, пре­ дусматривать звукопоглощающее покрытие подвижных частей в виде гофрированных резиновых труб.

По виду привода промышленные роботы делятся на электромеханиче­ ские, гидравлические, пневматические и роботы с комбинированным при­ водом. Новым видом привода являются оболочки направленной деформации, имитирующие мышцы рук человека.

Около 40 % всех современных роботов имеют гидропривод, несколько больше — пневмопривод, остальное приходится на долю роботов с электро­ приводом. Однако тенденция роботостроения направлена в сторону расши­ рения применения роботов с электроприводом.

Преобладание роботов с пневмоприводом объясняется простотой устрой­ ства и малой стоимостью. Пневмопривод применяется при создании роботов небольшой мощности с цикловым режимом работы.

Наиболее сложный и дорогой вид привода — гидравлический. Он имеет ряд существенных достоинств: характеризуется высокой точностью и быс­ тродействием, может работать в режиме контурного управления. Гидро­ привод применяется в наиболее совершенных и соответственно наиболее дорогих роботах. Гидравлические системы способны функционировать в течение длительного времени в режиме максимальной нагрузки. Роботы с гидроприводом могут применяться во взрывоопасных средах, под водой, в сыром помещении. Гидропривод характеризуется высокой удельной мощ­ ностью. Он может работать при низкой скорости без применения редуктора.

Использование электродвигателя в модулях подвижности манипулято­ ров предпочтительно по ряду причин. Электрические двигатели весьма разнообразны, относительно дешевы, имеют высокий КПД, широко рас­ пространены в технике; разработано много методов эффективного управ­

ления ими. Источники электроэнергии имеются повсеместно, в то время как для пневмо- и гидропривода необходим автономный источник или уст­ ройство для подготовки энергоносителя к использованию в роботах. Жела­ тельно, чтобы источник энергии был один и тот же как для силовой, так и для управляющей системы робота; в этом отношении электропривод явля­ ется наиболее подходящим. Электродвигатель не создает проблем с загряз­ нением среды, он удобен в эксплуатации, так как является “сухим” и бесшумным. Для использования в промышленных роботах с установкой двигателей на звеньях электродвигатель должен иметь удельную мощность порядка 150 Вт/кг. По этому показателю он уступает гидродвигателям, удельная мощность которых в среднем в 10 раз выше. Применение элект­ ропривода будет расширяться по мере создания и развития новых типов электродвигателей, специально предназначенных для роботов.

Вробототехнике могут использоваться различные типы электродвигате­ лей, но в настоящее время преимущественное распространение получили в основном два типа: двигатели постоянного тока и шаговые.

Вряде случаев привод роботов бывает комбинированным. Так, напри­ мер, в силовых устройствах электрогидравлических роботов применяются гидравлические усилители момента. Пневмопривод обычно используется в захватных устройствах — это наиболее простой способ реализации движе­ ний. Пневматические устройства применяются также в различных вспомо­ гательных системах, например для уравновешивания робота.

Рассмотрим некоторые конструкции электромеханических модулей для промышленных роботов. Во всех модулях находят применение трехфазные асинхронные двигатели. На рис. 3.7 представлена схема электромеханиче­ ского модуля поступательного движения. Ротор трехфазного асинхронного двигателя через двухступенчатый редуктор 1 вращает ходовой винт 2. Гай­ ка 3 перемещается по ходовому винту и приводит в движение выходной шток 4. Тормоз 5 обеспечивает быстрый останов ротора двигателя.

На рис. 3.8 представлена схема электромеханического модуля враща­ тельного движения с двумя асинхронными двигателями, поочередно рабо-

Рис. 3.8. Дпухскоростной электромеханический модуль вращательного движения

тающими на один выходной вал. Второй двигатель подключен к выходному валу через понижающую передачу таким образом, что скорость вращения выходного вала составляет 1/5—1/30 от скорости первого двигателя. Такое исполнение модуля позволяет обеспечить подход к точке позиционирова­ ния на пониженной скорости. Это находит применение, например, в приво­ де несущей платформы подвижного робота для обслуживания прядильных машин и в других аналогичных случаях.

Вращение выходного вала /Ус номинальной скоростью осуществляется от основного двигателя (статор 9, ротор 8). До подачи питания на основной электродвигатель ротор 8 пружиной Ю прижат к диску 7 и заторможен. После подачи питания ротор отходит от диска и начинает вращать вал с номинальной скоростью. Получив сигнал на снижение скорости при подхо­ де к точке позиционирования, основной двигатель отключается и ротор прижимается к диску 7. Включается электродвигатель пониженной скоро­ сти (ротор 2, статор 3). Ротор электродвигателя, вначале прижатый к крыш­ ке /, отходит от нее и через вал 4, редуктор 5 и промежуточный вал 6 начинает вращать диск 7 с номинальной скоростью, определяемой скоро­ стью двигателя и передаточным отношением редуктора. С диска через прижатый к нему ротор основного двигателя движение передается на вы­ ходной вал модуля.

3.3. Устройство электромеханических роботов

Электромеханические роботы пока еще составляют относительно не­ большую долю в общем числе роботов, но она непрерывно растет благодаря созданию и освоению новых типов электродвигателей. Так, если в 1973 г. из 150 моделей ПРтолько4,5 % было оснащено электроприводом, то в 1981

г.— 13,3 % из 500 моделей.

Кэлектромеханическим роботам относятся МП-1, МП-4, “Универсал5й, ”Универсал-15М", ТУР-10, РПМ-25, РГШ-40 (СССР). Среди роботов зарубежных фирм можно выделить “Puma-560” (США),” Kuka-IPB/60”

C = J

Рис. 3.9. Схема электромеханического робота ТУР-10

(ФРГ), “FanucRobot” (Япония), “Asea” (Швеция).

На рис. 3.9 представлена схема электромеханического робота ТУР-10.

Техническая характеристика робота ТУР-10 Число степеней подвижности 5 Переносные степени подвижности:

поворот платформы д \, град (град/с) 340(90) качание плеча д2, град (град/с) 90(90) качание предплечья дЗ, град (град/с) 90(90)

Ориентирующие степени подвижности: качание кисти Q4, град (град/с) 90(90) ротация кисти Q5, град (град/с) 180080)

Грузоподъемность, кг 10 Точность позиционирования, мм 0,2

Тип управляющего устройства—позиционное Масса манипулятора, кг 230

Робот ТУ Р-10 состоит из манипулятора, устройства числового програм­ много управления УПМ-772, блока управления электроприводами, пнев­ мопанели. Основными узлами манипулятора являются механизм поворота 7, механическая рука 4, электромеханические приводы J, механизм управ­ ления 2.

Механизм поворота (рис. ЗЛО) предназначен для поворота платформы манипулятора вокруг вертикальной оси на 340°. Он содержит неподвижное