|
ПРЕДИСЛОВИЕ
В учебном пособии показан системный подход к постановке задачи и последовательность выполнения начальных этапов проектирования манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. Значительное внимание уделено систематизации исходной информации для проектирования. Приведены основные компоновочные решения манипуляторов, модулей степеней подвижности, роботизированных комплексов и их элементов. Рассмотрены методы выбора вариантов схемных решений и расчета конструктивных параметров манипуляторов и приводов, обеспечивающих заданные характеристики робота, а также основные направления модернизации и унификации манипуляторов, их модулей и агрегатов.
Учебное пособие предназначено для. студентов технических вузов, обучающихся по специальности «Робототехнические системы». Оно может быть полезно студентам вузов робототехнических специализаций других специальностей, слушателям факультетов по переподготовке кадров по новым перспективным направлениям науки и техники и инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами расчета и конструирования роботов и робототехнических комплексов.
Изложенные в пособии методы расчета и конструирования могут быть использованы как при традиционном проектировании, так и при создании системы автоматизированного проектирования роботов. Многие этапы проектирования и расчеты достаточно формализованы, ^доведены до конкретных методик и могут решаться с помощью ЭВМ.
Авторы выражают благодарность рецензентам данной книги — коллективу кафедры «Промышленные роботы и робототехнические системы» Московского станкоинструментального института (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В. С. Кулешов) и д-ру техн. наук, проф. В. С. Медведеву (МВТУ им. Н. Э. Баумана).
Все замечания и пожелания просим направлять в издательство «Высшая школа» по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглин-
ная ул., 2914.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Решениями XXVII съезда КПСС, а также Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986 — 1990 годы и на период до 2000 года определены большие задачи в области автоматизации производства, повышения производительности и существенного сокращения доли ручного труда в промышленности и других отраслях народного хозяйства.'Промышленные роботы и построенные на их основе роботизированные комплексы являются перспективным средством комплексной автоматизации производственных процессов. Применение роботов позволяет существенно повысить производительность труда, эффективность действующего и вновь проектируемого оборудования, а также избавить человека от монотонных, физически тяжелых и вредных для здоровья работ. Роботы могут перемещать объект манипулирования с заданной скоростью по сложным пространственным траекториям. Их можно легко перенастраивать и перепрограммировать. Благодаря этим свойствам роботы успешно используют для гибкой автоматизации процессов сварки, окраски, сборки, обслуживания в общем комплексе различного технологического и транспортного оборудования.
Сейчас в стране разработано и серийно выпускается несколько десятков моделей промышленных роботов различного назначения и грузоподъемности. Однако совершенствование и внедрение их в производство в значительной мере сдерживается отсутствием научно-методических основ проектирования самих роботов и роботизированных производств, являющихся сложными автоматическими системами. Часто создание роботов и роботизированных комплексов ведется по аналогии с отдельными существующими разработками без учета специфики автоматизируемого производства. Проектирование роботов и роботизированных комплексов — сложная задача, требующая обоснованного выбора объекта роботизации и всестороннего учета технических, экономических и социальных аспектов. В современной литературе по робототехнике преимущественно описываются роботизированные комплексы, схемные и конструктивные решения роботов, анализ их кинематики, динамики, точности позиционирования. Значительное внимание уделяется проблемам управления. Вопросы же методики и практики проектирования робототехнических систем освещены недостаточно, что осложняет работу студентов над курсовым и дипломным проектированием в этой области.
В данном учебном пособии на основе анализа отечественного и зарубежного опыта создания различных типов промышленных роботов и робототехнических комплексов показан системный подход к постановке задач, последовательности и методике начального этапа проектирования промышленных роботов и роботизированных технологических комплексов.
Учебное пособие состоит из двух частей. В первой части рассмотрено проектирование манипуляторов промышленных роботов, во второй — проектирование роботизированных технологических комплексов как составных элементов гибких производных систем (ГПС).
Анализ манипуляторов можно производить различными методами. В данном пособии применены матричные методы, позволяющие использовать подобные соотношения для всех трех основных видов проектных расчетов — силового, точностного и жесткостного. Точностные требования к модулям определены путем распределения допустимых погрешностей манипулятора между модулями отдельных степеней подвижности. Рассмотренные методы и примеры проектных расчетов можно использовать как при традиционном конструировании, так и при создании системы автоматизированного проектирования роботов. Причем для лучшего понимания материала преимущественно описаны подходы к проектированию наиболее распространенных в промышленности роботов, работающих в цилиндрической системе координат. Другие типы манипуляторов проектируют аналогично, но расчетные соотношения для них более громоздкие.
Учитывая важность приобретения студентами опыта и навыков исследовательской работы, в пособии рассмотрены методы анализа кинематики и динамики манипуляторов в процессе их проектирования, а также экспериментальное исследование опытных образцов и серийных моделей промышленных роботов.
Алгоритмы, описывающие процедуры выбора решений, и имеющийся банк данных позволяют отдельные этапы проектирования решать с помощью ЭВМ. Ввиду сложности задач алгоритмы в ряде случаев носят приближенный характер и для разработки программ машинного проектирования роботизированных комплексов требуется их дальнейшая детализация.
При изложении материала пособия предполагалось, что читатель знаком с основными понятиями и определениями робототехники.
Часть первая
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАНИПУЛЯТОРОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
Глава 1
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 6
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 (л= 1 -f-З), 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 (л = 5-г-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"
§ 1.1. 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 ориентнроватьсяща_ максим ащшо'возможное использование унифицированных элементов и хорошо отработанных конструкций.
При разработке эскизного проекта ПР оценивают скорости п 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 выпус- ~ каемых 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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. — М.: Наука, 1975.
2. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. — М.: Высшая школа, 1980.
3. Бурдаков С. Ф, Первозваиский А. А. Динамический расчет электромеханических следящих приводов промышленных роботов. — Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина, 1982.
4. Волков Н. И., Миловзоров В. П. Электромашинные устройства автоматики.. — М.: Высшая школа, 1978.
5. Гибкое автоматическое производство В. О. Азбель, В. А. Егоров, Ю. А. Звоницкий и др.; Под общ. ред. С. А. Мгйорова и Г. В. Орловского. — Л.: Машиностроение, 1983.
6. Дьяченко В. А., Тимофеев А. Н. Некоторые вопросы проектирования роботизированных комплексов. — Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина, 1981.
7. Оборудование гибкого автоматизированного производства В. Я Катков-ник, А. Н. Тимофеев и др. — Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина. 1984.
8. Козырев Ю. Г. Промышленные роботы: Справочник. — М.: Машиностроение, 1983.
9. Лурье А. И. Аналитическая механика. — М.: Физматгиз, 1961.
10. Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С. Системы управления манипуляционных роботов. — М.: Наука, 1978.
11. Основы проектирования следящих систем Под ред. Я. А. Лакоты — М.: Машиностроение, 1978.
12. Планетарные передачи: Справочник Под ред. В. Н. Кудрявцева, Ю. Н. Кудряшева. — Л.: Машиностроение, 1977.
13. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочвик Под общ. ред. Е. В. Герц — М.: Машиностроение, 1981.
14. Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы: динамика и алгоритмы. — М.: Наука, 1978.
15. Проектирование механических передач С. А. Чернавский, Г. А. Снгса-рев, Б. С. Козинцев и др. — 5-е изд. — М.: Машиностроение, 1984.
16. Промышленная робототехника. А. В. Бабич, А. Г. Баранов, И. В. Кп-либрин и др.; Под ред. Я. А. Шифрина. — М.: Машиностроение, 1982.
17. Современные промышленные роботы: Каталог Под ред. Ю. Г. Козырева и Я- А. Шифрина. — М.: Машиностроение, 1984.
18. Свешников В. К-, Усов А. А. Станочные гидроприводы: Справочник. — М.: Машиностроение, 1982.
19. Тимофеев А. Н. Расчеты и конструирование несущих конструкций модулей степеней подвижности промышленных роботов. — Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина, 1982.
20. Устройство промышленных роботов Е. И. Юревич, Б. Г. Аветиков, О. Б. Корытко и др.; Под ред. Е. И. Юревич. — Л.: Машиностроение, 1980.
21. Чиликин М. Г., Ключев В. М., Сандлер А. С. Теория автоматизированного электропривода. — М.: Энергия, 1979.
22. Inciustrieroboter. Herausgegeben von J. Volmer. — Berlin: VEB Verlag Technik, 1981.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Алгоритмы проектирования 7, 134 манипулятора 74, 84, 93
— — роботизированного технологического комплекса (РТК) 236, 256
— работы РТК 198, 206 Анализ взаимного влияния движений 112
— частотных свойств 126
Выбор датчиков 136
— — положения 143
— — скорости 147
— двигателей 85, 136, 91
— объекта роботизации 193
— параметров модулей 72
— систем координат 10, 102
— скорости манипулирования 252
— типа приводов 133
Датчики аналогового типа 143
— дискретные (цифровые) 145
— — кодовые 145
— — инкрементальные 145
— индуктивные 226
— опознавания объекта транспортирования 227
— положения манипулятора 89
— скорости 147
Двигатели гидравлические 124
— пневматические 124
— электрические 85
— — асинхронные 123
— — постоянного тока 122
Захватные устройства 6, 21 Звено манипулятора 6, 18, 94
Исследование динамики 110
— кинематики 93, 96, 102
— экспериментальное динамических характеристик 185
— — жесткости 174
— — погрешность позиционирования 180
Классификация вспомогательного оборудования 210
— схем манипуляторов 13
— — модулей 40 РТК 191, 218
— роботов (манипуляторов) 6, 10 Комплексы роботизированные 190
— технологические (РТК) 191
— производственные (РПК) 191 Компоновка манипулятора 10, 96
— модуля 40
— РТК 216
Контейнеры транспортные 211 Координаты обобщенные 94, 111, 121, 124
— полюса схвата 94, 97, 129
Манипулятор 6, 13, 93, 96, 102, 110, 118, 126 Механизм привода 85 Модуль манипулятора 18
— — с одной степенью подвижности 19
— — вращательный 51
— — поступательный 40
— — с несколькими степенями подвижности 18
— роботизированный 191
Направляющие 41 Несущие конструкции 20, 79
Оборудование вспомогательное (сервисное) 210 Объект манипулирования 6
— роботизации 193
— управления 93 Опоры направляющих 41
Передача винт — гайка 55, 86, 88, 137
— зубчатая волновая 87
рейка-шестерня 45, 51, 86, 137
— цилиндрическая и коническая 87,138
— червячная 88
Планировка гибкой производственной системы (ГПС) 234
— РТК 216, 254
— траекторий манипулирования 219, 246
Погрешность позиционирования модуля 60
— робота (манипулятора) 35
динамическая 60, 130, 185
статическая 61, 130, 180
Податливость 67, 118, 160, 174 Привод 85
— гидравлический 133
— пневматический 133
— разомкнутый 133
— следящий 133, 137, 149, 158, 169
— электрический 133, 137, 158 Проектирование манипуляторов 93
— модуля 40
— привода следящего 133
— РТК 188
— участков РТК 240
Расчет манипулятора динамический 110
кинематический 93
— — силовой 25 точностной 35
— механизмов приводов 85
— модуля жесткостиой 67
— — силовой 56
— — точностной 60
— следящего привода 148
— схвата 24 Редуктор 87, 137 Робот модульный 18
— промышленный 6
— транспортный 229
Синтез передаточной функции разомкнутой системы 150
— функциональных блоков 153 Система гибкая производственная
(ГПС) 188
— координат ангулярная 13
— — входа модуля 56
— — выхода модуля 56
опорная 105, 106
связанная 105, 106
сферическая 13, 97, 100
цилиндрическая 13, 97, 100
— накопительная (хранения, скла-дирования)225, 231
— транспортная 225
межоперационная 225
— — внутрискладская 231
— управления контурная 7, 133 позиционная 7, 133
— — цикловая 7, 133 Склад 231
Степень подвижности избыточная 96
— вращательная 94
— ориентирующая 102
— переносная 10, 96, 102
— поступательная 10, 94 Схват 22
Транспортер 226
Унификация 16 Усилитель мощности 141 Участок производственный 231
— РТК 240
Штабелер 231
Ячейка промежуточного хранения (ПХ) 205
— роботизированная 191
|
