Общие вопросы проектирования манипуляторов

Модули отдельных степеней подвижности. Это законченные узлы, полностью обеспечивающие функционирование поступательной или вращательной степени подвижности (рис. 1.5,а). Эти модули содержат все элементы одной кинематической пары и ее привода, а также части несущих конструкций двух соседних звеньев.

Для разделения манипулятора на модули необходимы разъемы звеньев, несколько усложняющие и утяжеляющие конструкцию. Модули можно независимо друг от друга разрабатывать, изготовлять и настраивать. Кроме того, меняя вид и взаимное расположение нескольких типоразмеров модулей, можно получить большее разнообразие компоновок роботов (рис. 1.5, б). Для расширения возможностей перекомпоновки модули иногда выполняют с дополнительными (сверх двух основных) стыковочными элементами или вводят дополнительные переходные детали.

Узлы, содержащие часть несущих конструкций, кинематической лары и привода одной из степеней подвижности (рис. 1.6,а). На такие узлы легко разделяются по кинематической паре любые модули. Заменив в модуле один из углов, можно изменить его параметры, например ход или возможные варианты соединения с другими модулями (рис. 1.6,б).

Рис. 1.6

Иногда функции подобных узлов выполняют модули отдельных степеней подвижности базовых манипуляторов (рис. 1.6,в). В этом случае элементы одной кинематической пары звена и соответствующих частей привода не используют по прямому назначению. Узлы соединяют между собой либо с помощью естественных технологических или дополнительных базовых поверхностей (в том числе неиспользуемых кинематических пар) либо с помощью дополнительных переходных деталей. Таким образом, обычно модифицируются базовые конструкции роботов с целью уменьшения числа степеней подвижности.

Агрегаты или модули приводов, обеспечивающие перемещение и остановку в заданном положении исполнительных органов робота. Такие агрегаты, предназначенные для привода различного типа манипуляторов, выпускаются специализированными предприятиями. Для выделения приводов в функционально законченные узлы приходится вводить дополнительный корпус, который несколько утяжеляет конструкцию манипулятора.

Узлы несущих конструкций модулей или звеньев. Одни и те же несущие конструкции могут оснащаться различными приводами.

Отдельные детали и узлы несущих конструкций модулей или звеньев. Это направляющие, оси, опоры, корпуса, основания, портальные металлоконструкции и т. п. (рис. 1.7,а). Их перекомпоновка позволяет получить несущие конструкции модулей или звеньев с разнообразными сочетаниями параметров: ходом, жесткостью и несущей способностью и т. п. (рис. 1.7,6).

Мелкие агрегаты, узлы и отдельные детали. К ним относятся рабочие органы, двигатели, тормозные устройства, датчики, редукторы, передачи, распределительная аппаратура, арматура и т. п. Большинство узлов унифицируемых элементов, начиная от манипулятора и модуля двух степеней подвижности и кончая узлами несущих конструкций модулей, характеризуются многими функциональными параметрами, прежде всего видом и ходом степени подвижности и многокомпонентной внешней нагрузкой (различным образом ориентированными главными векторами сил и моментов). Вследствие этого недопустимо велико многообразие узлов, отличающихся различными сочетаниями типовых параметров (принятых в соответствии с выбранными параметрическими рядами). Поэтому унификация крупных узлов роботов целесообразна только в пределах отдельных их групп, объединяемых одинаковым местом в базовой компоновке манипулятора.

Рис. 1.7

Отдельные детали и узлы несущих конструкций и приводов описываются немногими параметрами, что позволяет легко ограничить количество типоразмеров, соответствующих параметрическим рядам. Например, к основным параметрам цилиндрических направляющих относятся наружный диаметр и длина. Размеры направляющих выбирают прежде всего из условия ограничения деформаций изгиба. Поэтому для ряда грузоподъемности R5 их диаметры должны задаваться третьим рядом R 20, т. е. 20; 22; 25; 32; 36; 40; 45; 50; 56; 63; 71; 80; 90; 100 мм. Ряды длин направляющих совпадают с рядами диапазонов перемещений степеней подвижности.

Собранные из таких унифицированных деталей модули или узлы звеньев можно использовать в разнообразных манипуляторах. А их параметры, соответствующие требованиям автоматизируемого производства, можно выбрать с помощью проектных расчетов.

Из унифицированных модулей с одной — тремя степенями подвижности построены, например, отечественный робот РПМ-25.

 

Робот модульного типа РПМ-25. Типичным роботом модульной конструкции является робот РПМ-25, представляющий собой совокупность или систему конструктивных модулей. Под модулем понимают функционально и конструктивно независимую единицу, которую можно использовать как самостоятельную, а также в различных комбинациях с другими модулями. Каждый модуль данной конструкции — это законченный машинный агрегат, содержащий как обычные приводные средства и механизмы, так и энергетические и информационные коммуникации, обеспечивающие одну или несколько степеней подвижности робота.

Система модулей робота РПМ-25 (рис. 1.15) включает три модуля межпозиционных перемещений (подвижные основания), шесть модулей, осуществляющих движения переноса, и ряд модулей ориентирующих движений (руки).

К числу модулей межпозиционных перемещений относятся подвижные основания в напольном Т и в подвесном Тм (на монорельсе) и двухкоординатном портальном Т2 исполнениях.

Модули движений переноса включают три однокоординатных модуля прямолинейных перемещений, два однокоординатных модуля вращательных перемещений и один двухкоординатный модуль — модуль двойного качания. Модули прямолинейных перемещений представлены модулем С поперечного сдвига, который устанавливается либо на модуль поворота, либо на модуль неподвижного основания; модулем П подъема, размещаемым на модулях неподвижного и подвижного (напольный вариант) оснований, на модулях поперечного сдвига и поворота; модулем радиального хода РХ, служащим для прямолинейного перемещения руки робота, который может быть установлен на всех упомянутых ранее модулях.

Комбинация из трех модулей прямолинейного перемещения позволяет получить компоновку робота РПМ-25, работающего в декартовых координатах.

Однокоординатные модули вращательных движений включают модуль В поворота, осуществляющий поворот относительно вертикальной оси и устанавливаемый на модулях неподвижного и подвижного оснований, и модуль С; а также модуль К качания,

Захватные устройства
Руки
Модули переноса
Основания

 

Рис. 1.16. Схема робота РПМ-25 компоновки Г, — РХ — Р— 3

осуществляющий поворот относительно горизонтальной оси (он может быть установлен на модулях неподвижного и подвижного оснований, на модулях Си В).

Двухкоординатный модуль Д двойного качания предназначен для создания компоновок робота с антропоморфной шарнирной структурой. Он может устанавливаться на модули неподвижного и подвижного оснований, модули С к В.

Модули ориентирующих движений представлены тремя видами рук: Р1 — с одной, Р2 — с двумя и Р3 — с тремя степенями подвижности. Эти модули имеют посадочные места, которые стыкуются с модулями Д и РХ. Кроме того, посредством специальных переходников они могут быть установлены на модулях К В, П, С, Т и Тм. Рука с тремя степенями подвижности имеет ряд дополнительных исполнений, например Р60 с повышенной грузоподъемностью (до 60 кг), что достигнуто за счет снижения ее скоростных характеристик. Исполнения Рвпв и Рзв наряду с одним ориентирующим движением производят дополнительные движения переноса (в сферической и угловой системах координат).

Кроме перечисленных выше основных модулей, система включает вспомогательные модули, к которым относятся модуль Н неподвижного основания с системой подготовки воздуха и ряд модулей операционных механизмов, включающих одинарное З1 и двойное З2 захватные устройства, захватное устройство ЗС с поперечным сдвигом, а также электромагнитное адаптивное захватное устройство Зэ для выбора из тары неориентированных заготовок.

Модули операционных механизмов стыкуются непосредственно с конечными звеньями модулей рук.

Привод основных движений робота РПМ-25 электрический постоянного тока следящий с обратной связью по положению и по скорости. В качестве исполнительных двигателей используют электродвигатели постоянного тока МИ2 мощностью 2 кВт и 4МИ12 мощностью 980 Вт. Привод операционных механизмов пневматический. Подвод воздуха под давлением осуществляется через стыковочные поверхности модулей.

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЕЙ СТЕПЕНЕЙ ПОДВИЖНОСТИ МАНИПУЛЯТОРОВ

В процессе общего проектирования манипулятора выбирают его компоновочную схему, определяют нагрузку на модули и точностные требования к ним. Затем поэтапно проектируют рабочий орган робота и модули. К основным задачам проектирования модуля относятся выбор состава, определение взаимодействия его основных функциональных элементов и конструктивных параметров деталей и агрегатов.

При решении этих задач необходимо использовать предшествующий опыт робототехники. Перед проектированием анализируют существующие конструкции роботов и формируют ряд нашедших применение схемных и компоновочных решений модулей и их элементов, а также определяют диапазон соотношений между функциональными и геометрическими параметрами этих элементов, т. е. создают информационный банк возможных или типовых конструктивных решений модулей. Из этого банка выбирают решения, в наибольшей степени соответствующие сформированным на предыдущих этапах требованиям к модулям. В результате творческой работы конструктора такие исходные решения можно дополнительно изменять с целью улучшения тех или иных характеристик.

Проектирование модулей может быть разбито на следующие основные этапы:

выбор общей компоновочно-кинематической схемы;

выбор геометрических и функциональных соотношений между основными элементами;

определение размеров направляющих или осей;

оценка массы и сил инерции подвижных элементов и выбор типоразмера привода;

выбор основных размеров несущих корпусов, опор, направляющих или осей;

определение точностных требований к основным элементам;

оценка общей массы и габаритных размеров модуля.

Данная глава посвящена основным вопросам проектирования модулей с одной степенью подвижности. Однако подобным образом проектируют и модули с несколькими степенями подвижности, полученные простым объединением несущих элементов узлов с одной степенью подвижности.

Компоновка модулей

Проектирование модуля начинается с выбора его общей компоновочно-кинематической схемы на основе известных схем, собранных в банке исходной для проектирования информации. В таком банке компоновочно-кинематические схемы для систематизации группируют по следующим признакам:

назначению — выдвижения или подъема руки, сдвига схвата, горизонтального перемещения всего робота или нескольких его модулей;

виду направляющих — две, три, четыре цилиндрические направляющие; призматические направляющие с тремя или четырьмя гранями, смешанные направляющие;

виду опор направляющих — скольжения, с телами качения в виде роликов на осях или в сепараторах, с шариковыми опорами качения и т. п.;

подвижности каретки — по неподвижным направляющим движется каретка, относительно неподвижной каретки движутся направляющие, комбинированные схемы;

виду и расположению привода — силовые цилиндры совмещены с направляющими, находятся внутри или рядом с направляющими, вращательный привод с зубчатой или цепной передачей и т. п.;

размещению упоров, тормозных устройств и датчиков положения — на основной или вспомогательной направляющей, дополнительной штанге, корпусе и т. п.

Различные сочетания этих элементов компоновки образуют множество возможных компоновочно-кинематических схем модулей. Некоторые из этих схем, нашедшие практическое применение, приведены в табл. 2.1.

Модули с основной и вспомогательной цилиндрическими направляющими (табл. 2.1, схемы 1—6). Основная направляющая обеспечивает прямолинейность движения и воспринимает боковую нагрузку, перпендикулярную оси движения. Вспомогательная направляющая, более тонкая и податливая по сравнению с основной, устанавливается для угловой фиксации входа модуля относительно оси движения.

Роль основной (схемы 1 и 3) или вспомогательной (схемы 2 и 4) направляющих может играть шток силового цилиндра. Схема 1 — самый простой вариант реализации модуля поступательного перемещения, так как представляет собой обычный силовой цилиндр, шток которого соединен с легкой вспомогательной направляющей.

Схемы 2 и 4 применяют в тех случаях, когда шток силового цилиндра, размеры которого выбраны по требуемому движущему усилию, не в состоянии воспринимать достаточно большие боковые нагрузки. Общим недостатком схем 1—4 является повышенный износ уплотняемой поверхности штока под действием боковых нагрузок и момента на входе модуля.