Принципиальное устройство промышленного робота.

Лабораторная работа №1

Изучение кинематики скоростных характеристик и

Систем координат робота

Цель работы —ознакомиться с основными свойствами кинематики промышленного робота,получить знания по существующим системам координат промышленных роботов, на практике научиться определять скорость перемещения звеньев робота для оценки последующей оптимизации управляющих программ.

 

Задачи:

1. Изучить теоретические сведения о существующих системах координат промышленных роботов

2. Рассмотреть схему робота «Омега»

3. В отчете по лабораторной работе зарисовать схему системы координат робота «Омега».

4. Написать программу для последовательного выхода звеньев робота в крайние точки рабочей зоны по всем осям.

5. Сделать вывод о полученных знаниях.

6.Включить оборудование

7.Запустить управляющее программное обеспечение роботом

8.Измерить скорости звеньев робота

9.Зафиксировать данные в таблице

10.Сделать вывод о полученных навыках

 

Назначение и область применения.

Промышленные роботы предназначены для замены человека при выполнении основных и вспомогательных технологических операций в процессе промышленного производства. При этом решается важная социальная задача - освобождения человека от работ, связанных с опасностями для здоровья или с тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, не требующих высокой квалификации. Гибкие автоматизированные производства, создаваемые на базе промышленных роботов, позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и единичном производстве. Копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором, необходимы при выполнении различных работ с радиоактивными материалами. Кроме того, эти устройства незаменимы при выполнении работ в космосе, под водой, в химически активных средах. Таким образом, промышленные роботы и копирующие манипуляторы являются важными составными частями современного промышленного производства.

Классификация промышленных роботов.

 

Промышленные роботы классифицируются по следующим признакам:

-по характеру выполняемых технологических операций: основные, вспомогательные, универсальные;

-по виду производства: литейные, сварочные, кузнечно-прессовые, для механической обработки, сборочные, окрасочные, транспортно-складские;

-по системе координат руки манипулятора: прямоугольная, цилиндрическая, сферическая, сферическая угловая (ангулярная), другие;

-по числу подвижностей манипулятора;

-по грузоподъемности: сверхлегкие (до 10 Н), легкие (до 100 Н), средние (до2000 Н), тяжелые (до 10000 Н), сверхтяжелые (свыше 10000 Н);

-по типу силового привода: электромеханический, пневматический, гидравлический, комбинированный;

-по подвижности основания: мобильные, стационарные;

-по виду программы: с жесткой программой, перепрограммируемые, адаптивные, с элементами искусственного интеллекта;

-по характеру программирования: позиционное, контурное, комбинированное.

 

Принципиальное устройство промышленного робота.

 

Манипулятор промышленного робота по своему функциональному назначению должен обеспечивать движение выходного звена и закрепленного в нем объекта манипулирования в пространстве по заданной траектории и с заданной ориентацией. Для полного выполнения этого требования основной рычажный механизм манипулятора должен иметь не менее шести подвижностей, причем движение по каждой из них должно быть управляемым. Промышленный робот с шестью подвижностями является сложной автоматической системой. Эта система сложна как в изготовлении, так и в эксплуатации. Поэтому в реальных конструкциях промышленных роботов часто используются механизмы с числом подвижностей менее шести. Наиболее простые манипуляторы имеют три, реже две, подвижности. Такие манипуляторы значительно дешевле в изготовлении и эксплуатации, но предъявляют специфические требования к организации рабочей среды. Эти требования связаны с заданной ориентацией объектов манипулирования относительно механизма робота. Поэтому оборудование должно располагаться относительно такого робота с требуемой ориентацией.

Рассмотрим устройство промышленного робота с трех подвижным манипулятором (рис.1). Основной механизм руки манипулятора состоит из трех модулей: одного поворотного 1 и двух модулей линейного перемещения 2 и 3. Структурная схема механизма этого манипулятора соответствует цилиндрической системе координат.

 

Рис 1. Трех подвижный манипулятор

 

На конце модуля 3 укреплено захватное устройство или схват 7, предназначенный для захвата и удержания объекта манипулирования при работе манипулятора. Звенья основного рычажного механизма манипулятора образуют между собой три одноподвижные кинематические пары (одну вращательную А и две поступательные В и С) и могут обеспечить перемещение объекта в пространстве без управления его ориентацией. Для выполнения вращательного движения звено 1 оснащено двигателем с редуктором и датчиком обратной связи 4. Звенья 2 и 3 оснащены двигателями и шарико-винтовой парой, а также датчиками обратной связи 5 и 6. Так как движение объекта осуществляется по заданному закону движения, то в системе должны быть устройства, сохраняющие и задающие программу движения, которые назовем носителями программ. При управлении от ЭВМ такими устройствами могут быть дискеты, диски CD, магнитные ленты и др. Преобразование заданной программы движения в сигналы управления двигателями осуществляется системой управления. Эта система включает ЭВМ, с соответствующим программным обеспечением, цифроаналоговые преобразователи и усилители. Система управления, в соответствии с заданной программой, формирует и выдает на исполнительные устройства приводов (двигатели) управляющие воздействия. При необходимости она корректирует эти воздействия по обратным сигналам, которые поступают в нее с датчиков обратной связи.

Рассмотрим, кинематическую схему робота (рис.2)

Рис.2 Кинематическая схема манипулятора

 

На неподвижном основании закреплен червячный редуктор, приводимый в движение шаговым двигателем М1 через жесткую муфту. Передаточное отношение редуктора указано на его корпусе. Выходной вал червячного редуктора жестко соединен с вертикальным линейным модулем 2.На линейном модуле 2 каретки скольжения движутся по направляющим, закрепленным на корпусе модуля. Подвижная часть приводится в движение винтом и гайкой ШВП, шаг винтов 4 мм, винт вращается шаговым двигателем М2, вращение передается через гибкую муфту, винт ШВ Пустановлен в опорах с подшипниками. Подвижная часть модуля 1 жестко соединена с подвижной частью горизонтального модуля перемещения 2, устройство которого аналогично устройству модуля 1, приводится в движение шаговым двигателем М3. На конце модуля 2 установлено захватное устройство (схват), представляющее собой шарнирно-рычажный механизм, приводимый в движение шаговым двигателем М4, вал которого жестко соединен с ходовым винтом пары «винт-гайка», которая в свою очередь обеспечивает движение рычагов схвата, с установленными на них захватными губками.

Системы координат робота

 

Число степеней подвижности и каждое движение робота обеспечивается соответствующей кинематической схемой его механизмов. Кинематические схемы роботов имеют определенные структуры кинематики рук и кисти, которые зависят от вида и последовательности расположения вращательных (В) и поступательных (П) кинематических пар. Разработана классификация кинематических структурных схем руки и манипуляторов, состоящая из пар:

1 – ВВВ, трех вращательных;

2 – ВВП, двух вращательных и одной поступательной;

3 – ПВП, ВПП, ППВ, двух поступательных и одной вращательной;

4 – ППП – трех поступательных.

Форма рабочей зоны и возможности манипулирования объектом также определяются кинематической структурной схемой кисти манипулятора (жесткая, В, ВВ, ВВВ).

Характер переносных степеней подвижности (поступательных и вращательных) определяет базовую систему координат манипулятора. Если поступательных переносных степеней подвижности три (П=3), а вращательных вообще нет (В=0), то базовая система координат является прямоугольной, а рабочая зона имеет форму параллелепипеда (Рисунок 3).

Рис. 3. Прямоугольная система координат

 

Несмотря на простоту конструкции, ПР с такой системой координат встречаются довольно редко, т.к. имеют большие габариты при малом объеме рабочей зоны и характеризуются сравнительно невысоким быстродействием. Такие роботы обычно либо подвешиваются над обслуживаемым технологическим оборудованием, либо монтируются на направляющих каретках под ним.

В том случае, когда П=2, В=1, рабочая зона ПР приобретает цилиндрическую форму, вернее форму неполного цилиндра (Рисунок 4).

 

Рис. 4. Цилиндрическая система координат

 

Соответствующая этому случаю базовая система координат R, H,  удобна и получила большое распространение. Она обеспечивает обслуживание большого объема рабочей зоны, но имеет недостаток, связанный с трудностью организации манипулирования предметами на малой высоте.

Если П=1, В=2, то рабочая зона представляет собой неполный шар, а базовая система координат R, , является сферической. Это наиболее универсальная система координат (Рисунок 5). Она обеспечивает обслуживание большего объема рабочей зоны, чем при прямоугольной и цилиндрической системах координат. Однако конструкция манипулятора в этом случае получается более сложной, а ПР нуждается в более сложной системе управления.

Рис. 5. Сферическая система координат

 

При П=0, В=3 получают ангулярную (угловую) базовую систему координат,, (Рисунок 6).

 

Рис. 6.Ангулярная система координат.

 

Такая система координат наиболее универсальна, обеспечивает обслуживание наибольшего объема рабочей зоны и позволяет строить ПР, обладающие максимальной антропоморфностью. Однако конструкция манипулятора очень сложна, громоздка и предполагает сложную систему управления. Недостатком является также то, что жесткость манипулятора в ней понижена, из-за чего возникают трудности обеспечения необходимой точности позиционирования.

Прямоугольная система координат реализуется тремя поступательными кинематическими парами, цилиндрическая – двумя поступательными и одной вращательной, сферическая – двумя вращательными и одной поступательной, угловая – тремя вращательными.

Анализ кинематических схем манипуляторов показывает две основные особенности:

- оси кинематических пар расположены параллельно либо перпендикулярно друг другу,

- звенья соединены в последовательную кинематическую цепь.

Вместе с тем они имеют ряд существенных недостатков:

- низкий показатель грузоподъемность/масса манипулятора, что обусловлено последовательной схемой соединения звеньев. Действительно, каждый привод должен перемещать не только полезную нагрузку, но и все последующие по цепи звенья.

- погрешности в перемещениях всех шарниров суммируются на концевой точке манипулятора, что приводит к низкой точности позиционирования манипуляторов по сравнению с машинами с декартовой компоновкой,

- относительно низкая жесткость манипуляционных роботов, так как упругое отклонение рабочего органа есть результат накопления деформаций по цепи по всем степеням подвижности робота. Причем весовые коэффициенты этой суммы пропорциональны расстояниям от концевой точки до осей соответствующих шарниров.

Робот Омега работает в цилиндрической системе координат. Направления движений робота указаны на Рисунке 7. G X Y Z

 

Рис. 7 Направления движений робота.

 

Области работы промышленного робота «Омега» представлены на Рисунке 8.

 

Рис. 8. Область рабочей зоны робота «Омега»

 

Порядок выполнения работы

1.Изучить устройство робота

2.Изучить кинематику промышленного робота.

1.Включите питание робота на блоке управления, отжав кнопку аварийного останова.

2.Запустите программное обеспечение управления роботом (Рисунок1)

3.Выполните выход в ноль по всем осям робота

4.Измерения будут проводиться по отдельности на каждой оси: X,Y,Z.

5.Выставите в программе управления роботом подачу 100% от

максимальной (Рисунок 9).

Рис. 9. Изменение подачи

6.Написав в командной строке кадр для линейной интерполяции, переместите соответствующее звено робота на величину L i, близкую к конечному положению, но не доходящую до нее. Рекомендуется

7.Выбрать целочисленные значения (Рисунок 10).

8.Измерьте секундомером время, за которое звено достигнет заданного положения.

9.Выполните измерения времени перемещения для всех звеньев, посчитайте скорость каждого привода по формуле 1 и заполните таблицу 1.

Где Si – скорость звена, Ti – время в минутах.

Рис. 10.  Направления измерений

 

Таблица 1.

	Li,мм, град	Ti, мин	Sx, м/мин	Sy мм/мин	Sz,мм/мин
X				-	-
Y			-		-
Z			-	-

 

10. Сделайте вывод о работе

 

Контрольные вопросы

 

1.Как классифицируются кинематические пары?

2.Как определить степень подвижности манипулятора?

3.Каковы базовые системы координат манипулятора?

4. Какие звенья входят в конструкцию манипулятора?

5. Что собой представляет структура манипулятора?

6. Как классифицируются кинематические пары?

7. Как определить степень подвижности манипулятора?

8. В какой системе координат работает манипулятор, выполненный по схеме ВПП?

9. В какой системе координат работает манипулятор, выполненный по схеме ППП?

10. В какой системе координат работает манипулятор, выполненный по схеме ВВВ?

11. Для чего нужно вычислять скорость движения звеньев робота?

12. От чего зависит скорость движения звеньев робота?

13. Как шаг ходового винта влияет на скорость линейных перемещений?

14. Как влияет на скорость поворота робота передаточное отношение червячного редуктора?