7 Проектирование манипуляционных устройств автоматизированных технологических систем

7.1 Понятия, назначение и классификация манипуляционных систем

Манипуляционные системы предназначены для перемещения и изменения ориентации в пространстве различных предметов труда. Автоматизированные манипуляционные системы присутствуют в большинстве автоматизированных технологических систем.

Автоматизированные манипуляционные системы могут быть универсальными и специализированными. Наибольшей универсальностью обладают манипуляционные системы промышленных роботов. В качестве примера специализированных манипуляционных систем можно назвать автооператоры, механические руки, различные питатели и др.

Для общности изложения вопроса в дальнейшем будем рассматривать универсальные манипуляционные системы на примере манипуляционной системы промышленного робота. Полученные при этом расчетные соотношения и зависимости могут быть распространены в упрощенном виде на другие типы манипуляционных систем.

В качестве предметов манипулирования могут выступать:

• в машиностроении – заготовки, детали, инструменты, технологическая оснастка, емкости с расплавленным металлом и т.д.

• в атомной промышленности – стержни радиоактивного материала, крышки люков, приборы контроля и т.д.

• в исследовательских (информационных) роботах – теле- и видеокамеры, буровые инструменты, космические модули и т.д.

• в роботах для экстремальных условий – специальные устройства для обработки местности, навесные орудия обработки земли, поверхностей зданий и др.

В роботе для выполнения манипуляционных (двигательных) функций используется манипулятор, представляющий собой ряд кинематических звеньев, соединенных друг с другом кинематическими парами. Пример кинематической схемы манипулятора приведен на рис. 177, где обозначены: 0...4 – кинематические звенья манипулятора, А₀...А₃ – кинематические пары, А₄ – характерная точка (центр) схвата. Одно из звеньев манипулятора (на рис. 177 звено 0) является стойкой, а другие могут совершать управляемые движения под силовым воздействием со стороны приводов.

В

а)

б)

манипуляторах роботов обычно используются одноподвижные вращательные (рис. 178, а) или поступательные (рис. 178, б) кинематические пары 5-го класса.

Распространенность в манипуляторах роботов одноподвижных кинематических пар 5-го класса объясняется тем, что такие пары обеспечивают относительное движение образующих их кинематических звеньев относительно друг друга по одной координате, а, следовательно, для перемещения одного звена относительно другого требуется один привод.

Силовое воздействие приводов на звенья манипулятора осуществляется в соответствии с управляющими сигналами, поступающими от системы управления робота, которые в свою очередь формируются в соответствии с заданием на движение схвата, учетом состояния робота и окружающей технологической среды. Таким образом, при подаче сигналов управления на приводы робота, звенья манипулятора и его схват будут совершать определенные перемещения в пространстве.

Для роботов наиболее характерны два типа заданий на перемещение схвата.

1. Перемещение от одной точки позиционирования к другой – позиционное управление. В этом случае задаются координаты начальной, промежуточных и конечной точек позиционирования. Траектория движения схвата и скорость его движения между точками не регламентируется. Число точек позиционирования может быть достаточно большим.

Существенным моментом при позиционном управлении является то, что в каждой точке позиционирования схват должен сделать остановку и, следовательно, скорость схвата в этих точках должна быть равна нулю. Значит, каждую пару соседних точек при планировании движения схвата в этом случае можно рассматривать как начальную и конечную.

Примерами позиционного управления могут быть:

• движение от места хранения заготовки (детали) к приспособлению станка;

• перенос инструмента (например, сверла) от одной точки разметки до другой;

• перемещение сварочных клещей при точечной сварке кузовов автомобилей.

На рис. 179 показаны примерные графики перемещений (1), скоростей (2) и ускорений (3) схвата по одной из координат от одной точки позиционирования к другой.

2. Перемещение схвата по заданной в пространстве и времени траектории – контурное управление. В этом случае задается закон д вижения схвата по координатам x, y и z в виде x = x(t); y = y(t); z = z(t) и, кроме того, – ориентация схвата в каждый момент времени. Ориентацию схвата в пространстве можно задавать с использованием углов Эйлера:  = (t);  = (t);  = (t), где ,  и  – соответственно, углы прецессии, нутации и собственного вращения или с помощью углов между осями координат инерциальной системы координат и осями координат схвата.

Таким образом, при контурном управлении движение схвата задается в общем случае по шести координатам; в некоторых случаях можно обойтись тремя координатами, определяющими положение характерной точки схвата в пространстве, с последующим обеспечением ориентации схвата в конечной точке. Примеры контурного управления:

• с варка деталей при пространственном расположении шва;

• контурная резка металла из листового проката;

• раскрой материала по выкройкам и др.

На рис. 180 показан пример выполнения сварочного шва на цилиндрической поверхности с обеспечением постоянного угла  наклона электрода к поверхности и с учетом расхода электрода.

На рис. 181 рассматривается плоское движение схвата с его постоянной ориентацией.

На начальной стадии решение задач обеспечения позиционного и контурного управления имеет определенные различия между собой. Существуют, так называемые, прямая и обратная з адачи кинематики манипуляторов.

В завершающей части определение управляющих воздействий сводится к решению уравнений динамики манипулятора и нахождению обобщенных силовых воздействий приводов на звенья манипулятора как функций времени.

При рассмотрении кинематики манипуляторов различают переносные и ориентирующие степени подвижности звеньев.

П ереносные (региональные) степени подвижности манипулятора. Переносными (региональными) степенями подвижности называют такие, с помощью которых обеспечивается пространственное перемещение схвата. Для обеспечения пространственного движения схвата в общем случае достаточно трех степеней подвижности, расположенных определенным образом относительно друг друга. Основными минимальными условиями обеспечения пространственного движения в манипуляторе, содержащем пары 5-го класса, являются:

1

а)

б)

в)

) наличие двух вращательных пар с непаралеллельными осями (обычно оси располагаются перпендикулярно друг другу) и третьей вращательной или поступательной пары, обеспечивающей изменение радиуса сферы (рис. 182, а);

2) наличие двух вращательных пар с параллельными осями и третьей поступательной пары, направляющая которой неперпендикулярна осям вращательных пар (обычно ее принимают параллельной осям вращательных кинематических пар (рис. 182, б)), или третьей вращательной пары, ось вращения которой непараллельна предыдущим кинематическим парам;

3) наличие двух поступательных пар с непараллельными направляющими и третьей вращательной пары, ось которой неперпендикулярна плоскости, образованной направляющими поступательных пар (рис. 182, в), или третьей поступательной пары, направляющая которой непараллельна названной плоскости (обычно направляющие принимают перпендикулярными друг другу, а ось вращательной пары параллельной плоскости).

Двигательные возможности манипулятора определяются в значительной степени последовательностью применения типов кинематических пар (вращательных и поступательных) и взаимным расположением осей и направляющих этих пар в манипуляторе. Обозначив буквами В и П соответственно вращательную и поступательную кинематические пары, получим восемь возможных сочетаний расположения типов кинематических пар, обеспечивающих три первые переносные степени подвижности манипулятора: ВВВ, ПВВ, ВПВ, ВВП, ППВ, ПВП, ВПП, ППП.

Некоторые основные кинематические схемы манипуляционных систем, обеспечивающие переносные движения схвата, и их условные обозначения сведены в табл. 1.

Схемы, обозначенные в табл. 1 буквами A, B, C, D, E и F, являются наиболее распространенными и по ним выполнено большинство промышленных роботов.

Переносные степени подвижности удобно классифицировать так же по системам координат, которые обеспечивает та или иная комбинация кинематических пар манипулятора. Различают четыре основных системы координат манипуляторов (рис. 183): 1) цилиндрическая (рис. 183, а) с координатами φ, ρ, h; 2) сферическая (рис. 183, б) с координатами φ, α, ρ; 3) прямоугольная (рис. 183, в) с координатами x, y, z и 4) ангулярная (угловая) (рис. 183, г) с координатами φ₁, φ₂, φ₃.

Ориентирующие (локальные) степени подвижности манипулятора. Если в каждой точке рабочего пространства манипулятора его схват должен иметь вполне определенную ориентацию, то манипулятор необходимо снабдить как минимум тремя ориентирующими степенями подвижности. Хотя в промышленных роботах обычно обходятся одной-двумя ориентирующими степенями подвижности.

Таблица 1

Основные кинематические схемы переносных степеней подвижности манипуляторов

№	Последовательность применения типов кинематических пар	Кинематические схемы манипуляторов
1	2	3
1	ВВВ	A)
2	ПВВ	B)
3	ВПВ

Окончание табл. 1

1	2	3
4	ВВП	C) D)
5	ППВ
6	ПВП
7	ВПП	E)
8	ППП	F)

Основные кинематические схемы манипуляционных систем, обеспечивающие ориентирующие движения схвата, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Кинематические схемы ориентирующих степеней подвижности

№	Выполняемые функции	Схемы ориентирующих степеней подвижности	Степень применимости, %
1	Ротация схвата		37
2	Ротация схвата с дополнительным пространственным движением		25
3	Обеспечение полной пространственной ориентации схвата		10
4	Без ориентирующих степеней подвижности	Оборудование и манипулятор выставляются так, чтобы рука робота оказывалась в требуемом положении относительно оборудования	28