Раздел 3. Конструкции промышленных роботов.

3.1. Общие сведения о конструкции роботов.

Под конструкцией роботов понимается конструктивное исполнение их механической системы.

В общем виде их механическая система состоит из следующих элементов:

• опоры, в виде основания или передвижных тележек напольного или подвесного типа;

• корпуса робота различной формы с вмонтированными в него механизмами подъема и поворота руки и перемещения робота;

• корпус руки робота с вмонтированными в него механизмами перемещения руки, звена, а в некоторых случаях, и захвата руки;

• руки робота с одним или несколькими звеньями;

• захватного устройства.

Кинематическое, компановочное и конструктивное использование этих элементов и составляют конструкции роботов.

Конструкция роботов определяет его основные характеристики: число степеней подвижности, маневренность, сервис, систему координатных перемещений и вид системы координат, в которой они работают.

1) Под числом степеней подвижности - W понимается число степеней свободы кинематической цепи относительно звена, принятого за подвижное.

Число степеней подвижности определяется по уравнениям Соснова -Малышева для открытых кинематических цепей ПР и М:

• для объемных механизмов

W₀₌P₁₊2P₂₊3P₃+4P₄+5P₁

• для тонких механизмов

W_m=P₁+2P₄

где P₁ , P₂ , Р₃, Р₄ , Р₅ – числа кинематических пар соответственно 1-5 класса.

2) Маневренность –M - это число степеней подвижности механической системы для фиксирования положения захватного устройства.

Она определяет способность манипулятора к выполнению сложных движений и обхода рукой препятствий в рабочей зоне.

3) Коэффициент сервиса характеризует возможности подхода конечного звена М с различных направлений к заданной точке.

Он выражается уравнением:

= ; - для одной точки.

В разных точках рабочей зоны он имеет разные значения.

Полным коэффициентом сервиса называется его среднее значение для рабочей зоны объемом V:

= _I dV.

Он дает качественную оценку кинематических свойств ПР по его величине, рассчитанной на ЭВМ, подбирается рациональный вариант структурной схемы руки робота.Так например

4) Система координатных перемещений ПР определяет и характеризует кинематику основных движений и форму рабочей зоны (рис.2). Козырев стр.24-25

5) Системы координат бывают у ПР 2-х видов: прямоугольные и криволинейные(полярная, ангулярная).

Кроме того, они разделяются на плоские и пространственные.

В криволинейной системе координат наиболее применимы для ПР следующие виды:

• плоские полярные, т.е. перемещения в одной плоскости в направлении вектора– r с углом :

• цилиндрические, т.е. перемещения по оси z и углом ;

• сферические или полярные, т.е. перемещения за счет линейного движения руки на величину r и угловых перемещений -  и  в 2-х взаимоперпендикулярных плоскостях;

• ангулярные или угловые перемещения, плоские или пространственные – цилиндрические или сферические для движения шарнирных многозвенных рук.

В результате анализа конструктивных параметров около 500 роботов различных конструкций и стран-разработчиков установлены следующие особенности:

- по системам координат ПР распределяются – 52% - цилиндрическая, 15% - сферическая, 13% - ангулярная и др.;

- по степеням подвижности – 33% - 4 степени, 30% - 5 степеней, 17% - 3 степени и др.;

• по видам приводов – 40% - пневматический, 38% - гидравлический и 22% - электрический;

- по грузоподъемности – 24% - до 20 кг., 20% - до 40 кг., 17% - до 10 кг., 11% - до 5 кг. И др.;

- по объему рабочей зоны – 45% - от 1 до м³ , 30% - до 1 м³ , 12% - свыше 10 м³

- по погрешности позиционирования – 30% -  0,1-0,5 мм, 24% - 0,5 -1 мм, 15% -  1-2 мм и др.

По компоновочным и конструкторско-технологическим признакам механической системы роботы распределяются следующим образом (рис.3):

• с выдвижной рукой, консольным механизмом подъема, работающие в цилиндрической и прямоугольной системе координат (гр.1) – 41%:

• тоже, но с рукой на подъемной каретке –20%, (гр.2);

• с качающейся выдвижной рукой, работающие в полярной системе координат – 11%, (гр.3);

• с многозвенной рукой, работающие в ангулярной системе гр.4, и многорельсовые подвесные – гр.4 – по 13%.

Таковы наиболее применяемые виды роботов по их техническим показателям.

Некоторые примеры соответствия моделей ПР их компоновочно-кинематическими схемами см. табл.1.

Таблица 1.

№ по таблице рис.3	Система координат	Модель ПР
2.2	цилиндрическая	«Бриг-10» «Циклон-3.01» УМ-1
3.	Плоская	СМ-80Ц.40 УМ-160 Ф2.80.01
4.1.	цилиндрическая	СМ 40Ц 4301
4.2.	сферическая	Универсал 15
5.1.	цилиндрическая	МП-9К
6.2.	сферическая	Универсал
8.2.	Сложная Сферическая полярная	ПРК-2
9.	Плоская Сложная полярная	СМН6 Ф2.80.1
10.2.
1.	Прямоугольная плоская	РО/1В

Рис.3. Примеры наиболее распространенных компановочно-кинематических схем роботов.

3.2. компановочные и кинематические схемы роботов

Компоновочные схемы ПР – это схемы расположений и движений элементов робота (Козырев стр.22-23, Соломенцев стр.7). Примеры наиболее распространенных компоновочно-кинематических схем роботов см.Рис.3.

Они предопределяют кинематические и функциональные возможности ПР. На основе анализа существующих компоновочных схем ПР ЭНИМС предложены и стандартизованы классификация и типы компоновочных схем различных роботов, сведенные в таблицу по видам координат с определенным кодированием типа компоновки (см. Рис.4) (МУ 63 стр.17-18):

• прямоугольная – плоская 01-07, пространственная 20-24:

• полярная – плоская 30-31, цилиндрическая 40-49 и сферическая 60-64;

• сложная полярная – цилиндрическая 80-81 и сферическая 90-94.

Эта классификация проведена по следующим признакам:

• системе координат;

• форме линейных и угловых перемещений;

• мобильность – стационарные и передвижные схемы;

• типу и конструкции опорных систем;

• числу рук;

• величины перемещений – линейных H и L, углу поворота робота - , звеньев руки ₁ и ₂ , поворота кисти руки - и качания кисти – В₁ и В₂.

Компоновочные схемы разделяются по системам координат на группы, которые в свою очередь по указанным выше признакам подразделяются на подгруппы, имеющие свой код.

Выбор компоновочной схемы для конкретного робота проводится в зависимости от следующих факторов:

• компоновки роботизированной ячейки;

• особенностей обслуживаемого оборудования;

• особенностей транспортирования объекта манимулирования;

• числа и характера обслуживаемых позиций в РТЯ;

• величины, виды и формы движения элементов робота в РТЯ и осуществляется по таблице ГОСТов.

Выбор компоновочной схемы, исходя из этих факторов, осуществляется по таблице компоновок ГОСТа.

Число степеней свободы 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, обеспечиваемых 4-мя структурами;

2 – ВПВ, 2-х вращательных и одной поступательной – 3 структурные схемы;

3 – ПВВ, одной поступательной и 2-х вращательных– 3 структурные схемы;

4 – ВВП, 2-х вращательных и одной поступательной – 3 структурные схемы;

5 – ПВП, - 2 структурные схемы;

6 – ВПП – I с.с.;

7 – ППВ - I с.с.;

8 – ППП, трех поступательных – I структурная схема.

Эта классификация представлена в виде таблицы ГОСТ, в которой для каждого сочетания пар представлены несколько реализуемых структурных схем руки и кисти.

Ф орма рабочей зоны и возможности манипулирования объектом также определяются кинематической структурной схемой кисти манипулятора (Рис.5), по классификации их пять:

- жесткая;

- В, с одним вращательным

движением;

- ВВ, с двумя вращательными

движениями – 2 схемы;

- ВВВ, с тремя вращательными

движениями.

При работе с ориентированными деталями выбирается первая схема, при частичной ориентации объектов – 2-4 схемы, при произвольной ориентации из пары – 3-я схема.

Кинематические структурные схемы манипуляторов и кисти руки выбираются из таблицы ГОСТа, исходя из необходимых размеров, направлений и формы передвижений манипулятора или его руки, а также вида ориентации объекта на транспортных устройствах и обслуживаемом оборудовании РТЯ.

Кроме этих движений манипулирования объектом, ПР должен иметь перемещения по вертикали, т.е. подъем и спускание, а также самого робота вдоль линии обслуживаемого оборудования.