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 для примера структурную и функциональную схемы промышленного робота с трехподвижным манипулятором. Основной механизм руки манипулятора состоит из неподвижного звена 0 и трех подвижных звеньев 1, 2 и 3 (рис.19.1). Механизм этого манипулятора соответствует цилиндрической системе координат. В этой системе звено 1 может вращаться относительно звена 0 (относительное угловое перемещение j₁₀), звено 2 перемещается по вертикали относительно звена 1 (относительное линейное перемещение S₂₁) и звено 3 перемещается в горизонтальной плоскости относительно звена 2 (относительное линейное перемещение S₃₂). На конце звена 3 укреплено захватное устройство или схват, 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 каждого из трех относительных движений манипулятор должен быть оснащен приводами, которые состоят двигателей с редуктором и системы датчиков обратной связи.

Рис. 19.1

Так как движение объекта осуществляется по заданному закону движения, то в системе должны быть устройства, сохраняющие и задающие программу движения, которые назовем программоносителями.

Рис. 19.2

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 u_i. При необходимости она корректирует эти воздействия по сигналам Dx_i, которые поступают в нее с датчиков обратной связи. Функциональная схема промышленного робота приведена на рис. 19.2.

Основные понятия и определения. Структура манипуляторов.
Геометро-кинематические характеристики.

Формула строения - математическая запись структурной схемы манипулятора, содержащая информацию о числе его подвижностей, виде кинематических пар и их ориентации относительно осей базовой системы координат (системы, связанной с неподвижным звеном).

Движения, которые обеспечиваются манипулятором делятся на:

• глобальные (для роботов с подвижным основанием) - движения стойки манипулятора, которые существенно превышают размеры механизма;
• региональные (транспортные) - движения, обеспечиваемые первыми тремя звеньями манипулятора или его "рукой", величина которых сопоставима с размерами механизма;
• локальные (ориентирующие) - движения, обеспечиваемые звеньями манипулятора, которые образуют его "кисть", величина которых значительно меньше размеров механизма.

В соответствии с этой классификацией движений, в манипуляторе можно выделить два участка кинематической цепи с различными функциями: механизм руки и механизм кисти. Под "рукой" понимают ту часть манипулятора, которая обеспечивает перемещение центра схвата - точки М (региональные движения схвата); под "кистью" - те звенья и пары, которые обеспечивают ориентацию схвата (локальные движения схвата).

Рассмотрим структурную схему антропоморфного манипулятора, то есть схему которая в первом приближении соответствует механизму руки человека (рис.19.3).

Рис. 19.3

Этот механизм состоит из трех подвижных звеньев и трех кинематических пар: двух трехподвижных сферических А_3сф и С_3сф и одной одноподвижной вращательной В_1в.

Кинематические пары манипулятора характеризуются: именем или обозначением КП - заглавная буква латинского алфавита (A,B,C и т.д.); звеньями, которые образуют пару (0/1,1/2 и т.п.); относительным движением звеньев в паре ( для одноподвижных пар - вращательное, поступательное и винтовое); подвижностью КП (для низших пар от 1 до 3, для высших пар от 4 до 5); осью ориентации оси КП относительно осей базовой или локальной системы координат.

Рабочее пространство манипулятора - часть пространства, ограниченная поверхностями огибающими к множеству возможных положений его звеньев.
Зона обслуживания манипулятора - часть пространства соответствующая множеству возможных положений центра схвата манипулятора. Зона обслуживания является важной характеристикой манипулятора. Она определяется структурой и системой координат руки манипулятора, а также конструктивными ограничениями наложенными относительные перемещения звеньев в КП.
Подвижность манипулятора W - число независимых обобщенных координат однозначно определяющее положение схвата в пространстве.

или для незамкнутых кинематических цепей:

Маневренность манипулятора М - подвижность манипулятора при зафиксированном (неподвижном) схвате.

Возможность изменения ориентации схвата при размещении его центра в заданной точке зоны обслуживания характеризуется углом сервиса - телесным углом y, который может описать последнее звено манипулятора (звено на котором закреплен схват) при фиксации центра схвата в заданной точке зоны обслуживания.

где: f_C - площадь сферической поверхности, описываемая точкой С звена 3, l_CM- длина звена 3.

Относительная величина k_y = y / (4p), называется коэффициентом сервиса. Для манипулятора, изображенного на рис.19.4,

подвижность манипулятора: W = 6 * 3 - (3 * 2 - 5 * 1) = 18 - 11 = 7; маневренность: M = 7 - 6 = 1; формула строения: W = [q10 + j10 + y10 ] + j21 + [q32 + j32 + y32 ].

Рис. 19.4

Структура кинематической цепи манипулятора должна обеспечивать требуемое перемещение объекта в пространстве с заданной ориентацией. Для этого необходимо, чтобы схват манипулятора имел возможность выпонять движения минимум по шести координатам: трем линейным и трем угловым. Рассмотрим на объекте манипулирования точку М, которая совпадает с центром схвата. Положение объекта в неподвижной (базовой) системе координат 0x₀y₀z₀ определяется радиусом-вектором точки М и ориентацией единичного вектора с началом в этой точке. В математике положение точки в пространстве задается в одной из трех систем координат:

прямоугольной декартовой с координатами x_M, y_M, z_M;

цилиндрической с координатами r_{sM, j M}, z_M;

сферической с координатамиr_{M, j M}, _{q M}.

Ориентация объекта в пространстве задается углами a, b и g, которые вектор ориентации образует с осями базовой системы координат. На рис. 19.5 дана схема шести подвижного манипулятора с вращательными кинематическими парами с координатами объекта манипулирования.

В общем случае связь между координатами , , точки грейферного захвата манипулятора и управляемыми обобщенными координатами определяется системой уравнения

(1)

Уравнения связи между координатами рабочей точки и обобщенными координатами исполнительных устройств для принятой кинематической схемы манипулятора примут вид

, (2)

, (3)

, , (4)

(5)

, (6)

, (7)

Одним из основных моментов, заслуживающих особое внимание при рассмотрении процесса движения грейферного захвата и составных элементов гидравлического манипулятора в условиях производственного пространства лесопромышленного склада, есть влияние ограничений на формирование зоны обслуживания.

В следствии проведенного анализа и синтеза ограничений определены их основные группы:

– ограничения, которые созданы препятствиями в виде производственных объектов и штабелей древесины;

– ограничения, связанные с соотношением длины стрелы и рукояти манипулятора, а так же с типом структурной схемы манипулятора;

– ограничения, которые накладываются подвижностью в кинематических парах манипулятора.

Последние два ограничения могут быть решены еще на стадии проектирования механизма гидравлического манипулятора, так как на передпроектном этапе известны технологические задачи, которые должен выполнять манипулятор.

Первое ограничение является более существенным, так как не подлежит решению на этапе выбора структурной схемы и технических характеристик манипулятора. С целью решения этого вопроса возникает необходимость произвести формализацию существующих препятствий различными элементарными геометрическими образами. К ним относятся: штабеля круглых лесоматериалов, торцевыравниматель, лесонакопители, сортировочный транспортер – параллелепипеды произвольных размеров и ориентации; сложные объекты и технологическое оборудование неправильных форм, (например эстакада с хлыстами), которые представляются в виде многоугольников с выпуклыми сторонами.

Необходимо отметить, что формализация ограничений не решает вопрос свободного перемещения грейферного захвата между двумя точками, которые расположены на значительном расстоянии друг от друга по кратчайшей траектории движения. В сложных условиях лесопромышленного склада, с большим количеством текущих задач по выполнению транспортно-переместительных операций, предлагается решение вопроса путем подъема первого звена манипулятора с последующей его установкой на портал с возможностью выполнения передвижения параллельно расположенному сортировочному транспортеру [4].

Выводы. Обзор технологических решений, предусматривающих применение манипуляторов на лесопромышленных складах, выявил их широкое разнообразие. Практика применения манипуляторов на лесопромышленных складах показывает, что эффективность их работы зависит от зоны обслуживания.

Для обеспечения эффективной работы манипуляторов: предложено использовать манипуляторы с вращающимися парами; установлено связь между координатами подвески грейфера и обобщенными координатами манипулятора; изучены и формализованы существующие ограничения в зоне деятельности манипулятора.

Практическое использование поставленной задачи возможно выполнить на основании разработанной конструкции машины для выполнения переместительных операций на лесопромышленном складе оборудованы гидравлическим манипулятором.

Рис. 19.5

При структурном синтезе механизма манипулятора необходимо учитывать следующее:

• кинематические пары манипуляторов снабжаются приводами, включающими двигатели и тормозные устройства, поэтому в схемах манипуляторов обычно используются одноподвижные кинематические пары: вращательные или поступательные;
• необходимо обеспечить не только заданную подвижность свата манипулятора, но и такую ориентацию осей кинематических пар, которая обеспечивала необходимую форму зоны обслуживания, а также простоту и удобство программирования его движений;
• при выборе ориентации кинематических пар необходимо учитывать расположение приводов (на основании или на подвижных звеньях), а также способ уравновешивания сил веса звеньев.

При выполнении первого условия кинематические пары с несколькими подвижностями заменяют эквивалентными кинематическими соединениями. Пример такого соединения для сферической пары дан на рис. 19.6.
Перемещение схвата в пространстве можно обеспечить, если ориентировать оси первых трех кинематических пар по осям одной из осей координат. При этом выбор системы координат определяет тип руки манипулятора и вид его зоны обслуживания. По ГОСТ 25685-83 определены виды систем координат для руки манипулятора, которые приведены в таблице 19.1. Здесь даны примеры структурных схем механизмов соответствующие системам координат. Структурные схемы механизмов кисти, применяемые в манипуляторах, даны в таблице 19.2. Присоединяя к выходному звену руки тот или иной механизм кисти, можно получить большинство известных структурных схем манипуляторов, которые применяются в реальных промышленных роботах.

Сферическая кинематическая пара	Эквивалентное кинематическое соединение

Рис. 19.6

	Системы координат "руки" манипулятора.	Таблица 19.1
Прямоугольная (декартова)	Цилиндрическая
Сферическая	Угловая (ангулярная)
Другие

Структура манипулятора определяется и местом размещения приводов. Если приводы размещаются непосредственно в кинематических парах, то к массам подвижных звеньев манипулятора добавляются массы приводов. Суммарная нагрузка на приводы и их мощность увеличиваются, а отношение массы манипулятора к полезной нагрузке (максимальной массе объекта манипулирования) уменьшается. Поэтому при проектировании роботов приводы звеньев руки, как наиболее мощные и обладающие большей массой, стремятся разместить ближе к основанию робота Таблица 19.2

. Для передачи движения от привода к звену используются дополнительные кинематические цепи. Рассмотрим схему руки манипулятора ПР фирмы ASEA (рис.19.7). К трехзвенному механизму с ангулярной системой координат добавлены:

• для привода звена 2 - простейший кулисный механизм, образованный звеньями 4,5 и 2;
• для привода звена 3 - цепь, состоящая из кулисного механизма (звенья 6,7 и 8) и шарнирного четырехзвенника (звенья 8,9,2 и 3).

Таким образом, в рычажном механизме можно выделить кинематическую цепь руки (звенья 1,2 и 3) и кинематические цепи приводов. Манипуляторы использующие принцип размещения приводов на основании имеют более сложные механизмы. Однако увеличение числа звеньев и кинематических пар компенсируется уменьшением масс и моментов инерции, подвижных звеньев манипулятора. Кроме того, замкнутые кинематические цепи повышают точность и жесткость механизма. В целом манипуляторы, использующие принципы комбинированного размещения приводов (часть приводов на основании, часть на подвижных звеньях), обладают лучшими энергетическими и динамическими характеристиками, а также более высокой точностью.
В кинематических схемах рассмотренных манипуляторов веса звеньев вызывают дополнительную нагрузку на приводы. Фирма SKILAMразработала робот SANCIO (рис. 19.8) в котором веса приводов и звеньев воспринимаются кинематическими парами, а на момент двигателей влияют только через силы трения. Такая структурная схема механизма потребовала увеличения размеров кинематических пар, однако в целом был получен существенный выигрыш по энергетическим и динамическим показателям.
Данные примеры не охватывают всех возможных ситуаций рационального выбора структуры манипуляторов. Они только демонстрируют наиболее известные из удачных структурных схем.

Рис. 19.7	Рис. 19.8

Важная особенность манипуляторов - изменение структуры механизма в процессе работы, о чем говорилось на лекции по структуре механизмов. В соответствии с циклограммой или программой работы робота, в некоторых кинематических парах включаются тормозные устройства. При этом два звена механизма жестко соединяются с друг другом, образуя одно звено. Из структурной схемы механизма исключается одна кинематическая пара и одно звено, число подвижностей схвата механизма уменьшается (обычно на единицу). Изменяется структура механизма и в тех случаях, когда в процессе выполнения рабочих операций (на пример, при сборке или сварке) схват с объектом манипулирования соприкасается с окружающими предметами, образуя с ними кинематические пары. Кинематическая цепь механизма замыкается, а число подвижностей уменьшается. В этом случае в цепи могут возникать избыточные связи. Эти структурные особенности манипуляторов необходимо учитывать при программировании работы промышленного робота.
Быстродействие ПР определяют максимальной скоростью линейных перемещений центра схвата манипулятора. Различают ПР с малым (V_M<0.5 м/с), средним (0.5 < V_M < 1.0 м/с) и высоким (V_M>1.0м/с) быстродействием. Современные ПР имеют в основном среднее быстродействие и только около 20% - высокое.
Точность манипулятора ПР характеризуется абсолютной линейной погрешностью позиционирования центра схвата. Промышленные роботы делятся на группы с малой (D r_M< 1мм), средней (0.1 мм < D r_M < 1 мм) и высокой (Dr_M< 0.1 мм) точностью позиционирования.

29. Правила регистрации ГПМ в органах Ростехнадзора.

Грузоподъемные механизмы (далее – ГПМ, ПС), перечисленные в п. 3 федеральных норм и правил «Правила безопасности ОПО, на которых используются подъемные сооружения», подлежат учету в органах Ростехнадзора. Исключения составляют ГПМ, указанные в п. 148 ФНП. Регистрация ПС в Ростехнадзоре предполагает две последовательные процедуры (очередность лучше уточнить в вашем территориальном управлении ФСЭТАН): 1. Постановка на учет в качестве технических устройств. 2. Регистрация в качестве ОПО с присвоением класса опасности. Согласно п. 146 ФНП по ПС, регистрации подлежат только те ОПО, на которых используются ГПМ, подлежащие учету в Ростехнадзора как технические устройства. Какие ГПМ подлежат учету в Ростехнадзоре Нужно ли вам регистрировать ГПМ? Ответ на этот вопрос можно найти самостоятельно. Следует изучить п. 3-4 и п. 148 ФНП «Правила безопасности ОПО, на которых используются подъемные сооружения» (утв. Приказом Ростехнадзора от 12 ноября 2013 г. № 533). Ниже в таблице дан перечень основных типов ГПМ и указана необходимость их регистрации в Ростехнадзоре. Тип ГПМ Регистрация Не подлежат регистрации Краны стрелового типа Да Стреловые краны г/п до 1 т включительно и стреловые краны с постоянным вылетом или не снабженные механизмом поворота Башенные краны Да Краны мостового типа/Козловые краны/Консольные краны Да 1. Краны мостового типа (в т.ч. козловые) и консольные краны г/п до 10 т включительно, управляемые с пола посредством кнопочного аппарата, подвешенного на кране, или со стационарного пульта, а также управляемые дистанционно по радиоканалу или иной линии связи (только если нет кабины управления) 2. Мостовые краны-штабелеры Краны-манипуляторы (в т.ч. автомобильные краны) Да Краны-манипуляторы, установленные на фундаменте, и краны-манипуляторы г/п до 1 т и с грузовым моментом до 4 т*м включительно Подъемники (вышки) для перемещения людей, людей и груза Да Строительные подъемники Да Грузовые строительные подъемники Электрические тали Да Электрические тали г/п до 10 т включительно, используемые как самостоятельные ПС Краны-экскаваторы, предназначенные для работы с крюком Да Краны, установленные на экскаваторах, дробильно-перегрузочных агрегатах, отвалообразователях и других технологических машинах, используемые только для ремонта этих машин Краны всех типов, используемые в учебных целях на полигонах учебных заведений Нет Краны-трубоукладчики Нет Переставные краны для монтажа мачт, башен, труб, устанавливаемые на монтируемом сооружении Нет Обратите внимание: не подчиняются правилам ФНП по ПС и, следовательно, не подлежат учету в органах Ростехнадзора следующие ГПМ (п. 4 ФНП): краны, применяемые в интересах обороны и безопасности государства, гражданской и территориальной обороны или относящиеся к вооружению и военной технике; краны, применяемые на объектах использования атомной энергии, а также оказывающие влияние на ядерную и радиационную безопасность; краны с ручным приводом; краны, установленные в шахтах, на судах и иных плавучих средствах; краны, предназначенные для работы только в исполнении, исключающем применение грузозахватных приспособлений с навесным оборудованием; краны для подъема створов (затворов) плотин без осуществления зацепления их крюками; краны-манипуляторы, используемые в технологических процессах. Обратите внимание: согласно п. 148 ФНП ответственность за обеспечение безопасной эксплуатации ПС, не подлежащих учету в Ростехнадзоре, в том числе назначение ответственных лиц, возлагается на эксплуатирующую ПС организацию. Порядок обслуживания и допуск персонала к обслуживанию таких ПС устанавливаются в соответствии с требованиями руководств (инструкций) по эксплуатации. Как зарегистрировать ГПМ в Ростехнадзоре Постановка ГПМ на учет в качестве технического устройства Перед постановкой ГПМ на учет как технического устройства принимается первичное решение о пуске его в работу. Данный процесс регламентирован п. 138-144 ФНП по ПС. После пуска в работу владелец ГПМ (эксплуатирующая организация) готовит пакет документов для постановки на учет. В Ростехнадзор подаются: 1. Заявление (единой формы нет, нужно запросить в территориальном управлении ФСЭТАН). Может включать в себя: Реквизиты владельца ГПМ. Сведения из паспорта ГПМ (зав. №, г/п, тип, марка, изготовитель, дата изготовления и т.д.). Сведения об назначении 3-х ответственных специалистов (с реквизитами протоколов об аттестации по промышленной безопасности). Сведения о наличии ППК. Реквизиты полиса обязательного страхования ОПО и т.д. 2. Документ, подтверждающий право владения ГПМ (договор купли-продажи, аренды, лизинга и т.д.). 3. Оригинал паспорта ГПМ (по требованию Ростехнадзора). 4. Сертификат соответствия на ГПМ (по требованию Ростехнадзора). 5. Копии протоколов аттестации специалистов по промышленной безопасности (по требованию Ростехнадзора). 6. Копия полиса обязательного страхования ОПО (по требованию Ростехнадзора). 7. Юридические документы компании-заявителя (по требованию Ростехнадзора). Специалист Ростехнадзора в течении 14 дней проверяет указанный выше пакет документов на комплектность, достоверность, правильность оформления и соответствие действующему законодательству в области промышленной безопасности. По итогам проверки принимается решения о постановке ГПМ на учет либо о возврате документов с замечаниями. При положительном решении ГПМ получает уникальный, состоящий только из цифр, регистрационный номер (не путать с рег. № ОПО). Регистрационный номер не имеет срока действия. Он сопровождает ГПМ в течение всего периода его эксплуатации одной организацией. Если владелец ГПМ меняется, то новая эксплуатирующая организация должна регистрировать его на себя, в том числе заново ставить на учет. При этом ГПМ присваивается новый регистрационный номер. ГПМ подлежат снятию с учета в следующих случаях (п. 147 ФНП): при утилизации; при передаче другому владельцу; при переводе в разряд не подлежащих учету. Обратите внимание: поставить ГПМ на учет (равно как и зарегистрировать его в качестве ОПО) может только юридическое лицо или ИП. Документы от физических лиц Ростехнадзор не принимает. Регистрация ГПМ в качестве ОПО Второй частью процедуры является регистрация ГПМ как опасного производственного объекта (ОПО) с присвоением IV класса опасности. О том, что для объектов с ГПМ нужна регистрация ОПО, говорят Приложения №1 и №2 к Федеральному закону от 21.07.1997 №116-ФЗ. Организация, эксплуатирующая (именно эксплуатирующая) ГПМ, подает в Ростехнадзор пакет следующих документов: 1. Заявление по форме Приложения № 3 к Административному регламенту, утвержденному Приказом Ростехнадзора от 25.11.2016 № 494 (можно скачать на сайт территориального управления ФСЭТАН). 2. Сведения, характеризующие каждый ОПО (в 2 экземплярах), по форме Приложения № 4 Административному регламенту, утвержденному Приказом Ростехнадзора от 25.11.2016 № 494 (можно скачать на сайт территориального управления ФСЭТАН). 3. Копии документов, подтверждающих право владения ОПО (договор купли-продажи, аренды, лизинга и т.д.). 4. Копия полиса на обязательное страхование ОПО (по требованию Ростехнадзора). 5. Паспорт ГПМ (по требованию Ростехнадзора). 6. Юридические документы заявителя (по требованию Ростехнадзора). По результатам этой процедуры владелец ГПМ (эксплуатирующая организация) в течение 20 рабочих дней получит: Свидетельство о регистрации ОПО. Согласованные Ростехнадзором Сведения, характеризующие ОПО. Для дальнейшей законной эксплуатации ОПО с ГПМ потребуются как минимум: 1. Положение о производственном контроле (ППК). 2. Положение о порядке технического расследования причин инцидентов (ПРИ). 3. Должностные инструкции и приказы о назначении: ответственного за производственный контроль; ответственного за содержание ПС в работоспособном состоянии; ответственного за безопасное производство работ с применением ПС. 4. Полис обязательного страхования ОПО. 5. ППР и ТК (при необходимости). 6. Протоколы аттестации специалистов по промышленной безопасности (А.1 + Б.9).

Источник: http://mtk-exp.ru/registratsiya_gpm_v_rostehnadzore/ © MTK Эксперт.

30. Техническое освидетельствование ГПМ.