Устройство и принцип работы промышленных роботов. системы координат

Система управления

Технологи- ческое оборудова- ние

Информа- ционная система

Ввод программы

Внешняя среда

Ручное управление

Механическая система

Структурная схема промышленного робота представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема промышленного робота

Система управления (СУ) предназначена для программирования, сохранения управляющей программы, её воспроизведения и отработки.

В зависимости от решаемых задач состав СУ может изменяться. В общем виде СУ имеет следующую структуру (табл. 1):

	Таблица 1
Устройство	Выполняемые функции
1. Ввода управляющей программы	Считывание с программоносителя
2. Запоминающее	Запись, хранение и выдача всей управляющей программы или ее частей
3. Вывода управляющей программы	Занесение управляющей программы в запоминающее устройство на хранение
4. Хранения управляющей программы	Запоминание и длительное хранение управляющей программы на программоносителе
5. Преобразующепередающее	Преобразование управляющей программы в вид, необходимый для управления силовым приводом
6. Силового привода	Усиление мощности управляющих воздействий и их передача на двигатели ПР и на внешнее технологическое оборудование
7. Обратной связи	Восприятие от датчиков и преобразование информации о параметрах, состоянии внешней среды и функционировании механизмов и систем ПР в вид, удобный для сравнения со значениями этих параметров, заданными управляющей программой
8. Сравнения	Сравнение информации о внешней среде и параметрах функционирования механизмов и систем ПР с заданными значениями и выработки сигнала ошибки
9. Управления	Автоматическое управление работой всех частей СУ в соответствии с заданным режимом и программой
10. Пульт управления	Позволяет оператору задавать требуемые режимы работы, контролировать ее и обеспечивать ввод информации в запоминающее устройство

Управление роботом осуществляется на основании программы его работы.

Управляющая программа – последовательность простых инструкций, выполненных на некотором формальном языке, исполнение которых приводит к решению поставленной задачи.

В общем виде для функционирования ПР необходима информация о последовательности и времени выполнения шагов программы и отдельных управляющих команд, о пространственном положении отдельных звеньев. Эта информация, зафиксированная тем или иным способом, является управляющей программой. Фиксация может быть произведена с помощью механических аналогов (упоров, копиров) и различных коммутаторов (штеккерных панелей, барабанов), так и на быстросменных носителях (перфолентах, магнитных лентах, дисках). В качестве устройств ввода управляющей программы применяют контактные и бесконтактные считывающие устройства, магнитные накопители, пульты управления и обучения.

Информационная система (ИС) обеспечивает сбор, первичную обработку и передачу в систему управления данных о функционировании узлов и механизмов ПР и о состоянии внешней среды.

ИС по функциональному назначению можно разделить на три подсистемы:

1. восприятия и переработки информации о внешней среде;

2. внутренней информации о состоянии узлов, механизмов и систем ПР;

3. обеспечения техники безопасности.

Подсистема внешней информации определяет функциональные возможности ПР и степень сложности решаемых им задач. В зависимости от способа взаимодействия с объектами внешней среды она может быть разделена на дистанционную (визуальную, локационную) и контактную (осязания).

Подсистема внутренней информации может содержать различные устройства:

· оценки положения и скорости движения звеньев;

· аварийной блокировки, предотвращающей поломки механической системы ПР и взаимодействующего с ним оборудования при появлении случайных сбоев;

· диагностики и прогнозирования ресурса ПР, предназначенные для определения причин отказов, сокращения времени восстановления работоспособности.

Информационное обеспечение работы ПР складывается из трёх последовательных фаз:

1. захват объекта манипулирования (ОМ);

2. его перемещение в пространстве;

3. “терминала”.

Последняя фаза может преследовать три основные цели:

· достижение конечного положения и ориентация ОМ относительно других объектов в рабочем пространстве;

· обеспечение на конечном звене ПР усилий или моментов, достаточных для выполнения производственных операций;

· получение надёжного контакта ОМ либо конечного звена ПР с какими-либо объектами внешней среды.

Каждой из этих фаз требуется различное информационное обеспечение. Фазы захвата объекта и терминала могут осуществляться под контролем подсистем внешней и внутренней информации. Фаза транспортирования требует в основном использования устройств оценки положения и скорости перемещений звеньев, а также устройств аварийной блокировки.

Механическая система (МС) – обеспечивает выполнение двигательных функций и реализацию технологического назначения ПР (манипулятор). МС представляет собой пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью. Конструктивно состоит из следующих основных узлов: несущих конструкций, приводов, передаточных механизмов, исполнительных механизмов и захватных устройств (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема МС: 1 – путепровод; 2 – основание; 3 – корпус; 4 – рука; 5 – захватное устройство; X – направление движения руки вдоль продольной оси; Y – направление движения корпуса по путепроводу; Z – направление движения руки вверх-вниз; j_xy – угол поворота корпуса вдоль вертикальной оси; j_zx – угол поворота руки в вертикальной плоскости; j_yz – угол поворота захватного устройства вокруг оси x; d - направление движения захвата (зажима) детали

Исполнительный механизм ПР – совокупность подвижно соединённых звеньев МС, предназначенных для воздействия на ОМ или обрабатываемую среду. Исполнительный механизм, осуществляющий транспортирующие и ориентирующие движения, называют рукой ПР.

Захватное устройство (ЗУ) – узел механической системы ПР, обеспечивающий захват и удержание в определённом положении ОМ. Как правило, ПР комплектуют набором типовых (для данной модели) захватных устройств, которые можно менять в зависимости от требований конкретного рабочего задания.

Степень подвижности ПР определяется степенью подвижности его кинематических пар. Кинематическая пара – это подвижное соединение двух звеньев. Звено – это одна деталь или совокупность нескольких неподвижно соединённых между собой, совершающих вполне определённые по отношению к другим звеньям движения.

Основные типы кинематических пар и их условные обозначения представлены в табл. 2.

		Таблица 2
Элемент	Эскиз	Характеристика
1. Звено (стержень)
2. Неподвижное закрепление звена (защемленная стойка)		Движение отсутствует
3. Жесткое соединение звеньев		Движение отсутствует
4. Подвижное соединение с перемещением вдоль прямолинейных направляющих		Возвратно-поступательное движение (поступательная пара V класса)
5. Винтовое подвижное соединение		Возвратно-поступательное движение и взаимосвязанное вращательное движение (поступательно-вращательная пара V класса)
6. Цилиндрическое соединение звеньев		Возвратно-поступательное движение и независимое вращение вокруг продольной оси (цилиндрическая пара IV класса)
7. Плоское шарнирное соединение звеньев		Вращение вокруг поперечной оси (вращательная пара V класса)
8. Шаровой шарнир с пальцем		Вращение вокруг двух осей (вращательная пара IV класса)
9. Шаровой Шарнир		Вращение вокруг трех осей (вращательная пара III класса)
10. Захватное Устройство		Зажимные элементы подвижны
	Зажимные элементы неподвижны

В большинстве конструкций ПР применяются кинематические пары пятого класса, обеспечивающие одну степень свободы в относительном движении каждого из двух подвижно соединённых звеньев.

Число степеней подвижности определяют по формуле Сомова-Малышева:

W=6n-5p₅-4p₄-3p₃2p₂-p₁,

где n – число подвижных звеньев кинематической цепи;

p₁, p₂, p₃, p₄, p₅ – число кинематических пар 1, 2 и т.д. классов.

Для кинематической цепи, образованной только парами пятого класса:

W=6n-5p₅.

Движения робота подразделяют на:

глобальные – перемещения на расстояния, превышающие размеры самого робота;

региональные – перемещения ЗУ в различные зоны рабочего пространства, определяемого размерами звеньев руки;

локальные – перемещения ЗУ, соизмеримые с его размерами.

Для осуществления ЗУ объёмного движения необходимо выполнение следующих условий:

1. наличие двух вращательных пар, оси которых не параллельны;

2. наличие двух вращательных пар с параллельными осями и поступательной пары, ось которой перпендикулярна осям вращательных пар;

3. наличие двух поступательных пар с непараллельными осями и вращательной, ось которой не перпендикулярна к плоскости осей поступательных пар, или поступательной пары, ось которой не перпендикулярна той же плоскости.

СИСТЕМЫ КООРДИНАТ

Система координат ПР определяет кинематику основных движений и форму рабочей зоны.

Системы координат делят на прямоугольные и криволинейные.

В прямоугольной системе координат (плоской или пространственной) объект манипулирования помещается в точку пространства P путем прямолинейных перемещений по взаимно перпендикулярным осям.

1. Плоская прямоугольная система координат:

2. Прямоугольная пространственная система координат:

Рабочее пространство имеет форму прямоугольника или параллелепипеда.

В криволинейной системе координат наиболее распространены координаты:

1. Плоские полярные:

Перемещение объекта происходит в одной координатной плоскости в нап­равлении радиус-вектора R и угла j. Рабочее пространство имеет форму круга.

2. Цилиндрические полярные

Объект перемещается в основной координатной плоскости в направлениях r и j, а также по нормали z. Рабочее пространство – цилиндр, или, в об­щем случае – цилиндрический сегмент.

3. Сферические полярные:

Перемещение ОМ осуществляется за счет линейного движения руки на ве­личину r и ее угловых перемещений j и q в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Рабочее пространство – сферический сегмент.

4. Ангулярная (угловая) плоская: XY

ОМ перемещается благодаря относительным поворотам звеньев руки, име­ющих постоянную длину. Рабочее пространство – круг (кольцо).

5. Ангулярная цилиндрическая:

Характеризуется дополнительным смещением относительно основной коор­динатной плоскости в направлении перпендикулярной к ней координаты (оси) z. Рабочее пространство – цилиндрическое.

6. Ангулярная сферическая:

Перемещение ОМ в пространстве происходит только за счет относитель­ных угловых поворотов звеньев руки, при этом хотя бы одно звено имеет возможность поворота на углы j и q в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Рабочее пространство – шар (шаровой сегмент).

Тема 3