Некоторые типовые конструкции промышленных роботов

Декартовые (картезианские, линейные и портальные) промышленные роботы-манипуляторы сравнительно просты по кинематике и надежны в эксплуатации. Эта конструкция состоит из нескольких линейных осей перемещения, расположенных перпендикулярно друг к другу.

Картезианская конструкция — самый простой вариант стационарной системы. Благодаря малому количеству шарниров и сочленений такая система обеспечивает высокую жесткость конструкции, что при точных работах дает высокие показатели точности. К примеру, роботы этого типа при длине рабочего хода 2500 мм, способны точно повторять однотипные движения в пределах 0,05 мм. Поступательные кинематические пары обеспечивают минимальность нагрузки на кинематические элементы и, следовательно, высокую износостойкость, кинематическую стабильность и долговечность [15]. Простота конструкции обуславливает низкую стоимость оборудования.

Минусы данной конструкции — не самая удобная форма обслуживаемого пространства, низкое соотношение обслуживаемого и занимаемого роботом пространств, существенно ограниченные возможности ориентирования инструмента, и, как следствие, невозможность выполнения работ в местах с ограниченным доступом.

Данный тип роботов довольно широко применяется в целях автоматизации оборудования для переработки пластических масс. Непосредственно для применения на литьевых машинах они были разработаны в начале 1980;х гг., и к настоящему времени их электрические и пневматические приводы в значительной мере стандартизованы. Промышленные роботы этого типа легко интегрируются в систему управления литьевой машиной [16].

Коленно-рычажные роботы относятся к манипуляторам в сферической системе координат. Основные особенности коленно-рычажного робота:

• — наличие только вращательных движений от серводвигателей, совокупность которых обусловливает пространственную траекторию перемещения схвата;
• — рабочий объем имеет сферическую форму;
• — более высокое (по сравнению с линейным роботом) возможное число степеней свободы схвата;
• — усложненное программирование и обслуживание робота.

Заданная траектория перемещения схвата достигается за счет шести вращательных движений рабочей руки на контролируемые углы поворота. При этом каждое движение осуществляется с помощью отдельного, автономного сервопривода с высоким быстродействием, благодаря чему обеспечивается практически мгновенная остановка схвата в требуемой позиции.

Необходимо учитывать, что управление движением осей коленнорычажных роботов гораздо сложнее, чем линейных роботов, поэтому обслуживание и устранение неполадок коленно-рычажных роботов зачастую возможно только при помощи специалистов-изготовителей роботов. Требуемая более высокая квалификация персонала и значительные затраты на программирование увеличивают стоимость использования коленно-рычажных роботов. Так, например, затраты на программирование и адаптацию коленно-рычажных роботов к литьевым машинам примерно в три раза выше, чем для линейных роботов.

Чтобы коленно-рычажный робот выполнял движение схвата с сохранением пространственного положения, все его шесть осей должны регулироваться одновременно. Таким образом реализуется управление траекторией, которая считается идеальной при допусках на отклонения в миллиметровом диапазоне. Такая траектория движения требует от коленно-рычажного робота значительно большей производительности по сравнению с линейным роботом [16].

К этой группе относятся шарнирные (антропометрические) промышленные роботы манипуляторы. По принципу действия этот тип манипулятора напоминает человеческую руку. В его кинематической системе присутствуют не менее трех поворотных соединений, которые образуют полярную систему координат (рис. 6.9). Основные шарниры обеспечивают поворот манипулятора, наклон в плечевом соединении и сгибание в локте (оси 1—3); еще 3 поворотные оси (4—6) и одно призматическое сочленение обеспечивают дополнительные степени свободы (крен, тангаж, рысканье), что позволяет руке выбирать любые направления и свободно вытягиваться по радиусу в любом направлении [15].

Отличительная черта данной конструкции — очень высокая гибкость, позволяющая роботу обходить любые препятствия. Рука может принять любое положение внутри обслуживаемой зоны. Кроме того, робот этого типа достаточно компактен, и обслуживаемая им зона гораздо больше, чем занимаемое роботом место. Как правило, типовой шарнирный манипулятор имеет 5 или 6 программируемых звеньев. Несмотря на очевидные преимущества конструкции, управлять таким роботом достаточно сложно.

Среди кинематических схем манипуляторов в угловой системе координат в последние годы широкое распространение получили два типа шарнирных роботов: PUMA и SKARA.

Аббревиатура PUMA в переводе расшифровывается как «программируемый универсальный манипулятор для сборки», SCARA расшифровывается как «сборочная роботизированная рука с избирательной гибкостью» [14].

Рис. 6.9. Компоновочная схема шарнирного промышленного робота

В схеме типа PUMA происходит движение всех звеньев «руки» в вертикальной плоскости относительно горизонтальных осей и общий поворот всей «руки» вокруг вертикальной оси (рис. 6.10) [1].

Рис. 6.10. Схемы манипулятора промышленного робота PUMA:

а — компоновочная; б — кинематическая В схеме типа SCARA все звенья манипулятора («руки») расположены в горизонтальной плоскости и вращаются вокруг вертикальных осей, а последнее звено со схватом (или инструментом) имеет вертикальное поступательное перемещение (рис. 6.11).

Главным преимуществом данной конструкции является параллельное соединение сочленений манипулятора, в результате чего «рука» может достаточно свободно двигаться по горизонтали, сохраняя при этом вертикальную жесткость [1]. Немаловажно, что конструкция, состоящая из двух звеньев, может вытянуться, распрямив «локоть», а может свернуться, освободив занимаемое пространство. Это удобно в рабочей зоне с ограниченным пространством, и во время работы, когда детали перемещаются из одного производственного модуля в другой. Зона обслуживания такого робота имеет вид сегмента полого криволинейного цилиндра. Промышленные роботы этого типа имеют ряд преимуществ: большая скорость передвижения по горизонтали за счет суммирования относительно вертикальных осей; высокая точность позиционирования; особая жесткость конструкции относительно вертикальной оси; большая зона обслуживания; компактность [2].

Рис. 6.11. Схема манипулятора промышленного робота SCARA:

а — компоновочная; б — кинематическая; в — зона обслуживания В производстве изделий из пластмасс промышленные роботы такого типа используются для транспортирования рулонов пленки массой 5—25 кг, труб диаметром до 500 мм, листов слоистых пластиков размером до 2000×4000 мм, листов жесткого поливинилхлорида, рулонов линолеумов и т. д., участвуют в заключительных операциях. Известен пример применения промышленного робота типа PUMA для механической обработки пресс-изделий ответственного назначения из волокнита.

В промышленности часто встречаются операции, где робот должен взять деталь, перенести в нужном направлении и опустить в другое место (извлечь изделие из формы и перенести его в накопитель). Для выполнения таких операций были разработаны параллельные стержневые роботы (рис. 6.12) [15].

Суть их конструкции такова: к базовой установке крепятся четыре «руки», соединенные параллельно, образуя кинематическую схему параллелограмма (это такая схема, при которой два параллельно соединенных рычага двигаются синхронно, корректируя направление друг друга; пример такой системы — спица зонтика). Особенностью этой системы является то, что выходное звено связано с базой несколькими кинематическими цепями, которые параллельно сообщают инструменту движение. В результате в каждой кинематической цепи есть свободные от приводов сочленения, на которые можно установить различные датчики, а также дополнительные приводы. Такой механизм позволяет параллельно управлять скоростью и усилием выходного звена по одной координате. Параллельная структура обладает высокой точностью, что позволяет использовать манипулятор для выполнения операций, требующих высокой точности (измерительные работы). Манипулятор имеет малый вес, потому способен работать на сверхбыстрых скоростях.

Рис. 6.12. Схема параллельного промышленного робота:

а — компоновочная; б — структурная В настоящее время широко распространены аппараты, объединенные под общим названием «дельта-роботы», которые представляют собой типичную параллельную конструкцию: три манипулятора, приводимые в движение карданной передачей, крепятся к базе, расположенной вверху в виде подвесной конструкции; сходящиеся внизу манипуляторы соединены небольшой треугольной платформой, которая во время работы смещается по осям X, Y или Z, а центральный, четвертый рычаг дает дополнительную степень свободы — вращательную. Благодаря тому что приводы установлены в основании базовой конструкции, а «руки» выполнены из легкого композитного материала, робот может совершать до 150 захватов в минуту. Чаще всего такие роботы используются для упаковки и сортировки изделий [15].

В настоящее время классификация промышленных роботов по типу конструкции становится все более условной. Все чаще разные конструкции компонуются друг с другом — шарнирные манипуляторы ставятся на декартовы конструкции, SCARA-роботы дополняются шарнирными манипуляторами, а декартовы роботы обзаводятся дополнительными степенями свободы.