Захватные устройства, являющиеся одним из основных элементов ПР, служат для захватывания и удержания в определенном положении объекта манипулирования. Они должны обеспечивать надежный захват и удержание деталей, различных по геометрии, размерам и массе, в пределах, предусмотренных параметров робота. Конструкция, размеры и форма захвата зависят от массы, формы, размеров, материала транспортируемого объекта и других параметров. Усилие, потребное для обеспечения надежности захвата груза, зависит от соотношения направлений действия зажима и движения. Усилие зажима, направленное перпендикулярно движению, должно быть значительно больше усилия зажима, направленного вдоль движения: это позволяет существенно упростить конструкции захватов и при одинаковых усилиях повысить скорость передачи грузов.
Захватные устройства можно классифицировать по принципу действия, по числу рабочих позиций, по виду управления, по характеру крепления на руке и т. д.
По принципу действия различают схватывающие, поддерживающие и удерживающие захватные устройства.
Схватывающие захватные устройства удерживают объект рабочими элементами (губками, пальцами, клещами и т. п.) за счет сил трения или комбинации сил трения и запирающих усилий. Все схватывающие устройства подразделяются на две группы. К первой относятся механические устройства: клещи, тиски, шарнирные пальцы. Вторая группа объединяет захваты с эластичными рабочими камерами, деформирующимися под действием нагнетаемого внутрь воздуха или жидкости.
Поддерживающие захватные устройства для удержания объекта используют нижнюю поверхность, выступающие части объекта или имеющиеся в его корпусе отверстия. К таким устройствам относятся крюки, петли, вилки, лопатки и захваты питателей, не зажимающие заготовок.
Удерживающие, захватные устройства обеспечивают силовое воздействие на объект, обусловленное различными физическими эффектами. Наиболее распространены вакуумные и магнитные устройства. Встречаются захватные устройства, использующие эффект электростатического притяжения, адгезии и т. п.
По числу рабочих позиций захватные устройства можно разделить на однопозиционные и многопозиционные.
По виду управления захватные устройства подразделяются на четыре группы: неуправляемые, командные, жесткопрограммируемые и адаптивные.
Неуправляемые захватные устройства – это устройства с постоянными магнитами или с вакуумными присосками без принудительного разрежения. Для снятия объекта с таких захватов требуется усилие большее, чем усилие его удержания.
Командные захватные устройства управляются только командами на захватывание или отпускание объекта. К этой группе относятся захватные устройства с пружинным приводом, оснащаемые стопорными устройствами и срабатывающие через такт. Губки пружинных устройств разжимаются и зажимаются благодаря взаимодействию их с объектом манипулирования или с элементами внешнего оборудования (аналогично механизмам, используемым в конструкциях шариковых авторучек).
Жесткопрограммируемые захватные устройства управляются системами программного управления роботов. Перемещение губок, взаимное расположение рабочих элементов, усилие зажима в таких устройствах изменяются в зависимости от заданной программы.
Адаптивные захватные устройства – программируемые устройства, оснащенные различными первичными преобразователями внешней информации (формы поверхности и массы объекта, усилия зажима, наличия проскальзывания объекта относительно рабочих элементов захватного устройства и т. п.).
По характеру крепления к руке промышленного робота все захватные устройства можно разделить на сменные и стационарные.
Неуправляемые механические захватные устройства выполняются в виде пинцетов, разрезанных упругих валиков и втулок (цанг) или клещей с одной и двумя подвижными губками, находящимися под действием пружин. Разжим рабочих элементов таких захватных устройств происходит при контакте с заготовкой, из-за чего могут быть повреждены поверхности детали или зажимных элементов. Деталь удерживается вследствие упругого воздействия зажимных элементов, а высвобождается принудительно благодаря дополнительным устройствам. Эти захватные устройства применяют в условиях массового производства или манипулирования с объектами небольшой массы и небольших габаритных размеров.
Неприводные захватные устройства со стопорными механизмами, обеспечивающими чередование циклов зажима и разжима деталей, не требуют специальных команд от системы управления и дополнительного подвода энергии Детали удерживаются силой пружин вследствие эффекта самозатягивания или запирающего действия губок. Как правило, работа подобных захватных устройств возможна только при их вертикальном положении.
Наиболее распространены конструкции клещевого типа. Движение губок обеспечивается пневмо-, гидро- или электроприводом. Преимущества пневмопривода – простота, удобство подвода энергии (один шланг), отсутствие течи, легкость регулирования усилия зажима, возможность использовании в агрессивных средах и зонах высоких температур. Недостаток большие габаритные размеры при сравнительно малых усилиях зажима. Гидропривод широко применяют, так как он обеспечивает значительные усилия зажима при малых габаритных размерах и его можно легко регулировать. Электропривод ввиду сравнительной сложности пока применяют ограниченно.
Основными элементами вакуумных захватных устройств являются присоски и устройства для создания вакуума. Присоски изготовляют из резины или пластика.
Электромагнитные захватные устройства часто компонуют из небольших электромагнитов, установленных на общей раме. Такие устройства обычно применяют для переноса фасонных, круглых и ребристых поверхностей, захватить которые вакуумными устройствами либо трудно, либо невозможно.
Захватные устройства с эластичными камерами применяют для переноса хрупких изделий небольшой массы, имеющих не правильную форму. Действие таких устройств основано на деформации эластичной камеры под действием давления воздуха или жидкости. Захватные устройства с эластичными камерами применяют дли удержания деталей как на наружную, так и за внутреннюю поверхность.
Выбор типа привода определяется функциональным назначением ПР. Независимо от вида привода к нему предъявляются следующие общие требования: минимальные габаритные размеры, высокие энергетические показатели, возможность работы в режиме автоматического управления и регулирования, высокое быстродействие, безопасность, возможность встраивания систем охлаждения и терморегулирования, надежность, удобство монтажа и обслуживания.
ПР оснащаются электрическими, пневматическими, гидравлическими и комбинированными приводами.
Электрический привод обеспечивает хорошие динамические характеристики, повышенную точность позиционирования (менее ±1 мм) и широкую маневренность. В состав электропривода входят усилители мощности, управляемые двигатели, передаточные механизмы, датчики обратной связи по скоростям и положению, сравнивающие устройства.
В настоящее время широкое распространение получил дискретный (шаговый) привод с управляющим шаговым двигателем. Расширяется применение следящих приводов на базе электродвигателей постоянного тока.
Пневматический привод состоит из пневмоцилиндров (для создания поступательного движения), пневмодвигателей (для вращательного движения), привода с крутящим моментом (для колебательного движения), пневмоклапанов (для управления и регулирования скорости перемещения и остановки поршня), а также электромагнитных клапанов, работающих на переменном и постоянном токе и управляющих одновременно несколькими каналами.
Для роботов с пневмоприводом возможно применение систем управления струйной автоматики. К преимуществам таких приводов и систем управления относятся безотказность в работе, сокращение необходимой производственной площади (у электросистем аппаратура располагается в отдельном шкафу, у пневмосистем – обычно непосредственно на механических узлах), низкая стоимость, простота обслуживания и ремонта. Пневматический привод во многом сходен с гидравлическим, но не имеет обратного трубопровода.
Гидравлический привод, как правило, применяют для роботов грузоподъемностью более 10 кг с повышенной точностью позиционирования. Он также находит применение для роботов с большой зоной обслуживания (например, в Швеции создан робот с гидроприводом грузоподъемностью 1,5 т; высота подъема груза 6000 мм; рука имеет вылет 5000 мм; скорость движения 1 м/с).
Комбинированный электрогидравлический сервопривод, управляемый от электрических сервомоторов малой мощности, применяют, в частности, для промышленных роботов, мощность которых не может быть достигнута с помощью обычных приводов. Гидроусилители момента и линейные гидроусилители представляют собой приводы для осуществления вращательного и поступательного движения захватных устройств и рук роботов.
Комбинированный гидроэлектропривод, используемый для роботов грузоподъемностью свыше 15 кг, имеет ряд достоинств: повышенные точность позиционирования и скорость движения рабочих органов, возможность увеличения числа программируемых точек при позиционных системах управления. В комбинированных пневмогидравлических приводах предварительное позиционирование подвижных устройств осуществляется пневмоприводом, а окончательное – гидравлическим приводом.
Приводы ПР располагаются на станине либо непосредственно на рабочих органах. Первый способ предпочтительней, так как расположение приводов по второму способу обычно сопровождается увеличением габаритных размеров и массы рычажнозахватного устройства, что сказывается на грузоподъемности и других параметрах робота.
Контрольные вопросы и задания
1. Расскажите об устройстве и назначении робота типа ЛМ40.
2. Расскажите о роботах серии САМО.
3. Расскажите об универсальных роботах серии РПМ-25.
4. Как устроен напольный робот с выдвижной рукой?
5. Расскажите о назначении и принципе работы роботов тельферного и мостового типов.
6. Как устроены и работают интерактивные промышленные роботы?
7. Какие конструкции рецепторов используются у адаптивных роботов?
8. По каким принципам классифицируются захватные устройства?
9. Как устроены и работают механические захватные устройства?
10. Как устроены и работают вакуумные и электромагнитные устройства?
11. Какие типы электроприводов применяются в роботах?
12. Как устроен и работает пневматический электропривод роботов?
13. Как устроен и работает гидравлический привод роботов?
14. Как устроен и работает комбинированный привод роботов?
Основное назначение системы управления ПР заключается в формировании определенной последовательности его действия и обеспечение автоматической работы всех механизмов в соответствии с заданной программой. Система управления обеспечивает связь робота с технологическим оборудованием, которое он обслуживает. Заданная программа определяет порядок различных движений робота и реализуется с помощью различных средств электро-, пневмо- или гидроавтоматики в зависимости от применяемого типа привода.
Системы управления могут быть классифицированы по характеру обработки программ, по характеру программирования, по способу представления информации, по способу управления и т. д.
По характеру обработки программы системы управления разделяются на жесткопрограммируемые, адаптивные и гибкопрограммируемые.
В жесткопрограммируемых системах управления программа содержит полный набор информации и не корректируется при изменении параметров внешней среды.
В адаптивных системах управления программа не содержит полной информации о параметрах внешней среды. В процессе работы адаптивная система воспринимает недостающую информацию с помощью внешних устройств. Такая система допускает изменение технологического процесса и упрощает программирование.
В гибкопрограммируемых системах управления используется программа, сформированная на основе поставленной цели и информации об объектах и явлениях внешней среды.
По характеру программирования системы управления подразделяются на позиционные, контурные и комбинированные. У позиционных систем управления задаются начальное и конечное положения рабочих органов промышленных роботов. В зависимости от числа точек позиционирования различают малоточечные (число точек позиционирования не превышает десяти) и многоточечные (число программируемых позиций может достигать нескольких сотен) позиционные системы. При контурном управлении положение рабочего органа робота определяется в каждый момент времени. Комбинированные системы управления могут обеспечивать как позиционное, так и контурное управление.
По способу представления информации различают электромеханические, цикловые, числовые, аналоговые и гибридные системы управления. В электромеханических системах геометрическая информация представлена в виде физического аналога (положения на управляющих, упоров и т. п.). В таких системах могут быть использованы обычные схемы релейной автоматики, обеспечивающие определенную последовательность выполнения шагов программы. Однако электромеханические системы характеризуются наименьшими функциональными возможностями.
В системах циклового программного управления программа задается в виде чисел, а геометрическую информацию выдают соответствующие путевые и конечные выключатели. Перестройка программы осуществляется либо с помощью штекерной панели, либо с помощью считывающего устройства с перфоленты. Системы циклового программного управления используются только в роботах с малым числом позиций.
В аналоговых системах управления программа задается и хранится в виде напряжения. В качестве элементной базы в них используются операционные усилители постоянного тока. Аналоговые системы по своим функциям практически не отличаются от цикловых.
В системах числового программного управления программа представляется в числовом виде и хранится на быстросменных носителях (магнитных барабанах, дисках и лентах). Для преобразования аналоговых входных сигналов системы числового программного управления оснащаются аналого-цифровыми преобразователями. Эти системы обеспечивают максимальные функциональные возможности роботов. Они контролируют результаты выполнения действий манипулятора и параметров внешней среды. При использовании нескольких ПР с числовым программным управлением они объединяются в одну систему, подключаемую к внешней ЭВМ.
В гибридных системах управления используются различные сочетания рассмотренных систем управления.
По способу управления системы делят на замкнутые и разомкнутые. В замкнутых системах управляющее устройство получает информацию о фактическом состоянии ПР и окружающей среды. Это позволяет формировать управляющие сигналы с учетом полученной информации. В разомкнутых системах входная информация отсутствует, что усложняет процесс управления и требует тщательного соблюдения технологического процесса. Изменение эксплуатационных характеристик ПР в таких системах приводит к снижению точности позиционирования, т. е. к снижению надежности работы.