Глава 1. Основы проектированияПР 9

Исходные предпосылки 9

Универсальные ПР 14

Сварочные роботы 38

Глава 2«» Общие вопросы разработки ПР с различными видами приводов и системами программного управления 43

Основные стадии проектирования ПР . . 43

Требования к системам программного управления. Алгоритмы управления 46

Ан алого-позиционные системы программного управления. Описание, характеристики 49

Контурные и контурио-позициониые системы программного управления 52

Выбор приводов 55

Агрегатно-модульныйпринцип построения ПР64

Глава 3. Проектирование приводов и передаточных механизмов ПР . .68

Основы расчета гидравлических н электрогидравличе- ских приводов 68

Расчет электрогидравлических усилителей типа РДЭ72

Основы расчета пневмоприводов 80

Выбор передаточных механизмовПР 99

Глава 4. Методы расчета и проектирования ПР 104

Определение кинематических и динамических характеристикПР 104

РасчетдеформациймеханическойсистемыПР 112

Расчетипроектированиезахватныхустройств 123

Глава 5. Программное обеспечение и автоматизация проектирования ПР 141

Программное обеспечение ПР 141

Автоматизация проектирования ПР 162

Глава О. Испытания ПР 179

Особенности испытаний ПР как машин нового класса 179

Виды испытаний ПР 180

Контрольные испытания ПР 183

Ресурсные испытания ПР 197

Глава 7. Диагностирование и определение основных характеристик ПР 210

ДиагностированиеПР и его содержание 210

Классификация систем техническогодиагностирования213

Основные задачипостроения СТДвновьразрабатываемых ПР . . 215

Основные этапы построения СТД ПР, находящихся в эксплуатации 218

Виды признаков 219

Выбор исходной базы для формирования системы признаков оценки качества работоспособности манипуляторов ПР‘.220

Диагностирование систем программного управления ПР230

Пример аппаратурного метода диагностирования/системы

программного управления ПР ............231

Диагностирование рабочей жидкости гидроприводов ПР237

Определение быстроходности и погрешности позиционирования ПР 240

Основы поиска характерных диагностических признаков на основе анализа экспериментальных данных . . .246

Приложение 250

Список литературы . . . ■. ,260

Предметный указатель. . . . ‘264

ПРЕДИСЛОВИЕ

За последние 10—15 лет в робототехнике были достигнуты определенные успехи. Однако принципы и технические проблемы проектирования и разработки конструкций промышленных роботов (ПР) еще не вполне сформулированы, не получили должного объяснения и поэтому представляют значительные трудности при их изложении. Авторы надеются, что данная книга внесет определенную ясность в эти вопросы и усилит интерес к дальнейшим исследованиям.

В последние годы в нашей и зарубежной печати опубликовано значительное количество статей и отдельных трудов, посвященных теории и проектированию промышленных роботов. Из числа этих работ особого внимания заслуживают книги и статьи, написанные К. В. Фроловым, И. М. Макаровым, Е. П. Поповым, Н. А. Лакотой, В. С. Кулешовым, Е. И. Юревичем, М. Б. Игнатьевым и др.

Однако они не позволяют в полной мере представить объем, содержание и последовательность проектирования и разработки ПР в целом.

Актуальность материала, изложенного в книге, позволяет надеяться, что она вызовет несомненный интерес как широкого круга конструкторов и производственников различных отраслей, занятых в области автоматизации производственных процессов, так и специалистов-разработчиков ПР.

В отличие от ранее опубликованных трудов, например, авторских коллективов, возглавляемых профессором Е. И. Юревичем («Устройство промышленных роботов». Л.: Машиностроение, 1980; «Системы управления промышленными роботами и манипуляторами», Л.: ЛГУ, 1980), в настоящей книге изложены особенности разработки отечественных промышленных роботов, выпускаемых серийно и широко применяемых в ряде отраслей.

Особое внимание в книге обращено на практическое использование сообщаемых материалов, в связи с чем в нее включены примеры, таблицы, иллюстрации.

В основу книги положен опыт разработки ПР такими ведущими организациями страны, как ИМАШ им. А.. А. Благонра-

вова АН СССР, ЭНИМС, НИАТ, Институт проблем механики АН СССР, НПО «Техноприбор» и др.

Участвуя во внедрении ПР на более чем 40 предприятиях пяти отраслей, авторы убедились в правильности основных идей и конструктивных решений, заложенных в созданных моделях промышленных роботов.

Нам представляется, что опыт, который накоплен почти за два десятилетия, изложенный в предлагаемой книге, будет полезен специалистам, работающим над созданием и внедрением роботов в нашей стране.

Работа по созданию книги была разделена между авторами следующим образом:

П. Н. Белянин — п. 1.1 и общее редактирование книги;

Я- А. Шифрин — п. 1.1. и общее редактирование книги;

С. С. Аншин — п. 4.3, 6.1, 6.2, 6.3;

А. В. Бабич — п. 1.2, 2.1, 4.2;

А. Г. Баранов — приложение;

И.Л. Владов — п. 4.3;

И. Воробьев — п. 4.1;

Л. Горелик — п. 7.2, 7.3., 7.4, 7.5, 7.11;

Н. Данилевский — п. 4.3;

И. В. Калабин — п. 1.2, 2.5, 3.4;

Е. Клепов — п. 5.1;

И. Б. Кнауэр — п. 2.2, 2.3, 2.4;

Ю. Г. Козырев — п. 1.1, 2.6, 4.3, 6.1, 6.2, 6.3;

Г. В. Крейнин — п. 3.3;

Ф. М. Кулаков — п. 5.2;

Г. Михеев — п. 1.1, 7.10, приложение 1;

Е. Г. Нахапетян — п. 7.1, 7.6;

П. С. Ромашкин — п. 3.2;

П. Степанов — п. 1.3;

В. Шор — приложение;

Д. А. Шушко — п. 1.3, 3.1, 6.4, 7.7, 7.8, 7.9.

Авторы, понимая, что содержание книги и ее качество могут быть улучшены, заранее благодарят читателей, пожелавших прислать свои предложения и замечания.

^ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПР

.1. Исходные предпосылки

Постановка задачи проектирования ПР, включаемых в общий технологический комплекс. Рассмотрим особенности существующих ПР. По своим конструктивным схемам, рабочим характеристикам и другим признакам ПР весьма разнообразны. Это объясняется:

назначением того или иного типа ПР, определяющим его грузоподъемность, число степеней подвижности, циклограммы и продолжительность работы, тип системы программного управления, тип привода;

несовершенством манипулятора и системы управления ПР, что приводит к необходимости разработки и изготовления дорогостоящей оснастки, доработки технологического оборудования, с которым роботы взаимодействуют, увязки систем программного управления роботов и технологического оборудования;

многообразием условий, в которых должны эксплуатироваться ПР, включенные в состав модулей, участков, линий ГПС; постоянным расширением и уточнением требований к надежности (безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости и долговечности) ПР;

экономическими, производственными и другими соображениями, а также особенностями направлений разработки ПР в различных конструкторских бюро.

Наибольшее влияние на конструкцию ПР оказывает область его применения и тип системы программного управления.

Требования, предъявляемые к ПР;

компактность и простота конструкции, низкая стоимость производства и эксплуатации;

высокая экономичность работы, что обеспечивается соответствующими числом степеней подвижности и объемом памяти системы программного управления (отсутствие излишней универсальности ПР и избыточности памяти системы управления, т. е. соответствие уровня ПР сложности выполняемых работ);

высокая гибкость (простота и экономичность при перепрограммировании) и контролепригодность;

простота и надежность обучения ПР;

устойчивость работы в автоматических режимах (как при основных, так и вспомогательных операциях);

постоянная готовность к работе в интервале температур 0

надежность включения, работы и выключения;

стабильное нарастание скорости при разгоне;

высокая точность (повторяемость) позиционирования при малом значении времени затухания колебаний в точке позиционирования (не более 0,2 с);

совместимость ПР с оборудованием, в составе которого он будет работать, что определяется: соответствием сложности ПР характеру технологического и вспомогательного оборудования и оснастки, обеспечивающих их работу в автоматическом режиме; стыкуемостью ПР со всем оборудованием, с которым он будет работать; возможностью осуществлять технологически необходимые управляющие воздействия на соответствующее оборудование; окупаемостью затрат в пределах, не выше нормативных сроков; возможностью автоматической перенастройки при смене предметов производства по управляющим командам;

высокая помехозащищенность;

удобство монтажа (встраивания) ПР в модулях ГПС;

малые масса и габаритные размеры для заданной грузоподъемности;

возможность перевозки ПР автомобильным, морским, речным, железнодорожным и авиационным транспортом;

материалы и комплектующие (их антикоррозионные покрытия) должны допускать длительное хранение ПР.

Все перечисленные выше требования с детализацией, соответствующей необходимой глубине и тщательности проработки, излагаются в техническом задании (ТЗ) на ПР (см. приложение).

Постановка задачи проектирования ПР как технического средства модулей ГПС. Проектирование ПР является системной задачей, которая должна решаться на основе технико-экономического анализа (ТЭА) построения ГПС и ее модулей. Результаты ТЭА дают исходные данные для определения потребности в ПР различного назначения. ТЭА проводится с учетом демографических и других социальных аспектов развития производительных сил в стране и отрасли.

Принятию решения о производстве тех или иных моделей ПР в отрасли должны предшествовать также: учет технико-экономических возможностей удовлетворения потребности в ПР за счет плановых поставок других отраслей и импорта; анализ производственных возможностей отрасли и прогноз их развития; учет данных о существующем парке ПР и объемах их выпуска (включая оценку экономического цикла жизни).

Такая проработка позволяет определить номенклатуру и рациональные объемы и сроки подготовки производства выпуска ПР. Наиболее целесообразно — обеспечить начало проектирования 10

(по времени) не позже спада производства предыдущей модели (одного или однорядного поколения семейства) ПР.

Важным моментом в принятии решения о выпуске ПР является одновременное назначение предприятий-разработчиков и предприятий-изготовителей ПР, а также сроков начала их серийного производства.

Методика создания комплексной системы подготовки производства базируется на полном охвате всех сторон подготовки к производству новой или модернизированной модели ПР. Комплексная система подготовки производства подразделяется на следующие этапы и стадии:

I — планово-исследовательская подготовка, включающая: изучение возможностей реализации достижений технического прогресса применительно для данного предприятия и выпускаемой им продукции (ПР, устройства программного управления, комплектующие);

определение перспектив развития производства продукции, обновления основных фондов, структуры и тому подобных элементов в соответствии с тенденциями изменения производства ПР;

уточнение спроса на новую и модернизированную продукцию, определение районов ее потребления и источников исходного сырья, материалов и комплектующих изделий;

разработка рекомендаций к составлению ТЗ по характеристике свойств новых или модернизированных ПР.

II—конструкторская подготовка или собственно проектирование ПР\

составление ТЗ на проектирование или модернизацию ПР;

эскизное проектирование;

техническое проектирование;

рабочее проектирование.

— технологическая подготовка:

проектирование технологических процессов;

расчет нормативов всех видов ресурсов;

определение необходимой оснастки и организация ее проектирования;

определение системы контроля.

— организационная подготовка:

расчет нормативов организации производства; проектирование производственной структуры;

разработка мероприятий по совершенствованию специализации цехов, участков, рабочих мест.

— экономическая подготовка:

составление производственных программ по цехам и участкам;

расчет мощности подразделений предприятия и цехов, привлеченных к изготовлению ПР;

, разработка системы стимулирования производства новой продукции;

ТЭА и расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения новой или модернизированной продукции (ПР).

— психологическая подготовка:

разъяснение специфики новой продукции и условий ее изготовления;

организация пропаганды экономического эффекта от внедрения новой продукции для предприятия и .каждого члена его коллектива;

информирование коллектива о новых профессиональных, квалификационных, экономических аспектах и особенностях оборудования, оснастки, инструментов, применяемого для изготовления ПР.

Более полно содержание работ по комплексной подготовке производства, их последовательности и методам организации планирования и управления производством см. в [61, 62].

Эскизное проектирование. Целью эскизного проектирования является разработка и проверка принципиальных технических решений в соответствии с ТЗ на ПР.

Эскизное проектирование ПР включает:

проработку вариантов типовых циклограмм работы ПР, обеспечивающих выполнение технологического процесса для деталей- представителей, заявленных заказчиком;

разработку компоновочной схемы и архитектуры ПР в целом и его составных частей — манипуляторов, системы программного управления (СПУ), приводов при их размещении вне манипуляторов;

уточнение выбора и приближенный расчет приводов;

предварительную проработку схемно-конструкторских решений по манипуляторам, СПУ, приводам;

выбор комплектующих изделий и инструментов;

оценку кинематики, закона движения по степеням подвижностей, точности позиционирования и рабочей зоны манипуляторов;

приближенный расчет динамики ПР;

оценку жесткости и прочности основных элементов конструкций ПР;

эскизную проработку программного обеспечения;

разработку методик контроля технических характеристик и ускоренных испытаний ПР на надежность;

экспериментальную проверку новых технических решений и комплектующих изделий, организацию доработки комплектующих изделий;

изготовление и испытания макетов (макета) в целях проверки принципов работы ПР и его составных частей;

оценку ПР на технологичность и метрологичность по показателям стандартизации и унификации;

эстетическую и эргономическую проработку ПР;

ориентировочные расчеты, подтверждающие показатели долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости и живучести;

предварительное решение вопросов упаковки и транспортирования ПР;

проверку принятых решений на патентную чистоту и конкурентоспособность, оформление заявок на изобретения;

разработку чертежей общих видов основных частей и ПР в целом;

расчет ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения ПР.

Техническое и рабочее проектирование. Технический проект согласно ГОСТ 2.120—73 служит для выявления окончательных технических решений, дающих полное представление о конструкции ПР до разработки рабочей документации.

При техническом проектировании выполняются работы, позволяющие:

получить полное представление о конструкции разрабатываемого ПР;

оценить соответствие ПР требованиям ТЗ, технологичность, степень сложности изготовления, способы упаковки, возможности транспортирования и монтажа у потребителей, удобство эксплуатации и ремонта.

Особенностью отечественных технических проектов является необходимость усложненной и всесторонней проработки механической части ПР ввиду ограниченных возможностей большинства отечественных СПУ. Вот почему ниже довольно подробно рассмотрены наиболее удачные конструкции универсальных и специализированных (на примере сварочных) ПР.

Второй особенностью технических проектов ПР является обстоятельная проработка эксплуатационных качеств ПР с учетом условий и особенностей монтажа и наладки на паспортные режимы, а также требований удобства обслуживания, ремонта, диагностирования, устойчивости к воздействию внешних факторов (внешней среды), возможности быстрого устранения отказов, контроля качества работы ПР.

Третьей особенностью технического проекта является необходимость не только уточнения номенклатуры покупных (комплектующих) изделий, но и согласование их применения с головными разработчиками этих изделий.

Четвертая особенность — обязательное согласование габаритных, установочных и присоединительных размеров с заказчиком или основным потребителем.

Важной особенностью технического проекта является оценка технического уровня и качества ПР. Эта оценка — довольно утомительная и длительная процедура. Ее итог — составление и государственная регистрация карты технического уровня и качества продукции.

Наконец, технический проект включает разработку чертежей сборочных единиц и деталей.

При разработке технического проекта обычно используются документы, разработанные на предыдущей стадии, если они соответствуют требованиям, предъявляемым к документам технического проекта, или если в них внесены изменения с целью обеспечения такого соответствия. Использованным документам присваивают литеру «Т».

Рабочее проектирование согласно ГОСТ 2.103—68 (СТ СЭВ 208—75) включает:

разработку конструкторской документации опытного образца (партии) ПР, предназначенного для серийного или единичного (кроме разового) производства;

изготовление и предварительные испытания опытного образца (партии);

корректировку конструкторской документации по результатам изготовления и предварительных испытаний опытного образца (партии) с присвоением документам литеры «0»;

приемочные испытания опытного образца (партии), включая ускоренные испытания на надежность (безотказность);

корректировку конструкторской документации по результатам приемочных испытаний опытного образца (партии) с присвоением документам литеры «Ор.

Универсальные ПР

Особенности универсальных ПР. В соответствии с классификацией, приведенной в ГОСТ 25686—85, универсальный промышленный робот (УПР) может применяться для выполнения технологических операций различных видов и вспомогательных переходов при функционировании с различными группами модулей технологического оборудования. Это определяет комплекс требований, которым должен удовлетворять УПР и его особенности:

Манипуляционная система УПР должна обеспечивать любое положение перемещаемых деталей и заготовок в пространстве, что может быть реализовано при наличии не менее шести степеней подвижности, иметь объем рабочей зоны, достаточный для обслуживания или работы с различным оборудованием, и соответствовать типоразмерам, установленным для УПР заданной номинальной грузоподъемности.

УПР должен быть работоспособным при различных условиях внешней среды (температуре, запыленности, загазованности и т. д.).

В конструкции УПР должна быть предусмотрена возможность смены захватных устройств или инструмента в автоматическом режиме его работы.

СПУ робота должна обладать достаточной гибкостью, т. е. программа должна иметь возможность ветвления. Память СПУ робота должна быть достаточной для работы с тарой и при много- 14

Рис. 1.1. Функциональная схема УГ1Р

станочном обслуживании, а также обеспечивать быстроту переналадки. Для обеспечения группового управления СПУ робота должна иметь выход на ЭВМ.

Привод УПР должен обладать высоким быстродействием с учетом производительности обслуживаемого оборудования.

Максимальная погрешность позиционирования УПР не должна превышать ±1 мм.

Информационная система УПР должна быть адаптивной и обеспечивать взаимодействие с внешними объектами (с использованием памяти), а также контроль хода технологического процесса.

Структура и устройство механической системы УПР. По ана- логии с человеком механическую систему УПР подразделяют на «скелетную», которую в роботах называют несущей механической системой (НМС), и «мышечную», называемую исполнительной механической системой (ИМС).

НМС служит для обеспечения рабочей зоны, необходимых видов движения и жесткости. ИМС обеспечивает перемещения звеньев НМС с требуемыми динамическими и точностными характеристиками.

Кинематика движения детали в процессе производства, габаритные размеры и расположение оборудования определяют структуру НМС, т. е. количество звеньев манипулятора, вид кинематических пар, соединяющие звенья, размеры звеньев и конструктивное исполнение этой сипемы.

Циклограмма работы модулей ГНС, в которых предполагается использовать УПР, масса перемещаемых деталей, погрешность позиционирования определяют структуру ИМС.

Функциональная схема ^ПP показана на рис. 1.1. Оператор с помощью пульта обучения НО вводит в систему программного управления СНУ программу. Эта система выдает сигнал на блок управления привода БУП, который формирует сигнал для дви-

жения, реализуемого исполнительными элементами привода ИЭП, механической системы.

Движение исполнительного элемента привода преобразуется механизмами преобразования МП движения, которые могут быть связаны с исполнительным механизмом ИМ, например кистью руки, через передающие связи ПС. Это вызвано тем, что не всегда рационально устанавливать привод вблизи кисти, так как необходимо учитывать условия эксплуатации и требования минимизации инерционной нагрузки транспортных степеней подвижности.

Механизм преобразования транспортных координат воздействует на несущие звенья НЗ и связанную с ними систему силового вывешивания СВ или на их кинематические пары КП непосредственно без передающих связей, так как они, как правило, расположены вблизи от несущих звеньев.

Механизм преобразования движения, передающие связи и исполнительный механизм могут быть охвачены устройствами устранения зазоров УУЗ. При их отсутствии зазоры устраняются автономно. Исполнительные механизмы связаны с устройствами смены захватных устройств УСЗ и операционными механизмами ОМ.

Связь датчиков положения и скорости с механической системой осуществляется через механизмы преобразования датчиков МПД, которые преобразуют движение ИМС в движение датчиков. Причем движение с ИМС может передаваться непосредственно от механизмов преобразования, или исполнительного механизма, или несущих звеньев.

При движении механической системы датчики Д выдают сигналы в систему программного управления СПУ о положении степеней подвижности, а в блок управления приводом БУП о скорости их движения. СПУ имеет программное обеспечение.

По мере отработки программы система управления выдает команды на обслуживаемое роботом технологическое оборудование ТО, а с датчиков технологического оборудования ДТО получает информацию о его состоянии (включено, выключено, о положении стола ползуна пресса и т. д.).

При необходимости адаптации на роботе устанавливают сенсорные датчики СД, которые дают сигналы в СПУ об изменении условий работы. Эти датчики могут быть установлены на операционном механизме ОМ, исполнительном механизме и на НМС.

Несущие звенья НЗ, несущие кинематические пары КП и системы вывешивания СВ составляют НМС.

Устройства обеспечения рабочей зоны показаны на рис. 1.2, а, б, например, в роботах «Универсал-15», «Универсал-5», УМ-1 (СССР), «Versatran», «Unimate» (США); «Robitus RA» (Япония);

рычажный двухзвенный механизм [рис. 1.2, в — в роботах РПМ-25 (СССР), Asea (Швеция), JRB-Ю (Япония), «Cincinnati Milacron» (США)];

рабочей зоны УПРрабочей зоны УПР-П="-П="*)*)«Versatran», «Robitus RA»,«Versatran», «Robitus RA»,рычажный трехзвенный механизм [рис. 1.2, г — в роботах «Кика Famulus» (ФРГ)].

рабочей зоны УПР

рабочей зоны УПР

-П="

-П="

*)

*)

«Versatran», «Robitus RA»,

«Versatran», «Robitus RA»,

В вертикальной плоскости рабочую зону обеспечивают устройства:

неподвижное звено — поступательно перемещающаяся опора [рис. 1.2, д — в роботах «Liebherr» (ФРГ), «Kawasaki Unimate

5030» (Япония)];

шарнир — перемещающееся звено (рис. 1.2, е) — в роботах «Unimate», «Robitus RB», «Универсал-15», «Универсал-60»);

пантограф [рис. 1.2, ж, «Uniman 2000» (Япония), «Универсал-5»].

Для формирования рабочей зоны в горизонтальной плоскости применяют:

опора — перемещающееся звено (рис. 1.2, а, б, д — в роботах «Универсал-15», РПМ-25, «Unimate», «Versatran» и др.);

неподвижное звено — прямолинейно перемещающаяся тележка («Unimate», «Robitus RC», РПМ-25).

Роботы, у которых рабочая зона реализуется с помощью шарнирных механизмов, обычно имеют звенья с переменным поперечным сечением. Несущие детали конструкции соединяются между собой неподвижными стыками и кинематическими парами, основные из которых показаны на рис. 1.2, 1.3.

В кинематических парах УПР применяют элементы качения. Для прямолинейных перемещений звеньев используются многоопорные и двухопорные элементы качения (см. рис. 1.2, а, б). Многоопорные элементы конструктивно выполняют в виде уст-

Рис. 1.3. Способы соединения несущих деталей конструкций УПР

ройств с возвратом элементов качения. Вращательные кинематические пары применяют в основном двухопорные.

На рис. 1.3, а показано базирование поворотной платформы 1 робота с помощью двух радиальных подшипников 3 и упорного подшипника 4. Подшипники установлены на оси 2, закрепленной на основании, фиксируемом штифтом 5. Недостатком конструкции является большая высота.

Конструкция, у которой значительно уменьшена высота за счет установки поворотной платформы 6 на двух радиально- упорных подшипниках 7 па основании 8, показана на рис. 1.3, б.

Базирование звеньев на горизонтальных шарнирах (например, звена руки //) иллюстрирует рис. 1.3,8. Звено руки 11 имеет две цапфы 12, на которых установлены подшипники 10, закрепленные в кронштейнах 9.

На рис. 1.3, г показана конструкция базирования поворотной плш.рормы 13 в специальном радиально-упорном подшипнике 14. Его дорожки, выполненные в виде разрезных колец, базируются в рас гичках платформы 13. Компенсатор 16, устанавливаемый между корпусом 17 и крышкой 15, служит для устранения зазоров.

Широко распространенная конструкция неподвижного стыка представлена на рис. 1.3, д. Неподвижное звено 18 закреплено на основании -■ помощью болтов и шпонки 19, разгружающей болты в плоскости стыка.

Для уменьшения мощности привода, обеспечивающего движение в вертикальной плоскости, применяются устройства вывешивания. Например, на рис. 1.2, ж показана система вывешивания ПР «Универсал-5». Вывешивание пантографа 1 НМС подъема руки обеспечивается пружинами 2.

Рис. 1.4. Примеры систем вывешивания

В системе вывешивания ПР «Kuka Famulus», показанной на рис. 1.4, а, пневмоцилиндры 1, 2 связаны с механизмом качания и радиального перемещения руки. Статически не уравновешенная масса воспринимается и нейтрализуется сопротивлением воздушной подушки, имеющейся в полости пневмоцилиндров 1, 2, которая соединена с ресивером 3. За счет того, что объем ресивера во много раз больше объема цилиндра, усилие вывешивания мало изменяется даже при больших перемещениях поршня пневмоцилиндра. Недостатком такой схемы является фиксированное усилие вывешивания, которое при увеличении хода руки может оказаться недостаточным.

В системе вывешивания, характерной для УПР РА (рис. 1.4, б) фирмы «Метода» ^«Motoda Electronics», Япония), НМС уравновешивается с помощью цилиндра /, между нагрузкой и рычажной системой которого установлен пневмодатчик усилия 2, подающий через усилитель сигнал на заслонку редукционного клапана 3, поддерживающего в пневмоцилиндре / давление, необходимое для уравновешивания несущей системы робота в зависимости от приложенной нагрузки к датчику 2.

Анализ конструкций основных типов ИМС роботов (рис. 1.5) позволяет выделить следующие особенности этих систем:

в передающих механизмах используются различные механические зубчатые передачи: цилиндрические, конические, реечные, цепные, зубчатые ременные, типа винт-гайка, типа байонет, рычажные;

выбор свободных ходов осуществляется или автономно в каждом элементе (рис. 1.5, а, г, е, ж), или с помощью дополнительной кинематической цепи (рис. 1.5, в);

автономный выбор свободного хода выполняется «жестко» — сближением элементов или сближением с помощью пружины;

Рис. 1.5. Основные типы исполнительных механических систем (ИМС) ПР:

а - механизм поворота ПР «.Unimate'»; б — механизм привода кисти ПР «Versa Iran»; в — механизм поворота ПР «Уииверсал-15»; г — механизм вращения кисти ПР «Кика»; д — механизм подъема руки ПР «Libherr»; е — механизм поворота ПР «Универсал-5»; ж — механизм привода кисти ПР «.Unimate». 1, 4, 5, 33, 42 — гидроцилиндры; 2, 6 — рейки; 3, 7, 10, 11, 12, 14, 15, 17, 23, 24, 31, 32 — цилиндрические зубчатые колеса; 8, 45, 53 — валы (ПС); 9, 22 — кисть; 13, 18, 25, 28 — двигатели; 19, 20 — зубчато- ременная передача; 21 — волновой редуктор; 26 — шариковиитовая передача; 2 9 — червячная передача; 16, 30 — пружины выбора зазора; 36—3 9, 46—52 — конические зубчатые колеса; 44, 54 —- шариковые муфты передачи крутящего момента; 27 — рука; 34, 41 — цепи; 35, 40, 43, 55 — звездочки

в качестве передающих связей используются валы (рис. 1.5, б, г) или шлицевые валы совместно с шариковой муфтой передачи крутящего момента (рис. 1.5, ж).

Основные типы исполнительных кистевых механизмов показаны на рис. 1.6. Кисть УПР «Kawasaki Unimate» мод. 5030 (рис. 1.6, а) обеспечивает движение относительно трех осей I, II и III. Движение относительно оси I—/ происходит за счет цилиндрических зубатых колес 3, 2, 5 и дифференциала 7. Движение относительно оси II—II обеспечивается с помощью цилиндрических зубчатых колес 4, 6, конических зубчатых колес 8—10. Движение относительно оси III—III задается валом 1.

Кисть УПР «Kawasaki Unimate» мод. ЗОЮ обеспечивает также движение относительно трех осей (рис. 1.6,6): движение относительно оси I—I происходит за счет конического дифферен- 20

Рис. 1.6. Основные типы исполнительных кистевых механизмовРис. 1.6. Основные типы исполнительных кистевых механизмов

Рис. 1.6. Основные типы исполнительных кистевых механизмов

Рис. 1.6. Основные типы исполнительных кистевых механизмов

циала //; относительно оси II—II — за счет конических зубчатых колес 16, 15 и относительно осн III—III — за счет конических зубчатых колес 18, 17, 12, 13, 14.

Устранение зазоров в передачах осуществляется путем сближения зубчатых колес.

Кисть ПР «Универсал-60.03», которая показана на рис. 1.6, в, обеспечивает движение относительно двух осей I—I и II—II.

Отличительной особенностью механизма трехстепенной кисти ПР «Кика Famulus» (ФРГ) является наличие волновых редукторов на конечных элементах кинематических цепей (рис. 1.6, г). Движение относительно оси I—I обеспечивается от вала 19 через волновой редуктор 20, на выходном звене которого установлен корпус 21. Движение относительно оси II—// происходит от вала 33 через конические зубчатые колеса 31, 28, волновой редуктор 27, который связан с корпусом 26. Движение относительно оси III—III задается от вала 32 через зубчатые конические колеса 30, 29, 22, 23, волновой редуктор 24, на выходном звене которого установлен привод захватного устройства 25.

Особенностью трехстепенной кисти (рис. 1.6, д), характерной для ПР «Robitus RC» (Япония), является установка непосредственно в шарнирах гидроквадрантов 34, 35, 37, обеспечивающих движение соответственно относительно осей /—/, II—II, III—III. На выходном валу квадранта 37, установленного на скобе 36, крепится привод захватного устройства.

Трехстепенная кисть ПР «Cincinnati Milacron 6СН» (рис. 1.6,е) обеспечивает движение относительно осей /—/, //—// и III—///, причем ось //—// имеет наклон 45° к оси /—/.

Движение кисти относительно оси I—I осуществляется от вала 38, относительно оси //—II — от зубчатых конических колес 40, 41. Движение относительно оси ///—III происходит через зубчатые конические колеса 39, 42, 43. На оси зубчатого колеса 43 установлен привод захватного устройства 44.

Механизм смены захватного устройства ПР «Unimate 5030» (Япония) показан на рис. 1.6, ж. Замене подлежит блок, который представляет собой привод, выполненный в виде пневмоцилиндра 48, и связанная с ним рычажная система захватного устройства 49. При смене блока обеспечивается его фиксация в осевом и радиальном направлениях, а также герметичность подвода сжатого воздуха.

Для фиксации блока в радиальном положении служит шпонка 47, входящая в паз корпуса 46. В осевом положении фиксация обеспечивается за счет захвата грибовидного винта 45 шариками 50. Привод осуществляется от пневмоцилиндра 51.

Герметичность достигается с помощью резиновых колец, установленных на поверхности блока привода захватного устройства.

Более простая и надежная конструкция механизма смены захватного устройства реализована в ПР «Универсал-60» (А. с. 621572 СССР, МКИ 23J). В этом случае (рис. 1.6, и) смене подлежит только рычажная система захватного устройства. На выходном фланце кисти имеются два пальца 58, которые входят по посадке в отверстие корпуса 56 захватного устройства и фиксируют это устройство в радиальном направлении. Фланец 59 кисти выполнен со шлицеобразными выступами. При фиксации корпуса захватного устройства выступы фланца 59 проходят через впадины

Рис. 1.7. Основные компоновки манипуляторов ПР РГШ-40 и их модули:Рис. 1.7. Основные компоновки манипуляторов ПР РГШ-40 и их модули:а - РГШ-40.01; б — РГШ-40.02; в - РГШ-40.03; г - РГШ-40.04; д — РГШ-40.05; / — рука; 2 — модуль подъема; 3 — неподвижное основание; 4 — тележка с ходом 400 мм; 5 — модуль поворота; 6 — модуль тележки с ходом 10 000 мма - РГШ-40.01; б — РГШ-40.02; в - РГШ-40.03; г - РГШ-40.04; д — РГШ-40.05; / — рука; 2 — модуль подъема; 3 — неподвижное основание; 4 — тележка с ходом 400 мм; 5 — модуль поворота; 6 — модуль тележки с ходом 10 000 мм9)9)

Рис. 1.7. Основные компоновки манипуляторов ПР РГШ-40 и их модули:

Рис. 1.7. Основные компоновки манипуляторов ПР РГШ-40 и их модули:

а - РГШ-40.01; б — РГШ-40.02; в - РГШ-40.03; г - РГШ-40.04; д — РГШ-40.05; / — рука; 2 — модуль подъема; 3 — неподвижное основание; 4 — тележка с ходом 400 мм; 5 — модуль поворота; 6 — модуль тележки с ходом 10 000 мм

а - РГШ-40.01; б — РГШ-40.02; в - РГШ-40.03; г - РГШ-40.04; д — РГШ-40.05; / — рука; 2 — модуль подъема; 3 — неподвижное основание; 4 — тележка с ходом 400 мм; 5 — модуль поворота; 6 — модуль тележки с ходом 10 000 мм

9)

9)

планшайбы 57 и устанавливаются в ее проточке. Планшайба с помощью штифта 53 фиксируется в таре для захватных устройств. После окончания процесса стыковки кисти и захватного устройства кисть поворачивают на 45° и выступы фланца 59 заходят за выступы планшайбы. Таким образом захватное устройство фиксируется и в осевом направлении. Зажим захватного устройства происходит за счет нажима штока гидроцилиндра 52, толкателя 55, который воздействует на рычажную систему 54 захватного устройства. Разжим захватного устройства осуществляется пружиной.

К рабочим органам ПР относятся различного типа захватные устройства, сварочные пистолеты для контактной сварки, сборочные головки и т. д., т. е. механизмы, которые выполняют как операции захватывания заготовки, так и некоторые технологические операции. В качестве приводов рабочих органов применяют пневмоцилиндры, гидроцилиндры, электродвигатели.

Примеры универсальных роботов. Анализ технических характеристик серийно выпускаемых роботов и областей их применения позволяет к УПР отнести следующие роботы: РМ-1, ТУР-ЮК, РГШ-40, «Универсал-60», РПКСМ, РПМ-25, «Unimate», «Kawasaki Unimate», «Versatran», «Cincinnati Milacron 6СН», «Asea», «IRB-б», «Kuka Famulus», «Robitus RA, RB, RC».

Технические характеристики указанных роботов приведены в табл. 1.1.

Робот. РГШ-40. ПР для горячей штамповки РГШ-40 (рис. 1.7, 1.8) предназначен для автоматизации камерных, карусельных или индукционных печей, процессов загрузки и выгрузки заготовок из кривошипных горячештамповочных прессов, горизонтальноковочных машин, паровоздушных штамповочных молотов, транс-

Таблица 1.1

Наименование показателя

РМ-01

ТУР-ЮК

РГШ-40

«Универсал-

60.02»

РПМ-25

«Уиивер- сал-60.04»

РПКСМ

СУР-МС

Линейные перемещения, руки, мм: вертикальное радиальное

горизонтальное

Угловое перемещение (поворот), рад

Диапазон перемещений кисти, рад: поворот изгиб вращение захватного устройства

Погрешность позиционирования, мм

Максимальная скорость, м/с

Система управления

864

864

864

5,59

2,85.

2,85

2,85

±0,1

0,8

883

883

883

5,23

2,8

2,8

2,8

±0,1

0,5

800

1500 (испол. I)

1700

1040

400

5,9

3,4

3,4

6,28

±1,0

1,2

800

1000

5,8

3,2

3,4

6,28

±1,0

1,3

1400

1000

5,6

6,7

6,7

6,7

±0,5

1,6

1200

3000

2500 (портальный)

800

1000

10 000

5,63

5,23

3,14

5,23

±1,0

1,3

2000 (испол. II)

5,23

4,7

4,7

4,7

±0,8

0,8

1200 (боковой)

3,4

6,28

±1,0

1,0

Цифровая «Сфера-36»

Цифровая

У КМ-772

АПС-1М (аналого-позиционная), МПСУ-П

Цифровая УПМ-772

Цифровая МПСУ-П микропроцессорная

Продолжение табл. 1.1

Наименование показателя

РМ-01

ТУР-ЮК

РГШ-40

«Уииверсал-

60.02»

РПМ-25

«Универсал-60.04»

РПКСМ

СУР-МС

Вид привода

Электрический

Электромеханический

Гидравлический

Электромеханический

Число кадров

1000

1000

3200

3200

3200

800

1280

1280

Число программ

—

—

1,15

4

4

15

15

15

Грузоподъемность, кг

2,5

10

40

60

25

63

160

25

’"абаритные размеры, м площадь основания, м2)

0,790Х

Х0.48Х

Х0,92

0,99Х

Х0,8Х Х1,28

3,10Х2,4Х

XI ,05 (4,1Х2,4Х

X 1,05)

1,26Х1,44Х

Х1.67

0,8Х0,8Х

Х1,9

1,0Х

X 1,27Х

Х1,7

—

12,40Х

XI 480Х

X 2,060

Операционные механизмы

Устройство замены захватных устройств или пистолет для контактной сварки

Устройство замены захватных устройств

Примечания: 1. Связь с ЭВМ есть у роботов всех марок, кроме РГШ-40.

Максимально допустимая температура окружающей среды не более 50 °C.

Значения горизонтальных перемещений робота РПКСМ даны для поперечного движения.

Продолжение табл. 1.1

Of

3

2 2 ю co — co +|"

и

0)

Q 3 3 3 к £

О О — 00 00 о ю ою I ° | w см К 2 1 1 оо+|-

и

0)

ч

& Ж

и

® 5 g Tf о *4 О М о. Ч л

Л д о см У о

* *

О «

СО CD ' Ю CD CD СО -|-| —-

о

Д'

К

К сх

т

ю

о X

см =°о 1

X

о

g^ .5 е е b 5s

о § i мы мм сч £;

ОО 1 ^^^^-_-

«^ и и от

^з.

К W

cd

я 5 я о 3 5 и о О 00 >S S н =s S^2ogs”g н я * ь

§£

00

n n 1 со со 1 о

ч s та d

< 8 и

X g i

X та о

SO со; ^8

м

| 00^00^00^ СМ —. ►

—« —СО СО СО* CD ^

К

о

а £

X ” о со ю ^ ^ ^

” X

СО о

портирования заготовки из ориентирующего устройства к ручью штампа, переноса заготовки между его ручьями, удержания заготовки при осадке, при одновременном управлении рабочим циклом и режимом работы прессов, машин, молотов и вспомогательного оборудования.

В зависимости от требуемой зоны обслуживания и характера ориентирующего движения выбираются левое или правое расположение руки относительно вертикальной оси вращения, ориентирующее движение (вращение или качание кисти) и максимальный радиус зоны обслуживания 2990 ... 3590 мм).

Робот «Универсал-60.02%. ПР предназначен для контактной точечной сварки (рис. 1.9).

В состав робота входит манипулятор, система программного управления УПМ-772, блок усилителей привода, блок включения питания, сварочное оборудование. Сварочное оборудование состоит из шкафа управления, трансформатора, кабелей, клещей. Технические характеристики роботов «Универсал-60.02» приведены в табл. 1.1.

Требуемая жесткость механической системы и высокая надежность его узлов были обеспечены тем, что робот создан на базе робота «Универсал-60.01» [45].

Основные узлы манипулятора —гидростанция, механизм поворота, механизм поперечного сдвига, проставок, рука, механизм выдвижения кисти аналогичны узлам робота «Универсал-60.01».

К приводу робота для контактной сварки предъявляют повышенные требования в отношении точности и быстродействия. Это связано с особенностями технологического процесса точечной сварки — с пошаговым перемещением и точным позиционированием сварочных клещей вдоль свариваемого контура: требуется осуществлять до 60 перемещений в минуту рабочих органов манипулятора при погрешности позиционирования не более ± 1 мм.

Основной задачей привода является обеспечение малых перемещений с высоким быстродействием. Среднее значение этих перемещений 40 ... 50 мм. Время отработки одного перемещения не должно превышать 0.3 ... 0,5 с. Этими величинами определяются требования к динамическим характеристикам следящего привода и к качеству переходных процессов отработки перемещений.

Задача создания привода с требуемыми характеристиками решена на основе использования цифрового устройства управления УПМ-772, кодовых датчиков положения с разрешающей способностью 218 и следящих гидрораспределителей в качестве управляющих элементов для гидродвигателей манипулятора.

Силовой привод координат робота, кроме третьей степени — кисти (вращение клещей), состоит из гидромотора и следящего гидрораспределителя типа сопло-заслонка. Следящие гидрораспределители присоединяются к гидродвигателям через панели, в которых имеются сдвоенные клапаны, предохраняющие гидро- мотор от перегрузок при резком закрытии гидрораспределителя.

Рис. 1.8. Общий вид ПР РГШ-40.02

Рис. 1.^. Общий вид ПР «Универсал-мц02»

Для связи устройства программного управления с сервозолотниками служит блок усилителей привода. Этот блок осуществляет усиление сигнала управления по мощности, нелинейную коррекцию сигнала управления, подачу осцилляции на гидрораспределитель, стабилизацию по скорости, световую индикацию отработки управляющей программы по координатам.

Блок усилителей включает источник питания, усилитель, схему дешифрации признаков, схему стабилизации ползучей скорости, генератор опорной частоты.

В режиме обучения блок усилителей выполняет функцию усиления сигнала управления и подачи осцилляции на гидрораспределитель. В автоматическом режиме вследствие- недостаточной чувствительности гидромеханической системы рабочий орган не отрабатывает малых сигналов управления, поэтому применяют нелинейную коррекцию сигнала, для чего используют признаки движения и направления, выдаваемые СПУ.

Анализ работы ПР «Универсал-60.02» на участках сварки автомобиля «Иж-комби» позволил выявить недостаточные объем памяти, показатели надежности устройства управления УПМ-772, нестабильность работы гидропривода. Кроме того, наличие встроенной гидростанции не дает возможности устанавливать робот на вертикальной стенке и на потолке. Эти недостатки устранены в конструкции ПР «Универсал-60.04».

Робот «Универсал-60-04». ПР состоит из манипулятора, устройства управления типа МПСУ-П и гидростанции (гидросистемы питания). Технические характеристики ПР приведены в табл. 1.1.

Компоновка ПР представлена на рис. 1.10. На основании / установлен механизм поворота 2, который идентичен механизму поворота ПР «У ниверсал-60.02». Зубчатый венец механизма поворота связан с двумя выходными зубчатыми колесами привода поворота 3, идентичного приводу поворота «Универсал-60.02». Привод поворота также размещен на основании 1. На поворотной платформе механизма поворота 2 имеется проставок 4, на верхнем конце которого укреплены кронштейны качания корпуса 5 руки. Между корпусом руки и поворотной платформой установлен гидропривод 6 качания руки. В корпусе руки на опорах качания перемещается каретка 7, на переднем корпусе которой закреплена кисть 8. Внутри каретки расположены три гидромотора привода кисти, которые связаны с ней валами. На заднем торце каретки установлены дросселирующие распределители для приводов кисти. Радиальное перемещение кисти происходит от линейного привода, связанного с кареткой и корпусом руки.

Такая конструкция ПР обеспечивает необходимые жесткость и зону обслуживания. Применение линейных следящих приводов для качания и выдвижения руки позволило упростить их кинематику. Использование для вращательных движений приводов на базе гидромоторов типа 2МГ18 обеспечило высокие динамические

Рис. 1.10. Компоновка и рабочая зона ПР «Универсал-60.04»

качества с одновременной высокой безотказностью, так как они были отработаны в процессе создания ПР «Универсал-60.02».

Кинематическая схема трехстепенной кисти показана на рис. 1.11. Отличительной особенностью рассматриваемой кисти является применение волновых зубчатых передач и наклон ее оси под углом 52° к оси руки. Это позволяет резко уменьшить массу руки и трудоемкость ее изготовления, повысить надежность работы, уменьшить размеры кисти. Кинематическая схема обеспечивает следующие движения: повороты кисти относительно осей /—/ и II—II, поворот выходного фланца кисти относительно оси III—///.

Рис. 1.11. Кинематическая схема трехстепенной кисти

Поворот кисти относительно оси /—/ осуществляется следующим образом. Движение от вала I через зубчатые колеса 2, 3 передается на генератор 4 волновой передачи и снимается с гибкого колеса 5, с которым связан корпус 7. Поворот кисти относительно оси II—II происходит следующим образом. Движение от вала 6 через зубчатые колеса 8,' 9 передается на генератор 10 волновой передачи, а снимается с гибкого колеса 11, с которым связан корпус 12, базирующийся на специальном подшипнике в корпусе 7. При повороте выходного фланца кисти относительно оси III—III движение от вала 17 через зубчатые колеса 18—21 и 13, 14 передается на генератор 15 волнового редуктора. Съем движения происходит с гибкого колеса 16,

Анализ технических характеристик ПР и его конструкции показывает, что по основным параметрам ПР не уступает лучшим зарубежным образцам, а по сравнению с ПР «Универсал-60.02» имеет следующие преимущества: существенно расширены возможности СПУ (память со 100 кадров доведена до 800); погрешность позиционирования снижена в 1,5 ... 2 раза; производительность стала выше в 1,5 раза; наличие трехстепенной кисти упростило конструкцию сварочной оснастки; безотказность (наработка на отказ) возросла в 3 раза; за счет применения встроенного трансформатора потери мощности уменьшены в 2,5 раза.

Робот РПКСМ. ПР предназначен для контактной сварки и выполнен в виде многоуровневой агрегатно-модульной системы (рис. 1.12).

Основным несущим узлом ПР (рис. 1.12, а) является портал 4, на котором с помощью двух модулей 2 горизонтального перемещения установлен модуль 3 поперечного перемещения. На нем закреплена рука 1, ось которой направлена вертикально. На боковых поверхностях колонок, с двух сторон портала, размещены модули 5 продольного перемещения двух рук 7 (до 3000 мм),

Рис. 1.12. Основные компоновочные схемы руки робота РПКСМ

оси которых горизонтальны. На модулях 5 продольного перемещения установлены модули 6 подъема рук 7.

На базе разработанных модулей созданы компоновки робота с одной горизонтальной рукой (рис. 1.12, б) и двумя вертикальными руками (рис. 1.12, в).

Работу ПР поясняют кинематические схемы, представленные на рис. 1.13, 1.14. Поперечное перемещение робота по порталу (рис. 1.13) осуществляется от электродвигателя Ml, движение от которого передается на шкивы 5, 6 зубчатой ременной передачи, зубчатые колеса 7, 8, /8. Колеса /8 входят в зацепление с рейкой 17, укрепленной неподвижно на направляющей. Механизм привода установлен на перемещающейся каретке.

Продольное перемещение по порталу осуществляется от двух двигателей М2, М3 по двум идентичным кинематическим цепям. Первая цепь: двигатель М2, шкив 26, ремень, шкив 25, зубчатые колеса 24, 23, 21. Зубчатые колеса 21 связаны с рейкой 20. Вторая кинематическая цепь: двигатель М3, шкив 10, ремень, шкив И, зубчатые колеса 12, 13, 15. Зубчатые колеса 15 связаны с рейкой 16. Устранение свободных ходов (люфтов) в зубчатых колесах осуществляется закруткой торсионов 14, 19, 22, а в зубчатых ременных передачах — натяжением ремней. Рейки 16, 17, 20 установлены неподвижно, а приводы — на перемещающихся каретках. Датчики положения ДП связаны с валами двигателей через зубчато-ременные передачи со шкивами 3, 4, 8, 9 и редукторы с зубчатыми колесами 1, 2, 6, 7. Кинематические схемы механизмов продольного перемещения и механизмов подъема боковых рук идентичны кинематическим схемам механизмов поперечного перемещения.

Прямолинейное движение руки (рис. 1.14) осуществляется от двигателя Ml. Движение от двигателя Ml через шкив 5 зубчатоременной передачи, зубчатый ремень сообщает шкиву 8, с которого передается на зубчатые колеса 7, 9, 11. Зубчатые колеса И связаны с рейкой 6. Рейка размещается на подвижной направляющей, на одном торце которой установлена кисть, а на другом — приводы кисти, что обеспечивает им прямолинейное движение.

Вращение кисти относительно оси II—II обеспечивается двигателем М2 через шкив 16, зубчатый ремень, шкив 17, волновой

Рис. 1.13. Кинематическая схема портала робота РПКСМРис. 1.13. Кинематическая схема портала робота РПКСМРис. 1.14. Кинематическая схема руки робота РПКСМРис. 1.14. Кинематическая схема руки робота РПКСМ

Рис. 1.13. Кинематическая схема портала робота РПКСМ

Рис. 1.13. Кинематическая схема портала робота РПКСМ

Рис. 1.14. Кинематическая схема руки робота РПКСМ

Рис. 1.14. Кинематическая схема руки робота РПКСМ

редуктор 19, выход которого соединен с корпусом 26 кисти. Качание кисти относительно оси /—/ осуществляется от двигателя М3 через шкивы 20, 18, зубчатые колеса 28, 29, волновой редуктор 27, выход которого соединен с выходным фланцем кисти. На этот фланец устанавливаются сварочные клещи. С валами двигателей через шкивы 3, 4, 14, 15, 21, 22 зубчато-ременных передач соединены редукторы с зубчатыми колесами 1, 2, 12, 13, 23, 24, выходы которых соединены с кодовыми датчиками положения ДП. С валами всех двигателей связаны тахогенераторы ДС.

Таким образом, ПР РПКСМ:

3333Шр я. А. Шифрина

33

33

позволяет создавать автономные сварочные посты с концентрацией исполнительных органов и возможностью изменения их количества;

обеспечивает транспортирование деталей между сварочными постами как с помощью шагового конвейера, так и с помощью автоматических транспортных тележек;

может быть использован в составе сварочного оборудования, позволяющего проводить сварку листовых материалов различных толщин;

оснащен современными средствами управления и диагностирования, что приводит к резкому повышению надежности и гибкости сварочных производственных модулей.

Робот, модульного типа РПМ-25. Типичным роботом модульной конструкции является робот РПМ-25, представляющий собой совокупность или систему конструктивных модулей. Под модулем авторы понимают функционально и конструктивно независимую единицу, которую можно использовать как самостоятельную, а также в различных комбинациях с другими модулями. Каждый модуль данной конструкции — это законченный машинный агрегат, содержащий как обычные приводные средства и механизмы, так и энергетические и информационные коммуникации, обеспечивающие одну или несколько степеней подвижности робота.

Система модулей робота РПМ-25 (рис. 1.15) включает три модуля межпозиционных перемещений (подвижные основания), шесть модулей, осуществляющих движения переноса, и ряд модулей ориентирующих движений (руки).

К числу модулей межпозиционных перемещений относятся подвижные основания в напольном Т и в подвесном Тм (на монорельсе) и двухкоординатном портальном Т4 исполнениях.

Модули движений переноса включают три однокоординатных модуля прямолинейных перемещений, два однокоординатных модуля вращательных перемещений и один двухкоординатный модуль — модуль двойного качания. Модули прямолинейных перемещений представлены модулем С поперечного сдвига, который устанавливается либо на модуль поворота, либо на модуль неподвижного основания; модулем П подъема, размещаемым на модулях неподвижного и подвижного (напольный вариант) оснований, на модулях поперечного сдвига и поворота; модулем радиального хода РХ, служащим для прямолинейного перемещения руки робота, который может быть установлен на всех упомянутых ранее модулях.

Комбинация из трех модулей прямолинейного перемещения позволяет получить компоновку робота РПМ-25, работающего в декартовых координатах.

Однокоординатные модули вращательных движений включают модуль В поворота, осуществляющий поворот относительно вертикальной оси и устанавливаемый на модулях неподвижного и подвижного оснований, и модуль С, а также модуль К качания,

Рис. 1.15. Система модулей робота РПМ-25Рис. 1.15. Система модулей робота РПМ-25

Рис. 1.15. Система модулей робота РПМ-25

Рис. 1.15. Система модулей робота РПМ-25

Рнс. 1.16. Схема робота РПМ-25 комлоноаки Tt — РХ — Р— 3

осуществляющий поворот относительно горизонтальной оси (он может быть установлен на модулях неподвижного и подвижного оснований, на модулях С и В).

Двухкоординатный модуль Д двойного качания предназначен для создания компоновок робота с антропоморфной шарнирной структурой. Он может устанавливаться на модули неподвижного и подвижного оснований, модули С и В.

Модули ориентирующих движений представлены тремя видами рук: Рх — с одной, Рй — с двумя и Р3 — с тремя степенями подвижности. Эти модули имеют посадочные места, которые стыкуются с модулями Д и РХ. Кроме того, посредством специальных переходников они могут быть установлены на модулях К В, П, С, Т и Тм.

Таблица 1.2

Наименование параметра

Вариант компоновки

Т,—РХ—Р,

Т,—PX-P,

Т.-РХ-Р,

31

ЗС

31

ЗС

3,

ЗС

Грузоподъемность, кг

Число программируемых степеней подвижности (без захватного устройства):

произвольно программируемых

по упорам

Тип привода

Система управления

Погрешность позиционирования, мм, не более

Линейные перемещения, мм:

X (при средней скорости

700 мм/с)

Y (при средней скорости 700 мм/с)

Z (при средней скорости 300 мм/с)

Поперечный сдвиг захватного устройства, мм

Угловые перемещения, °:

а (при средней скорости 100%)

Р (при средней скорости 75%)

у (при средней скорости 150 %)

Масса, кг

25

20

25

20

100

6

5

4

1

1

1

Электромеханический Числовая ±1,0

3990; 10 020; 16 050

3000

1000

—

90

—

90

—

90

300

—

300

180

—

300

300

5000

Примечания: 1. Допускается применение нескольких (ие более трех) манипуляторов, расположенных на собственных траверсах и работающих автономно.

В конструкциях кисти руки ПР возможна автоматическая смена захватных устройств.

Рука с тремя степенями подвижности имеет ряд дополнительных исполнений, например Рв0 с повышенной грузоподъемностью (до 60 кг), что достигнуто за счет снижения ее скоростных характеристик. Исполнения Рвпв и Р3в наряду с одним ориентирующим движением производят дополнительные движения переноса (в сферической и угловой системах координат).

Кроме перечисленных выше основных модулей, система включает вспомогательные модули, к которым относятся модуль Н неподвижного основания с системой подготовки воздуха и ряд модулей операционных механизмов, включающих одинарное Зг и двойное 34 захватные устройства, захватное устройство ЗС с поперечным сдвигом, а также электромагнитное адаптивное захватное устройство За для выбора из тары неориентированных заготовок.

Модули операционных механизмов стыкуются непосредственно с конечными звеньями модулей рук.

Привод основных движений робота РПМ-25 электрический постоянного тока следящий с обратной связью по положению и по скорости. В качестве исполнительных двигателей используют электродвигатели постоянного тока МИ2 мощностью 2 кВт и 4МИ12 мощностью 980 Вт. Привод операционных механизмов пневматический. Подвод воздуха под давлением осуществляется через стыковочные поверхности модулей.

Технические характеристики портальной компоновки Г2— РХ—Р—3 (рис. 1.16) приведены в табл. 1.2.

В табл. 1.1 приведена техническая характеристика РПМ-25 компоновки Н—В—Д—Р3 — 3V С учетом возможности применения разных модулей рук число вариантов компоновок составляет ~150.

1.3. Сварочные роботы

Особенности применения сварочных ПР. Сварочные роботы являются наиболее характерным - примером успешного применения средств адаптации в робототехнике. С другой стороны, увеличение объемов выпуска ПР за рубежом (ФРГ, Франция, Япония и др.) [601 происходит за счет расширения номенклатуры и производства сварочных ПР. Применение сварочных роботов позволит не только резко увеличить производительность труда, но и существенно улучшить качество и надежность сварных соединений за счет постоянного контроля за состоянием сварочного шва и соблюдения режимов и параметров сварки в течение всего технологического процесса. Применение сварочных ПР позволяет повысить коэффициент использования сваоочного ГПМ до 0,95.

До недавних пор в основном сварочные роботы применялись при контактной точечной сварке и сварке в защитном газе при изготовлении приводов автомобилей. В ФРГ в 1982 г. 13 % всех действующих ПР применялись для указанных видов сварки.

При точечной сварке горячекатаных листов без покрытий допустимой является погрешность (повторяемость) позиционирования не более ±2 мм, при сварке в защитной среде газа максимальная повторяемость А не должна, как правило, превышать ±1 мм. При этом следует иметь в виду, что указанные значения А лимитируются не только точностью (повторяемостью) собственно ПР, но и точностью устройств, транспортирующих заготовки для сварки, зажимных механизмов, сварочных инструментов. Поэтому ГПМ для точечной сварки, созданные на базе сварочных ПР, могут удовлетворительно выполнять соответствующие операции при достаточной точности штамповочных заготовок деталей, высокой точности стыковки (без щели), ширине сварочных фланцев не менее 12 мм, максимально независи- 38

мом от транспортных устройств позиционировании зажимных механизмов, наличии зажимных механизмов в необходимом количестве в достаточно доступных местах, применении сварочных инструментов, движущихся на уровне листа.

При сварке крупных узлов, состоящих из нескольких отдельных деталей, производится прихватка вручную и устанавливаются дополнительные зажимные механизмы для получения заданной точности и необходимого доступа сварочного инструмента ПР.

Качество точечной сварки определяется: глубинной точностью (расстоянием точек от края), которая задается системой программного управления ГПМ (в крайнем случае она обеспечивается путем установки дополнительного зажима); ориентацией по глубине инструмента по кромке свариваемого узла; типом сварочной установки.

Применяемые обычно трансформаторные клещи выгодны ввиду экономного расходования электроэнергии и из-за малых затрат на техническое обслуживание, но по сравнению с подвесными сварочными установками они имеют большую массу и достаточно громоздки. При сварке листов с покрытием или из легких металлов, а также при наличии большого хода инструмента нашли применение подвесные сварочные установки.

При сварке в защитной среде инертного газа точность позиционирования имеет решающее значение, так как для обеспечения необходимого проплавления шва наконечник горелки в зависимости от качества подготовки кромок соединяемых деталей, положения места сварки и размера сварочной ванны должен быть установлен на шов в пределах жесткого допуска. К этому необходимо добавить требования к повышенной точности позиционирования собственно ПР. Поэтому сварку в защитной газовой среде на ГПМ с помощью ПР можно проводить, или используя очень точные заготовки, что связано с большими затратами, или применяя системы поиска начала и ориентации шва, включающие специальные датчики для бесконтактного или контактного измерения параметров для автоматического управления сварочной головкой, скоростью ее перемещения, а также скоростью подачи сварочной проволоки.

Фирма «Еке энжинирс» («£&с Engineers», ФРГ) [271 рекомендует следующие системы:

снабженные датчиками с позиционным отключением при поиске начала шва;

имеющие концентрические направляющие ролики в середине горелки с координатным выключателем и адаптивным управлением ПР;

снабженные индукционным выключателем приближения (однокоординатным) с интерфейсом и адаптивным управлением ПР для поиска начала шва;

имеющие двухкоординатные индукционные чувствительные элементы, передающие информацию в микропроцессор, и адап-

тивное управление ПР для поиска стыка или слежения за швом с помощью управляющих импульсов высокочастотного магнитного поля, изменяющегося в зависимости от конфигурации стыка свариваемых узлов. Асимметрия краев шва вызывает асимметрию этого поля, что используется при горизонтальном выравнивании горелки; изменение индукции поля используется для вертикального выравнивания горелки;

снабженные механическими маятниковыми и электромагнитными (внешние магниты) устройствами управления дуги (сварочной головкой) для слежеиия шва путем сравнения заданных и фактических значений сварочного тока при реализующейся длине дуги;

имеющие однокоординатные оптико-электроиные чувствительные элементы, передающие информацию в микропроцессор и адаптивное управление сварочной головкой для поиска стыка последовательно во всех плоскостях путем замера расстояния инфракрасным лазерным лучом.

Таким образом, качество работы всех рекомендуемых систем, кроме последней, зависит от геометрии сварочного стыка.

Кроме точности позиционирования и положения сварочного шва на качество сварки существенно влияют параметры ее режима, присадочных материалов и самих сварочных устройств. Считается, что для обеспечения высокого качества сварки не целесообразно выполнение вертикальных швов во избежание опасности уменьшения проплавления.

Последовательность выполнения сварочных переходов и операций должна обеспечивать минимальную погрешность. Для этого необходимо:

использовать сварочные горелки с небольшими допусками по погрешности (повторяемости) позиционирования, хорошим охлаждением и целесообразными устройствами очистки электродов;

применять автоматические устройства очистки сопл для механического удаления брызг расплавленного металла и распыления антиадгезионного состава;

устанавливать легкие, гибкие и быстрозаменяемые пакеты шлангов,

подающий механизм сварочной проволоки устанавливать таким образом, чтобы обеспечить необходимую рабочую зону и надежную подачу проволоки;

применять программированные источники питания с транзисторным силовым блоком для управляемого перехода капель металла в шов и импульсную технику для сварки с минимальным брызгообразованием. Как показал опыт, эти источники питания удобны при сварке в диапазоне длинной дуги в среде углекислого газа (брызгообразование минимально при толщине свариваемых листов не более 3 мм) и при сварке аустенитных сталей из-за экономии расходов при больших диаметрах проволоки.

Контроль за основными параметрами обычно ведут на индикаторных приборах с пульта управления, и при необходимости их значения отпечатывают для документирования. Качество шва контролируется путем визуального осмотра, рентгеновской или ультразвуковой дефектоскопии или по результатам разрушения образцов, свариваемых одновременно с серийно выпускаемой продукцией, через определенные интервалы времени. Кроме того, возможен контроль путем измерения расплавленного количества сварочной проволоки.

По мнению фирмы «Еке энжинирс», средняя наработка на отказ у ПР для точечной сварки не превышает 500 ч, у ПР для дуговой сварки в среде защитного газа — значительно меньше; ресурс до капитального ремонта 8000 ч; сильно изнашиваемые детали рекомендуют заменять через каждые 1000 ч,

В п. 1, 2 описаи ПР «Универсал-60.02» для контактной точечной сварки. Ниже дано краткое описание ПР для дуговой сварки.

Робот СУР-МС. Робот предназначен для автоматической сварки плавящимся электродом в среде инертных газов изделий из конструкционных сталей толщиной 6 3 мм с произвольным пространственным расположением швов (кроме потолочного).

Манипулятор робота создан на базе модульного ПР РПМ-25 и включает четыре модуля: поворота В1Ъ двойного качания Du руку с тремя степенями подвижности Р3 и подвижное основание Тн.

Устройство управления микропроцессорное типа МПСУ (микропроцессорная система управления).

Техническая характеристика СУР-МС

Потребляемая мощность вместе со сварочным оборудованием, кВт, не более 40

Число двоичных разрядов представления сварочного тока и напряжения 8

Диапазон регулирования: сварочного тока, А 60400

напряжения сварки, В . . 16... 36

Несовпадение конца электрода с осью вращения кисти, мм, не более . 0’2

Амплитуда колебания горелки по координатам «вращение кисти» и «сгибание кисти», °, не более . . . .1,5

Средние показатели надежности: наработка иа отказ, ч, не менее 320

время восстановления, ч, не более 4

ресурс, лет, не менее °

Питание от трехфазной четырехпроводной сети переменного

напряжением, В 380/220

частотой, Гц 50±1

Время непрерывной работы ПР, ч, не более (с последующим перерывом не менее 1 ч) 16

Общий вид ПР показан на рис. 1.17.

Методы программирования работы ПР описаны в гл. 5.

Рис. 1.17. Общий вид робота СУР-МС

Основные технологические режимы работы ПР: обучение, ввод данных, автоматический покадровый, автоматический однократный и цикловый.

В процессе сварки не реже чем через 2 ч непрерывной работы проводится очищение сопла горелки.

Сварочная часть ПР включает: сварочный выпрямитель; сварочную горелку, кронштейны крепления; механизм подачи сварочной проволоки; датчик касания заготовки для сварки; устройство управлением датчика касания; необходимое количество кабелей; баллон с инертным газом, редуктор с расходомером и подогревателем газа; шланги и рукава.

Глава

2

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ ПР С РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ ПРИВОДОВ И СИСТЕМАМИ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Основные стадии проектирования ПР

Как известно, исходными данными для проектирования ПР являются: назначение ПР; требуемый тип; грузоподъемность; сроки (начало разработки, поставок в эксплуатацию); ожидаемые затраты; объем выпуска; показатели надежности; предприятие-изготовитель.

На стадии разработки технических требований (ТТ) к ПР исходят из анализа технологического оборудования и оснастки модулей, а также технологических процессов, которые должны быть реализованы в модулях ГПС с ПР данного типа.

При этом определяют:

кинематику движения деталей или инструмента в производственном процессе, т. е. характерное положение деталей (инструмента) при установке их роботом;

номенклатуру технологических процессов, на обслуживании которых предполагается использовать ПР;

габаритные размеры оборудования, обслуживаемого ПР, включая высоту установки деталей, глубину установки от внешнего фронта оборудования и т. п.;

циклограммы работы модулей ГПС и после их проработки — скорости, ускорения объектов манипулирования и быстродействия ПР;

изменение базовых размеров деталей, происходящее в процессе обработки;

свойства технологических процессов, регламентирующих точность работы ПР, включая значения зазоров в приспособлениях, требования по соосности установки деталей, установке инструмента, электродов и т. д.;

расположение ПР относительно технологического оборудования или объекта производства (для производственных ПР);

параметры среды, в которой должен работать ПР.

После анализа сформулированных и определенных ТТ проводят расчеты основных параметров НМС и ИМС робота, привода системы программного управления, структуры ПР, которые в дальнейшем кладутся в основу технических заданий (ТЗ) на эти системы.

Расчет НМС ведут в следующем порядке:

Рис. 2.1. Основные стадии проектирования ПР и их взаимосвязь:

НМС — несущая механическая система; ИМС — исполнительная механическая система; ТЗ — техническое задание; ТП — технический проект; РП — рабочий проект; ЭО — экспериментальный образец; ТД — техническая документация; 00 — опытный образец

Исходя из технических требований по кинематике движения деталей, габаритных размеров оборудования и оснастки, определяют кинематическую структуру и длину звеньев НМС манипулятора.

На основании требований по точности (повторяемости) позиционирования и грузоподъемности руки (рук) определяют допустимое значение нижнего предела 1-й гармоники собственной частоты колебаний НМС.

В зависимости от допустимого значения нижнего предела 1-й гармоники собственной частоты НМС определяют размеры и конструкцию звеньев манипулятора и узлов.

Расчет НМС выполняется в следующем порядке:

Выбор структуры ИМС, т. е. состава ИМС и связи ее элементов между собой (передающего механизма, передающих связей, мест связи этих механизмов с датчиками положения и датчиками скорости), из условий реализации заданной грузоподъ-

Рис. 2.3. Модуль поворотаРис. 2.3. Модуль поворотаРис. 2.2. Структурная схема типо- аого модуля ПР

Рис. 2.3. Модуль поворота

Рис. 2.3. Модуль поворота

емкости, необходимой точности, максимальных скоростей перемещения исполнительного органа и выбранного типа и схемы привода.

Расчет передаточного числа и выбор типа передающего и исполнительного механизмов и передающих связей.

Определение размеров передающих связей и жесткости остальных элементов ИМС.

Структура ПР зависит от кинематики движений деталей (объектов манипулирования) в процессе производства и состава модулей ГПС.

Наиболее прогрессивной является многоуровневая модульная система построения манипулятора, представляющая собой развитие концепции одноуровневой системы, которая на основе модульного (см. п. 2.7) принципа позволяет создавать из модулей, в зависимости от технологических требований, компоновки манипуляторов с различными степенями подвижности.

Основные стадии проектирования ПР и их взаимную связь иллюстрирует рис. 2.1.

Классификацию по функциональному признаку (рис. 2.2) устройств, входящих в модуль, рассмотрим на примере модуля поворота руки (рис. 2.3). В модуле поворота ПР функцию НМС выполняет поворотный стол 4 (см. рис. 2.3), информационной системы ИС — датчик положения 2, исполнительного элемента привода П — электродвигатель 6 со встроенным тахогенератором, устройств связи — кабель 3, механизмов преобразования движения МП — редуктор 5, механизма преобразования исполнительной связи МП ИС — редуктор /, устройства защиты УЗ от воздействия внешней среды — кожух 7.

При проектировании может быть выбрана также многоуровневая структура схемно-компоновочного решения ПР, которая предусматривает создание модулей первого уровня, выполняющих одну из функций модуля второго уровня; модули второго уровня являются устройствами, создаваемыми путем компоновки из модулей первого уровня, реализующих функцию не менее одной координаты робота; устройства связи относят к модулям второго уровня.

Такая структура по сравнению с одноуровневой позволяет: максимально унифицировать устройства, входящие в модули второго уровня;

обеспечить создание с наименьшими затратами модулей второго уровня с различными приводами, несущими, исполнительными и информационными системами;

ликвидировать избыточность по устройствам связи, так как потребность в них зависит от компоновки ПР.

Требования к системам программного управления. Алгоритмы управления

Объектом управления систем программного управления ПР (СПУ ПР), работающего в составе РТК, является манипулятор. В связи с этим к СПУ ПР предъявляется ряд специфических требований, отличных от требований к широко распространенным системам программного управления металлорежущими станками (СПУ МС). В частности, для СПУ МС характерно, что системы координат объекта управления (станка) и объекта обслуживания (заготовки) имеют жесткую взаимную ориентацию, которая обеспечивается соответствующим выбором и сопряжением баз.

Подготовка необходимых данных программы осуществляется расчетным путем с помощью различных методов программирования. Первоначально система координат манипулятора не ориентирована относительно обслуживаемых объектов, к которым относится различное технологическое оборудование, установленное в зоне его работы. СПУ ПР реализует алгоритмы измерения и запоминания положения указанных объектов в системе координат манипулятора. Эту операцию принято называть «обучением» робота.

Операция обучения является характерным методом программирования ПР, позволяющим оператору осуществить подготовку программы непосредственно на технологическом участке, проконтролировать ее и ввести коррекцию. Трудоемкость этой операции зависит от уровня СПУ ПР. В адаптивных СПУ ПР процесс обучения частично или полностью автоматизирован. СПУ ПР содержит более развитую информационную систему по сравнению с СПУ МС, которая позволяет осуществлять двустороннее взаимодействие ПР с обслуживаемым оборудованием.

Анализируя сигналы, поступающие с датчиков, установленных на обслуживаемых объектах и манипуляторе, СПУ ПР имеет возможность изменять алгоритмы функционирования и адаптироваться к изменениям обстановки путем поиска соответствующих подпрограмм, их повторения, блокировки и т. д. Это одно из важнейших качеств СПУ ПР, развитие которого приводит к созданию адаптивных и высокоорганизованных роботов. Сигналы информационной системы используются в СПУ ПР также для организации асинхронного режима работы манипулятора по отношению к обслуживаемому оборудованию.

Особые требования предъявляются к следящим приводам степеней подвижности манипулятора, рассматриваемого как объект 46

управления, содержащий упругие нелинейные звенья, с помощью которых учитываются люфт механических соединений, переменные статическая и динамическая нагрузки, взаимосвязь движений.

Конструкция манипулятора должна обеспечивать плавное ускорение и замедление его подвижных органов. С технологической точки зрения не допускается перерегулирование в точке позиционирования, выходящее за пределы заданной погрешности. Для обеспечения указанных требований в состав следящих приводов СПУ ПР включаются нелинейные корректирующие звенья, имеющие сложную характеристику.

Для управления универсальными роботами типа «Универсал» и РПМ используются позиционные СПУ, к которым, кроме указанных выше общих требований, предъявляется ряд дополнительных. К классу позиционных СПУ ПР относят устройства управления, которые реализуют алгоритмы перемещения его захватного устройства от «точки к точке» с автоматическим разгоном (торможением) подвижных органов без контроля траектории движения и контурной скорости. Можно считать, что позиционные системы являются развитием цикловых систем в конструктивном отношении и по технологическим возможностям. Существенным их отличием является возможность программирования значения перемещения по координатам манипулятора, что обеспечивается наличием в позиционных системах датчиков положения координат или дискретного привода. В первом случае их классифицируют как замкнутые по положению, во втором — как разомкнутые.

К числу характерных конструктивных задач, возникающих при разработке позиционных СПУ ПР, относятся задачи проектирования устройств ввода программы и устройств формирования характеристики разгона (торможения), выбора датчиков положения.

Анализ работы РТК позволяет сформулировать основные требования к позиционной СПУ. Система должна обеспечивать: возможность подготовки оператором программы путем «обучения» робота по первому технологическому циклу; возможность программирования в кадре положения подвижных органов манипулятора, скоростей их перемещения, точности позиционирования захватного устройства, команд управления электроавтоматикой манипулятора и обслуживаемого оборудования с контролем исполнения последних, выдержки времени между отдельными технологическими переходами; циклическую отработку программы по кадрам в автоматическом режиме; регулирование характеристики разгона-замедления по каждой координате; независимое позиционирование каждой степени подвижности многокоординатного манипулятора; логический выбор подпрограмм по сигналам датчиков внешних устройств; логический выбор последовательности Отработки информации, запрограммированной в кадре; блокировку приводов подвижных органов ПР в аварий-

ных случаях, связанных с отсутствием контрольных сигналов выполнения команд, неисправностями отдельных узлов системы управления и выходом захватного устройства из предельной зоны обслуживания.

Как правило, в позиционной СПУ предусматриваются три режима работы: обучения робота, ручной и автоматический. В каждом режиме работы система реализует характерные алгоритмы управления.

В режиме обучения алгоритм управления описывается следующим образом: по индикатору номера кадра оператор с пульта управления устанавливает необходимый кадр программы (обычно начиная с первого) для записи в него информации; с помощью пульта обучения, связанного с приводами степеней подвижности манипулятора, оператор перемещает захватное устройство в требуемую точку пространства и ориентирует его относительно приспособления или детали, если это необходимо; оператор проводит запись в указанный кадр информации о положении захватного устройства в координатах манипулятора, пользуясь пультом обучения или пультом управления системы; запись технологических команд, команд на манипулятор и вспомогательных команд, указанных в кадре программы, выполняется оператором с пульта управления системы. Все последующие кадры программы записываются аналогичным образом,

В ручном режиме манипулятором управляют от пульта управления системы и приводят оперативную коррекцию записанной программы.

При автоматическом режиме алгоритм управления обеспечивает реализацию следующих функций: позиционирование захватного устройства манипулятора с заданной точностью и последовательностью; выполнение команд управления электроавтоматикой манипулятора (зажим-разжим захватного устройства, его смена и т. д.) и технологических команд в заданном порядке по отношению к позиционированию; контроль выполнения указанных команд по кадрам с блокировкой системы или сменой программы; синхронизацию технологических переходов в цикле по сигналам информационных датчиков и по времени; индикацию режимов работы робота и сигнализацию аварийных состояний.

Указанные требования к позиционным СПУ ПР могут быть удовлетворены при условии наличия достаточного разнообразия структурных схем построения этих систем. Критериями их оценки, безусловно, являются надежность, стоимость, сложность, габаритные размеры и целый ряд других эксплуатационных и технических параметров. В целом структуру ПСПУ можно рассматривать как конечный автомат с микропрограммным управлением. Спецификой позиционной СПУ ПР как цифрового автомата является то, что она — часть РТК, состоящего из ПР и обслуживаемого оборудования, с которыми она связана посредством датчиков положения и информационных датчиков.

Аналого-позиционные системы программного управления.

Описание, характеристики

Для управления роботами типа «Универсал», снабженными потенциометрическими датчиками положения, используется аналоговая СПУ типа АПС-1. В отечественной робототехнике эта система не имеет аналогов, за рубежом ближайшим аналогом является СПУ ПР «Versatran-SOOP» (Великобритания) [52]. Однако можно отметить целый ряд существенных различий в конструкциях вводного устройства, накопителя, устройства формирования характеристики разгон-замедление, привода указанных СПУ.

Техническая характеристика АПС-1

Тип управления

Число управляемых по программе степеней подвижности Число программируемых точек по степеням подвижности:

1—3

4—6

Программоноситель

Емкость программоносителя, бит Число кадров в- программе Метод программирования Тип датчиков положения

Число команд, одновременно выдаваемых на манипулятор и технологическое оборудование, . . . . Выход команд на манипулятор и технологическое оборудование Число программируемых выдержек времени. . . . Диапазон регулирования, с Электропитание

Потребляемая мощность, В А Габаритные размеры, мм Масса без упаковки и запасных частей, кг . . . . Элементно-конструктивная база

Аналого-позиционный6Аналого-позиционный6147Штекерный барабан192060ОбучениеМногооборотные потен-циометры ППМЛ-М201Релейный30 ... 25От однофазной сети пе-ременного тока напряже-нием 220 В с допустимымнапряжением (50±1) Гц900535X650X 1205160Интегральные микросхе-мы серин К-155 в сочета-нии с дискретными эле-147Штекерный барабан192060ОбучениеМногооборотные потен-циометры ППМЛ-М201Релейный30 ... 25От однофазной сети пе-ременного тока напряже-нием 220 В с допустимымнапряжением (50±1) Гц900535X650X 1205160Интегральные микросхе-мы серин К-155 в сочета-нии с дискретными эле-ментамиментамиВ рассматриваемой системе программирование точек позиционирования, команд на манипулятор и технологических команд осуществляется в двоичном коде, программирование вспомогательных команд — в унитарном коде. Диапазон выбора выдержки времени составляет 0 ... 25 с (плавное регулирование), диапазон выбора точности позиционирования 20 и 200 мВ (фиксированное значение).

Аналого-позиционный

6

Аналого-позиционный

6

147Штекерный барабан1920

60ОбучениеМногооборотные потен-циометры ППМЛ-М20

1

Релейный30 ... 25

От однофазной сети пе-ременного тока напряже-нием 220 В с допустимымнапряжением (50±1) Гц900535X650X 1205

160Интегральные микросхе-мы серин К-155 в сочета-нии с дискретными эле-

147Штекерный барабан1920

60ОбучениеМногооборотные потен-циометры ППМЛ-М20

1

Релейный30 ... 25

От однофазной сети пе-ременного тока напряже-нием 220 В с допустимымнапряжением (50±1) Гц900535X650X 1205

160Интегральные микросхе-мы серин К-155 в сочета-нии с дискретными эле-

ментами

ментами

Последовательность отработки информации, программируемой в кадре, включает позиционирование по координатам, команды на манипулятор, технологические команды, выдержку времени с обеспечением контроля выполнения отдельных переходов.

Тип накопителя потенциометрический одноадресный шестикоординатный с индикацией номера потенциометра по каждой координате. Емкость накопителя: по степеням подвижности 1— 3 составляет 14 потенциометров, по степеням подвижности 4— 6—семь потенциометров. Предусмотрен режим обучения и автоматический режим АПС-1 при автономном управлении и от ЭВМ.

При автономном управленйи в режиме обучения обеспечиваются: подача технологических команд с пульта системы, подключение измерительного прибора к датчику положения; управление электроприводом от пульта обучения; подача команд на манипулятор от пульта обучения; блокировка следящего режима степеней подвижности по положению, контроль установки движков задатчиков с погрешностью не более ±5 мВ при отключенной цепи нагрузки; старт-стопный и ускоренный перевод барабана с пульта системы; блокировка электропривода, аварийная подача команды на блокировку выходных цепей электропривода от пульта обучения.

Пульт обучения соединяется с системой посредством кабеля длиной до 6 м и обеспечивает плавное регулирование скорости перемещения по всем степеням подвижности. Включение степеней подвижности раздельное с помощью трехпозиционных переключателей. Диапазон регулирования скорости 0 ... 0,25.

При автономном управлении в автоматическом режиме обеспечиваются блокировки подачи технологических команд с пульта системы и управления от пульта обучения, а также индикация автоматического режима. В режимах обучения и автоматическом предусмотрено включение-выключение гидростанции от кнопок, расположенных на пульте системы.

При управлении от ЭВМ в режиме обучения обеспечиваются обучение системы, запись программы в накопитель ЭВМ и покадровый ввод программы в буферный регистр системы с пульта оператора, контроль правильности ввода кадров программы. При управлении от ЭВМ в автоматическом режиме обеспечиваются требования автоматического режима: блокировка устройства перевода барабана и устройства считывания системы; покадровый автоматический ввод программы в буферный регистр системы по сигналу окончания отработки очередного кадра; покадровая автоматическая отработка программы, записанной в буферный регистр системы; автоматический контроль правильности ввода кадра программы в систему; блокировка системы при ошибках ввода программы с индикацией сбоя. Длина кабеля,связывающего систему с ЭВМ, не превышает 50 м.

Параметры выходного сигнала для управления электроприводом: вид сигнала — знакопеременный уровень напряжения;

Таблица 2.1

Информация

Номер точки позиционирования захватного устройства по степеням подвижности

1

2

3

4

5

6

Разряды

1—4

5—8

9—12

13—15

16—18

19—21

Код

Двоичный

Информация

Номер-* вспомогательных команд

Номер команды

get

Sg

в

Ю X

О х

X

о

О Си

в 5

Ускоренный переход

ро- сти

точности

на манипулятор

технологической

задержки цикла

Разряды

22

23

24—26

27—30

31, 32

33

34

35

Код

Унитарный

Двоичный

Унитарный

число независимых каналов управления 6; пульсация выходных сигналов не должна превышать 10 мВ; дрейф выходного сигнала не более ±5 мВ; допустимый уровень наводок на нагрузке 5 кОм не более 5 мВ (измеряется на выходном разъеме АПС-1).

Элементно-конструктивная база — интегральные микросхемы серии 140 и 155, полупроводниковые элементы и реле. Время непрерывной работы системы 16 ч.

Выходная характеристика системы нелинейная и должна допускать регулирование коэффициента передачи по отношению к сигналу датчика в пределах 1 ... 5 при входном сигнале не менее 0,1 В, а при входном сигнале 1,5 ... 10 В выходное напряжение должно составлять 4,5 ... 5,5 В на активной нагрузке 5,1 кОм.

Конструктивно система выполнена в виде напольного шкафа и связана с роботом и электроприводом ЭПТ гибкими кабелями. Состав кадра приведен в табл. 2.1. Номер точки позиционирования захватного устройства по каждой степени подвижности программируется раздельно. Введены вспомогательные команды программирования скорости, точности, ускоренного перевода барабана.

Команда программирования скорости используется при необходимости понизить скорость движения захватного устройства, которая регулируется в широких пределах оператором с помощью потенциометра, установленного на плате формирователей характеристики разгона-замедления.

Команда программирования точности используется для увеличения быстродействия процесса позиционирования в промежуточных положениях захватного устройства, когда не требуется

высокой точности его установки. Быстродействие увеличивается за счет увеличения зоны нечувствительности измерительной цепи системы. Ускоренный перевод барабана необходим для увеличения быстродействия вводного устройства. Кадры программы, в которых задана указанная команда, не считываются, а перевод барабана осуществляется в непрерывном режиме с повышенной скоростью. Команда применяется для пропуска не заполненных программой строк барабана.

Команды на манипулятор двухпозиционные, т. е. обеспечивается их включение и выключение по программе. Программирование включения любой из семи команд предусмотрено в 24, 25 и 26-м разрядах кадра. Выключение указанной команды происходит при наборе команды «Сброс команд манипулятора» в 33-м разряде кадра.

Система может работать в трех режимах: ручном, автоматическом и от ЭВМ.

Контурные и контурно-позиционные системы программного управления

В качестве примера подобной СПУ приведем микропроцессорную СПУ, предназначенную для управления сварочным ПР СУР-МС при автоматизации дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа. Система выполнена в виде автономного устройства, отвечающего современным требованиям к изделиям подобного класса.

Техническая характеристика МПСУ

Тяп управленяя Позяцяонно-контур ное

числовое

Тяп датчиков положения 15-разрядныекодовые

датчики мод. ФЭП-15

с дискретностью задания по степеням подвяжности ±1 ед.

Число одновременно управляемых по программе

степенен подвяжности: в контурном режиме 6

■ в позиционном 1

Время храненяя программы пользователя при отключения пятаняя, ч, не менее 120

Чясло дискретных команд: на технологическое оборудование 15

на манипулятор ПР 6

на сварочное оборудование 8

Команды выдаются нормально открытыми н нормально замкнутыми контактами реле РЭН-34 Число ответных сигналов, прием которых обеспечи

вает устройство: от технологического оборудования 15

от манипулятора ПР 4

от сварочного оборудования 8

Диапазон регулирования приводов, обеспечиваемый 52

устройством, не менее 2000

Показатели надежности:

наработка на отказ, ч, не менее 3000

Габаритные размеры, мм, не более 756X620X1650

Масса, кг, не более 300

Устройство выполнено в виде комплекта модулей и включает следующие модули: ввода и вывода (ВВ/ВЫВ), пять центральных процессорных устройств (ЦПУ-1—ЦПУ-4 и пульт обучения), модуль памяти, пульт оператора, дисплей, модуль интерфейса, накопитель на магнитной ленте (НМЛ).

Задание программы в устройство осуществляется путем программирования положения захватного устройства манипулятора ПР методом обучения и аналитического программирования команд управления. МПСУ обеспечивает управление двигателями постоянного тока при уровне максимального напряжения на якоре 110 В, на обмотке возбуждения 27 В. Мощность двигателей по степеням подвижности 1, 2, 3, 7 — не более 2 кВт, по степеням подвижности 4, 5, 6 — до 1 кВт. Питание осуществляется от трехфазной сети переменного тока 380/220 В +W % частотой 50 Гц. Потребляемая мощность — не более 12 кВт. Пульт устройства встроен в стойку и является его неотъемлемой частью. Пульт обучения выполнен в виде конструктивно законченного узла и подсоединяется к МПСУ через разъем посредством экранированного кабеля длиной по 15 м.

Элементно-конструктивная база МПСУ — интегральные микросхемы серий 140, 155, 537 , 541, 561, 580 , 589 в сочетании с дискретными элементами.

МПСУ обеспечивает выполнение следующих режимов работы: задание параметров; формирование и редактирование управляющей программы; покадровое выполнение управляющей программы; автоматическое выполнение управляющей программы; тестовый режим.

С пульта МПСУ вводятся в программу следующие параметры манипулятора ПР: значение смещения исходного положения манипулятора относительно положения, в котором кодовые датчики имеют нулевые показания; пределы допустимых изменений положения отдельных степеней подвижности ПР; максимальные значения скоростей перемещения по отдельным степеням подвижности и скорости контурного движения; передаточные отношения (угол поворота конечного вала на один импульс сварочной головки); длина сварочной головки.

При определении условий сварки задаются следующие параметры: ток, напряжение и скорость сварки, ток и напряжение заварки кратера, время предварительной подачи защитного газа, время на формирование дуги, время заварки кратера, время заключительной подачи газа.

При формировании и редактировании управляющей программы реализуются переходы к следующему и предыдущему кадрам, переход к кадру с заданным номером, вставка и удаление кадра из заданного места управляющей программы, ввод и изменение заданного кадра.

Управляющая программа включает до 1280 кадров и до 200 меток, определяющих кадр, на который передается управление. Ввод кадров управляющей программы производится с использованием экранных пультов индикации и подсказок, реализованных программно на экране дисплея.

МПСУ обеспечивает следующие типы и режимы движения манипулятора ПР: по отдельным степеням подвижности (до трех одновременно); в декартовых координатах с сохранением ориентации рабочего органа; движение с высокой скоростью; движение с низкой скоростью; движение с приращением.

Обучение ПР с помощью МПСУ осуществляется в ручном режиме и методом аналитического программирования.

МПСУ обеспечивает задание скоростей движения манипулятора следующим образом: при движении без выполнения сварки программируемых скоростей; при движении в режиме «сварка» скорость определяется номером условий сварки, который можно изменять в процессе сварки.

МПСУ позволяет реализовать следующие условия окончания движения: с выполнением точного позиционирования в заданной точке; с проходом к выполнению следующей команды программы после начала движения. Во всех случаях отработка перемещений по всем степеням подвижности манипулятора ПР оканчивается одновременно.

При работе с НМЛ происходит формирование магнитной ленты, запись содержимого ОЗУ по одному из девяти каналов, считывание в ОЗУ содержимого одного из девяти каналов по команде оператора, автоматическое чтение содержимого одного из девяти каналов перед выполнением первой команды управляющей программы в зависимости от состояния соответствующих внешних входов.

МПСУ обеспечивает:

движение манипулятора ПР в позиционном режиме, по прямой с интерполяцией в реальном масштабе времени (частота интерполяции 2 Гц), по окружности с интерполяцией в реальном масштабе времени (частота интерполяции 2 Гц);

условную передачу управления на заданный кадр в зависимости от состояния входных сигналов, содержимого счетчиков и таймеров устройства, а также условий окончания позиционирования манипулятора ПР;

передачу управления одной из 15 подпрограмм, находящихся в оперативной памяти, в зависимости от состояния соответствующих внешних входов;

возврат после выполнения подпрограммы;

установку значения десяти счетчиков в диапазоне 0 ... 255;

установку значений четырех таймеров в диапазоне 0 ... 99,9 с дискретностью 0,1 с;

установку и сброс любой комбинации выходных сигналов на технологическое оборудование;

остановку движения манипулятора ПР в текущем положении;

подготовку начала сварки с выбором одного из условий сварки, завершения сварки с заваркой кратера.

В процессе работы МПСУ на дисплее осуществляется индикация текущего положения манипулятора ПР (положение отдельных звеньев в градусах, миллиметрах и декартовы координаты рабочего органа в миллиметрах), текущих значений переменных состояния процесса (содержимого счетчиков и таймеров, состояний входов и выходов технологического оборудования).

МПСУ обеспечивает обнаружение, диагностирование и обработку следующих аварийных состояний и ошибочных действий оператора:

аварийной остановки (при нажатии соответствующих клавиш на пульте оператора и пульте обучения);

срабатывания защиты привода, конечных выключателей, лимитирующих диапазон движения отдельных степеней подвижности манипулятора ПР;

выход манипулятора за программно установленные пределы изменения значений координат в процессе интерполяции;

ошибок выполнения программы, связанных с неверной последовательностью команд вызова и возврата из подпрограмм и отсутствием меток;

ошибок неправильной работы НМЛ;

аварийных ситуаций, возникающих в процессе выполнения вследствие сварки ввода оператором неверных данных, отсутствия связи между пультом обучения и МПСУ.

Тестовые программы включают тесты отдельных процессорных плат, микропроцессорных связей, платы ввода-вывода, платы управления дисплеем, НМЛ. При работе в этом режиме на экране дисплея должна воспроизводиться индикация, отражающая состояние и результаты выполнения тестов.

Схемно-конструктивные решения позволяют сохранить работоспособность при действии в электрической сети питания импульсных помех длительностью 10 мкс амплитудой до 600 В.

Выбор приводов

Структура, классификация, особенности применения.

Привод робота можно определить как устройство для преобразования сигналов, поступающих от системы управления, в механическое перемещение исполнительных звеньев.

Структурно это устройство содержит ряд преобразователей энергии (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Структура привода ПР:

СУ — система управления; МС — механическая система

Ниже будут рассмотрены управляющие элементы привода. Привод в значительной степени определяет структуру и параметры как системы управления, так и механической системы. Прежде чем приступить к конструированию ПР, необходимо выбрать тип привода его основных движений.

Для решения задачи выбора типа привода представляются существенными следующие признаки классификации приводов: по виду энергоносителя, виду исполнительных двигателей, способу регулирования поступающей и отводимой от механической системы энергии.

По виду энергоносителя различают следующие типы приводов: электрический,' пневматический, гидравлический и их комбинации. Не вдаваясь в подробный анализ преимуществ того или иного типа привода, которому посвящено большое количество публикаций, рассмотрим только некоторые основные особенности, суще- ст иные для использования в роботах. При наличии централизованной пневмосети на первое место выступают такие преимущества пневмопривода, как дешевизна, конструктивная простота, высокая надежность, пожаробезопасность. Основной недостаток пневмопривода — трудность реализации следящего привода из-за высокой сжимаемости энергоносителя. Поэтому пневмопривод используется главным образом в ПР с цикловым управлением (с позиционированием исполнительных звеньев по жестким регулируемым упорам). Другой недостаток пневмопривода связан с ограничением давления энергоносителя, которое не должно пре-

вышать (39 ... 49) 104 Па, что приводит к большим, чем у ПР с гидроприводом, габаритным размерам исполнительных двигателей.

Осуществление следящего привода для ПР с программируемыми перемещениями возможно как на базе электрического, так и гидравлического приводов. Однозначного решения о преимуществе того или другого типа привода в настоящее время не существует.

Основные преимущества электропривода перед гидроприводом — это простота обслуживания, отсутствие утечек масла, высокий КПД, отсутствие дополнительных преобразователей энергии в виде гидростанции, более низкий уровень шума. Преимуществами гидропривода являются компактность и малая масса исполнительных двигателей, низкая постоянная времени и более простое управление маломощными электрогидравлическими преобразователями по сравнению с управлением мощными электромоторами постоянного тока.

По виду исполнительных двигателей можно выделить следующие приводы: с двигателями поступательного прямолинейного перемещения (гидроцилиндры, пневмоцилиндры, линейные электродвигатели); с вращательными малооборотными двигателями (роторные гидро- и пневмоцилиндры, радиально-поршневые гидромоторы); с высокоскоростными вращательными двигателями (электродвигателями, аксиально-поршневые гидромоторы, пневмодвигатели). Приводы первых двух типов в некоторых случаях могут соединяться с исполнительными звеньями без передаточных механизмов, т. е. непосредственно или с помощью компенсирующих муфт. При этом конструкция механической системы значительно упрощается. Для приводов третьего типа редукторы необходимы для согласования скоростей движения и силовых характеристик ведущих валов двигателей и исполнительных звеньев.

По типу управления можно различать: 1) разомкнутые приводы с позиционированием по жестким механическим или электрическим упорам; для этих приводов характерно использование цикловых систем управления, так как в этом случае значение перемещения не программируется, а устанавливается заранее регулировкой упоров; 2) разомкнутые приводы с цифровым управлением, в которых в качестве двигателей могут быть использованы шаговые электромоторы или составные цилиндры (позиционеры); 3) следящие приводы, замкнутые с обратной связью по положению, а также по некоторым другим параметрам (скорости, силе и др.).

В настоящее время в ПР чаще всего используют следящие гидропривод и электропривод постоянного тока. Эти приводы пригодны как для позиционных, так и для контурных систем управления.

По- способу регулирования энергии, подводимой к механической системе и отводимой от нее, приводы делят на активные

и пассивные [42]. В активном приводе регулируются активные силы, задаваемые двигателем, в пассивном приводе — силы, отбираемые от механической системы (тормозные силы). Большинство используемых в настоящее время в ПР приводов являются активными. К пассивным можно отнести приводы цикловых ПР, в которых для отбора мощности из системы используются демпферы различных конструкций. Примером регулируемого пассивного привода является привод робота РМ-12 фирмы РАТ-12 (ФРГ) 154], где отбор мощности от системы осуществляется регулируемым электромагнитным тормозом, который через передачи связан со штоком пневмоцилиндра, являющегося двигателем привода. Применение пассивного привода может служить способом увеличения его жесткости, так как регулируемые тормозы могут быть установлены непосредственно на звеньях исполнительной кинематической цепи, жестко связывая их между собой и устраняя влияние податливости элементов привода на общую жесткость манипулятора. Однако это улучшение характеристик достигается за счет усложнения конструкции механической системы.

При выборе типа привода совместному рассмотрению должен быть подвергнут ряд факторов, связанных с предполагаемым функционированием ПР. К ним относятся назначение ПР, его технические характеристики, условия эксплуатации, характеристики объектов, с которыми ПР должен взаимодействовать, факторы технико-экономического характера, такие, как простота и технологичность конструкции, стоимость комплектующих материалов, простота и периодичность обслуживания и ремонта, энергоемкость и др. Немаловажную роль при выборе типа привода играет также наличие тех или иных комплектующих изделий и их качество. Наконец, выбор типа привода должен происходить одновременно с определением типа и структуры системы управления.

Применение пневматического привода для ПР с программируемыми перемещениями в настоящее время очень ограниченно. В качестве примера можно привести робот РС-3, в котором используются составные дискретные пневмоцилиндры, робот РМ-12 с позиционным управлением на основе пневмопривода с управляемым электрическим тормозом и робот ?ЛП-8, где торможение осуществляется подачей противодавления в выхлопную полость пневмоцилиндра, а удержание двигателя в запрограммированных позициях обеспечивается специальным пневматическим тормозом [54].

Как правило, для универсальных ПР применяются гидро- или электроприводы. При этом возможны два варианта: разомкнутый дискретный привод и замкнутый следящий привод. Дискретный привод может быть либо чисто электрическим, как это имеет место в роботе «Sundstrand» (США), либо электрогидравлическим, когда маломощные электрические шаговые двигатели вращают золотник

гидроусилителей крутящих моментов, например в ПР СМ-40, УМ160 [1] и ИЭС-1 [22]. Вопрос о выборе разомкнутого или замкнутого привода решается разработчиком системы управления. Эксплуатационные качества приводов обоих типов равноценны. Оба типа позволяют создавать

как позиционные, так и контурные системы управления. Отметим, что при использовании разомкнутого привода могут накапливаться ошибки позиционирования вследствие случайных пропусков импульсов, а организация обучения ПР по первому циклу сложнее, чем у ПР со следя

Рис. 2.5. Схема манипулятора, работающего в сферической системе координатРис. 2.5. Схема манипулятора, работающего в сферической системе координатщим приводом. В большинстве универсальных ПР применяется следящий привод, замкнутый по положе-

Рис. 2.5. Схема манипулятора, работающего в сферической системе координат

Рис. 2.5. Схема манипулятора, работающего в сферической системе координат

нию. В отечественных ПР используются как электропривод постоянного тока («Универсал-5», РПМ-25), так и следящий гидропривод («Универсал-15.06») и комбинированный электрогидропривод («Универсал-15.01», «Универсал-60»).

Энергетические характеристики привода. После выбора типа привода ПР и, следовательно, вида исполнительных двигателей важной задачей является нахождение мощности двигателя и последующий выбор его конкретной модели. Точно определить мощность

привода на стадии проектирования не представляется возможным ввиду отсутствия истинных значений массы звеньев и координат их центров масс. Поэтому на стадии проектирования необходимо сделать ряд допущений и приближений, которые тем не менее позволяют вполне удовлетворительно оценить значение мощности привода.

Рассмотрим в качестве примера манипулятор, работающий в сферической системе координат (рис. 2.5). В техническом задании на проектирование обычно задаются следующие параметры: т — грузоподъемность манипулятора или масса переносимого груза, кг; г — максимальный радиус действия, м; ф1>2, S — максимальные перемещения груза по координатам, рад, м; <о112, и — номинальная скорость перемещения груза по координате, рад/с (м/с).

Мв = (со/т)) (Мн + Ми),Мв = (со/т)) (Мн + Ми),(2-1)(2-1)Мощность двигателя вращательной степени подвижности

Мв = (со/т)) (Мн + Ми),

Мв = (со/т)) (Мн + Ми),

(2-1)

(2-1)

где т) — КПД передач, связывающих двигатель с исполнительным звеном; Мн — момент неуравновешенности, возникающий от неуравновешенных масс (включая переносимый груз) относи-

тельно оси вращения, Н.м; Ми —динамический (инерционный) момент, возникающий в периоды разгона и торможения, Н.м.

Динамический момент

Ми = /ие,(2.2)

где /н — момент инерции вращающихся частей манипулятора, кг.м2; в — угловое ускорение, рад/с2.

Для оценки динамического момента сделаем следующие допущения: закон изменения скорости по координате — трапецеидальный, т. е. разгон и замедление происходят с постоянным ускорением; длина пути разгона фр (Sp) равна длине пути замедления (торможения) фт (ST) и составляет некоторую часть общего пути перемещения ф (S) : фр = Фт = Кхф.

Коэффициент Ki определим исходя из следующего. При заданной скорости (со, и) перемещений по степени подвижности быстродействие будет тем больше, чем меньше Кг Но слишком малое значение Ki вызовет большие динамические перегрузки на механизмы привода, что приведет к преждевременному выходу из строя ПР. Зададимся допустимым значением перегрузок, равным 1,5. При этом максимальное ускорение переносимого груза и элементов конструкции ПР не превысит g/2, или 5 м/с2.

Для привода ПР с линейным перемещением на 1 м со скоростью 1 м/с длина пути разгона Sp = (а/2) (и/а)2 = 0,1 м, a Ki = Sp/S = = 0,1. Этим значением Ki будем пользоваться в дальнейшем при ориентировочных расчетах мощности.

Ускорение, выраженное через параметры, заданные в техническом задании, имеет вид

в = <о2/(2К1Ф).(2.3)

Момент инерции

/и = Л + /м = /СаЛ,(2.4)

где Jr = mr2 — момент инерции от массы полезного груза на максимальном радиусе вращения; /м — момент инерции вращающихся частей манипулятора при максимальном радиусе переноса; Кг — коэффициент конструкции.

По результатам расчетов для существующих конструкций роботов «Uni mate», «Универсал-50», «Универсал-15.01» коэффициент К2 = 1,8 ... 2,3.

Примем Кг = 2. Подставляя значения величин из формул (2.3) и (2.4) в формулу (2.2), получим выражение для динамического момента

Ми = К2тг2<о2/(2К1Ф).(2.5)

Момент неуравновешенности

Мн = K3mgr sin а,(2.6)

где Кз = M^^mgr) — коэффициент конструкции, учитывающий момент неуравновешенности подвижных частей относительно оси

вращения; а — угол наклона плоскости вращения к горизонтальной плоскости

Подставляя формулы (2.5), (2.6) в формулу (2.1), получим выражение для расчета мощности привода вращательных степеней подвижности

м _ шгт / Кг гш1

П k 2Ki Ф +

+ Ksg sin а) . (2.7)

Для механизма враще-

Рис. 2.6. Расчетная схема механизма радиального ходаРис. 2.6. Расчетная схема механизма радиального ходания руки относительно

Рис. 2.6. Расчетная схема механизма радиального хода

Рис. 2.6. Расчетная схема механизма радиального хода

NBX = 1О/пг2(о8/(г|ф).NBX = 1О/пг2(о8/(г|ф).(2.8)(2.8)вертикальной оси угол а = 0. При значениях Ki = 0,1 и К» = 2 получим мощность, Вт,

NBX = 1О/пг2(о8/(г|ф).

NBX = 1О/пг2(о8/(г|ф).

(2.8)

(2.8)

Для координаты с прямолинейным поступательным движением мощность привода

Мп = (у/Ч)(Ри + Рн),Мп = (у/Ч)(Ри + Рн),(2.9)(2.9)

Мп = (у/Ч)(Ри + Рн),

Мп = (у/Ч)(Ри + Рн),

(2.9)

(2.9)

где Ри — инерционная сила, действующая на привод в период разгона и замедления, Н; Ри — сила, действующая на привод от неуравновешенных масс (в том числе переносимого груза), Н.

Для механизма радиального выдвижения руки робота, схема которого дана на рис. 2.6,

Ри = К4та,(2.10)

где Kt — коэффициент конструкции, учитывающий массу подвижных частей манипулятора; К» = m^Jm (здесь т, — общая масса перемещающихся частей).

Рассуждая, как в случае с вращательной координатой, найдем выражение для линейного ускорения а и инерционной силы Ри:

(2.Н)(2.Н)а = ^/(2^5); Р„ = К^/^К^.

(2.Н)

(2.Н)

Сила Рн возникает от массы перемещающихся частей манипулятора. Наихудший вариант нагружения привода возникает при максимальном угле наклона а:

Рн = m^g sin а = K^mg sin а.

Мощность прямолинейного движения

(2.12)(2.12)., Kivm / 1 у2 ।.\

(2.12)

(2.12)

Мп ~(гК1 S +5sinaJ.

Для приводов с горизонтальным перемещением а = 0,^ например для манипуляторов, работающих в цилиндрической системе координат. Тогда при = 0,1 и /<4 = 2

Nnx = lOmc^/^S). (2.13)

Для приводов с вертикальным перемещением а = 1,57 рад и

Если для привода используется высокоскоростной двигатель, то возникает проблема выбора передаточного числа механизма, связывающего двигатель с исполнительным звеном. В том случае, если в приводе преобладают неуравновешенные нагрузки, передаточное число

I = МнКМдТу),

где Мд —момент на валу двигателя.

В том случае, если в приводе значительную роль играют динамические нагрузки, появляется возможность варьировать передаточное число в широких пределах. При этом с увеличением i быстро уменьшается приведенный к валу двигателя момент инерции нагрузки и, следовательно, уменьшается время разгона до номинальной частоты вращения и торможения до нуля. Вместе с этим уменьшается номинальная скорость установившегося движения исполнительного звена. При уменьшении i скорость установившегося движения растет, но время разгона и торможения увеличивается. В связи с этим возникает задача выбора оптимального i, при котором время перемещения груза по степени подвижности было бы минимальным. Для решения этой задачи необходимо знать полное время перемещения груза.

Рассмотрим сначала вращательную степень подвижности. Время поворота исполнительного звена на некоторый угол

/ф = [(i Jr 4~ </н) ®д + Ф1 Мдии^^Мдинйд! л), (2.15) где /д — момент инерции вращающихся частей двигателя с учетом приведенного к валу двигателя момента инерции редуктора; JH — момент инерции нагрузки, т. е. момент инерции исполнительного звена плюс момент инерции полезной нагрузки; юд — угловая скорость вала двигателя; Мпин — динамическая составляющая момента на валу двигателя.

Принимая в формуле (2.15) в качестве переменной величину i, можно найти такое его значение, при котором /ф будет минимальным. Оптимальное по быстродействию передаточное число редуктора, связывающего двигатель с исполнительным звеном,

iOpt = У'2<о^н/(фЛ4динл) . (2.16)

Формула (2.16) справедлива только для трапецеидального закона перемещения, характерного для приводов, в котор‘ых 62

приведенный момент инерции нагрузки превышает собственный момент инерции двигателя. Поэтому при расчете по формуле (2.16) следует проверять отношение /н.пр/^д, где/н-пр — момент инерции привода. В том случае, если оно меньше единицы, подсчитывать передаточное число следует по формуле

i = //н//д • (2.17)

Так как в процессе работы ПР выполняют разнообразные циклы, то передаточное число необходимо рассчитывать не по конкретному значению перемещения, а по среднему арифметическому всех перемещений, составляющих цикл. Моменты инерции в каждом из этих перемещений также могут различаться. Если известен некоторый типовой цикл работы ПР, то оптимальное передаточное число

i — 2юд 2 /ик /1 2 фбЛ4диич)>(2.18)

Г6=1/ \б=1/

где JHK, фй — соответственно момент инерции нагрузки и угол поворота к-го перемещения в типовом цикле, состоящем из п последовательных перемещений. Ясно, что специализация ПР может влиять на конструкцию передаточного механизма. Так, ПР, предназначенный для точечной сварки, характеризующейся множественным позиционированием в точках, находящихся на близком расстоянии друг от друга, должен иметь другое передаточное число, чем, например, ПР, работающий на загрузке-разгрузке станков.

Для поступательных прямолинейных механизмов задача сводится к подбору скорости и перемещения исполнительного звена. В этом случае время перемещения руки ПР по прямолинейным координатам в случае трапецеидального закона перемещения, если /н.пр > /д,

Ь = 1(/д/2+тн) ш* + SfM№„T\1KMRmi <й^2п\(2.19)

Оптимальное по быстродействию / = юд/и найдем, дифференцируя по /‘ (2.19) и приравнивая производную нулю. Тогда

7 = ^ 2<о^т/(5Л1диит))(2.20)

или

и = V 8Мдан<йд1^(2тн\(2.21)

По формуле (2.21) можно подсчитать оптимальную линейную скорость исполнительного звена, что позволит выбрать нужные параметры передаточного механизма: диаметр зубчатого колеса в реечной передаче, ход винта в винтовой передаче и т. д.

Краткая методическая схема расчета энергетических параметров привода следующая.

Ориентировочный расчет по данным технического задания мощности двигателя [формулы (2.7)—(2.9), (2.12)—(2.14)1.

Выбор по каталогам подходящих по мощности двигателей с различными юд и Мд.

Расчет оптимальных по быстродействию передаточных чисел для каждого двигателя [формулы (2.16)—(2.18), (2.20) и (2.21)1.

Выбор двигателя, обеспечивающего наименьшее время отработки типового цикла перемещений и наиболее компактную конструкцию.

Формулы (2.15) и (2.19) могут быть использованы для приближенных расчетов циклограмм работы ПР.

Агрегатно-модульный принцип построения ПР

Методы создания конструкций ПР. Универсальные ПР вследствие их сложности имеют относительно высокую стоимость, а число их степеней подвижности во многих случаях превышает потребности конкретного применения. Специализированные ПР характеризуются большой номенклатурой и малыми объемами выпуска. Одним из путей, способствующих разрешению указанных противоречий, является построение ПР на агрегатной основе. Разновидностью агрегатного построения ПР является так называемый модульный принцип построения. Под этим обычно подразумевается создание ПР на базе функциональных модулей (узлов), имеющих все необходимые элементы, включая приводы, датчики обратной связи и другие, необходимые для обеспечения работы модуля. Для построения ПР модули соединяют между собой в требуемом порядке; производится подсоединение силовых и управляющих коммуникаций.

Модульный принцип построения ПР по сравнению с агрегатным обеспечивает большие удобства при создании и перестройке ПР и позволяет сократить число узлов, входящих в конкретный ПР. К числу недостатков этого принципа построения следует отнести увеличение номенклатуры модулей за счет включения в модуль привода и датчиков обратной связи; сложность и в ряде случаев «избыточность» модулей; сложность использования одних и тех же модулей при различных системах управления.

Таким образом, становится очевидным, что ни один из рассмотренных методов нс может быть признан оптимальным для создания ПР различного назначения.

Классификация агрегатно-модульных ПР и основные требования к ним. Приемы и принципы, используемые отдельными проектировщиками при создании агрегатно-модульных конструкций ПР, различны. Еще не разработаны агрегатные системы, обеспечивающие создание ПР с большим разнообразием функций, компоновок, с широким диапазоном основных характеристик (по грузоподъемности, скорости, размерам и форме зон обслужи- 64

вания), с возможностью использования различных систем управления и приводов.

Классификация агрегатно-модульных конструкций ПР может быть осуществлена по следующим основным признакам, важным при разработке агрегатных гамм и систем: по компоновке, возможности изменения технических характеристик ПР в пределах одной агрегатной гаммы, по применению систем управления. Указанные признаки могут встречаться в различных сочетаниях.

По компоновке агрегатно-модульные конструкции ПР условно могут быть разделены на две группы:

ПР на базе одной принципиальной компоновочной схемы (однотипные роботы). Конкретные исполнения ПР, относящиеся к этой группе, различаются характером комплектации (системами управления, дополнительными кинематическими модулями, расширяющими подвижность базовой модели, типами приводов, изменяющих энергетические показатели конструкции, и т. п.);

агрегатные ПР, обеспечивающие получение нескольких принципиально различных компоновочных схем (разнотипные роботы) и разнообразных зон обслуживания.

По возможности изменения технических характеристик ПР агрегатные гаммы могут быть разделены на следующие группы: гамма ПР с постоянными значениями основных технических показателей;

гамма ПР широкого назначения, обеспечивающая получение их модификаций с большим диапазоном основных характеристик.

По применяемым системам управления различают агрегатные гаммы:

комплектуемые системой управления одного типа;

обеспечивающие построение мидификаций ПР, комплектуемых системами управления различных типов;

допускающие комбинированное комплектование модификаций механических систем различными типами систем управления, входящих в свой унифицированный ряд.

Основные конструктивные требования. Одним из важных требований при агрегатно-модульном построении ПР является конструктивное формирование отдельных его составляющих по функциональному признаку. В этой связи агрегатные узлы должны быть по возможности законченными и конструктивно самостоятельными механизмами.

6565В составе гаммы агрегатных узлов механической системы должен быть предусмотрен унифицированный ряд базовых кинематических модулей. В данном случае под кинематическим модулем понимается агрегатный узел, включающий привод, аппаратуру управления и клеммные разъемы для подсоединения к устройству управления. Конструкции узлов должны удовлетворять требованиям динамики, прочности, жесткости в пределах отдельных типоразмеров', установленных соответствующими проектными нормативами. Агрегатные узлы механической системы ПР должны

65

65

3 П/р Я. А. Шифрина

обеспечивать взаимную компоновку в различных сочетаниях и положениях, а их монтаж должен быть простым и надежным.

Для систем управления и автоматики должна быть предусмотрена возможность укрепления на элементах механической системы ПР или раздельной установки.

Стыковочные элементы узлов однотипного назначения должны быть унифицированы. Унификацию следует предусматривать в пределах отдельных типоразмеров, смежных типоразмеров и между отдельными типами узлов с установлением конкретной номенклатуры типов таких узлов, деталей, принадлежностей и приспособлений.

При создании агрегатно-модульных конструкций необходимо минимизировать номенклатуру узлов и устройств, входящих в их состав.

Конкретные модификации ПР, построенные из агрегатных узлов, должны удовлетворять следующим требованиям:

конструктивно-технологические параметры ПР (грузоподъемность, скорости перемещений, погрешность позиционирования, размеры рабочей зоны, тип СПУ, степень защищенности от влияния окружающей среды и т. п.) должны соответствовать его функциональному назначению и требованиям конкретного технологического процесса;

структурная схема ПР, его компоновка должны обеспечивать минимальный объем манипуляционных действий, необходимых для обслуживания конкретной модели основного технологического оборудования или для выполнения определенной технологической операции;

число степеней подвижности ПР не должно превышать минимально необходимое для выполнения требуемых манипуляционных действий, а технические показатели СПУ должны максимально (но без избыточности) соответствовать требованиям конкретных технологических задач (принцип минимизации конструктивного решения);

объем операций, выполняемых ПР, и темп их исполнения в сочетании с суммой затрат на внедрение ПР должны обеспечивать технико-экономическую эффективность применения ПР (нижняя граница целесообразности применения ПР); верхняя граница темпа работы робота устанавливается требованиями технологии и (вместе с объемом возлагаемых на него операций) экономически целесообразным техническим уровнем конструкции ПР.

Унификация и нормализация основных параметров ПР и узлов является одной из основных задач при разработке агрегатномодульных конструкций.

С переходом к агрегатному построению ПР следование какому- либо ряду грузоподъемности становится затруднительным, так как номинальная грузоподъемность ПР определяется массой его узлов и может значительно меняться при замене одного, узла другим. Кроме того, грузоподъемность зависит от значений 66

ходов, типа выбранного привода. Необходимо учитывать также возможности применения конструкций с исключением отдельных движений и установки узлов в разных положениях, что также оказывает влияние на грузоподъемность.

Таким образом, номинальная грузоподъемность, характеризующая гамму, может относиться лишь к ее наиболее характерным модификациям или базовым моделям. Эта величина, принятая за основу, служит исходной для задания энергетических показателей приводных узлов гаммы.

Энергетические показатели агрегатных узлов и кинематических модулей, такие как развиваемая мощность, сила или крутящий момент, устанавливаются при разработке параметрических рядов агрегатных систем.

Скорости и перемещения исполнительных органов агрегатных узлов и кинематических модулей в настоящее время регламентируются в пределах отдельных агрегатных гамм, построенных, как правило, на основе какой-либо базовой модели ПР. Трудности, возникающие при решении этой задачи, связаны с разнообразием компоновок ПР и изменениями динамических показателей конструкции при различных комбинациях стыкуемых модулей.

Проведенный анализ значений перемещений узлов существующих конструкций агрегатных ПР показывает, что они стремятся к геометрическим рядам и, как правило, кратны 50 и 100.

Выбор конструкции и размеров стыковочных элементов узлов и их нормализация являются основой для агрегатного построения ПР.

В существующих конструкциях агрегатных ПР применяются два вида соединений узлов — клеммное и на винтах. Клеммы, надетые на цилиндрические скалки, используют в основном в легких манипуляторах. Они позволяют достаточно просто регулировать линейное и угловое взаимное расположение узлов. При соединении винтами на узлах предусматривают базовые плоскости и крепежные отверстия. В ответственных случаях, когда предъявляются высокие требования к точности, используют базирующие отверстия. В узлах упрощенных манипуляторов выполняется несколько стыковочных элементов, позволяющих устанавливать узлы в различных положениях. Перезакрепление данных узлов позволяет изменять форму и расположение рабочей зоны манипулятора.

Захватные устройства агрегатных ПР подвергают нормализации по грузоподъемности, наибольшему размеру захватываемой поверхности объекта манипулирования, по конструкции и размерам элементов (мест) крепления к манипулятору.

3*3*Системы управления, комплектующие агрегатную гамму ПР, должны быть унифицированы по внешним связям с оборудованием и механической системой ПР. Задача унификации СПУ сводится к созданию модификаций устройств управления из унифицированных функциональных блоков с комплектованием таких устройств в условиях завода-изготовителя.

3*

3*

67

Глава

3

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИВОДОВ И ПЕРЕДАТОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПР

Основы расчета гидравлических и электрогидравлических приводов

Гидравлические и электрогидравлические приводы находят применение в подъемно-транспортных ПР грузоподъемностью 10 кг и выше с цикловой, позиционной и контурной СПУ. В технологических ПР гидроприводы и электрогидравлические приводы применяют при меньшей грузоподъемности. Например, окрасочный ПР «Колер» грузоподъемностью 3 кг снабжен гидроприводом.

В [3, 22, 52, 54] подробно рассмотрены различные типы отечественных гидроприводов. В настоящее время наиболее широко применяются электрогидравлические следящие приводы следующих типов: ПЭГС с линейными гидроцилиндрами; СП с поворотными гидродвигателями; Э32Г18-2 дискретные вращательного движения; Г28-2 линейные дискретные.

В гидроприводах ПР с цикловыми СПУ в качестве исполнительных двигателей используют линейные гидроцилиндры ЦРГ с поступательным движением штока, поворотные гидродвигатели ДПГ с ограниченным углом поворота выходного вала, гидромоторы Г15-2Н.

Т ехн ическая характеристика гидродвигателей ПР

Диаметр поршня, ммДиаметр штока, мм Максимальный угол поворота, °. . . . Максимальная скорость, м/с Максимальное давление, МПа Номинальное давление, МПа Рабочий объем, см3 Частота вращения, мин-1 Максимальный крутящий момент, Н-м Номинальный крутящий момент, Н-м Масса, кг Диаметр поршня, ммДиаметр штока, мм Максимальный угол поворота, °. . . . Максимальная скорость, м/с Максимальное давление, МПа Номинальное давление, МПа Рабочий объем, см3 Частота вращения, мин-1 Максимальный крутящий момент, Н-м Номинальный крутящий момент, Н-м Масса, кг Гидро- Гидромоторы Поворотные цилиндры типагидротипа ЦРГ Г15-2Н двигателиДПГ40,50,60——28,32,40——250... 800——1,5——1612,5—__16—10 ... 160——1,2... 400——19 ... 270-,-——160 ... 6300—4,5 ... 403,5 ... 100Гидро- Гидромоторы Поворотные цилиндры типагидротипа ЦРГ Г15-2Н двигателиДПГ40,50,60——28,32,40——250... 800——1,5——1612,5—__16—10 ... 160——1,2... 400——19 ... 270-,-——160 ... 6300—4,5 ... 403,5 ... 100

Диаметр поршня, мм

Диаметр штока, мм

Максимальный угол поворота, °. . . . Максимальная скорость, м/с Максимальное давление, МПа Номинальное давление, МПа Рабочий объем, см3 Частота вращения, мин-1 Максимальный крутящий момент, Н-м Номинальный крутящий момент, Н-м Масса, кг

Диаметр поршня, мм

Диаметр штока, мм

Максимальный угол поворота, °. . . . Максимальная скорость, м/с Максимальное давление, МПа Номинальное давление, МПа Рабочий объем, см3 Частота вращения, мин-1 Максимальный крутящий момент, Н-м Номинальный крутящий момент, Н-м Масса, кг

Гидро- Гидромоторы Поворотные цилиндры типагидро

типа ЦРГ Г15-2Н двигатели

ДПГ

40,50,60——

28,32,40——

250... 800——

1,5——

1612,5—

__16

—10 ... 160—

—1,2... 400—

—19 ... 270-,-

——160 ... 6300

—4,5 ... 403,5 ... 100

Гидро- Гидромоторы Поворотные цилиндры типагидро

типа ЦРГ Г15-2Н двигатели

ДПГ

40,50,60——

28,32,40——

250... 800——

1,5——

1612,5—

__16

—10 ... 160—

—1,2... 400—

—19 ... 270-,-

——160 ... 6300

—4,5 ... 403,5 ... 100

Техническая характеристика комплектных электроприводов

ЛинейныеВращатель- Поворотные

типаиые типа типа СП

ПЭГСГ28-2Э32Г18-2

Погрешность позициониро

вания, мм±0,6... 1,5±0,1

Ход, мм 500 ... 1000 220 ...’710——

Максимальный угол поворота, ° —__270

Рабочий объем, см3 на один

оборот ——20... 160—

Максимальная частота вра

щения, мин"1 —_Ю00 ... 2000—

Максимальный крутящий

момент, Н-м ——11 ... 92

Номинальный крутящий

момент, Н-м ——_500... 6300

Максимальное давление, МПа 12,5... 1626,36,3—

Номинальное давление, МПа ——_6,3 ... 16

Масса, кг ——15,5 ... 57 56 ... 133

Тип управляющего устрой

ства ЭМПШД или ШД или ЭМП

ДП ДП

Примечание. ЭМП — электромагнитный преобразователь; ШД — шаговый двигатель; ДП — электродвигатель постоянного тока.

В гидроцилиндрах ЦРГ и поворотных гидродвигателях ДПГ предусмотрено регулирование режимов торможения в конце рабочего хода. Применяемая рабочая жидкость — минеральные масла вязкостью 12—250 мма/с со степенью очистки не грубее 14-го класса. Рабочие температуры 0 ... + 60 °C, тонкость очистки обычно 15 мкм.

Скорости перемещений исполнительных гидродвигателей регулируются дросселями. Для запирания полостей при выключении гидропривода применяют гидрозамки клапанного типа или блокирующие золотники с электро- или гидроуправлением.

Электроприводы ПЭГС и СП комплектуются электрогидравли- ческими усилителями УЭТ-8 или УЭТ-85 и встроенными датчиками обратной связи по положению. Рабочая жидкость — минеральные масла вязкостью не более 40 мма/с при температуре 10 ... 60 °C, тонкость фильтрации 10 мкм.

Дискретные электрогидроприводы работают по разомкнутой схеме, вследствие чего возникает возможность потери информации о положении выходного звена. Это вызывает необходимость применения дополнительных датчиков положения, например типа ПГШ. Линейные электрогидроприводы Г28-2 обычно комплектуются датчиками положения штока цилиндра. Электрогидроприводы Э32Г18-2 применяются при необходимости осуществления значительных (2 м и более) перемещений исполнительных органов (захватных устройств) в сочетании с винтовыми или реечными механическими передачами.

Все гидроприводы оснащаются распределительной и контроль- но-регулирующей аппаратурой, в основном малогабаритной, с условным диаметром до 6 мм.

Подача рабочего тела в гидросистемах осуществляется насосными установками как с непрерывным, так и со ступенчатым изменением подачи. Для компенсации влияния значительных изменений расходов и давлений рабочего тела применяются пневмогидроаккумуляторы поршневого типа и с эластичным разделителем.

Проектирование гидросистемы ПР с цикловой СП У. В гидросистемах ПР с цикловой СПУ применяют релейные гидроприводы, снабженные золотниковыми распределителями для подачи потока жидкости в необходимом направлении. Скорость движения исполнительных двигателей регулируется с помощью дросселей, управляемых как в ручном, так и в автоматическом режимах работы от управляющего устройства. В ПР с цикловыми СПУ позиционирование обеспечивается упорами с одновременным переключением на режим торможения посредством гидродемпфера.

Последовательность проектирования [541:

Определение начальных значений параметров гидросистемы для заданных выходных параметров ПР (по каждой степени подвижности): максимальной скорости, максимальной нагрузки.

Расчет необходимого рабочего давления р в гидросистеме по заданным параметрам привода и конструктивно принятом значении полезной площади Q:

Р ~ fmax (Almax)/^,

где fmax — нагрузка для гидроцилиндра, Н; Л4тах — момент для гидромотора, Н-м.

Выбор длины гидроцилиндра / с учетом, что отношение UD <_ 18 ... 20, где D — диаметр цилиндра. Увеличение отношения UD способствует возникновению вибраций и автоколебаний. В случае необходимости реализации UD ^ 20 (при возвратно- поступательных движениях) применяют гидромотор совместно с винтовой или реечной передачей. При использовании гидромоторов

Р = (2л/^) Л4щах1

где q — удельная производительность гидромотора; для неполноповоротных двигателей

р = 8Af тах/ \гЬ ф4 — d2) 1, где z — число пластин; b — ширина пластины; d — диаметр вала, несущего пластину; D — внутренний диаметр цилиндра двигателя.

Если значения максимальной скорости исполнительного двигателя заданы, потребные расходы жидкости определяют по следующим формулам:

для гидроцилиндра Q = umaxQ;

для гидромотора Q = (1/р) Mmax<omax;

для неполноповоротного двигателя Q = (х/8) <отахй (D2 — d2).

Для ПР с совмещенными движениями требуемый расход в гидросистеме определится суммой расходов совмещенных степеней подвижности.

Выбор по каталогам распределительной и контрольной аппаратуры и трубопроводов по найденным значениям давлений и расхода рабочей жидкости. Как известно, внутренний диаметр трубопроводов определяется допустимой скоростью течения жидкости. Так, для трубопроводов высокого давления (более 20,0 МПа) допускаемая скорость 5 ... 6 м/с, при давлении не более 10,0 МПа — 2,5 ... 3 м/с.

Проектирование гидросистемы. Насосную станцию либо выбирают, либо проектируют. Требуемая ее мощность NH = = PhQh-

Значения рн и QH выбирают с запасом на 25 % и выше по отношению к требуемым значениям давления р и расхода Q гидросистемы ПР, что позволяет предварительно учесть влияние сил инерции и возможных утечек для гидросистемы.

Для проектируемой насосной станции выбор насоса играет определяющую роль. Для насосов с мощностью NnoT < 3 ... 7 кВт целесообразно использовать лопастные (шиберные) насосы одинарного или сдвоенного действия, типоразмерный ряд которых составит 5 ... 200 л/мин.

Основное влияние на выбор типа насоса оказывает способ регулирования скорости. Более подробные указания по проектированию насосных станций с холодильными устройствами изложены в [49].

При проектировании гидросистемы ПР следует также предусмотреть устройства выпуска воздуха, предохранить трубопроводы, особенно длинные, от вибрации, обеспечить высокую ремонтопригодность, включая легкость монтажа, возможность замены трубопроводов, вентиляторов и радиаторов, используемых для охлаждения рабочей жидкости уплотнений.

Исследование (расчет) переходных процессов в гидросистеме для уточнения выбранных параметров приводной части. В результате этого исследования (расчета) определяются время перемещения исполнительного двигателя, т. е. быстродействие ПР, а также вероятность возникновения и параметры гидроудара при подаче потока жидкости в полость гидродвигателя в момент переключения распределительных золотников. Подробно расчет приведен в [521.

Проектирование гидросистемы ПР с позиционной и контурной СПУ. В этих гидросистемах используется или следящий электрогидравлический привод, или гидропривод с шаговым электродвигателем. В отечественных ПР, например УМ-1 [31, применяются однокоординатные следящие приводы, каждый

из которых перемещает манипулятор по одной из степеней подвижности. Управление скоростью перемещения гидродвигателя осуществляется по дроссельному, объемному или объемно-дроссельным методам. В последнем случае объемы жидкости, которая поступает в исполнительные гидродвигатели, изменяются за счет дросселирования в рабочих щелях гидроусилителя, а рабочий объем насоса автоматически регулируется в зависимости от давления.

Последовательность проектирования:

Определение давления р и расхода рабочей жидкости Q привода на основании предварительных статических расчетов, аналогичных расчету гидропривода ПР с цикловой СПУ.

Определение (предварительное) конструктивных параметров гидродвигателей и трубопроводов.

Выбор распределительного элемента — дросселирующего золотникового распределителя (электрогидроусилителя).

Выбор датчиков обратной связи.

В следящих гидроприводах ПР погрешности датчиков обратной связи не должны быть больше 20 ... 30 % допустимой статической ошибки следящей системы.

Построение статических Характеристик привода: нагрузочной, представляющей собой зависимость скорости от нагрузки (например, зависимость расхода жидкости через щель дросселирующего золотника от изменения давления на выходе), и регулировочной, т. е. зависимости скорости от регулирующей величины или зависимость мощности и КПД от условий работы.

Определение передаточной функции привода.

Исследование динамических характеристик привода (точности, быстродействия).

Анализ устойчивости привода (определение запаса устойчивости, выбор корректирующих устройств).

Исследование качества переходных процессов.

Расчет электрогидравлических усилителей типа РДЭ

Основная трудность при создании электрогидравлических следящих приводов для ПР заключается в разработке и освоении промышленностью серийного производства электрогидравлических усилителей — устройств, преобразующих маломощный электрический сигнал управления в энергию потока рабочёй жидкости большой мощности, поступающего в гидравлический исполнительный механизм.

Отличительными особенностями электрогидравлических усилителей РДЭ для ПР являются:

отсутствие в электромеханическом преобразователе постоянных магнитов;

дифференциальная схема включения обмоток управления;

Рис. 3.2. Схема, поясняющая принцип действия РДЭ

нейтральное положение РДЭ может быть выставлено в пределах ±200 % максимального хода распределительного золотника;

наличие жесткой неединичной отрицательной обратной связи по положению распределительного золотника;.

высокая (92 %) степень унификации типоразмерного ряда до 100 л/мин.

Принцип действия РДЭ. Конструкцию и принцип действия РДЭ поясняют рис. 3.1, 3.2. РДЭ работает следующим образом. Рабочая жидкость подводится к каналу 17, часть ее проходит через диафрагмы 2 или 7 и сопла 15 и 16 на слив в канал 14, часть — в один из каналов 3 или 6 к исполнительному механизму. При отсутствии электрического сигнала на катушках 10 или 11 электромеханического преобразователя (ЭМП) 9 гидравлические сопротивления правой и левой частей управляющего каскада равны, распределительный золотник 8 находится в нейтральном положении и расход жидкости в каналах 3 или 6 отсутствует.

При подаче управляющего сигнала на катушки 10 и И якорь 12 сместит заслонку 13 относительно рабочих торцов сопл 15 и 16 в срответствующую сторону на расстояние h'u, изменяя гидравли-

веские сопротивления в управляющем каскаде. Давление в одной из рабочих камер 4 или 5 увеличится, в другой — уменьшится, и распределительный золотник 8 под действием перепада давлений начнет перемещаться в сторону камеры с меньшим давлением. Одновременно с этим зазор между заслонкой 13 и соплом, соединенным с камерой меньшего давления, будет уменьшаться. Зазор между заслонкой и соплом, соединенным с камерой большего давления, будет увеличиваться, а разность давлений в торцовых камерах 4 или 5 уменьшаться. Распределительный золотник 8 переместится в расточке корпуса / на расстояние х3, зависящее от хода заслонки /iy, угла ух наклона плоскостей заслонки к оси золотника и от угла у2 между плоскостями заслонки и направлением ее перемещения, т. е.

х3 = h'y sin y2/sin уь (3.1)

Выражение (3.1) выведено на основе рассмотрения соотношений для треугольников АОВ и АОС на рис. 3.2. Путем решения (3.1) были установлены следующие соотношения:

Ya

0

Yi

л/2

Yi + «/2

^3

0

hy

hy/sin yi

h'y ctg У!

Перемещение распределительного золотника 8 (см. рис. 3.1) на величину х3 приведет к открытию круглых рабочих окон каналов 3 и 6 и расходу через них [28]

Q = пр3Яа р -у Дрок [-j^- arccos (1 - -^-)/ —

— (1^~) sin arccos (^^) ] ’

где п — число круглых рабочих окон; р3 — коэффициент расхода золотника; R — радиус рабочего окна; р — плотность рабочей жидкости; Дрок — перепад давлений на рабочих окнах.

При предварительных расчетах можно пользоваться следующей упрощенной формулой:

Q = пизУ^ Др<ж \rY x^RA--^ —

(3.2)(3.2)— (R — х3) V2x3R - х2з ] .

(3.2)

(3.2)

Жидкость под давлением из канала 17 поступит в один из каналов 3 или 6, а из другого — на слив, в канал 14. Для защиты заслонки 13 от реакции струи рабочей жидкости и удержания золотника от поворота установлен кожух 18.

Подставив в уравнение (3.2) значения ха из соотношения (3.1), получим в общем виде связь расхода через РДЭ с перемещением заслонки:

Q - «и, V А д,„ [й у^; ^ (2Й + 4 ^ ) -

-(й-^-^^Т/эд-^Ьй-М;-^?]. <з.з)

(* sin ух / г у sm Ух( у sin ух /v '

Расчет магнитной системы ЭМП. Магнитная система ЭМП представляет собой Ш-образный электромагнит с обмотками на крайних сердечниках и якорь, центрируемый плоскими пружинами и перемещающийся вдоль магнитных силовых линий (рис. 3.3, а). Для обеспечения линейного режима работы ЭМП необходимо включение его обмоток по дифференциальной схеме и наличие предвключенного электромагнитного усилителя с балансным выходом.

Электромагнитная сила, приложенная к якорю, описывается формулой Максвелла (рис. 3.3, б)

рэ = (Ф? - Ф2)/(2р05с),

где Фу — магнитный поток, создаваемый 1-й обмоткой; Ф2— магнитный поток, создаваемый 2-й обмоткой; р0 — коэффициент магнитной проницаемости; So — площадь сечения магнитного потока.

Максимальная сила при среднем положении якоря [10]

Fs0 = 20oPoSc/[6o (1 + 2р)],(3.4)

где 90 — намагничивающая сила обмотки управления; 60 — рабочий зазор при нейтральном положении якоря; 0 = R'/Ro — относительная величина; R' — магнитное сопротивление нерабочего зазора 62; Ro — магнитное сопротивление рабочего зазора при среднем положении якоря.

Если считать известной максимальную силу ЭМП, определяемую значением преодолеваемой нагрузки, то можно определить

Рис. 3.3. Конструктивная и принципиальная схемы ЭМПРис. 3.3. Конструктивная и принципиальная схемы ЭМПконструктивные параметры магнитопровода 5П, якоря 5Я, обмоток управления w, dnp, Нок, рабочие зазоры бх.

Рис. 3.3. Конструктивная и принципиальная схемы ЭМП

Рис. 3.3. Конструктивная и принципиальная схемы ЭМП

Из конструктивных соображений выбираем

Sc = Sn = SH = ab, (3.5)

где Sn — площадь сечения полюса; 5Я — площадь се-

Рис. 3.4. Конструкция и параметры катушки управления РДЭРис. 3.4. Конструкция и параметры катушки управления РДЭчения якоря; а, b— длина и ширина полюса (якоря). Исходя из конструктивной схемы на рис. 3.3, а и задаваясь магнитной индукцией Вь в рабочем зазоре 6Х, найдем удельное число ампер-витков на единицу длины магнитопровода aw& = 0,8Ва.

Рис. 3.4. Конструкция и параметры катушки управления РДЭ

Рис. 3.4. Конструкция и параметры катушки управления РДЭ

Необходимое число ампер-витков для создания магнитной индукции Вь в рабочем зазоре бх выразится соотношением

Лчуа = awblb.(3.6)

Так как сечение якоря и магнитопровода везде одно и то же, можно найти необходимое количество ампер-витков Aw для создания магнитной индукции в теле магнитопровода и якоря.

По кривой намагничивания находим удельное число ампервитков для создания индукции в магнитопроводе aw = Awil, где /— длина средней линии магнитопровода.

Суммируя число ампер-витков на всех участках магнитопровода, определяем магнитодвижущую силу, необходимую для создания требуемой магнитной индукции.

Расчет параметров катушки управления. Правильно рассчитанная катушка должна обеспечивать магнитодвижущую силу Aw, необходимую для создания максимального момента на управляющем элементе. При выбранных размерах магнитопровода расчет катушки сводится к определению диаметра dnp намоточного провода, сопротивления 7?™ и числа витков w [101.

Катушка управления РДЭ представляет собой прямоугольной формы каркас из пресс-материала с обмоткой из тонкого медного провода с удельным сопротивлением р = 0,0175 Ом-мма/м (рис. 3.4).

Площадь сечения окна намотки

^ок = H0KL0K,

где Нок, L0K — ширина и длина окна соответственно.

Для прямоугольной катушки

НОк = 0,5 (Лк — ак) = 0,5 (Вк — 5К), где Лк, ак, Вк, Ьк — параметры каркаса.

Длина среднего витка обмотки Zcp = 2 (ак + 6К) + яНок- Число витков

(3-7)(3-7)чу — 80к(<1из.

(3-7)

(3-7)

Здесь dH3 — диаметр провода с изоляцией; d„3 = kidnp, где £х = = 1,1 ... 1,6 — для рядовой намотки; dnp — диаметр медной жилы. Сопротивление обмотки

Rnp = [лс!пр/4] 1 pUpW.

Магнитодвижущая сила обмотки

iw = (и/₽Пр) w,(3.8)

где i —сила тока в обмотке; и — напряжение на выводах обмотки. Подставив в уравнение (3.8) значение сопротивления /?пр, получим

iw = undnp/(4p/cp).

Диаметр намоточного провода

4Р= ]/-^-i^cp-(3-9)

При условии полного заполнения окна обмотки

аПр = №/(8^м(зло)

По значению dnp из таблиц обмоточных проводов находим ближайший диаметр d„3- и уточняем число витков w согласно уравнению (3.7). По уточненным значениям w определим /?пр.

Проверку выбранного провода на допустимую плотность тока проводят по формуле

/ = (4/Jl) (imax/^np),(3-11)

где j — плотность тока; imax — максимальная сила тока в обмотке. Найденная плотность тока не должна превышать значений, ориентировочно определяемых режимом работы ЭМП. При импульсном режиме / < (8 ... 12) 10е А/ма.

Затем проводят проверку обмоток по предельно допустимому нагреву. Допустимый нагрев обмоток определяется теплостойкостью изоляции. Предельная температура нагрева проводов при эмалевой изоляции составляет 378 ... 388 К.

Установившаяся температура обмотки определяется, с одной стороны, количеством выделяемой в обмотке теплоты, т. е. потребляемой ею энергией, а с другой стороны, отдачей теплоты окружающей среде, т. е. коэффициентом теплоотдачи опр и поверхностью охлаждения. При этом

опр > (8 ... 14) IO"4 м2/Вт.(3.12)

Из условия (3.12) определяется максимальная допустимая мощность Рм, потребляемая обмоткой:

Рм = 8п.о/оПр,(3.13)

где 5П. о — площадь поверхности охлаждения.

С другой стороны, Рм = imaxRnp. Из уравнений (3.12) и (3.13) можно определить площадь охлаждения на 1 Вт поглощаемой обмоткой энергии и сравнить с допустимым значением опр, найденным из уравнения (3.11):

■® — Sn. o/^imaxRnp) ^ Опр-(3.14)

Рис. 3.5. Расчетная схема управляющего каскада РДЭРис. 3.5. Расчетная схема управляющего каскада РДЭРис. 3.6. Расчетная схема золотниковой пары РК

Рис. 3.5. Расчетная схема управляющего каскада РДЭ

Рис. 3.5. Расчетная схема управляющего каскада РДЭ

Индуктивность обмотки

L = 10,lty2D(D/p)" 10—9,

где D = 0,5 (d! + d2); dt = (2/л) (ак + b^; d2 = (2/л) (Лк + Вку р = 2 (Яок + ^ок); при р < D < Зр п = 0,5; при D < р п = = 0,667.

После подстановки значений D и р получим значение индуктивности обмотки, выраженной через ее конструктивные параметры и обмоточные данные:

L = 10, lw2 (ак + Ьк + Лк + Вк) ГЮЛ (3.15)

Индуктивность обмоток управления со стальным сердечником, имеющим воздушные зазоры,

Lc = ау2/(^ст + КвУ

где RCT — магнитное сопротивление сердечника и якоря; RB — магнитное сопротивление воздушного зазора.

Расчет параметров управляющего каскада. Расчетная схема показана на рис. 3.5. Исходя из условия непрерывности потока рабочей жидкости в каналах управляющего каскада для нейтрального положения заслонки, можно записать

Рдр/др = РсЛ^с^ъ(3.16)

где р,др — коэффициент расхода постоянного дросселя, рдр = = 0,75 ... 0,80; /др— площадь поперечного сечения постоянного дросселя; рс — коэффициент расхода сопла, рс = 0,65 ..'. 0,7; dc — диаметр сопла: h0 — расстояние между соплом и заслонкой в нейтральном положении, hQ = 0,07.

Из соотношения (3.16) можно определить диаметр постоянного дросселя

dHP = 0,53dc VНс/Ндр •(3.17)

Расход через два сопла в нейтральном положении распределительного золотника

Q2c = 2pcndc/io V (2/р) Лрс,(3.18)

где Дре — перепад давления на соплах.

Расчет параметров распределительного каскада. Расчетная схема показана на рис. 3.6. Расчет ведется исходя из требуемого расхода Qmax и с учетом рекомендуемых значений идоп и идоп — допустимых скоростей течения жидкости в каналах и на рабочих кромках распределительного золотника РДЭ [581. При этом вследствие малой протяженности каналов в корпусе РДЭ (/к <

2d0K) можно принять

^доп " Удоп *^ 30 м/с.(3.19)

Диаметр распределительного золотника определяют по следующей формуле [56 ]

d3 = 1,4 y Qmax/идоп ,(3-20)

где d3 — диаметр распределительного золотника.

Отсюда, учитывая условие dm = (2/3) d3, можно найти диаметр шейки золотника

dm = 0,9"/Qmax/идоп •(3-21)

Диаметр каналов рабочих окон в РДЭ

Наибольшая площадь поперечного сечения рабочего окна /max = ^тах/^^доп>(3.23)

где п — число рабочих окон.

Наибольшее значение смещения распределительного золотника, поперечное сечение рабочих окон которого имеет форму сегмента, можно определить из выражения (3.2).

Диаметр плунжеров находят из конструктивных соображений по соотношению

d„„ = 0,726dm.(3.24)

Расчет РДЭ для ПР «Универсал-60.02», проведенный по формулам и соотношениям (3.1)—(3.24), позволил получить следующие значения параметров: d3 = 1,6 см; dm = 1,1 см; dnn = = 0,8 см; d0K = 0,8 см, dc = 0,1 см; dap = 0,05 см; hQ = 0,007 см; Рпр = 20 Ом; imax = 0,4 A; dnp = 0,02 см; SOK = 0,55 см2; hmax =

= 0,01 см; 60 = 0,02 см; F30 = 13,7 Н; w = 925 витков; L = = 0,025 Гн; Q2c = 3 л/мин.

Экспериментальные образцы РДЭ были подвергнуты статическим и динамическим стендовым испытаниям, которые дали удовлетворительные результаты.

Основы расчета пневмоприводов

Общие сведения о пневмоприводах. Свыше четверти общего количества ПР первых поколений выполнены с пневмоприводом (ПП), который отличается высоким быстродействием, хорошими, несмотря на относительно низкое давление сжатого воздуха в заводских сетях, массогабаритными показателями. ПП дешевле приводов других типов; он способен надежно работать в тяжелых внешних условиях, прост в обслуживании.

Основная часть привода любого типа — это двигатель. В табл. 3.1 представлены сравнительные характеристики гидравлических, пневматических и электрических двигателей.

При использовании данных табл. 3.1 следует иметь в виду, что они характеризуют работу двигателей в установившихся режимах и при номинальных нагрузках. Недогрузка или перегрузка двигателя сопровождается падением эффективности привода. Показатели эффективности могут также изменяться, если двигатель большую часть времени работает в переходных режимах.

Из недостатков ПП следует отметить, во-первых, то, что он трудно управляем вследствие сжимаемости воздуха и высо

та б л и ц а 3.1

Тип двигателя

Удельная мощность, кВт/кг

Отношение удельных мощностей *

кпд

Примечания

Гидравлический

0,6 ... 0,7 (для крупных двигателей до 3,0)

1,0

0,7 .

. 0,8

Без учета насосной станции

Пневматический

До 0,3

0,5

0,05 .

. 0,2

Без учета компрессора и трубопроводной сети

Электрический

0,015 ... 0,125

До 0,1

0,7 .

. 0,9

Лучшие показатели относятся к электродвигателям новых конструкций с использованием новых магнитных материалов

* Единица удельной мощности —■ кВт/ед. объема.

Рис. 3.7. Основные типы пневматических двигателейРис. 3.7. Основные типы пневматических двигателейких (до 1020 %) потерь

Рис. 3.7. Основные типы пневматических двигателей

Рис. 3.7. Основные типы пневматических двигателей

на трение. По указанным причинам до настоящего времени ПП использовались в основном в простых ПР, рабочие органы которых совершают повторяющиеся в заданной последовательности движения от одного жесткого упора до другого. Значения перемещаемых масс в серийных конструкциях таких ПР обычно не превышают 10 кг, хотя известны отдельные устройства большей грузоподъемности (до 30 кг).

Другим существенным недостатком ПП является высокая стоимость сжатого воздуха. Пневматическая энергия обходится в среднем в 4 ... 5 раз дороже электрической энергии, что приводит к высоким эксплуатационным расходам в тех случаях, когда используется, например, пневмоцилиндр с поршнем большого диаметра, ковременными выстоями.

совершающим движения с крат-совершающим движения с крат-Известно множество конструкций пневматических двигателей с линейным, поворотным и вращательным движением рабочего органа. Наиболее широкое распространение получили двусторонние поршневые пневматические двигатели простейшего типа с односторонним (рис. 3.7, а) и двусторонним (рис. 3.7, б) штоками. В последнем случае поршень остается в равновесии при подаче в обе полости цилиндра одинакового давления. Эксцентричным расположением штока (рис. 3.7, в) предотвращается проворачивание со штоком поршня, а следовательно, и ведомого узла. Если масса перемещаемых частей относительно невелика, то плавный останов поршня в конце хода легко обеспечивается встроенными в крышки тормозными устройствами (рис. 3.7, г). В конце хода утолщенная часть штока входит в центральный канал крышки и запирает воздух в кольцевом пространстве. Продолжая движение, поршень сжимает воздух, за счет чего создается тормозная сила. Настраивается тормозное устройство с помощью переменного дросселя, через который воздух вытекает из тормозной полости после остановки поршня. Обратный клапан необходим для.свободного пропуска воздуха из магистрали в полость при

совершающим движения с крат-

совершающим движения с крат-

Рис. 3.8. Схемы основных поворотных двигателейРис. 3.8. Схемы основных поворотных двигателейa)a)

Рис. 3.8. Схемы основных поворотных двигателей

Рис. 3.8. Схемы основных поворотных двигателей

a)

a)

обратном ходе. Односторонний пневмоцилиндр с возвратной пружиной показан на рис. 3.7, д. Возвратное усилие может быть также создано сжатым воздухом рабочего давления, действующим на уменьшенную эффективную площадь поршня (дифференциальный цилиндр, рис. 3.7, е).

В качестве двигателя с линейным перемещением рабочего органа получили широкое распространение также мембранные устройства, которые обычно имеют малый ход. Их целесообразно использовать в зажимных, прижимных, стопорных устройствах (схемы одно- и двустороннего мембранного двигателя показаны на рис. 3.7, яс, з). С помощью мембранного двигателя, показанного на рис. 3.7, и, можно переместить рабочий орган на относительно большой ход. Такой двигатель имеет специальную мембрану с глубоким гофром, который при движении поршня перекатывается по стенке цилиндра.

В качестве короткоходовых двигателей линейного перемещения могут также применяться сильфонные (рис. 3.7, к) и камерные (рис. 3.7, л) двигатели. Шланговый двигатель (рис. 3.7, л) целесообразно применять там, где требуется длинный ход, причем траектория может быть и криволинейной.

Схемы поворотных двигателей представлены на рис. 3.8. Двигатель с одной лопастью (рис. 3.8, а) — аналог двустороннего пневмоцилиндра. При его конструктивной реализации основной проблемой являются технология изготовления корпуса и уплотнения лопасти, которая имеет в сечении прямоугольник с закругленными углами. В остальных схемах, показанных на рис. 3.8, поворотное движение выходного вала обеспечивается комбинацией пневмоцилиндра и передаточного механизма, преобразующего линейное перемещение штока во вращательное движение выходного вала: зубчато-реечного (рис. 3.8, б), винтового (рис. 3.8, в), с гибким звеном (рис. 3.8, г, д).

В последнее время находят применение новые типы пневмодвигателей: со встроенным механическим усилителем и бесштоко- вые. Первый предназначен для получения больших рабочих уси- 82

Рис, 3.9. Типичная схема управления пневмоприводом с перемещением по фиксированным упорам и закон движения поршня с минимальным временемРис, 3.9. Типичная схема управления пневмоприводом с перемещением по фиксированным упорам и закон движения поршня с минимальным временем

Рис, 3.9. Типичная схема управления пневмоприводом с перемещением по фиксированным упорам и закон движения поршня с минимальным временем

Рис, 3.9. Типичная схема управления пневмоприводом с перемещением по фиксированным упорам и закон движения поршня с минимальным временем

лий (при малых размерах и малом потреблении Воздуха) на небольшом участке движения в конце рабочего хода. На остальной, большей части хода, рабочий орган двигателя развивает усилие, определяемое площадью поршня, как в обычном пневмоцилиндре (усилитель не работает). В конце хода, когда внешние ролики рычагов западают в проточку крышки, усилие от поршня на шток начинает передаваться через двойной клиновый механизм, чем достигается увеличение рабочего усилия примерно в 10 раз.

Бесштоковые пневмоцилиндры имеют две модификации. В первой поршень снабжен хвостовиком, скользящим в узкой щели гильзы. Щель уплотняется снаружи и изнутри металлическими лентами, которые пропущены сквозь прорези поршня. Внутренняя лента прижимается к гильзе давлением воздуха и магнитной силой, внешняя — только магнитной силой (она служит для предохранения от попадания в щель грязи и пыли).

В бесштоковом цилиндре другой модификации усилие от поршня передается ведомому механизму магнитными силами. Здесь поршень несет постоянный магнит, который заставляет двигаться вместе с ним каретку, скользящую по направляющим снаружи гильзы, выполненной из немагнитного материала. Использование новых магнитных материалов позволяет передавать достаточно большие силы (по некоторым данным до 500 Н).

Пневмоприводы с перемещением по фиксированным упорам. Этот тип привода получил наибольшее распространение. Типичная схема управления таким приводом показана на рис. 3.9, а. В схеме использован двухпозиционный распределитель. До его переключения рабочая полость сообщена с атмосферой, выхлопная — с магистралью. После переключения распределителя начинается наполнение первой полости и опорожнение второй. Этот процесс сохраняется до конца движения поршня.

Закон движения можно приближенно определить с помощью графиков на рис. 3.10, б, рассчитав предварительно характерный параметр [81

б = vcp/m/(Ps) ,

где пср — средняя скорость поршня, м/с; т — масса подвижных частей, кг; Р — полная сила сопротивления, приложенная к поршню, Н; s — ход поршня, м. В области I (б <: 0,25) находятся

Рис. 3.10. Законы движения поршня в зависимости от критерия б при различных давлениях в полостях:

а — Pt = Pa. Р8 = Рм* б — pt = р$ = р^, / — режимы движения, близкие к равномер-ным; // — область режимов переходного типа; /// — режимы движения, близкие к рав-ноускоренным; IV — область колебательных режимов

режимы движения, близкие к установившимся, для которых характерно асимптотическое (с небольшими колебаниями) приближение и к установившейся скорости иу. Область /// — это режимы движения, близкие к равноускоренному, область // — область переходных режимов.

Для условий работы ПР интерес представляют в первую очередь два вида движения поршня: с квазипостоянной скоростью на большей части хода; с минимальным временем, т. е. с разгоном на первой части хода и с торможением на второй части (см. рис. 3.9, б). Чтобы получить движение, близкое к равномерному, необходимо, во-первых, выбрать отношение ft/F эффективной площади канала на входе в цилиндр к эффективной площади поршня из условия реализации заданной скорости и. Во-вторых, площадь F поршня должна быть достаточно на установившуюся скорость условия имеют вид [36]:

0,150,200,25 0,300,35 О,НО ЬРис. 3.11. Зависимость параметра В от коэффициента b0,150,200,25 0,300,35 О,НО ЬРис. 3.11. Зависимость параметра В от коэффициента bбольшой, чтобы процесс выходабыл непродолжителен. Указанныебольшой, чтобы процесс выходабыл непродолжителен. Указанные(3.25)(3.25)ft/F = 5,blO-3v/Q, F>Fmin; |^min = Луи2т/(Рм5)> & < 0,5, j

0,150,200,25 0,300,35 О,НО Ь

Рис. 3.11. Зависимость параметра В от коэффициента b

0,150,200,25 0,300,35 О,НО Ь

Рис. 3.11. Зависимость параметра В от коэффициента b

большой, чтобы процесс выходабыл непродолжителен. Указанные

большой, чтобы процесс выходабыл непродолжителен. Указанные

(3.25)

(3.25)

где Q = ft/fa fa — эффективная площадь сечения выхлопного канала; Av — коэффициент, принимавший значения в диапазоне 200 ... 300; рм — давление в магистрали, Па; s — ход поршня, м.

Действительные (геометрические) площади /+ канала на входе в цилиндр и f~ — выхлопного канала определяют по соотношениям f+ = ft/уЛ и f- = /э/р*-, где р-+ и р" — коэффициенты расхода. Значения последних находят по известной структуре подводящей и выхлопной линий с использованием методики, изложенной в [8]. Для простой схемы (один распределитель и короткие трубопроводы) в качестве первого приближения можно принять

= 0,35 ... 0,4 и р" = 0,2 ... 0,25.

Безударный останов ПП в конце хода при значениях параметров, удовлетворяющих условиям (3.25), обеспечивается встроенным тормозным устройством стандартного типа (см. рис. 3.7, г). Необходимый тормозной путь хт можно ориентировочно оценить по соотношениям

хт > х^; х* = (bFTyA (1 — 6) Уот,

где FT — эффективная площадь поршня, ограничивающая тормозную полость, м2; Уот — объем тормозной полости (при положении

Рис, 3.12. Схемы торможения ПП: а — внешним тормозным устройством с тормозным золотником; б — с автоматическим образованием воздушной подушки в конце хода

поршня на упоре в крышку), м3; b — коэффициент, определяемый по графику на рис. 3.11 в функции параметра

В = 6>PsFTWpMFT - Р) Уот].

Закон движения поршня с перемещением из одной крайней позиции в другую за минимальное время (см. рис. 3.9, б) можно получить с помощью дополнительного управляющего клапана (рис. 3.12, а) — тормозного золотника (на рис. 3.12, а ограничен штриховой линией), уменьшающего сечение выхлопного канала в некоторой точке хода с координатой Хнт. Для выбора параметров ПП, воспроизводящего рассматриваемый режим и нагруженного малыми силами сопротивления (Р 0,125pm?7), что характерно для механизмов ПР с инерционной нагрузкой (например, горизонтального выдвижения руки, поворота корпуса около вертикальной оси и др.), можно пользоваться соотношениями [261:

F = Af^-, П = аА =(3.26)

где ta — заданное время движения поршня, с. Для схемы с тормозным золотником Af = 12, А, = 0,049 при Q = 3 и А. = = 0,112 при Q = 1.

Этими данными можно пользоваться, если площадь штока в цилиндре с односторонним штоком (см. рис. 3.7, а) составляет не более O,1F, начальный объем полости наполнения У» = (0,05 ... 0,25) Fs; для схемы с тормозным золотником У? = (0,05 ... 0,15) Fs, Рм = (3 ... 7) 105 Па. Значения Q для схемы с тормозным золотником определяют f; в период до срабатывания тормозного золотника.

Тормозной золотник должен переключаться в середине хода (хт = 0,5s, см. рис. 3.9, б) [8].

№

/И,

Ри-

/ . с

S, см

F,

D,

ft

fa

4+

п/п

кг

Па

СМ1

СМ

СМ1

СМ

1

25

4

100

9,4

3,5

0,040

0,012

0,41

0,23

2

2500

5-Ю6

-—■—

25

300

20,0

0,47

0,94

1,4

2,0

3

25

1

100

6,0

2,8

0,037

0,074

0,4

0,56

В табл. 3.2 приведены результаты расчетов: № 1 — по соотношениям (3.25), №2, 3 — по соотношениям (3.26), выполненных для схемы с тормозным золотником при Q = 2. Во всех случаях принято условно р+ = рг = 0,3; другие обозначения: D —диаметр поршня, определенный в результате расчета; d+ и d~ — найденные значения диаметров проходных сечений каналов питания и выхлопного соответственно.

Возможность перенастройки ПП на другие (нерасчетные) параметры оценивается также по соотношениям (3.25), (3.26) в зависимости от требований к закону движения. Из (3.25), в частности, следует, что если предполагается увеличить скорость и равномерного движения поршня, то его площадь F следует выбирать с соответствующим запасом, поскольку Fmln растет пропорционально и2. Аналогичное замечание может быть сделано и для случаев, когда требуется сохранить приблизительно постоянную скорость на всей длине хода в условиях ожидаемого увеличения массы т или уменьшения хода s.

Если реализуется закон движения, показанный на рис. 3.9, б, то согласно соотношениям (3.26), с учетом того, что площадь F поршня при перенастройке ПП не должна изменяться, получаем

msf^Ap^ = Idem или MiSi/OsiPmi) = т^з^йр^У

Так, при изменении (увеличении) массы от тх до т2, когда предыдущее условие представляется в виде pM2is2 = (m2/mj) pM\tii, приходим к выводу, что с ростом т для сохранения характера закона движения необходимо увеличить либо давление питания рм, либо время движения ts, либо обе величины одновременно. Если будет увеличено <5,то согласно (3.26) следует уменьшить ft и соответственно ft, поскольку отношение Q должно остаться неизменным.

В случае использования ПП с передаточным механизмом, например цилиндра с зубчато-реечной передачей (см. рис. 3.8, б), подлежит выбору параметр г — значение передаточного отношения. В рассматриваемом примере t = ®/u = tps/s, где <о — угловая скорость выходного вала; <ps — его угол поворота, соответствующий ходу s. Поскольку с ростом I (уменьшением диаметра зубчатого колеса) приведенная к штоку масса т = тпр возрастает пропорционально i2 (mnp = Ji2, где J — момент инерции меха-

низма, связанного с выходным валом), то ход s будет уменьшаться пропорционально I.

Таким образом, можно заключить, что для закона движения с постоянной угловой скоростью (о согласно соотношениям (3.25) с ростом i скорость поршня и уменьшится в i раз, что приведет к такому же уменьшению отношения ft/F, но одновременно пропорционально I увеличится /?mtn> т- е. ft останется неизменным. Следовательно, выбором I можно изменять только F и s. Аналогичная картина будет и во втором случае для закона движения, определяемого соотношениями (3.26), с ростом i при фиксированном ts площадь поршня F возрастет в t раз, ход уменьшится в I раз, a ft и ft останутся без изменений.

При выборе параметров ПП в общем случае, когда рабочий орган нагружен относительно большими внешними силами, следует пользоваться методами, изложенными в [8]. Там же приведены необходимые справочные кривые и графики.

При выборе параметров ПП механизмов, нагруженных силами веса, возникает проблема согласования подчас противоречивых условий для хода рабочего органа вверх и вниз по времени цикла (средней скорости), полезной нагрузке (она может быть для хода вверх и вниз различной) и другим параметрам, что затрудняет создание единой и простой методики расчета. В первом приближении можно рассматривать вначале только ход рабочего органа вверх и выбирать параметры ПП согласно [8] из условия получения требуемого закона движения (времени цикла), а время движения ПП вниз оценивать далее приближенно, исходя из предположения, что оно определяется установившейся скоростью и«2-102 (fi/F), где f; характеризует нижнюю полость ПП. В дальнейшем до окончательного выбора параметров следует выполнить проверочный расчет с использованием полной исходной системы уравнений [8].

Безударный останов при ходе вверх можно получить как при использовании тормозного золотника, так и настройкой на режим автоторможения (рис. 3.12, б). Безударное торможение при ходе вниз более надежно обеспечивает первый способ, поскольку схема с автоторможением в условиях отрицательных (способствующих движению) нагрузок работает хуже.

Задачу выбора параметров одновременно работающих ПП приближенно можно решить, сведя ее к задачам, рассмотренным выше. Для учета взаимного влияния ПП друг на друга, которое может проявиться в виде взаимных инерционных или силовых нагрузок, следует задаться более высокими значениями т или р, чем их номинальные значения, т. е. выбирать F и f? с запасом, учитывающим возможность взаимного нагружения ПП.

Многопозиционные пневмоприводы с выдвижными упорами. Существует ряд конструкций ПП, рабочий орган которых останавливается упорами в нескольких промежуточных точках хода. Схема одной из них представлена на рис. 3.13. Здесь кроме двух 88

крайних упоров имеется три выдвижных упора, управляемых в данном случае вспомогательными цилиндрами. Все упоры расположены на подвижной базе, смещение которой ограничено, причем между корпусом и базой установлены демпферы (на рис. 3.13 показаны механические демпферы). При относительно небольших подвижных массах эффективными могут оказаться простейшие пассивные пневматические демпферы. Такой демпфер представляет собой односторонний пневмоцилиндр, рабочая полость которого всегда сообщается с атмосферой через дроссель. Давление в полости при движении поршня определяется площадью проходного сечения дросселя, начальным и конечным объемами полости, а также перемещаемой массой и ее начальной скоростью. Энергоемкость пневматического демпфера может быть увеличена путем сообщения его полости через регулятор давления и обратный клапан с магистралью. В этом случае обеспечивается также автоматический возврат поршня демпфера в исходное положение под действием давления в полости. Однако чем выше начальное давление в полости демпфера, тем сильнее удар при подходе тормозной массы к штоку демпфера.

За последнее время определилась тенденция к использованию в ПП, в том числе и для ПР, пассивных гидравлических демпферов, выполняемых в виде унифицированных узлов. Универсальность гидродемпферов определяется широкими возможностями их настройки путем независимого регулирования площади начального проходного сечения перепускного дросселя, закона закрытия последнего в функции перемещения рабочего органа ПП, а также длины тормозного пути. При равных с пневмодемпфером размерах гидродемпфер обладает большей энергоемкостью. Однако в конструкцию гидродемпфера входит резервуар с запасом рабочей жидкости для компенсации неизбежных утечек через уплотнения штока. Параметры гидродемпфера выбирают исходя из условий безударного останова рабочего органа ПП, минимального времени торможения, ограничения на ускорение в период торможения и требований постоянства настройки демпфера при изменении т и других параметров.

В качестве выдвижных упоров могут служить сами рабочие органы ПП, как это имеет место в многоступенчатых (телескопических) пневмоцилиндрах. Например, на рис. 3.14 показана конструктивная схема такого ПП, состоящего из двух

Рис. 3.13. Принципиальная схема ПП с тремя выдвижными упорами, управляемыми вспомогательными цилиндрамиРис. 3.13. Принципиальная схема ПП с тремя выдвижными упорами, управляемыми вспомогательными цилиндрами

Рис. 3.13. Принципиальная схема ПП с тремя выдвижными упорами, управляемыми вспомогательными цилиндрами

Рис. 3.13. Принципиальная схема ПП с тремя выдвижными упорами, управляемыми вспомогательными цилиндрами

Рис. 3.14. Принципиальная схема ПП из двух пиевмоцилиидровРис. 3.14. Принципиальная схема ПП из двух пиевмоцилиидров

Рис. 3.14. Принципиальная схема ПП из двух пиевмоцилиидров

Рис. 3.14. Принципиальная схема ПП из двух пиевмоцилиидров

пневмоцилиндров. Один из них (левый) играет роль выдвижного упора, останавливающего рабочий орган ПП в фиксированном промежуточном положении.

В многопозиционном цифровом ПП, схема которого показана на рис. 3.15, ход поршня каждого последующего пневмоцилиндра увеличен в 2 раза по сравнению с ходом предыдущего. Это дает возможность получить 2" позиций, где п — число пневмоцилиндров с дискретностью перемещения выходного звена, определяемой длиной хода пневмоцилиндра младшего разряда, в данном случае крайнего левого. Положение поршней, показанное на схеме, соответствует случаю, когда к магистрали подключены пневмоцилиндры / и 3, а полость пневмоцилиндра 2 сообщается с атмосферой. Полость 4 постоянно связана с магистралью для создания возвращающего усилия.

Опыт использования цифровых ПП такого типа показал, что главными проблемами здесь являются большие потери на трение, переключение поршней с ударами (в принципе имеется возможность снабдить все цилиндры демпферами, но конструкция ПП получается сложной), а также возможные нарушения в отработке команд, выражающиеся в том, что в процессе движения выходное звено может кратковременно двигаться в обратную сторону.

вызывающий движение поршнявызывающий движение поршняРис. 3.15. Принципиальная схема много- позиционного цифрового ППРис. 3.15. Принципиальная схема много- позиционного цифрового ППМногопозиционные пневмоприводы, работающие без упоров. Наиболее простой конструкцией ПП, обеспечивающей останов поршня без упора в некотором числе фиксированных позиций, является конструкция так называемого ПП с проточными полостями (рис. 3.16, а). Его рабочие полости постоянно через дроссели связаны с магистралью. Они также могут быть связаны с атмосферой через один из каналов, расположенных вдоль пневмоцилиндра в местах, соответствующих заданным точкам останова. При открытии канала на поршне образуется перепад давлений, в сторону открытого канала, давления в полостях выравниваются и движение поршня прекращается, когда он перекрывает открытый канал. Точность останова поршня в таком ПП зависит от геометрии сечения канала управления,сил трения (т. е. типа и материала уплотнений), скорости поршня при подходе к заданной позиции.

вызывающий движение поршня

вызывающий движение поршня

Рис. 3.15. Принципиальная схема много- позиционного цифрового ПП

Рис. 3.15. Принципиальная схема много- позиционного цифрового ПП

Рис. 3.16. Принципиальная схема многопозицнониого ПП, работающего без упоров:

а — с проточными полостями (мостовой пневмопозициоиер); б — с повышенной устой-чивостью к автоколебаниям

Основными недостатками ПП такого типа являются относительно невысокое быстродействие и возможность возникновения автоколебаний поршня около положения равновесия. Схема, представленная на рис. 3.16, б, отличается повышенной устойчивостью и допускает поэтому более высокие скорости позиционирования. Здесь поршень имеет проточки, связанные друг с другом и с полостями через отверстия. При подходе к заданной позиции (каналу, сообщенному с атмосферой) последний перекрывается сначала крайним пояском, ширина которого несколько меньше ширины канала, что снижает интенсивность опорожнения полости управления. Перепад давлений на поршне начинает уменьшаться, и поршень тормозится. При подходе каждого следующего пояска процесс идет в том же направлении, т. е. реализуется плавное торможение выходного звена.

Останов пневмопривода в произвольной точке хода с помощью тормоза. Наиболее простым способом останова поршня в произвольной точке хода является включение в заранее определенный момент времени пневматического или электрического тормоза. В частном случае роль тормоза может выполнять сам ПП, если, например, его выхлопную полость отключить от атмосферы и подключить к магистрали. Для этого можно использовать главный распределитель, который в этом случае должен быть трехпозиционным (рис. 3.17, а), или установить вместо него два двухпозиционных распределителя. Точность останова поршня противодавлением невелика: при начальной скорости около 1 м/с (для цилиндра с поршнем диаметром 32 мм и ходом 250 мм) выбег поршня после срабатывания распределителя составляет несколько сантиметров. Точность останова при многократной отработке (повторяемость) определяется разбросом, который может достигать 10 мм.

Поскольку точность останова такого ПП зависит главным образом от скорости подхода поршня к заданной позиции, для ее

Рис. 3.17, Принципиальные схемы пневмопривода с остановкой в произвольной точке хода с помощью тормоза:Рис. 3.17, Принципиальные схемы пневмопривода с остановкой в произвольной точке хода с помощью тормоза:а — с использованием трехпозиционного главного распределителя; б — с введением двух вспомогательных двухпозицнонных распределителей с параллельным включением регулируемых дросселейа — с использованием трехпозиционного главного распределителя; б — с введением двух вспомогательных двухпозицнонных распределителей с параллельным включением регулируемых дросселей

Рис. 3.17, Принципиальные схемы пневмопривода с остановкой в произвольной точке хода с помощью тормоза:

Рис. 3.17, Принципиальные схемы пневмопривода с остановкой в произвольной точке хода с помощью тормоза:

а — с использованием трехпозиционного главного распределителя; б — с введением двух вспомогательных двухпозицнонных распределителей с параллельным включением регулируемых дросселей

а — с использованием трехпозиционного главного распределителя; б — с введением двух вспомогательных двухпозицнонных распределителей с параллельным включением регулируемых дросселей

повышения целесообразно предварительно, применив пневматический тормоз, уменьшить рабочую скорость до минимальной (ползучей), составляющей для ПП около 0,05 м/с. Система с таким тормозом (рис. 3.17, б) обеспечивает разброс точек останова в пределах 1 мм, что можно считать приемлемым для многих технологических операций.

Тот же тормоз можно использовать не только для фиксации ПП в момент останова, но и для снижения его скорости от рабочей до ползучей. Последнее достигается включением тормоза не в полную силу, причем состояние пневматической системы управления ПП в период перехода на ползучую скорость может оставаться без изменений. На окончательном этапе торможения обе полости ПП сообщаются с атмосферой или с магистралью одновременно с включением полного усилия торможения. Тормозной путь при таком способе торможения составляет 10 ... 30 мм, разброс точек останова не более 2 мм. Относительно большая длина тормозного пути явилась в данном случае следствием запаздывания в системе управления (здесь в качестве датчиков исходных команд использовались пневматические струйные конечные переключатели с последующим усилением этих сигналов пневмосхемой) и в срабатывании тормоза.

Конструктивно пневматический тормоз может быть выполнен в виде отдельного узла или встроен в поршень пневмоцилиндра.

Для примера на рис. 3.18 показан модуль выдвижения руки ПР, состоящий из пневмоцилиндра 2, управляемого распределителем 1 и связанного траверсой с направляющей гильзой 3, которая несет захватное устройство и зубчатую рейку 7. С последней

Рис. 3.18. Модуль выдвижения руки ПРРис. 3.18. Модуль выдвижения руки ПРРис. 3.19. Различные алгоритмы фуик- циоиироваиия системы с тормозом и дополнительной обратной связьюРис. 3.19. Различные алгоритмы фуик- циоиироваиия системы с тормозом и дополнительной обратной связью

Рис. 3.18. Модуль выдвижения руки ПР

Рис. 3.18. Модуль выдвижения руки ПР

Рис. 3.19. Различные алгоритмы фуик- циоиироваиия системы с тормозом и дополнительной обратной связью

Рис. 3.19. Различные алгоритмы фуик- циоиироваиия системы с тормозом и дополнительной обратной связью

находится в зацеплении зубчатое колесо, сидящее на валу электрического тормоза 4. Через дополнительную зубчатую передачу вращение от вала тормоза передается на потенциометрический датчик положения 6 и тахогенератор 5, используемый как датчик скорости. Система управления работает следующим образом. На этапе быстрого (с рабочей скоростью) подвода к заданной точке позиционирования тормоз выключен. В некоторый момент, когда ПП находится вблизи заданной точки, происходит включение тормоза, который переводит ПП на режим движения с ползучей скоростью. При приходе в заданную точку тормоз включается на полное усилие, достаточное для останова ПП. Во избежание автоколебаний систему обратной связи по положению отключают вместе с включением тормоза. Тахогенератор можно использовать также в качестве дополнительной обратной связи в основном контуре или в системе регулирования ползучей скорости.

Алгоритм функционирования системы с тормозом и дополнительной обратной связью по скорости задается уравнением линии переключения в координатах положение — скорость (т. е. на фазовой плоскости), например, в виде

х + ^и + k# — х* = О, (3.27)

где х и х* — соответственно текущая и заданная (точка позиционирования) координаты поршня; ^ и ^ — постоянные коэффициенты. На рис. 3.19 сплошной линией показана линия 1 переключения, получаемая при наличии в системе обратной связи по скорости только вида кги. Чем круче наклон этой линии, тем выше быстродействие привода, однако предельный угол наклона ограничен условиями устойчивости (линия 2 с подштриховкой). Движение привода происходит в так называемом скользящем режйме, когда изображаемая точка на фазовой плоскости (см.

Рис. 3.20. Схема клапанного сервораспределителя с электропиевматической системой управления, состоящей из трех каскадов

подробнее на рис. 3.19) попеременно попадает то по одну, то по другую сторону линии переключения 1, причем каждый переход через линию сопровождается переключением тормоза (включение-выключение или переключение с одного режима торможения на другой). '

Введение дополнительной обратной связи по квадрату скорости улучшает динамические свойства системы управления. Поскольку в этом случае линия 3 переключения имеет переменную крутизну, удается обеспечить более высокое быстродействие ПП без потери устойчивости системы.

Пневматический следящий привод. Следящий ПП наиболее удобен для использования в механизмах ПР, поскольку он обеспечивает не только останов рабочего органа в произвольной точке без упоров, но и воспроизведение заданного закона движения. Использование следящего ПП в промышленности и в робототехнике до последнего времени сдерживалось следующими причинами.

Требуемая для устойчивости работы следящего ПП достаточно развитая система управления оказывалась слишком дорогостоящей, громоздкой и ненадежной. Развитие микроэлектронной техники открыло по существу неограниченные возможности для решения этой проблемы.

Вторая причина — влияние на динамику ПП сил трения и технологических нагрузок. Это влияние может быть в определенной 94

степени нейтрализовано соответствующим выбором параметров и структуры системы управления, а также двигателя. В этих целях могут быть использованы также новые разработки в области антифрикционных материалов, уплотнительных элементов и рациональное конструирование пар трения и т. п.

Применению следящего ПП мешает также отсутствие готовых элементов привода — сервораспределителя, датчиков, блоков управления. Наконец, необходима методика для обоснованного выбора структуры и параметров следящего ПП.

Следящий пневмопривод с непрерывной системой управления. Клапанный сервораспределитель с электропневматической системой управления, состоящей из трех каскадов, показан на рис. 3.20. При изменении электрического входного сигнала меняется положение катушки / электромагнита и соответственно угол поворота рычага 2, являющегося заслонкой для сопл 3 второго каскада управления. Это приводит к изменению давления в проточной камере Л, нарушению равновесия мембранного центра 4 и его смещению в зависимости от знака рассогласования влево или вправо. В первом случае открывается левый затвор, соединяющий полость пневмоцилиндра с магистралью, во втором — мембранный центр отходит от правого затвора, соединяя полость двигателя через каналы в мембранном центре и камеру Б с атмосферой. Здесь также предусмотрена отрицательная обратная связь по давлению в полости, а с учетом двух блоков распределителя — обратная связь по перепаду давлений в рабочих полостях двигателя, которая повышает устойчивость системы управления, но может привести к появлению статической ошибки положения рабочего органа ПП при действии на него переменных внешних сил.

Как уже указывалось выше, следящий ПП без развитых обратных связей не обеспечивает удовлетворяющих практику динамических и точностных показателей. Кроме того, для реализации системы обратных связей требуются дополнительные датчики механических параметров — скорости, ускорения, давления и др. Эти датчики часто оказываются неудовлетворительными по размерам, надежности, точности и другим критериям. Однако учитывая возможности микроэлектроники, целесообразен другой подход, достаточно универсальный и основанный на хорошо разработанной теории. Здесь имеется в виду электронная модель-наблюдатель, «копирующая» поведение реального привода и дающая возможность получать сигналы точно так же, как с датчиков. При этом для работы модели достаточно минимума обратных связей. Например, установив только датчик положения, с модели можно получить сигналы скорости и ускорения или давления.

Процедура построения структуры и выбора параметров модели-наблюдателя хорошо разработана применительно к объектам, -динамика которых описывается линейными дифференциаль-

ними уравнениями [67]. В реальных условиях динамика привода чаще всего описывается нелинейными системами уравнения, однако правильно спроектированная система управления обеспечивает высокое качество режима слежения или отработки позиции рабочим органом именно за счет удержания процесса в пределах, не выходящих за допустимые границы линейных соотношений. Это позволяет пользоваться известными методами и при создании моделей-наблюдателей для следящего ПП, хотя динамика последнего описывается в общем случае существенно нелинейными соотношениями.

Высокая сжимаемость воздуха и его относительно низкое давление приводят к необходимости тщательного выбора как структуры, так и параметров ПП. Применительно к решению задачи создания позиционного ПП в основу методики расчета может быть положено качество переходных процессов ПП на этапах разгона и торможения, если считать, что основной участок пути соответствует полному открытию каналов полостей. При таком подходе для выбора основных параметров привода можно воспользоваться приведенными ранее соотношениями (3.25). Задаваясь (исходя из требований технологического процесса) установившейся скоростью о и зная массу перемещаемых приводом частей, по соотношениям (3.25) определяем площадь поршня, площадь проходных сечений каналов на входе и выходе. Тем самым обеспечивается как достижение требуемой скорости, так и быстрый выход на установившийся режим (разгон).

Для выбора структуры и параметров системы управления воспользуемся линейной моделью динамики пневмопривода, полагая, что если ПП находится вблизи заданной позиции, то в режиме торможения система управления работает как обычная линейная система. Для структурной схемы привода, показанной на рис. 3.21, а, система линеаризованных уравнений динамики может быть сведена к виду

тх Д- Лтх Д- Л2'х — А3х = Л3х3 Д- Л4РС, (3.28) где

Л1 = Кс Д cKp,tn Д- сКх\

А^скКдК^Кх^Ху, (3.29)

Л3 = сК\ л4 = сКд,

Кд — коэффициент жидкостного трения в приводе, определяемый по экспериментальным данным, Н/(м-с-1); с — «жесткость» двигателя, Н/м; Кд — коэффициент внутреннего демпфирования привода, м/(Н-с); Кх — коэффициент усиления по положению, с-1;

Рис. 3.21. Расчетная структурная схема пневмопривода

К; и К, — коэффициенты усиления по скорости и ускорению, с; х3 — задающий сигнал; Рс — сила сопротивления, Н;

Кх = -^Ка^, Ka = -^KaV

Здесь

tz 200р*Рм .,

Л~— ССстССуССд«,

ОСд; — O^cT^y^i:»

f+ — эффективная площадь сечения канала на входе при полном его открытии; 0О — степень открытия этого канала в состоянии равновесия; р0 — установившееся давление в полости двигателя в состоянии равновесия; ах, а*, а,—коэффициенты усиления в контурах обратной связи; аст — коэффициент наклона статической характеристики, м-1 (рис. 3.21, б) сервораспределителя, выражающий степень открытия канала в функции сигнала рассогласования, измеряемого в единицах перемещения; ау — коэффициент усиления усилителя. Приведенные выражения относятся к случаю, когда режим истечения в каналах двигателя надкритический.

Для выбора структуры и параметров ПП воспользуемся справочными материалами, приведенными в [431, которые получены на основе анализа типовых безразмерных характеристических уравнений. Согласно этим данным можно, задавшись видом переходного процесса при торможении ПП в зоне точки позиционирования, определить: безразмерные значения коэффициентов урав-

4 П/р Я. А. Шифрииа97

нения (3.28) Лт и Л2 (Л3 = 1), безразмерное время торможения т и безразмерное максимальное ускорение (замедление) в процессе торможения £тах- По этим величинам определяют коэффициент нормирования Кв = т/£т (имеющий размерность с""1), где tT — время торможения, и действительные значения коэффициентов уравнения (3.28) по формулам

Л1 = пгА1Кв', Л2 = тАгКв", Аз = пгКв- (3.30)

При выборе параметров ПП значения с, Кд, Кх, Ki, Ki должны быть такими, чтобы Лт Л2 и Л3, связанные с ними соотношениями (3.29), совпадали с вычисленными по формулам (3.30). При этом необходима проверка правильности выбора площади поршня F с точки" зрения реализации требуемого тормозного процесса. Она должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить требуемое в процессе торможения максимальное ускорение. Это условие описывается неравенством

\ r-max. птах тхтКв^ max

, FT = 0>35рм ,(3.31)

где хт — длина тормозного пути, определяемая рассогласованием, при котором Ро = 1, т. е. канал на входе открывают полностью. Если условие (3.31) не выполняется, то значение F необходимо увеличить (или уменьшить Кв, что равносильно увеличению времени торможения). Выбор F может быть также ограничен условием податливости ПП под воздействием статической нагрузки, т. е. его смещением от заданного положения при приложении единичной силы к поршню. Податливость определяется соотношением П= l/(2poFax).

Найденные значения параметров требуют проверки численным решением исходной нелинейной системы уравнений и при необходимости — корректирования.

Следящий пневмопривод с дискретной системой управления. Такие системы управления используют для улучшения точностных и динамических показателей следящего ПП, работающего в условиях действия силы типа кулонова трения, упрощения конструкций элементов системы управления, уменьшения мощности и числа каскадов в контурах. Это относится, в частности, и к рассматриваемой ниже системе ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Принцип действия системы ШИП следующий. В состоянии равновесия затвор распределителя совершает непрерывное возвратно-поступательное движение от одного крайнего положения до другого с одинаковым временем выстоя в каждом из них. Частота переключений такова, что давления в полостях колеблются незначительно около своих установившихся значений, а поршень или стоит на месте (перепад давления недостаточен для преодоления силы трения) или совершает небольшие коле- 98

бания, когда перепад давлений несколько превышает этот предел. При подаче сигнала управления на перемещение поршня в некоторую точку хода режим движения затвора изменяется. Если рассогласование велико, то затвор останавливается в одном из крайних положений в соответствии со знаком рассогласования, в результате чего ПП работает как обычный пневмоцилиндр и его рабочий орган движется в сторону заданной позиции. Когда рассогласование становится меньше определенного критического значения, затвор распределителя снова переходит в режим непрерывного возвратно-поступательного движения, но соотношение между длительностями выстоя в крайних положениях (так называемая скважность импульсов) меняется пропорционально рассогласованию, и в состоянии нулевого рассогласования скважность снова принимает единичное значение.

Требования к структуре и параметрам привода и системы управления в этом случае такие же, как и для ПП с непрерывной системой управления. Во-первых, должен быть обеспечен режим движения с установившейся скоростью на этапе быстрого подвода к заданной позиции. Для его реализации значения F и ft выбирают по соотношениям (3.25). Во-вторых, система управления должна быть в состоянии «захватить» и затормозить рабочий орган в пределах заданного тормозного пути. Если принять, что частота колебаний затвора распределителя достаточно велика, то в первом приближении можно пренебречь колебаниями давления в полостях и считать, что каждому значению скважности импульсов соответствует определенное постоянное установившееся давление в полости двигателя.

При таком допущении задача выбора структуры и параметров системы управления сводится к уже рассмотренной выше в разделе ПП с непрерывной системой управления. Что касается сил сухого трения, то в расчет вводятся заменяющие их силы жидкостного трения с параметрами, определяемыми методами гармонической линеаризации.

Выбор передаточных механизмов ПР

На структуру и конструктивное исполнение передаточных механизмов ПР влияют тип двигателя и вид перемещения, обеспечиваемого исполнительным звеном, а также способ их сочетания (табл. 3.4). В сочетаниях 2-В и 1-П передаточные механизмы могут вообще отсутствовать, так как ведущие элементы двигателей могут быть непосредственно связаны с исполнительным звеном, а в некоторых случаях сами выполняют его функции. Этот вариант предельный.

В некоторых случаях по соображениям компоновки, технологичности или удобства обслуживания двигатель не располагают соосно с исполнительным звеном, а для согласования осей применяют передачи, которые при необходимости могут быть использо-

Таблица 3.4

Тип двигателя

Назначение передаточных механизмов ПР прн перемещении исполнительного звена

вращательном (В)

поступательном линейном (П)

1. Двигатели поступательные линейные (гидро- и пневмоци- лиидры)

Преобразование поступательного движения во вращательное

Передача отсутствует или служит для согласования осей двигателя и исполнительного звена

2. Двигатели вращательные высокомоментные (роторные гидро- и пневмоцилиндры, гидромоторы радиальнопоршневые)

Передача отсутствует или служит для согласования осей двигателя и исполнительного звена

Преобразование вращательного движения в поступательное

3. Двигатели вращательные высокоскоростные (гидромоторы аксиально-поршневые, пневмомоторы, электродвигатели)

Для согласования скоростей и крутящих моментов двигателя и исполнительного звена при большом передаточном числе

Преобразование вращательного движения в поступательное с большими передаточными числами

ваны также для согласования скоростей и силовых характеристик двигателя и исполнительного звена. В качестве примера можно привести конструкцию механизма вертикального хода робота «Versa/гоп» [31, в котором исполнительный гидроцилиндр, хотя и расположен соосно с исполнительным звеном, но связан с ним через ускоряющую дифференциальную реечную передачу.

Сочетания 1-В и 2-П характеризуются необходимостью применения передач, преобразующих поступательное движение во вращательное и наоборот. Наиболее часто в робототехнике используют передачи для преобразования поступательного движения гидро- или пневмоцилиндров во вращательное движение исполнительных звеньев. Здесь чаще всего применяются реечные, цепные и рычажные передачи, а также передачи с помощью зубчатых ремней. Реечные передачи используются в роботах «Универсал-15.02», цепные передачи — в роботах «Versatran» и «.Unimate».

Сочетание 3-В обусловливает применение редукторов скорости с большим передаточным числом. В механизмах ПР используются зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные, а также волновые редукторы. В качестве конкретных примеров применений зубчатых и червячных редукторов и их сочетаний можно указать механизмы поворота роботов «Универсал» и РПМ-25.

Возможность получения большого передаточного числа в одной ступени волнового редуктора позволяет устанавливать двигатель соосно с исполнительным звеном, что предельно упрощает конструкцию механической системы и делает ее компактной.

Тип редуктора выбирают на основе оценки по ряду параметров, из которых наиболее важными являются мертвый ход в передаче, жесткость, КПД, свойства самоторможения или обратимости, сложность (число составляющих элементов, необходимое для получения заданного передаточного числа), габаритные размеры и масса передачи, удобство компоновки, уровень шума при работе, долговечность, технологичность изготовления и стоимость передачи.

Коротко охарактеризуем основные виды редукторов, применяемых в ПР.

Зубчатые цилиндрические редукторы имеют хорошие показатели по КПД, жесткости, долговечности и технологичности. Высокий КПД передачи позволяет без больших потерь применять специальные методы устранения боковых зазоров, которые в зубчатых редукторах могут достигать значительных значений, что повышает устойчивость и точность работы привода. Один из методов устранения зазоров с помощью введения предварительного натяга в замкнутой передаче применен в конструкции роботов «Универсал-15.01» и РПМ-25.

Уровень шума зубчатых редукторов можно считать приемлемым при достаточно высокой (не ниже 7-й) степени точности изготовления передач, особенно входных ступеней.

К недостаткам зубчатых цилиндрических редукторов по сравнению с передачами других видов следует отнести высокую инерционность вследствие больших диаметров колес, сложность и связанные с этим значительные габаритные размеры передачи. Отметим, что наиболее компактная конструкция получается при использовании планетарных передач. К коническим зубчатым передачам можно отнести все сказанное выше, однако к недостаткам надо • добавить сложность их регулирования при сборке, а также повышенный шум при работе, поэтому прямозубые конические колеса не следует использовать во входных ступенях редуктора.

Червячные редукторы отличаются высокой жесткостью, малой инерционностью (благодаря малому диаметру червяка и большому передаточному числу), малым уровнем шума, относительно простой конструкции (передаточные числа достигают до 80 ... 100 на одну ступень), возможностью самоторможения, что важно для реализации позиционного следящего привода. К основным недостаткам червячных передач следует отнести низкий КПД, который у однозахватных передач не превышает 0,4 ... 0,5, и связанную с этим сложность устранения зазоров в силовых передачах, поэтому передачу рекомендуется применять только в первых ступенях редукторов, так как в этом случае зазоры, приве-

денные к исполнительному звену, могут оказаться незначительными.

Главные преимущества волновых редукторов — простота конструкции (вследствие возможности получения больших передаточных чисел на одну ступень), малые габаритные размеры, практическая безлюфтовость (многопарное зацепление при малых модулях зубьев), высокий КПД, не ниже 0,8. Эти преимущества обусловливают достаточно широкое распространение волновых редукторов. Относительными недостатками этих передач являются пониженная жесткость, а также сложность изготовления и обеспечения приемлемой долговечности.

Сочетание 3-П (см. табл. 3.4) в ПР обычно осуществляется с помощью передач двух типов: зубчатой передачи колесо—рейка в сочетании с каким-либо из редукторов, рассмотренных выше, и винтовых передач.

В качестве примеров передач первого типа можно привести сочетание цилиндрического зубчатого редуктора с реечной передачей, сочетание конического редуктора с реечной передачей, червячного редуктора с реечной передачей и червячно-цилиндрического редуктора с реечной передачей (модуль подвижного основания робота РПМ-25).

Более простыми по числу элементов являются винтовые передачи. В ПР используют винтовые передачи скольжения, шариковинтовые передачи качения планетарного типа. Винтовые передачи скольжения по своим параметрам в целом равноценны ранее рассмотренным нами червячным передачам. Низкий КПД и трудность выбора люфта ограничивают их применение, однако в некоторых случаях привлекательным качеством является свойство самоторможения, благодаря чему эти передачи находят применение в статически неуравновешенных механизмах (например, механизм подъема ПР «Универсал-5»). В противоположность этому шариковинтовые передачи имеют высокий КПД и могут быть без- люфтовыми благодаря предварительному натягу в сдвоенных гайках, однако они не имеют свойства самоторможения. Примером применения шариковинтовой передачи является механизм поперечного сдвига робота «Универсал-15.01». К недостаткам шариковинтовых передач следует отнести более низкую жесткость и технологическую сложность обеспечения перекатывания шариков в замкнутых каналах. Поэтому частота вращения винта ограничена (обычно 1000 ... 1200 об/мин).

Указанные недостатки устранены в так называемых роликовых планетарных винтовых передачах качения, относящихся к классу несоосных винтовых передач. Такие передачи обладают повышенной жесткостью вследствие множественности точек контакта между винтом и резьбовыми роликами, не требуют значительного усложнения конструкции для организации непрерывной циркуляции тел вращения, а частоты вращения винта в них могут достигать 3000 ... 4000 мин-1. Передача используется 102

в конструкциях модулей поступательного перемещения робота РПМ-25.

Следует отметить также, что винтовые передачи различных типов находят применение не только в механизмах прямолинейного перемещения, но и в механизмах качания (сочетания 3-В, см. табл. 3.4) в тех случаях, когда угол качания невелик и не превышает л/2. При этом винт шарнирно сочленяется с качающимся рычагом исполнительного звена.

Влияние на структуру и конструкцию передаточных механизмов манипуляторов способа взаимного расположения двигателей и приводимых ими в движение исполнительных звеньев рассмотрено в [45].

Глава

4

МЕТОДЫ РАСЧЕТА

И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПР

Определение кинематических и динамических характеристик ПР .

Излагаемая методика определения кинематических и динамических характеристик ПР основана на результатах решения обратных задач о положениях. Обратная задача о положении механизмов ПР состоит в определении значений обобщенных координат их исполнительных механизмов по заданным положениям перемещаемых объектов. С решения этой задачи обычно начинается расчет исполнительного механизма ПР.

Необходимыми предпосылками применения данного метода определения кинематических и динамических характеристик является наличие данных о размещении технологического оборудования, о законах и значениях перемещений заготовок и деталей в технологическом процессе.

Определение кинематических и динамических характеристик ПР проведем на примере робота «Универсал-60.02», кинематическая схема которого представлена на рис. 4.1. Исполнительный механизм этого робота содержит пять вращательных и две поступательные кинематические пары. Общее число степеней подвижности равно семи. Рассмотрим вопросы определения основных кинематических и динамических характеристик этого робота по заданному движению объекта в технологическом процессе.

Определение относительных положений звеньев по заданному положению объекта. Со звеньями механизма свяжем декартовы системы координат следующим образом (см. рис. 4.1):

с основанием — неподвижную систему 0XYZ, направив ось X параллельно поступательному движению основания, а ось Z параллельно оси пары А;

со звеном / — систему координат AX1YlZ1, направив ось Xi так же, как ось X, а ось Zx по оси вращательной пары А;

со звеном 2 — систему координат BX1Y,Z1, направив ось Z2 так же, как ось Z^ а ось Х2 по оси вращательной пары В;

со звеном 3 — систему координат Bx,Ytz,, направив ось Х3 так же, как ось Х2, а ось Zs параллельно оси поступательной пары С;

со звеном 4 — систему координат DKiYtZi, направив ось Х4 по оси вращательной пары D, а ось Z4 так же, как ось Z3;

Рис. 4.1.Рис. 4.1.Кинематическая схема ПРКинематическая схема ПР< Универсал-60.02»< Универсал-60.02»

Рис. 4.1.

Рис. 4.1.

Кинематическая схема ПР

Кинематическая схема ПР

< Универсал-60.02»

< Универсал-60.02»

со звеном 5 — систему координат Ox,ysz,, направив ось Х5 так же, как ось Х4, а ось Z5 по оси вращательной пары £;

со звеном 6 — систему координат Рх,т,ги направив ось Ze так же, как ось Z5, а ось Хв по оси вращательной пары £;

со звеном 7 — систему координат Fx,y,z7. направив ось Х7 так же, как ось Хв, а ось Z, вдоль оси захватного устройства.

Относительные положения звеньев и связанных с ними осей координат определяются следующими матрицами четвертого порядка:

-10оо-

0С<р5— Зф50

0Зф5Сф50

_0001_

Мв =

-Сфв —5фв 0 0"

5фвСф600

001z6

_ 0001-

; м7 =

-1000-

0Сф7— 5ф70

05ф7Сф70

-0001_

здесь Si, ф2, Фз, S4, ф6, фв, ф7 — переменные параметры, определяющие относительное положение звеньев механизма; Z2, 1в = = DF — постоянные параметры; Сф, = со$фг; 5фг = з!пфг.

Положение объекта и связанного с ним жестко захватного устройства считаем заданным матрицей М07, элементы первых трех столбцов которой суть косинусы углов между осями системы 0XYZ и ^x,Y,z,, а элементы четвертого столбца — координаты точки F в системе 0ХУг. В данном случае определению подлежат переменные параметры фг (i = 2, 3, 4, 5, 7) и S, (/ = 1,4).

Для решения задачи используем комбинированный матричновекторный метод. Составим матричное уравнение, устанавливающее связь между обобщенными координатами механизма и элементами матрицы М07 («{,) (i, j = 1, 2, 3), определяющей положение объекта:

AfiM2Af3M4Af6AIeAl7 = Л107.(4.1)

Представим это уравнение следующим образом:

М1М2М3М4М5 = ^oz^z-1^1,(4.2)

где Л47', Л^Г1 — матрицы, обратные по отношению к матрицам М7 и Мв.

Перемножив матрицы в левой части уравнения (4.2), получим

МгМ^МзМ^ь =

Сф2 5фгС (ф3 -}- ф5)5ф25 (фз + ф5) S4 + 545ф35фг'

_ 5фгСф2С(фз + ф5) — Сф25(фз + ф5) — 545ф3Сф2

ОS (фз + фз) С (фз + ф5)54Сф3

- 0001

(4-3)

Перемножим матрицы в правой части уравнения (4.2):

~аиСфб—а12Сфз5фв+а1з,$Фз5фв осп5фв+а12Сф7Сфв—а135ф7Сф6 «21СфдО^ггСф75ф6 фа2з5ф75ф6 О:2^фв4~^22Сф7Сфв «2з5ф7Сфд а31Сфв—а32Сф75 фв 4* <Хзз5ф75фв Ызт^фв+аззСф7Сфв <Хзз5 ф7Сфв

Оо

«1г5ф7 4~ ®13^Ф? “1 ^6 (5ф1®12 4” 5ф7®1з) «225ф7 4“ ®23^ф7 ®2 ^6 (5ф7<Х22 4“ ^ф7®2з) азг5ф7 4“ аззСфв «з — ^в (5ф7аз2 4“ Сф7азз)

о о

Приравняв соответствующие элементы матриц-произведений, получим систему 12 уравнений с семью неизвестными. Эту систему связи не приводим ввиду ее громоздкости.

Для решения задачи целесообразно использовать некоторые дополнительные уравнения.

Запишем координаты точки F:

Хр = Si 4- [Ze sin (ф3 4- фв) 4- S4 sin ф351п] ф2; ’

Ур = — [/в sin (ф3 4~ фв) 4“ $4 sln Фз] cos ф2;

zp = Ze cos (фз 4-ф6) 4-S4 cos ф3.

Из последних уравнений, считая Si заданным, найдем tg Фз = — (Хр — Si)/yF.

Далее рассмотрим скалярное произведение векторов i, и i5, из которого определим cos фв, считая известным угол фз: Ч 1ъ = = cos ф6. Проекция вектора i7 («и, «2Ъ a3i} задается матрицей Mo?- В развернутом виде

цк cos ф2 4- Чу sin фг = cos ф6;

an cos ф2 4~ a2i sin ф2 = cos ф6.

Далее определим орт кв, для этого используем условие его ортогональности векторам г5 и i7:

i5ke = 0; 7Л = 0.(4.4)

В развернутом виде эти условия выражаются так:

квх cos фг 4- кву sin ф2 = 0; 1^ ^

^exaii 4~ ^вуа214~ ^eza3i = ®- J

Кроме того, используем соотношение

^6* “И ^6у Н” &6z = 1 •(4.6)

Из уравнений (4.5) и (4.6) определяем проекции орта ke.

Далее выразим координаты точки D следующим образом: Хд = Ху /6i6x;

Уо~Уе — Мвц"» 2d = ^р tg^ez-

Используя значения этих координат, найдем S4 из соотношений

(хв — Хд) -I- (Ув — Ув)2 + (zb — Zd)2 = S2.

Далее на основании теоремы косинусов найдем cos ф3 и cos ф5 / из выражений:

zi + S4+2/1S4 cos фз = (Хв — хл)2 + (Ув — уд)2 + (zD — zAf; 1

^6 + $4 + 2/6S4 COS ф5 = (Хр — Хв)2 + (ув — Ув)2 + (г? — гв^. . ^ ^

Следует отметить, что одна тригонометрическая функция угла не определяет однозначно значение угла в пределах 0 ... 2л, поэтому для окончательного нахождения углов следует использовать все уравнения связи, полученные приравниванием матриц левой и правой части уравнения (4.2).

Определение абсолютных положений звеньев манипулятора. Знание абсолютных положений звеньев манипулятора в каждый момент времени, т. е. положений его звеньев относительно неподвижной системы координат, необходимо для того, чтобы исключить их столкновение при выполнении заданных операций, а также устранить возможность задеть объекты, расположенные в рабочей зоне.

При известных обобщенных координатах механизма эта задача сводится к перемножению матриц четвертого порядка, определяющих относительное положение звеньев.

Положение звена 3 (см. рис. 4.1) определяется матрицей

Сф2

— 5ф2Сф3

$фг$Фз

$24

Л4ОЗ = МХМ„МЧ =

Зф2

Сф2Сф3

Сф25фз

0

VOXаО

0

$фз

Сф3

0

- 0

0

0

1 -

положение звена 4 — матрицей

Сф2 $ф2Сф3 5ф35фз Sx + 545ф25фз-

$фг СфзСф2 Сфг5ф3 5ф4Сф25ф3

О0Сф3^Сфз

- 0001

положение звена 5 — матрицей

^05 = ^04-^06 =

~Сф2 —Scp2C (фз+ф5) 5ф25 (ф3+ф5) Si + £4£ф2£ф3~ 5ф2 5фгС (ф3 + ф5) Сф25(фз + ф5) —54Сф25ф3

ОS (фз + ф5) С (фз + ф5)54Сф3

_ 0001

положение звена 6 — матрицей

Alog = МддМд =

-Сф2Сф6—5фгС (фз+фз) —5фвСф2—5ф6С (фз+фз) 5фг5(фз+фз) 5ф2Сф6—Сф2С (фз+фз) —5ф25ф6+Сф2С (фз+фз) 5ф25 (фз+фз)

S (фз Н” Фз) 5фв S (фз -j- фз) Сф6 С (фз -|- фз) ооо

St -f- 545ф25фз 4“ IgStPeS (фз 4“ Фз)54Сф25ф3 4” /зСфг5 (фз 4~ Фз)54Сф3 4~ ЦС (фз 4~ Фз)о

Положение звена 7 и связанного с ним объекта определяется матрицей Af0? = М06М1. Элементы этой матрицы не приводим ввиду их громоздкости.

Линейные и угловые скорости манипулятора. Определим абсолютные угловые скорости манипулятора (см. рис. 4.1) при заданных обобщенных скоростях Si, ф2, ф3, S4, ф5, Фе» ф?- Эти величины можно найти путем решения линейной системы уравнений связей, полученной дифференцированием уравнений связей. Абсолютная угловая скорость звена 2 й2 = ф26.

Угловая скорость звена 3

fig = <в2 4~ tog = Фз^ 4“ Фз^з = Фз^ 4“ Фз COS ф21 4“ Фз Sin фа!*

где tog, tog — относительные угловые скорости звеньев 2 и 3. Угловая скорость зврна 4

Й4 = Й3 = фз cos ф31 4- фз sin ф2/ 4- ф2&.

Угловая скорость звена 5

fi5 = ш2 4- ю3 4- го5; fi5 = (фз 4- фз) cos ф37 4- (фз 4- Фз) sin Фз7 + фз^-

Угловая скорость звена 6 й6 = ©g 4- ®з 4- ®8 4- ®в-

Запишем проекции вектора <в6 на неподвижные оси:

|| ю6 II = L2L3L5 Цсо® II =|| ю6 II = L2L3L5 Цсо® II =-1 о о-1 о оООООС (Фз 4" Фз) — S (фз + фз)С (Фз 4" Фз) — S (фз + фз)S (фз 4" Фз)S (фз 4" Фз)Сф25ф2_ О ]г° 'ОСф25ф2_ О ]г° 'О— Зф2 О'Сф2 О х— Зф2 О'Сф2 О хОО11С (фз + фз) J _фв_С (фз + фз) J _фв_ф65ф25 (фз + ф5)' ФвЗ (ф3 + ф5)Сф2ФбС (фз 4" фз)ф65ф25 (фз + ф5)' ФвЗ (ф3 + ф5)Сф2ФбС (фз 4" фз)

|| ю6 II = L2L3L5 Цсо® II =

|| ю6 II = L2L3L5 Цсо® II =

-1 о о

-1 о о

О

О

О

О

С (Фз 4" Фз) — S (фз + фз)

С (Фз 4" Фз) — S (фз + фз)

S (фз 4" Фз)

S (фз 4" Фз)

Сф25ф2

_ О ]г° '

О

Сф25ф2

_ О ]г° '

О

— Зф2 О'

Сф2 О х

— Зф2 О'

Сф2 О х

О

О

1

1

С (фз + фз) J _фв_

С (фз + фз) J _фв_

ф65ф25 (фз + ф5)' ФвЗ (ф3 + ф5)Сф2

ФбС (фз 4" фз)

ф65ф25 (фз + ф5)' ФвЗ (ф3 + ф5)Сф2

ФбС (фз 4" фз)

где L2, L3, L5 — матрицы поворота звеньев 2, 3, 5.

Таким образом, вектор Qe можно записать в виде

^в = 4 [(фз 4“ фз) Сф2 — фв5фг5 (фз 4* ф5)] +

+ / ((фз + Фз) 5ф2 + фвСфг5 (фз + ф5)] + ^ [ф2 4- фбС (фз + Фз)].

Угловая скорость звена 7 Q7 = Qe + (о7.

Запишем проекции вектора й7 на неподвижные оси:

|| ш7 II = L2L3L5L6 || (Оу6* j =

Ф7 [СфгСф6 — 5ф25фвС (фз -j- Фз)]-= ф7 [5ф2Сф6 Сф25фзС (фз 4~ фз)] •ф75фв5 (фз 4- ф5)

Таким образом, проекции абсолютной угловой скорости звена 7 на неподвижные оси будут:

^х — ф7Сф2Сфв - <р75ф25фвС (фз 4~ фз) 4”4- (Фз 4- Фз) Сф2 — ф65фг5 (ф3 4- фз);

(4.8)(4.8)^у= ф7Сфд5ф2 4~ Ф7Сф25ф6с (фз 4~ фз) 4-4- (Фз 4- фз) 5фг 4- ФвСфг5 (фз 4- фз);

(4.8)

(4.8)

Qz = ф75ф65 (фз 4- фз) 4" Фз 4" Ф<>с (фз 4" Фз).

Система (4.8) при заданных проекциях угловой скорости Q7 представляет собой систему трех линейных уравнений, содержащую пять неизвестных ф2, ф3, ф5, ф6, ф7.

Другие уравнения получим, рассматривая абсолютную линейную скорость.

Линейные скорости центров масс звеньев манипулятора. Линейная скорость движения захватного устройства является одним из основных проектных параметров манипулятора. Этот параметр необходим также для определения кинематической энергии звеньев манипулятора.

Линейные скорости центров масс манипулятора будем искать, считая известными обобщенные скорости механизма. 110

Предположим, что центры масс звеньев лежат на их осях. Для определения линейных скоростей центров масс звеньев используем формулу

^ = 2 йк,fc=i

где vh (k = 1, ..., t)— вектор скорости точки звена, обусловленной движением только в fc-м шарнире.

Кроме того, для определения скорости Vt удобно использовать метод приведения векторов угловых скоростей к заданной точке. Согласно этому методу линейная скорость звена равна моменту вектора mh (k = 1, ..., и) относительно выбранной точки Ch:

йк = гк X ®к = ШкГк,(4.9)

где гк — вектор, определяющий положение некоторой точки оси вращения относительно выбранной точки Ch; rh — вектор, определяющий положение точки Ск относительно точки оси вращения, очевидно, гк = — гк.

Использование формулы (4.9) позволяет исключить операцию дифференцирования координат по времени, которая часто приводит к громоздким выражениям.

С помощью (4.9) найдем скорость точки С3 — центра масс звена 3 (см. рис. 4.1):

ос, = у! + ш2ЛС3 + to3BC3 = Ui — % sin <p3l3i3 — <p3l3j3.

Скорость центра звена 4

Uct = Hi 4* m2AC4 4" ш3ВС4 4" o4,

где y4 — скорость точки C4, обусловленная движением в приводе С;

(О2.ДС4 = го3 (/1в -4" вс 4) = Mg (S4 —14) ^3,

где /4 = GJ).

Скорость центра масс звена 5 (точки С5)

иСв = Ui 4~ ю2-^6?5 4~ ^зВС^ 4- о4 4- to3DC3,

где югДС5_=_фг^г (ЛВ -V_BD 4- DG^ = <p2S4i3_sin <р3 4-фз^ sinOp84- 4" фз) 131_ю3ВС5 = со3 (BD 4" DG^ = —ф3В4/3 — фз^вЬ; ш5ОС5 = = фз^в/з-

Скорость центра масс звена 6 определяют также заменой параметра U на (/6 — /б); к = DF, U = FC6.

Скорость центра масс звена 7 (точки С7)

Оу, = Ох 4~ ю3АС7 4~ ®3ВС7 4~ о4 4" ^tPC^ 4~ ш3ЕС7 4~ to^FC,. (4.10)

Векторные произведения, входящие в последнюю формулу, раскрываются аналогично. Следует иметь в виду, что проекции скоростей орт получены при решении задачи об абсолютных положениях механизма.

Раскладывая (4.10) по осям, получим еще систему трех линейных уравнений относительно обобщенных скоростей, которая совместно с системой (4.8) дает систему шести уравнений с семью неизвестными. Решение задачи возможно при выборе одного неизвестного.

Расчет деформаций механической системы ПР

Деформация механической системы ПР складывается из деформации НМС и ИМС. Причем деформация НМС составляет 85 ...90 % суммарной деформации. Это обусловлено следующими причинами:

НМС, как правило, содержит не менее трех звеньев, имеющих большую длину и закрепленных консольно;

звенья НМС соединяются между собой за счет элементов качения с незначительной площадью контакта сопрягаемых тел, контактная деформация которых в совокупности с консольным креплением звеньев приводит к большим смещениям захватного устройства ПР при действии инерционных нагрузок;

звенья НМС (из условия работы) нельзя охватить обратными связями;

требования создания ПР с минимальными энергетическими характеристиками накладывают на НМС требования минимизации весовых характеристик и, следовательно, минимально допустимой жесткости НМС;

так как у большинства современных ПР погрешность позиционирования составляет 0,1 ... 0,5 мм при ускорениях (0,5 ... 2) g, то механические колебания, превышающие погрешность позиционирования, недопустимы или они должны быстро затухать.

Деформация ИМС зависит от типа применяемого передаточного механизма: для передаточных механизмов на базе шариковинтовых передач она составляет 3...5%, зубчатых передач 5 ... 10 %, волновых зубчатых передач и зубчато-ременных передач 10—14 %. Исключение составляют ИМС ориентирующих (кистевых) движений, у которых деформация исполнительной системы составляет 85 ...90 % общей деформации. Это связано с наличием нежестких связей приводов с ориентирующим механизмом кисти и высокой жесткостью НМС, состоящей из корпуса и опор валов кисти.

При расчете деформаций механической системы ПР необходимо в первую очередь учитывать инерционные нагрузки от перемещения масс объектов манипулирования и узлов ИМС (передаточных механизмов, кистевых механизмов и т. п.).

112 ^/<А^~/с«^4^да аа^чт.смс^^

Статической деформацией от массы перемещаемых звеньев и массы груза пренебрегают, так как ее учитывают при записи программ ПР.

Деформация от инерционных нагрузок возникает в точках движения, в которых имеются изменения ускорения, а именно в начале разгона, характеризуемого увеличением ускорения от нуля до максимального значения; в конце разгона, где ускорение уменьшается от максимального значения до нуля; в начале торможения, для которого характерно нарастание ускорения от нуля до своего отрицательного максимального значения; в конце торможения или позиционирования, когда ускорение уменьшается до нуля.

Таким образом, деформация механической системы ПР происходит под действием кинематического возбуждения, т. е. колебания вызываются не внешними силами, а возникают вследствие движения по заданному закону одной или нескольких точек системы. Задачу о кинематическом возбуждении, пользуясь принципом Даламбера, сводят к задаче о силовом возбуждении путем прикладывания инерционных сил в местах сосредоточения масс захватного устройства. Как показывают экспериментальные исследования, при расчете колебательного процесса НМС достаточно учитывать частоту основного тона, а также кинематическое возбуждение, возникающее в начале и конце торможения.

Исходными данными для расчета деформаций и колебательного процесса НМС являются: структурная схема НМС; значения и законы изменения ускорений звеньев НМС; масса переносимого груза; длина звеньев НМС; требования по времени цикла ПР и погрешности позиционирования. Эти данные определяют при проведении предпроектных работ, исходя из анализа технологических процессов.

Расчет деформаций НМС целесообразно проводить в следующей последовательности:

Определить массы исполнительного механизма (захватного устройства), механизма кисти, расстояние от центра масс исполнительного механизма до выходного фланца механизма кисти.

Выполнить приближенный расчет на жесткость НМС, учитывая инерционные нагрузки от перемещения массы исполнительного механизма и механизма кисти.

Рассчитать ориентировочную массу передаточных механизмов.

Найти массу звеньев и провести дискретизацию распределенных масс звеньев.

Выбрать длину заделок звеньев и размеры тел качения узлов соединения звеньев.

Разработать расчетную схему НМС.

Определить перемещения в трех взаимно перпендикулярных направлениях Аж, As, Az исполнительного механизма (захватного устройства) от деформации звеньев НМС под воздей-

ствием инерционных сил при условии, что узлы соединения звеньев являются абсолютно жесткими.

Найти перемещения в трех взаимно перпендикулярных направлениях Ажй, А^, Azh исполнительного механизма (захватного устройства) от контактной деформации узлов соединения звень.ев под воздействием инерционных сил при условии, что эти узлы абсолютно жесткие.

Рассчитать относительный коэффициент контактной деформации kt = Aift/A{, где i = х, у, г.

Найти собственную частоту основного тона колебаний.

Построить график (Ajfe + А,) = / (/) при движении к точке позиционирования и сравнить амплитуду колебаний при окончании движения с допускаемой деформацией или погрешностью позиционирования и оценить время движения в точке.

, , При неудовлетворительных результатах необходимо или изме- нйть жесткость элементов НМС (звеньев, узлов соединения звеньев), или закон движения, после чего расчет повторить.

Определение масс исполнительных кистевых передаточных , механизмов. Для транспортирующих ПР массу исполнительного механизма вместе с грузом определяют по формуле

/Ии " ^з^пр^гр,

где ка — коэффициент увеличения массы груза за счет захватного устройства; fenp — коэффициент увеличения массы захватного устройства, учитывающий тип его привода; тгр — масса груза.

Коэффициент ка зависит от массы груза и типа обслуживаемого оборудования, и его выбирают из табл. 4.1.

Значения &пр принимают равными: для захватного устройства с пневматическим приводом 1,32, с гидравлическим приводом 1,1, с вакуумным 1,05 и магнитным 1,15.

Таблица 4.1

Масса груза, кг

Значения коэффициентов к^ и к^ в завнсимостн от типа оборудования

станки

кузнечнопрессовое

термическое

литейное

6/

^3

*3

^3

к1

0,1

1,35

1,5

2,5

2,5

2,3

0,1 ... 0,5

1,32

1,5

1,4

2,5

1,42

2,5

1,4

2,3

0,5 ... 1

1,3

1,7

1,4

2,8

1,42

2,7

1,4

2,4

1 ... 5

1,3

1,85

1,4

3,0

1,42

2,8

1,4

2,6

5 ... 15

1,25

1,9

1,35

3,2

1,40

3,0

1,35

2,8

15 ... 40

1,2

2,0

1,30

3,5

1,35

3,2

1,30

3,0

40 ... 60

1,15

2,0

1,25

4,5

1,30

3,5

1,25

3,3

60

1,10

2,0

1,20

5,0

1,25

4,0

1,20

3,5

Средние значения масс сварочных клещей ПР для контактной сварки со встроенным трансформатором составляют 30 кг — при толщине свариваемых деталей (мм) 1 + 1; 50 кг — при толщине 2 + 2 и 80 кг — при толщине 3 + 3. Значения масс для клещей с вынесенным трансформатором принимают в 2 раза меньшими.

Ориентировочный расчет масс передаточных механизмов. Массу передаточного механизма, кг, можно рассчитать по эмпирической формуле, полученной из статистического анализа механизмов ПР:

/Ицм ~ 27fenfeCTfepfe„ }/"Л4в/250, где &п — коэффициент, учитывающий тип передачи; &ст — коэффициент, характеризующий число ступеней передаточного механизма; fep — коэффициент, учитывающий свойства материала корпуса передаточного механизма; £л — коэффициент, учитывающий тип люфтовыбирающего устройства; Мв — вращающий момент на выходном валу, Н-м.

Значения коэффициентов в формуле для тпм выбирают, пользуясь данными, полученными опытным путем.

Коэффициент кп = 1 для цилиндрической или конической зубчатой передачи; кп = 0,7 ... 0,8 для червячной передачи и ки = 0,5 ... 0,6 для волновой или циклопередачи.

Коэффициент кр имеет следующие значения: для корпуса стального сварного кр = 0,9; чугунного литого кр = 1,0; стального литого кр = 1,05; алюминиевого кр = 0,7.

Коэффициент кп = 1,2 ... 1,3 для люфтовыбирающего устрой- ства в виде дополнительной кинематической цепи и кл = 1,1 ... 1,2 для устройства автономного типа. Меньшие значения коэффициентов относятся к передаточным механизмам, имеющим модуль не более 1.

Значения коэффициента кст рассчитывают по формуле кст = = 1,25п-1, где п — число ступеней передач.

Расстояния от центра масс исполнительного механизма (захватного устройства) до выходного фланца кисти определяют из выражения l„ = ktd. где kt — коэффициент, значения которого даны в табл. 4.1; d — диаметр детали в направлении выходного фланца кисти.

Средние значения расстояний от центра масс клещей до фланца кисти зависят от их вылета /кл; для клещей со встроенным трансформатором 1И = 0,75/кл, а для клещей с вынесенным трансформатором 1И = 0,6/кл.

Расчет жесткости НМС. Приближенный расчет на жесткость НМС проводят для предварительного выбора площадей сечений звеньев и определения их масс. При этом НМС представляют в виде рамы, состоящей из невесомых стержней с жесткостями EJifli, задаваясь размерами звеньев и учитывая инерционные силы от массы исполнительного механизма и ориентирующего механизма кисти. В процессе расчета определяют дефор-

мацию НМС, приведенную к исполнительному механизму, в трех взаимно перпендикулярных направлениях Аж, Ay, Az и сравнивают ее с допускаемой. Допускаемая деформация для ПР, обслуживающих станки [АД <; (2 ... 3) &ИА; для ПР, обслуживающих прессы, [АД <. (1,1 ... 1,3) ЛиА; для ПР контактной сварки [АД = (0,8 ... 1) ЛиЛ; здесь k^ = 0,85 ... 0,95 — коэффициент, учитывающий деформацию ИМС; А — погрешность позиционирования.

Если выбранные сечения удовлетворяют этим требованиям, определяют массы звеньев mt и корпусов тк базирования звеньев:

mi = At Qi + li^ Рь Шк = (\, 2... 1,3)Л^/ро

где At — площадь поперечного сечения звена; Z, —длина звена; I't — длина заделки звена.

Расчетная схема НМС состоит из двух расчетных схем: первая схема служит для определения перемещений захватного устройства от деформации собственно звеньев; вторая — для определения перемещений захватного устройства от контактной деформации узлов соединения звеньев и неподвижных стыков.

Расчетная схема для определения деформации звеньев составляется следующим образом. Звенья ПР заменяются стержнями с сосредоточенными массами в соответствии с дискретизацией распределенных масс звеньев. Длины и взаимное положение стержней те же, что и у реальных звеньев. Места соединения стержней считаются абсолютно жесткими. Массы передаточных механизмов, приводов сосредотачиваются на стержнях в соответствии с их реальным расположением. При дискретизации распределенных масс звеньев необходимо обеспечить получение с достаточной точностью действительной собственной частоты колебаний. Для звеньев постоянного сечения хорошие результаты дает распределение половин масс звеньев по их концам [161 и представление звена в виде невесомого стержня с жесткостью ЕЗ^Ц. Звенья, у которых момент инерции сечения существенно изменяется по длине, представляют в виде невесомого стержня, состоящего из определенного числа участков с дискретной жесткостью и сосредоточением масс участка по его концам. Длину участка выбирают из условия, что момент инерции сечения изменяется не более чем в 1,5 раза от исходного сечения. Принимают, что момент инерции участка равен 0,5 (3t + Ji+1), где Jt — момент инерции i-ro сечения; 3i+1 = 1,5/{ —момент инерции (t + 1)-го сечения. При этом масса участка распределяется по концам в соотношении mt = m/3; ти1 = 2m/3, где mt —масса, помещаемая в (i + 1)-е сечение; mi+1 —масса, помещаемая в (i + 1)-е сечение.

Расчетная схема для определения контактных деформаций НМС составляется следующим образом. Звенья ПР заменяются абсолютно жесткими стержнями с сосредоточенными массами в соответствии с проведенной дискретизацией. Стыки заменяются опорами, имеющими реальную жесткость. Смещение захватного 116

Рис. 4.2. Расчетные схемы для определения смещения захватного устройства от деформации опорРис. 4.2. Расчетные схемы для определения смещения захватного устройства от деформации опор

Рис. 4.2. Расчетные схемы для определения смещения захватного устройства от деформации опор

Рис. 4.2. Расчетные схемы для определения смещения захватного устройства от деформации опор

устройства от деформации звеньев находят, пользуясь методами сопротивления материалов, приложив инерционные силы т.а^ в местах нахождения масс.

При расчете контактной деформации стыков определяют инерционные моменты, воздействующие на стык от инерционных сил:

nMjt = 2 т^ьi=lnMjt = 2 т^ьi=lп.п

n

Mjt = 2 т^ьi=l

n

Mjt = 2 т^ьi=l

Mjx = 2 ^i^ix^i, Mjy ~ £ Hl,Cliyli,i=l. 1=1

где Ц — расстояние от точки действия инерционной силы до стыка. Находят упругие углы деформации ф, стыка и смещения Ак = = фг/г захватного устройства.

Наибольшую деформацию дают подвижные стыки (направляющие опоры вращения рук и т. п.); Расчетные схемы для определения смещения Aft захватного устройства от деформации опор прямолинейно перемещающихся звеньев на катках показаны на

рис. 4.2. Как следует из этого рисунка, смещение захватного устройства

Лк= [Ла+Лв (1^ + l^VU — Аа (рис. 4.2, а);

Ак= [Ав-Аа ^ + L^U + ЛА (рис. 4.2, б);

Лк= (Лд+Лв) Ц!!^ для мостового робота (рис. 4.2, в, а);

Ак= (Лд+Лв) IJLi, А = (Аа + Ав) lJLa дляПР намоно

рельсе (рис. 4.2, д, е\

Упругие смещения Аа и Ав определяются из выражения

А< = А< —,— А; —,— А/ —|— A# ,

где А, — деформация катка и направляющей; А, — деформация колец подшипника; А7 —деформация тел качения подшипника; А,"—деформация вала.

Указанные деформации рассчитывают по методикам, изложенным в [48].

При базировании непосредственно на телах качения (роликах или шариках) выражения для определения упругих углов имеют вид

Vi = MAtKt.iJiY

где Mt — момент, действующий на опору; ^ — жесткость опоры в i-м направлении; i—шаг между телами качения; ^ — коэффициент, характеризующий число тел качения и их расположение в опоре; Jt — приведенные моменты инерции направляющих.

Значения с,, ^, Jt для опор различных конструкций приводятся в ряде работ, например в [48].

Собственную частоту основного тона колебаний НМС наиболее рационально искать методом спектральной функции Бернштейна, позволяющим найти нижний и верхний ее пределы, рассчитать точность ее определения.

Собственная частота основного тона лежит в пределах

Vв»В^у 2S, —S^

nn n

где Bi = 5j mi^H\ ^2=22 m<m/6</; mi, m, — массы в i-й i=it=i /=i

и /-й точке; 6U — перемещения в i-й точке от инерционной силы в i-м направлении; 6;> — перемещения в i-й точке от инерционных сил в /-м направлении; 6^ = 6// (1 + кцУ Ьц = 6^ (1 + киУ км = Л(/6/А(/; ки = kUklku\ Ьик — перемещение захватного устройства в i-м направлении, связанное с контактной деформацией заделки i-ro звена, от инерционной силы в i-м направлении; k£jk — то же, от инерционной силы в j-м направлении; А^, А</ — перемещения захватного устройства в i-м направлении, связанные с деформациями звеньев от сил в i-м и /-м направлениях.

Коэффициенты влияния 6» и 6^ определяют перемножением эпюр от единичных сил, приложенных в местах действия инерционных сил.

При построении графика амплитуды колебаний захватного устройства на участке начала торможения, когда ускорение увеличивается от нуля до своего максимального значения, используют следующие выражения:

при синусоидальном изменении ускорения

лст [ (0,57)2 ' /2 (0,57)2 \ cos/l рр sin' J ’

при линейном изменении ускорения

Ах = Лст[1 + (l/^sin/y,

где Дст — смещение захватного устройства при статическом приложении инерционных сил, Дст = Аг + &1к.

Колебательный процесс НМС при движении на участке с постоянным ускорением описывается уравнением свободных колебаний с затуханием

Аа = Л ст + e-n<’ [-у-sin % 4- At [cos ft2 + («//) sin/y],

где AL— ближайший знак амплитуды вынужденных колебаний; п = 0,4 ... 0,6 —декремент затухания.

Колебательный процесс на участке позиционирования, когда ускорение от максимального значения уменьшается до нуля, описывается следующими выражениями:

при синусоидальном изменении ускорения

*" 14 (0,2571-/3)8

3 ст L(0,57!)2/2(0,571)2 А

X (1 + cos /(3) 4- Д- sin //,] ;

при линейном изменении ускорения

Д3 = —ДСт (1W sin ft.

Д4 = Дз — е nt*Д4 = Дз — е nt*Колебательный' процесс в точке позиционирования определяется уравнением свободных колебаний

Д4 = Дз — е nt*

Д4 = Дз — е nt*

-у- sin fti 4* Дз cos fh 4* — sin ft^ ,

где Дз — амплитуда колебаний в конце предыдущего периода движения.

При неудовлетворительных результатах, т. е. в случае, когда после окончания движения амплитуда колебаний НМС превышает допустимую, необходимо увеличить жесткость элементов НМС, дающих наибольшие смещения захватного устройства.

Рис. 4.3. Графики, полученные при расчете НМС:Рис. 4.3. Графики, полученные при расчете НМС:/ — ускорение; 2 — деформации НМС; 3 — деформации НМС с измененными параметрами/ — ускорение; 2 — деформации НМС; 3 — деформации НМС с измененными параметрамиМетодика определения деформаций НМС была опробована в процессе проектирования и испытаний ПР РГШ-40, РПКСМ-01 и других и показала хорошие результаты. Отклонение амплитуды и собственной частоты составило в среднем 7 %.

Рис. 4.3. Графики, полученные при расчете НМС:

Рис. 4.3. Графики, полученные при расчете НМС:

/ — ускорение; 2 — деформации НМС; 3 — деформации НМС с измененными параметрами

/ — ускорение; 2 — деформации НМС; 3 — деформации НМС с измененными параметрами

График колебаний представлен на рис. 4.3. Анализ графика показывает, что колебания НМС с амплитудой, превышающей погрешность позиционирования Д, происходят в течение 0,4 с, что не удовлетворяет требованиям, так как разжим заготовки происходит через 0,2 с после окончания движения. Поэтому было принято решение об увеличении жесткости заделки второго звена, что привело к уменьшению амплитуды в 1,6 раза, а времени колебаний после окончания движений до 0,1 с.

Расчет ИМС. По сравнению с расчетом НМС он имеет ряд особенностей, что необходимо учитывать при их проектировании.

ИМС кистевых движений, передаточные механизмы и привод которых располагаются на корпусе руки или в задней части ее направляющей, передают момент ориентирующему механизму кисти через трансмиссионные валы с большой податливостью, обусловленной их большой длиной и малой площадью поперечного сечения.

В ИМС других степеней с малой жесткостью. Их особенностью является то, что они имеют устройства выбора зазоров при помощи пружинного элемента. Исходя из этого, при расчете деформаций ИМС кистевых движений используют расчетную схему, показанную на рис. 4,4.

подвижности отсутствуют элементыподвижности отсутствуют элементыРис. 4.4. Схемы для расчета трансмиссионных валов: а — эквивалентная; б — расчетнаяРис. 4.4. Схемы для расчета трансмиссионных валов: а — эквивалентная; б — расчетнаяТак как жесткости передаточного механизма и ориентирующего механизма кисти, как минимум, на порядок выше жесткости транс

подвижности отсутствуют элементы

подвижности отсутствуют элементы

Рис. 4.4. Схемы для расчета трансмиссионных валов: а — эквивалентная; б — расчетная

Рис. 4.4. Схемы для расчета трансмиссионных валов: а — эквивалентная; б — расчетная

миссионных валов, то в расчетной схеме массы вращающихся частей двигателя, передаточного механизма, ориентирующего механизма кисти приводят к трансмиссионным валам. Массу валов также суммируют с этими массами при условии обеспечения равенства кинетической энергии реальной конструкции:

Л = 2^1 + (1/3)JIB;

*ом

^2 = JОВ^НМ ~Н S JlllHU +(1/3)JTB>

где тгр — масса перемещаемого груза; /к — радиус оси качания до центра масс исполнительного механизма с грузом; iOM — передаточное отношение ориентирующего механизма кисти; JTB — массовый момент инерции трансмиссионного вала; J0B — массовый момент инерции ротора двигателя; Jt, tiHM—массовые моменты инерции t-го элемента передающего механизма и передаточное отношение от них к трансмиссионным валам.

По аналогии с расчетом НМС найдем собственную частоту колебаний t ИМС, учитывая, что жесткость привода намного больше жесткости трансмиссионного вала. Приложив инерционную нагрузку J2e, получим

/ = 2л ^ ^р (1 + ^<р)/^1> ^ф = Фко/Фво,

где I — длина трансмиссионного вала; фк — угол поворота массы Jx от контактной деформации под воздействием нагрузки ^Smax. Фв — угол поворота массы Jt от деформации трансмиссионного вала под действием нагрузки J2emax.

Колебательный процесс в начале торможения, когда ускорение возрастает от нуля до максимального значения, описывается выражением:

при синусоидальном законе изменения ускорения

Г4/(0,57 — ^) ,8.4, ,,

Ф1 = ФоФ1 = Фо(0,57)3 + f(0,57)a (l+cos%);

Ф1 = Фо

Ф1 = Фо

при линейном изменении ускорения

Ф1 = ФоФ1 = Фо1Л- sin //х1Л- sin //х

Ф1 = Фо

Ф1 = Фо

1Л- sin //х

1Л- sin //х

' г nt. ф2 = Ф1 + е' г nt. ф2 = Ф1 + еКолебательный процесс при движении с постоянным ускорением:

' г nt. ф2 = Ф1 + е

' г nt. ф2 = Ф1 + е

I sin //2 —Н ф1 ^cos ft^ —I—у sin //2

Колебательный процесс на участке уменьшения ускорения до нуля описывается выражениями:

при синусоидальном изменении ускорения

Фз = Фо 1 —Фз = Фо 1 —4/3 (0,257\ - (3)4/3 (0,257\ - (3)(О.б?!)3(О.б?!)3Р (O.STi)» ХР (O.STi)» Х

Фз = Фо 1 —

Фз = Фо 1 —

4/3 (0,257\ - (3)

4/3 (0,257\ - (3)

(О.б?!)3

(О.б?!)3

Р (O.STi)» Х

Р (O.STi)» Х

X (1+С05/(з) + ^5-51п/(з] ; .

при линейном изменении ускорения

. , ' Фз = — Фо-^ sin

Колебательный процесс на участке позиционирования

ф4 = фз — е~п<* [-у sin % + фзсоз/(4 + -у- sin %] •

В этих формулах ф0 = фй0 + Фьо! ^ — период вынужденных колебаний, равный 0,25 с; t\—время увеличения ускорения; epi — амплитуда ближайшего пика колебаний при увеличении ускорения; Тх — период уменьшения ускорения, равный 0,25(г; (2 — время уменьшения ускорения до нуля; фз — амплитуда ближайшего пика колебаний при уменьшении ускорения.

Последовательно построив кривые <рх, Фз, Фз и определив линейное смещение захватного устройства Д = ф (Z) = ZK/tOM, проводят его сравнение с допускаемым смещением [Д].

При проектировании передаточных механизмов с устройствами выбора зазора на базе пружин и торсионных валов их расчет необходимо вести на нагрузку, обеспечивающую отсутствие раскрытия стыка действия максимальной нагрузки.

При автономном выборе люфта с помощью пружин их рассчитывают на усилие

F{ = 2,5- 103MH/Dnti,

где Мн — максимальный момент нагрузки; Оп — диаметр пружины; I, — передаточное отношение от i-ro кинематического элемента до выходного звена.

При выборе люфта с помощью дополнительной кинематической цепи с торсионом его диаметр

d = y/5,5.103M„/(iT [т]),

где tT — передаточное отношение от элемента, с которым связан торсион до выходного звена механизма; [т]—допускаемое напряжение кручения [т] = 450 ... 500 МПа.

Длина торсионного вала выбирается из условия его закрутки на угол фз = 0,09, что обусловлено особенностями конструкции устройств его фиксации:

I = 10"3ф36Ур1т/( 1,1М н).

Расчет и проектирование захватных устройств

Классификация захватных устройств. Одним из основных конструктивных элементов ПР и манипуляторов, определяющих возможности их применения в том или ином производственном процессе, является захватное устройство. Требования, предъявляемые к захватным устройствам, различны и зависят от большого числа факторов, обусловленных областью использования робота или манипулятора и кругом решаемых задач. Так, для сложного сборочного робота необходимо универсальное захватное устройство, обладающее технологической гибкостью, способностью выполнять большое количество движений, позволяющее манипулировать деталями различной массы, геометрии, жесткости и т. п. Естественно стремление создать для этих целей захватное устройство, приближающееся по богатству своих возможностей к человеческой кисти, обладающей 27 степенями подвижности, наделенной способностью различать форму предмета, качество его поверхности, массу, температуру, твердость. Совершенно иные требования предъявляют к роботам с позиционной и тем более цикловой системой управления, которые служат для передачи однономенклатурных деталей с одной технологической операции на другую, и совсем нецелесообразно создавать захватное устройство сложной конструкции для погрузочных и сбалансированных манипуляторов, применяемых для механизации тяжелых ручных работ.

Условия применения захватного устройства и выполняемые им функции обусловливают ряд специфических требований к его конструкции. Захватное устройство должно удерживать объекты как с сухими, так и со смоченными поверхностями, детали твердые и мягкие, жесткие и хрупкие, простой и сложной формы, в виде тонких листов, длинных и узких валиков и т. д. Для одних роботов требуется быстросменность захватного устройства, для других применяются специальные, стационарно установленные на конце руки рабочие инструменты и приспособления.

Все это определяет многообразие конструктивных исполнений захватного устройства, зависящих также от способа удержания им объектов манипулирования (зажим изделия жесткими пальцами, использование электромагнитных сил или сил атмосферного давления при создании вакуума в чашке захватного устройства) и приводных устройств, в качестве которых могут выступать электромеханические, пневмо- или гидроприводы.

Собственно захватное устройство включает корпус, передаточный механизм, взаимодействующий с исполнительным элементом привода пальцев (если они подвижны), и пальцев, вступающих в непосредственный контакт с объектом манипулирования.

Общепринято деление захватных устройств на механические, вакуумные и магнитные. Критерий, положенный в основу этой классификации, — способ взаимодействия захватного устройства

с объектом манипулирования. Таких способов три: объект можно удерживать силами трения, силами атмосферного давления при создании разрежения в контактирующем с объектом звене захватного устройства и магнитными силами в электромагнитном поле, создаваемом захватным устройством. Возможны захватные устройства, являющиеся комбинацией указанных выше.

Таким образом, определен первый уровень многоуровневой функционально-конструктивной классификации, в основе которой лежат принцип взаимодействия'с объектом манипулирования и схемно-конструктивные особенности его элементов — передаточного механизма и пальцев.

Следующий уровень касается исполнительного элемента захватного устройства — пальца, непосредственно контактирующего с объектом, и характеризует его способность адаптироваться к форме предмета. Механическими захватными устройствами с жесткими пальцами оснащено подавляющее большинство современных ПР и манипуляторов. Несмотря на то, что в современных роботах захватные устройства с адаптивными пальцами встречаются достаточно редко, уже разработано большое количество конструкций такого типа.

Третий уровень классификации определяет подвижность пальцев в процессе захватывания детали. Подвижные пальцы могут совершать плоскопараллельное, поступательное или прямолинейное движение. " ?

Четвертый уровень классификации определяет наличие или отсутствие передаточного механизма, в задачу которого входит преобразование энергии привода в усилие зажима детали, т. е. перемещение пальцев. Передаточные механизмы в захватных устройствах могут отсутствовать. Таково большинство вакуумных и магнитных захватных, устройств. Подвижность пальцев не обязательно предопределяет наличие передаточного механизма. Например, отсутствует передаточный механизм у захватного устройства, в котором пальцы, установленные на поршнях, перемещаются, зажимая деталь, при подаче давления непосредственно в цилиндр. Возможно исполнение захватных устройств с подвижными пальцами без привода. Таковы все самозажимные захватные устройства, у которых источником энергии служит сила веса детали, преобразуемая передаточным механизмом в силу зажатия детали пальцами.

Пятый и шестой уровни характеризуют тип передаточного механизма, который может быть рычажным или с гибкими элементами, т. е. содержать тросовую, ременную, цепную передачу и пр.

Очевидно, что возможно выделение дальнейших уровней, т. е. создание еще более узких групп с общими признаками.

Наиболее широко в конструкциях современных ПР и манипуляторов представлены механические захватные устройства с двумя жесткими пальцами, совершающими движение в одной 124

плоскости: плоскопараллельное, поступательное, прямолинейное.

Тот или иной вид движения пальцев полностью определяется конструктивной схемой передаточного механизма, который может содержать гибкие элементы (тросы, цепи, ленты, ремни) либо быть выполнен рычажным, содержащим вращательные и поступательные пары.

Шарнирная установка выходного звена передаточного механизма в корпусе захватного устройства и жесткая фиксация на нем пальцев обеспечивает пальцам плоскопараллельное движение. Простота и надежность этих конструкций, обусловленная наличием в них только вращательных пар, включая шарнирное соединение исполнительного элемента привода с входным звеном передаточного механизма, определила их широкое использование в ПР.

Достаточно широко в современных ПР и манипуляторах используются механические захватные устройства с плоскопараллельным движением жестких пальцев на базе рычажно-ползунных передаточных механизмов.

Ряд схем позволяет получить прямолинейное движение пальцев, что делает такие захватные устройства универсальными. В одних случаях выходное звено устанавливается на прямолинейной направляющей. В других случаях для получения прямолинейного движения используются некоторые виды рычажных механизмов, в частности прямила, в том числе прямило Чебышева, и механизмы пантографов.

Ниже приведены сравнительные характеристики электромагнитных и вакуумных захватных устройств:

Электромагнитные захватныеустройстваПригодны только для магнитных материаловВозможна большая сила притяжения на единицу поверхностиВысокая точность базирования благодаря жесткости сердечникаСопутствует остаточный магнетизм, вызывающий опасность загрязнения и повреждения поверхностей детали и захватного устройства Быстрота захватывания деталиЭлектромагнитные захватныеустройстваПригодны только для магнитных материаловВозможна большая сила притяжения на единицу поверхностиВысокая точность базирования благодаря жесткости сердечникаСопутствует остаточный магнетизм, вызывающий опасность загрязнения и повреждения поверхностей детали и захватного устройства Быстрота захватывания деталиКатушки нагреваются, ио конструкция долговечнаКатушки нагреваются, ио конструкция долговечнаВакуумные захватныеустройстваПригодны для всех материалов, ио только для плоских и ровных поверхностейОбеспечивают ограниченную силу притяжения для данной площади Пониженная точность базирования, вызванная эластичностью присосок Недопустимо присутствие каких-либо частиц между присосками и поверхностью деталиТребуется некоторое время для создания необходимого разрежения, зависящее от объема патрубков, клапанов и т. п.Срок работы конструкции ограниченВакуумные захватныеустройстваПригодны для всех материалов, ио только для плоских и ровных поверхностейОбеспечивают ограниченную силу притяжения для данной площади Пониженная точность базирования, вызванная эластичностью присосок Недопустимо присутствие каких-либо частиц между присосками и поверхностью деталиТребуется некоторое время для создания необходимого разрежения, зависящее от объема патрубков, клапанов и т. п.Срок работы конструкции ограничен

Электромагнитные захватныеустройства

Пригодны только для магнитных материалов

Возможна большая сила притяжения на единицу поверхности

Высокая точность базирования благодаря жесткости сердечника

Сопутствует остаточный магнетизм, вызывающий опасность загрязнения и повреждения поверхностей детали и захватного устройства Быстрота захватывания детали

Электромагнитные захватныеустройства

Пригодны только для магнитных материалов

Возможна большая сила притяжения на единицу поверхности

Высокая точность базирования благодаря жесткости сердечника

Сопутствует остаточный магнетизм, вызывающий опасность загрязнения и повреждения поверхностей детали и захватного устройства Быстрота захватывания детали

Катушки нагреваются, ио конструкция долговечна

Катушки нагреваются, ио конструкция долговечна

Вакуумные захватныеустройства

Пригодны для всех материалов, ио только для плоских и ровных поверхностей

Обеспечивают ограниченную силу притяжения для данной площади Пониженная точность базирования, вызванная эластичностью присосок Недопустимо присутствие каких-либо частиц между присосками и поверхностью детали

Требуется некоторое время для создания необходимого разрежения, зависящее от объема патрубков, клапанов и т. п.

Срок работы конструкции ограничен

Вакуумные захватныеустройства

Пригодны для всех материалов, ио только для плоских и ровных поверхностей

Обеспечивают ограниченную силу притяжения для данной площади Пониженная точность базирования, вызванная эластичностью присосок Недопустимо присутствие каких-либо частиц между присосками и поверхностью детали

Требуется некоторое время для создания необходимого разрежения, зависящее от объема патрубков, клапанов и т. п.

Срок работы конструкции ограничен

Из сопоставления приведенных характеристик можно заключить, что вакуумные захватные устройства более универсальны.

Основными элементами вакуумных захватных устройств являются присоски и устройства для создания вакуума. Простой и распространенный способ создания вакуума — применение эжек-

Рис. 4.5. Элементы вакуумных и электромагнитных захватных устройств: а — эжектор; б — электромагнит; в — пневмоприсоска с шаровой опорой

торов. В этом случае разрежение получается без специальной установки за счет энергии сжатого воздуха, поступающего из заводской сети. Одна из известных конструкций эжектора представлена на рис. 4.5, а. Основой эжектора является тройник, в который вклеены или впаяны пробки с отверстиями малого диаметра. Разрежение может быть создано одним эжектором для нескольких присосок одновременно, или для каждой присоски может быть предусмотрен отдельный эжектор.

Электромагнитные захватные устройства часто компонуются из небольших электромагнитов, устанавливаемых на общей раме. Такие устройства обычно применяют для переноса предметов с фасонными, круглыми, ребристыми и решетчатыми поверхностями, захватить которые вакуумными захватными устройствами затруднительно или невозможно. Иногда применяются захватные устройства с постоянными магнитами, однако для их работы требуются устройства для удержания детали на позиции разгрузки или их оснащают специальными сбрасывателями.

Подъемные электромагниты (рис. 4.5, б) состоят из корпуса 3, выполненного из малоуглеродистой стали, внутри которого размещены катушки 2 магнита, защищенные от повреждений листом / из марганцовистой стали или латуни.

Присоски изготовляют из резины или пластика. Конструкция присоски с шаровой опорой, которую можно закреплять на патрубке в любом нужном положении, показана на рис. 4.5, в. Обычно для захватывания детали используют несколько присосок.

Захватные устройства с эластичными камерами применяют для переноса хрупких изделий небольшой массы, неправильной формы или со значительными отклонениями формы и размеров. Их действие основано на деформации эластичной камеры от давления воздуха или жидкости. Захватные устройства с эластичными камерами могут удерживать детали как за наружную, так и за внутреннюю поверхность.

В ряде случаев требуется ПР с адаптивными захватными устройствами, т. е. оснащенные датчиками внешней информации 126

о наличии объекта манипулирования, его форме, размерах, массе, состоянии поверхности, усилии его удержания, степени возможного проскальзывания и т. п. Часто наилучшим местом установки датчиков являются сами захватные устройства. В зависимости от сложности и характера решаемых задач адаптивные захватные устройства могут быть самыми различными по конструкции.

Расчет механических захватных устройств. Расчет сил, действующих в местах контакта захватного устройства с объектами манипулирования, ведется по формулам табл. 4.2. Различают следующие схемы удержания объектов в механическом захватном устройстве:

деталь поддерживается пальцем захватного устройства, силы трения мало влияют на механизм удержания детали (схемы 1 и 4 табл. 4.2);

деталь удерживается за счет запирающего действия пальцев при ограниченном влиянии сил трения (схемы 2 и 5 табл. 4.2);

деталь удерживается силами трения (схемы 3 и 6 табл. 4.2).

На практике обычно встречается сложное нагружение захватного устройства, при котором имеет место комбинация описанных случаев (см. схему 2 в табл. 4.2), при этом в процессе манипулирования объектом характер нагрузки захватного устройства и схемы удержания детали могут изменяться, поэтому расчет должен вестись для критических нагрузок.

Расчет усилий привода ведется по формулам табл. 4.3, где рассмотрены примеры применения клиновых, рычажных и реечных передаточных механизмов.

Определение напряжений на поверхности контакта захватного устройства с объектом манипулирования может потребоваться как при расчете захватного устройства, так и для установления возможности повреждения объекта при его захватывании и удержании.

В ряде случаев, особенно при удержании детали за счет сил трения, усилия, действующие в местах контакта с захватными устр'ойствами, весьма значительны. Это может привести к повреждению поверхности деталей, что недопустимо при их чистовой обработке, или к повреждению зажимных пальцев захватных устройств. Контактные напряжения а должны быть меньше допускаемых [о]. Допускаемые контактные напряжения для сталей: 450 ... 850 МПа —для линейного контакта; 1100 ... 2200 МПа — для точечного контакта. Допускаемые контактные напряжения для чугуна 260 ... 350 МПа —для линейного контакта.

Формулы, определяющие напряжения на поверхностях контакта заготовки с захватным устройством, приведены в табл. 4.4.

Приведенный модуль упругости материалов Епр подсчитывают по формуле

£пр = 2ЕгЕ,КЕ1 + ^2),

где Ег — модуль упругости материала объекта манипулирования;

Таблица 4.2

№п/п

расчетная схема

Формулы для определенияконтактных сил

1

2

Ri =

I — С

R« =

Ri =

R.=

2

3

*2

4

2

I

C

7

Q;

Q;

I

- c

—

Q;

Q

sin 0 [sin фг-sin фк—р (cos ф/ — ; м C0S621 — COS фц)]— (1 —

м '—р2) sin (ФУ — фр

— Кп (1 — р2) [sin (ф! — ф2) +

+ sin (ф2 — Фз) + sin (фз — Ф1)] ; где i, /, к= 1, 2, 3; i^i^k

Nt =

Rn

0= 0;

sin (фу — Фь)

р sin (ф! — ф2) + sin (фг — — Фз) + sin (фз — Ф1)

где i, j, к = 1, 2, 3; i + / N= к

= р Sin ф^ — р COS ф;

W1 sin (ф! + ф2) — 2р cos (ф1 + ф2)

5

6

Расчетная схема

л

Продолжение т а б л. 4.2

Формулы для определенияконтактных сил

Ф1

N1-- Rn

N2 =" Rn

90°; ф2 — Q’i sin ф — p COS <p

cos ф -г 2p sin Ф ’

cos ф + 2р sin ф

Фа - ф, = 90°;

Nv - N.

Rn 2р

Обозначения: Q — расчетная нагрузка; / — размер захватного устройства; с — расстояние от точки приложения нагрузки до рассматриваемого пальца захватного устройства; Rn — реакция на two губгсу захватного устройства; 0 — угол между осью заготовки и силой Rn: N; — сила контакта между заготовкой и пальцем; ф{ — угол между проекцией силы Rn на плоскость и силой Nр, и — коэффициент трения пальца захватного устройства с заготовкой (для неза- каленных пальцев без насечки из стали 45, 50 р = 0,12 ,. 0,15; для закаленных пальцев в виде гребенки с острой насечкой из стали 65Г, 60С2, У8А, У10А при твердости HRC 55 р — 0,3 ... 0,35).

Таблица 4.3

Кли-новый

Расчетная схема

5 П/р я* А. Шифрина

Формулы для определения усилия Р привода

S^tg (Н р)

Р—т;

для симметричных пальцев

"Пр

m — 2; Т]р = 0,9; р =

4 ... 8°; р = 1° 10' для п одш 1! п ии ко в с кол ь ж е- ния; р — 3° для подшипников качения

129

Таблица 4.4

Продолжение табл. 4.3

Формулы для определения контактного напряжения, МПа

Расчетная схема

Л /'" А* Епр а = 0,0418 |/ —~

G = 0,1/П

А’ (£пр)2

при -^- < г

Обозначения: т— число пальцев захватного устройства: М«— удерж ива- ft "'

ющий момент для /-го пальца, М5~ У, N^ cos грг [а< tg ф,- ± с, - - ц (а= т 1=1

+ Ct tg Фг)], где Nt — сила контакта, определяемая по формуле из табл. 4.2, Н; к — число точек контакта; цг. с^ — расстояния от точки поворота пальца до 1-й точки контакта, м; фу — угол контакт.'1. °; и -- коэффнилент трения между пальцем и заготовкой; р — приведенный \ ioi грч ;.-н считывающий сопротивление осей рычагов, °; р — угол клипа, >|р — ЬНД мЛлиж; b — размер рычага, м; а — угол рычага. с; тс — модуль сектой? м: z, -полное число зубьев сектора.

130

Обозначения: N — сила, действующая в месте контакта захватного устройства с заготовкой и определяемая по формулам табл. 4.2, Н; £пр— приведенный модуль упругости материалов пальца захватного устройства и заготовки, ?ЛПа; / — ширина па,-ища захватного устройства, см; d — диаметр заготовки,см; г — радиус пальца захватного устройства, см; т— коэффициент, зависящий ;л отношения наименьшего радиуса к наибольшему для двух соприкасающихся поверхностей [18]:

2rM 1 L0

1

0,9

| 0,3

0,7

0,6

!1

0,5 1 0,4 । ]i

0,3

0,2

1 т |

0,383

0.4

1 0,42

0.44

0,468

0,49

1

0,536 |

0,6

0,716

5*

131

■arid

0,15

0,10

0,05

tn

0,8

0,97

1,28

Ег — модуль упругости материала пальцев захватного устройства.

Значения приведенного модуля упругости Евр для пары сталь—материал приведены ниже:

Материал объекта манипулированияЕПр, .МПа

Сталь 0,21

Чугун серый 0,125

модифицированный 0,160

Бронза 0,125

Алюминий 0,105

Латунь 0,120

Построение профиля поворотных губок центрирующих клещевых захватных устройств для деталей типа тел вращения. К механическим захватным устройствам клещевого типа, предназначен

ным для манипулирования ступенчатыми валами и фланцами, часто предъявляют требования обеспечения центрирования деталей при изменении их диаметров в процессе обработки. Такие захватные устройства оснащаются поворотными пальцами криволинейной формы. Пальцы должны быть спрофилированы таким образом, чтобы обеспечить в определенном диапазоне центрирование шеек валов (или'фланца) различного диаметра. При этом верхние части пальцев выполняются одинаковой ширины, а нижние — срезаны и способны заходить одна за другую, что позво-

Рнс. 4.6. Построение профиля поворотных пальцевРнс. 4.6. Построение профиля поворотных пальцевФтах Дт1п )4Фтах Дт1п )44096^34096^3tg2p.tg2p.ляет надежно центрировать вал даже в том случае, когда в зоне действия пальцев оказывается ступень с перепадом диаметров. Для точного центрирования заготовки профиль пальца аппроксимируют дугами окружности. При этом погрешность центрирования

Рнс. 4.6. Построение профиля поворотных пальцев

Рнс. 4.6. Построение профиля поворотных пальцев

Фтах Дт1п )4

Фтах Дт1п )4

4096^3

4096^3

tg2p.

tg2p.

где D^, Dmin — возможный перепад диаметров зажимных деталей, мм; R — радиус поворота пальцев, мм; р — угол, получаемый построением (рис.

Исходными величинами для построения профиля пальцев являются диапазон диаметров зажимаемых деталей

Рнс. 4.7. Расчетная схема захватного устройства с рычажно-шарнирным передаточным механизмом

(^тах и От1п) и центральный угол 2а между точками контакта пальцев с деталью. Рекомендуется выбирать DmajDmto = 2,5 и 2а = = 40 ... 50°. Размер R между центром О зажимаемого вала и осью поворота пальца выбирается конструктивно и должен быть больше Dcp = фтах + Dmln)/2. Из точек В и С очерчиваются дуги профиля радиусами ^ и г2. Эти точки лежат на расстоянии R12 от оси поворота пальца. Горизонтальная координата а расположения точек В и С определяется по формуле

а = ф!2^ ctg а.

Радиусы дуг профиля пальцев:

r^ = R sin а — Dcp/2; r2 = Р2 sin а + Оср/2.

Профили пальцев симметричны.

Если оба пальца поворачиваются вокруг общей оси (точка Л), то точки контакта пальцев с деталью располагаются симметрично. Если пальцы имеют разные оси поворота, то точки контакта детали с профилями радиуса гх удаляются, а с профилями радиуса г2 сближаются. Центральный угол ф между осями поворота пальцев и центром детали О рекомендуется выбирать в пределах 0 < ф < (2а ... 40°).

Определение КПД захватного устройства. Существенное влияние на КПД захватного устройства с рычажно-шарнирным механизмом оказывает конфигурация механизма. Особенно заметно это влияние для одной из наиболее распространенных кинематических схем с плоскопараллельным движением жестких пальцев.

В предположении абсолютной жесткости звеньев рычажного механизма, постоянства угла трения р и равенства диаметров осей d шарниров, а также с учетом того, что наибольшее усилие Р2 на пальце при зажатии детали обеспечивается при малых (2 ... 5°) углах а (а — угол между вертикалью и прямой, проведенной через оси шарниров В и С), из условия равновесия звеньев

ВС и BD можно записать (рис. 4.7, а) с учетом моментов потерь трения МА, Мв, Мс в шарнирах А, В, С (рис. 4.7, б):

Р.=Р.=Pl к 1Pl к 1112 I, а , , d . . d .1+7^tgp 1+2Ttgp2 I, а , , d . . d .1+7^tgp 1+2Ttgp(4.11)(4.11)

Р.=

Р.=

Pl к 1

Pl к 1

1

1

2 I, а , , d . . d .

1+7^tgp 1+2Ttgp

2 I, а , , d . . d .

1+7^tgp 1+2Ttgp

(4.11)

(4.11)

где Рг — усилие на исполнительном элементе привода. Как следует из рис. 4.7,

ув = хс ctg a; 6yD = (1^ 6ув,

где 6yD, 6ув — элементарные перемещения шарниров D и В вдоль оси у соответственно.

При указанных допущениях, когда угол а мал и tg а = а, кинематическое передаточное отношение рычажного механизма is = 6уп1^хс = аЦЦх,(4.12)

где 6хс — элементарное перемещение шарнира С вдоль оси X.

Поскольку из соотношения работ ^P-v^ 6хст| = P86yD, а §yDlbxc = aljlY, то

т] — 2а (Р^Р^ (l4llt).(4.13)

Из уравнений (4.11) и (4.13)

1 =3з•<4.14)

l+'5a,gp 1 + Хч₽

Обозначив силовое передаточное отношение Р^(Р^2) че- рез ip, можно записать ip = ЧР^Р^. Тогда с учетом (4.12)

Л = ipi6.(4.15)

Из (4.12) и (4.15) силовое передаточное отношение ; . к11

рZ2ad ., . d .

+ z^atgp 1 + 2i;tgp

Семейства графиков зависимости КПД т) рычажно-шарнирного передаточного механизма захватного устройства с плоскопараллельным движением пальцев от угла а приведены на рис. 4.8. В каждом из семейств графики построены для дискретных значений угла трения р = 1 ...20° при d!lx = 0,05.

На рис. 4.9 приведено семейство зависимостей силового передаточного отношения ip от угла а при сШ8 = 0,3.

Достоинством этого механизма является способность к самоторможению при малых углах а, что очень важно в аварийных ситуациях, например при отсутствии питания в сети захватное устройство ПР надежно удерживает деталь. Угол самоторможения ас определяют по формуле а0 <^ (d/Z3) tg р.

Более высоким КПД отличается рычажно-ползунный передаточный механизм (рис. 4.10, а), уступающий рычажно-шарнир- 134

- ^тр 1g ® +- ^тр 1g ® +Рис. 4.8. Графики зависимости КПД д рычажно-шарнирного передаточного механизма от угла а.Рис. 4.8. Графики зависимости КПД д рычажно-шарнирного передаточного механизма от угла а.

- ^тр 1g ® +

- ^тр 1g ® +

Рис. 4.8. Графики зависимости КПД д рычажно-шарнирного передаточного механизма от угла а.

Рис. 4.8. Графики зависимости КПД д рычажно-шарнирного передаточного механизма от угла а.

ному по значению силового передаточного отношения; хотя само силовое передаточное -отношение невелико. КПД этого механизма достаточно высок. С принятыми, как и для предыдущего механизма, предположениями об абсолютной жесткости звеньев, постоянстве угла трения р и равенстве диаметров d осей шарниров, а также постоянстве коэффициента трения £тр в поступательной паре из условия равенства работ (см. рис. 4.10, б) можно записать (с учетом моментов МА и Мв и силы F в, обусловленных потерями трения в поступательных и вращательных парах механизма):

т] = 1 —

где Ц — расстояние от оси шарнира А до оси исполнительного элемента линейного привода;- Z2 — расстояние от оси шарнира А до линии действия силы Рг; а — угол между вертикалью и прямой через оси шарниров А и В.

Кинематическое и силовое передаточные отношения соответственно равны:

Ze = (Wk) cos2 a; ip = T]/i6.

Графики зависимости

КПД т], кинематического i6

и силового ip передаточных отношений от угла а для захватного устройства с рычажно-ползунным передаточным механизмом приведены на рис. 4.11.

Из графиков на рис. 4.11 видно, что КПД рычажно-ползунного захватного устройства значительно выше, чем у рычажно- 136

Гис. 4.10. Расчетная схема захватного устройства с рычажно-ползунным передаточным механизмомГис. 4.10. Расчетная схема захватного устройства с рычажно-ползунным передаточным механизмом

Гис. 4.10. Расчетная схема захватного устройства с рычажно-ползунным передаточным механизмом

Гис. 4.10. Расчетная схема захватного устройства с рычажно-ползунным передаточным механизмом

шарнирного (см. рис. 4.8), и не столь сильно зависит от угла а, что позволяет применять эту кинематическую схему для деталей более широкого диапазона типоразмеров. Захватные устройства, построенные по рассматриваемой кинематической схеме, достаточно просты в изготовлении, так как не требуют высокого качества выполнения кинематических пар. Даже при значительных потерях в этих парах (йтр = 0,2; р = 14°) КПД захватного устройства при углах а < 15° весьма высок — более 0,9. Не столь существенно и влияние изгиба рычагов. Однако эта схема не позволяет получить большого силового передаточного отношения, что ограничивает применение таких захватных устройств. Их используют в основном для работы с легкими деталями.

При проектировочном расчете силовое передаточное отноше

ние можно определить по формуле ip = ^iM cos2 а);

значение ц для <z° = 1 ... 30 выбирают в пределах 0,945 ... 0,875.

Практически для всех захватных устройств с плоскопараллельным движением пальцев сила их сжатия обратно пропорциональна длине замыкающего рычага передаточного механизма. Так, для захватных устройств с рычажно-зубчатым передаточным механизмом силовое передаточное отношение

ip = 0,94dK/(2/a cos <р),

Рис. 4.11. Графики зависимости т|, г^, ip от угла а для захватного устройства с рычажно-ползуиным передаточным механизмом при lilli ™ 5, р = 14°, Атр = 0,2Рис. 4.11. Графики зависимости т|, г^, ip от угла а для захватного устройства с рычажно-ползуиным передаточным механизмом при lilli ™ 5, р = 14°, Атр = 0,2где</к — диаметр зубчатого колеса по делительной окружности; <р — угол наклона замыкающего рычага к горизонтали, а для за-

Рис. 4.11. Графики зависимости т|, г^, ip от угла а для захватного устройства с рычажно-ползуиным передаточным механизмом при lilli ™ 5, р = 14°, Атр = 0,2

Рис. 4.11. Графики зависимости т|, г^, ip от угла а для захватного устройства с рычажно-ползуиным передаточным механизмом при lilli ™ 5, р = 14°, Атр = 0,2

хватных устройств с рычажно-кулачковым передаточным механизмом

ip = 0,9/1/(/2 tg ф),

где ф — угол клина.

Итак, КПД захватных устройств с рычажно-ползунным передаточным механизмом — один из самых высоких, а захватные устройства с рычажно-кулачковым передаточным механизмом дают возможность получить достаточно большое силовое передаточное отношение. Однако следует иметь в виду, что КПД захватных устройств с рычажно-кулачковым механизмом высок (0,9 ... 0,95) только при углах ф не менее 14°. При уменьшении угла ф КПД начинает резко падать и при ф < 5° требуется высокое качество исполнения кинематических пар. В противном случае эффективность захватных устройств значительно снижается. В захватных устройствах такой конструкции также возможен эффект самоторможения, что повышает их надежность.

Механические захватные устройства с поступательным перемещением пальцев дают возможность получить силовое передаточное отношение ip, незначительно меняющееся при изменении длины выходного звена. Достоинством таких захватных устройств является также незначительная зависимость их технических характеристик от жесткости конструкции и точности установки пальцев.

Расчет вакуумных и магнитных захватных устройств. Удерживающее усилие вакуумного захватного устройства, Н, рассчитывают по формуле

■^ВП ™ ^рЬ зу (р.д рву

где кр — коэффициент, учитывающий возможное изменение атмосферного давления и свойств уплотнителя (принимается равным 0,85); F3y — эффективная площадь действия захватного устройства, м2; ра — атмосферное давление, МПа; рв — остаточное давление в камере присосок, МПа.

Для вакуумных захватных устройств с уплотнительным кольцом, соединенных с вакуумным насосом, давление внутри полости присосок принимают равным значению вакуума, создаваемого насосом. Для вакуумных захватных устройств без уплотнительного кольца и для неуправляемых с уплотнительным кольцом разность давлений ра — рв (0,3 ... 0,35) 10"1 МПа.

Для круглых захватных устройств с уплотнительным кольцом F37 = (0,6 ... 0,7) /н, где /н — площадь поверхности, ограниченная наружной линией контакта захватного устройства с объектом манипулирования.

Расчетная схемаРасчетная схемаa cos 0 у >sin Ф sin 0;a cos 0 у >sin Ф sin 0;

Расчетная схема

Расчетная схема

a cos 0 у >sin Ф sin 0;

a cos 0 у >sin Ф sin 0;

Расчетные формулы

j-Tg COS 60 +

^ g sin фо sin 6g + а

g cos 0O +g cos 0O +

g cos 0O +

g cos 0O +

^ g cos ф0 sin 0O + a cos ф sin 0

ф = Фо = 90°;

/ p\

ц ( ——?g cos 0O + a cos 0 ) 2г

\ mk^j

^ ] g sin 90 + a sin 0 |

Фо = ф = 90°; 0o = 0°;

g+ a cos 0) 2amRx^/

Фо = Ф = 90°; 0C = 90°;

—a cos 0 ) g + a sin 0 mRyR^)

Расчетная схемаРасчетная схемаРасчетные формулы

Расчетная схема

Расчетная схема

Фо = ф = 90°; 0о — 6 = о°;

р

—— ^ 5 ~Ь ^тк-^

Обозначения: Р — сила вакуумного или магнитного притяжения, Н; т — масса заготовки, кг; g — ускорение свободного падения, м/с2; а — ускорение захватного устройства, м/с2; 6 — угол между вектором ускорения и осью Z, совпадающей с осью захватного устройства, °; ф — угол между проекцией ускорения на плоскость, перпендикулярную оси Z, и осью У, °; р — коэффициент трения между заготовкой и захватным устройством (для металлических захватных устройств и стальных заготовок р = 0,17;. для резиновых манжет и стальных заготовок ц = 0,3); к, — коэффициент запаса, к, = 2; кг — коэффициент, учитывающий смещение точки приложения подъемной силы и центра масс заготовки (для круглых захватных устройств ^2 = г/(г-ф Дх), где г — средний радиус уплотнительной поверхности захватного устройства; Дх — смещение оси захватного устройства и центра масс заготовки.

Сила притяжения электромагнита магнитных захватных устройств определяется формулой Максвелла: .

р = t1'”)2

й 25F (R* + /?м)2 ’

где In — число ампер-витков обмотки; F — площадь поверхности соприкосновения груза с полюсами электромагнита; RB, RM — магнитное сопротивление на участках пути магнитного потока (воздушном и металлическом).

Наличие примесей (марганца, серы, фосфора, никеля и т. п.) в материале объекта манипулирования снижает подъемную силу электромагнита.

Формулы для проверки возможности удержания объектов вакуумными и магнитными захватными устройствами приведены в табл. 4.5.

Глава

5

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПР

Программное обеспечение ПР

Общие положения. Бурное развитие микропроцессорной техники, происходящее в настоящее время, создает широкие возможности для разработки разнообразных устройств управления средствами технологического оснащения производства, включая ПР. Создаваемые устройства позволяют обеспечивать более высокие требования к сервисным, вычислительным и другим техникоэкономическим показателям систем автоматизации производственных процессов.

Использование микропроцессорной техники, включающей схемы большой степени интеграции (БИС), приводит к существенному перераспределению трудоемкости создания отдельных компонентов устройств управления. При этом большая часть функций реализуется программно, что определяет наибольшую трудоемкость разработки устройств в области создания программного обеспечения. Одновременно трудоемкость и стоимость изготовления устройств управления, как правило, заметно снижается по сравнению с чисто аппаратурными реализациями. Это является следствием невысокой стоимости БИС микропроцессорных наборов, высокой степени унификации устройств управления и низкой стоимости изготовления программного обеспечения (ПО), что сводится при современных системах разработки ПО к записи подготовленных программ и таблиц в постоянных или перепрограммируемых запоминающих устройствах (ПЗУ/ППЗУ).

Технические требования к ПО главным образом определяются назначением устройства управления. Классификация ПР по типам выполняемых движений определяет цикловые, позиционные и позиционно-контурные устройства управления ПР. В том же порядке возрастают общие для каждого из этих типов ПР требования к ПО.

Кроме того, в отдельных случаях добавляются специальные требования, связанные с конкретным применением ПР и определяющие взаимодействие с внешним оборудованием, разнообразными датчиками и т. д.

Дополнительно имеется ряд внутренних требований, определяемых структурой и составом аппаратурной части устройства и соответствующих протоколам обмена информацией как отдельных

компонентов устройства, так и устройства в целом со связанным с ним оборудованием.-

Разработке алгоритмов управления и программного обеспечения ПР посвящен большой объем литературы [13, 19, 24, 23, 40, 41 ], в которой детально рассматриваются вопросы, связанные с механикой манипуляторов и управлением их движением. В этой главе описаны основные этапы создания ПО ПР, включая основ-: ные требования к ПО и его структуре, алгоритмы и особенности реализации, а также технологию разработки.

Вследствие ограниченности объема здесь нет возможности рассмотреть программное обеспечение разнообразных по типам и назначению ПР. Поэтому в качестве примера рассматривается ПО мультипроцессорного позиционно-контурного устройства управления ПР антропоморфного типа для дуговой сварки [33, 531.

Требования к программному обеспечению ПР для дуговой сварки. Требования к ПО можно разделить на два класса: внутренние и функциональные.

К внутренним относятся все дополнительные требования, не связанные с нормальным функционированием ПР. Следует отметить, что роль этих требований до последнего времени недооценивалась. Одним из важнейших внутренних требований является необходимость унификации ПО.;

Наличие унификации означает переход в программировании от искусства написания программ к производству программного продукта. Следствием унификации является ряд частных требований, которые будут рассмотрены в разделе, посвященном технологии разработки ПО.

Следующим внутренним требованием является включение в со- 1 став ПО средств контроля и диагностирования устройства управления. Эта часть ПО может функционировать как в обычных, так i и в специальных режимах работы устройства, что позволяет , своевременно обнаружить и локализовать неисправности в работе устройства. Необходимость в этом возникает практически на всех стадиях жизненного Цикла устройства управления ПР, начиная от изготовления и кончая эксплуатацией в заводских условиях. Состав функций диагностики может быть разнообразным и должен давать возможность проверки функционирования всех компонентов устройства, включая кабельные соединения. В ряде случаев могут потребоваться дополнительные соединения (заглушки, перемычки).

Функциональные требования к ПО, например, современных ; ПР для дуговой сварки в основном сводятся к обеспечению:■

удобной для оператора формы диалога, сочетающей в себе простоту, наглядность и развитость средств программирования ПР;

необходимого набора функций ПР, позволяющего создавать гибкие и компактные управляющие программы;

необходимого набора режимов работы ПР для выполнения управляющей программы в автоматическом и покадровом режимах, ввода, редактирования и передачи управляющих программ, задания и модификации параметров робота и технологических параметров;

возможности планирования движения ПР и функции сервосистемы в реальном масштабе времени;

требуемых временных диаграмм при управлении сварочным оборудованием;

необходимых операций ввода-вывода на логическом и физическом уровнях;

наглядного представления информации о работе устройства в различных режимах, включая сообщения об ошибочных и аварийных ситуациях;

средств включения ПР в состав ГПС.

Кроме того, к ПО могут предъявляться специальные требования, определяемые особенностями его применения. К роботам, выполняющим функции обслуживания обрабатывающего оборудования, обычно предъявляются требования удобного программирования работы с многоячеистой тарой, к сборочным роботам — ввода и обработки информации от датчиков силомоментного или зрительного очувствления; к роботам для дуговой сварки нередко предъявляются требования проведения многопроходной сварки без программирования каждого прохода, выполнения колебаний в процессе сварки, обработки показаний датчиков положения свариваемого изделия или сварочного шва.

Структура программного обеспечения. При описании структуры ПО мультипроцессорного устройства управления ПР возможны две точки зрения — конструктивная и функциональная.

С конструктивной точки зрения, укрупненная структура ПО совпадает с аппаратурной структурой устройства. Так, для многопроцессорной системы программного управления ПР, включающей пять микропроцессоров серии К 580 (рис. 5.1), каждый из которых имеет собственное ПО, записанное в индивидуальных ППЗУ, укрупненная структура ПО представлена на рис. 5.2. Как видно из этого рисунка, все процессоры объединены в пары по принципу ведущий-ведомый. Сплошными линиями изображена передача команд и необходимых для их выполнения данных, а штриховыми — информация о выполнении команд или данные для индикации.

Более подробно структуру ПО отдельных процессоров можно изобразить в виде схемы, представленной на рис. 5.3. Здесь инициализация, выполняемая при включении ■ питания, обеспечивает установку начальных значений рабочих массивов, задание режимов работы активных микросхем и т. д.

Программы обработки прерываний осуществляют операции ввода-вывода на физическом уровне, межпроцессорного обмена, а также служебные операции, необходимые для выполнения про-

Рис. 5.1. Аппаратурная структура микропроцессорной системы программного управления ПР:

ЦПУ — центральное процессорное устройство: КН МЛ — кассетный накопитель на магнитной ленте; ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; ППЗУ — перепрограммируемое запоминающее устройство

цессором требуемых функций. Программы главного цикла обеспечивают реализацию функций каждого из процессоров, включая операции ввода-вывода на логическом уровне.

Работа отдельных процессоров синхронизируется путем межпроцессорного обмена. В рассматриваемом варианте ПР для дуговой сварки процессоры 1—4 (см. рис. 5.1) обмениваются информацией через общую область памяти, к которой каждый из процессоров последовательно получает доступ. Связь между процессорами 1 и 5 осуществляется посредством последовательного канала обмена.

Работа всего устройства организована по принципу функционального параллелизма [17].

Основные функции устройства распределены следующим образом. Как уже указывалось в гл. 2, процессор 1 решает задачи организации работы с устройствами ввода-вывода (включая кассетный накопитель на магнитной ленте, пульт обучения, пульт оператора и дисплей), реализуя функции диалога с оператором. Этот же процессор выполняет функции монитора всего устройства.

Процессор 2 осуществляет функции управления движениями робота: считывание показаний датчиков положения отдельных координат робота и конечных выключателей, формирование характеристик разгона-торможения, организацию сервосистем, включая формирование управляющих сигналов на приводы ПР.

Процессор 3 реализует вычислительные функции, необходимые для планирования движения ПР и выполнения координатных преобразований.

Процессор 4 выполняет функции управления сварочным оборудованием, включая выдачу релейных и аналоговых сигналов и обнаружение аварийных ситуаций, связанных со сваркой.

Процессор 5 реализует опрос и кодирование состояния клавиатуры пульта обучения, обмен с процессором 1 по последовательному каналу и индикацию информации от процессора 1 на семисегментных дисплеях и светодиодах.

В соответствии с приведенным выше описанием структуру ПО с функциональной точки зрения можно представить так, как показано на рис. 5.4, где каждый из блоков содержит название функции, а цифры — номера процессоров, выполняющих эту функцию.

Особый интерес представляет организация работы ПО. Действительно, структура аппаратурной части и состав решаемых задач определяют рассматриваемую систему как мультипроцессорную и мультизадачную. Причем понятие мультизадачное™ относится к каждому отдельному процессору. Так, процессор 1 должен одновременно решать задачи выполнения управляющей программы, индикации информации о текущем состоянии процесса выполнения, анализа и обработки возникающих аварийных ситуаций, обработки состояний клавиш пультов устройства и обучения и некоторые другие. Для обеспечения нормальной работы всего устройства необходимо, чтобы каждая из задач выполнялась достаточно часто, чтобы обеспечить приемлемое время отклика. Однако уменьшение времени выполнения каждой из задач ведет к росту накладных расходов и потере производительности вычислительной системы.

В зависимости от назначения системы применяются различные методы организации мультизадачной работы [29]. В рассматриваемом нами случае была реализована последовательная организация выполнения задач с ограничением времени непрерывного выпол-

Рис. 5.4. Структура ПО с функциональной точки зрения

нения. Ограничение времени выполнения отдельных задач выбиралось из условия, что полный цикл решения задач должен соответствовать циклу межпроцессорного обмена, который с учетом производительности процессоров К 580 был выбран равным 20 мс. За это время каждый из процессоров 1—4 последовательно на протяжении 5 мс получает доступ к общей области памяти и производит необходимый обмен данными.

Ограничение времени выполнения задачи и ее продолжение реализовано путем организации последовательности выполнения задачи, что используется в тех случаях, когда время непрерывного выполнения задачи больше допустимого либо когда в процессе ее выполнения необходимо часть функций распределить между другими процессорами.

Функциональные возможности. Система управления может работать в следующих функциональных режимах: ввод параметров; ввод и редактирование управляющих программ; автоматическое выполнение программ; покадровое выполнение программ; тестовый режим.

В режиме ввода параметров обеспечивается возможность задания параметров манипулятора и условий сварки. Параметры манипулятора включают следующие данные: значения смещения исходного положения манипулятора относительно положения, в котором датчики положения имеют нулевые показания; пределы допустимых изменений положения отдельных координат ПР; максимальные значения скоростей осей и рабочего органа;

передаточные отношения от исполнительного звена к датчику положения; длину сварочной горелки.

Параметры условий сварки представляют собой данные, необходимые для задания технологии процесса сварки, а именно: ток и напряжение в процессе сварки; скорость сварки; ток и напряжение в процессе заварки кратера; временные задержки на предварительную и заключительную подачу защитного газа, зажигание дуги и заварку кратера.

Имеется возможность задания 32 различных режимов сварки, выбираемых при выполнении управляющей программы.

Возможность оперативного изменения такого набора параметров посредством пульта оператора обеспечивает удобные средства как для программирования технологических операций, так и для настройки устройства на управление манипулятором.

В режиме ввода и редактирования управляющих программ обеспечены достаточно удобные сервисные средства для общения оператора с устройством.

В оперативной памяти с сохранением информации при выключении питания может формироваться и редактироваться программа, включающая до 1280 кадров. Каждый кадр может иметь одну из 200 меток, на которые при выполнении программы передается управление.

При формировании управляющей программы оператор имеет возможность выполнять: переход к следующему, предыдущему или любому заданному кадру программы; вставку или удаление текущего кадра; ввод или изменение заданного кадра, включая как выполняемую функцию, так и ее параметры.

Ввод функций и параметров осуществляется с использованием «подсказок» и экранных пультов индикации, реализованных программно на экране дисплея.

Движение ПР может программироваться двумя методами:

обучением, при котором информация о положении ПР формируется по текущим показаниям датчиков положения ПР;

путем аналитического программирования, при котором положение рабочего органа определяется цифровым вводом с пульта оператора.

При программировании движения ПР методом обучения имеются следующие возможности перемещения ПР в ручном режиме; по отдельным координатам ПР (до трех одновременно); в декартовых координатах с сохранением ориентации рабочего органа; перемещение с высокой или низкой скоростью либо по приращению.

Эти же возможности по перемещению манипулятора имеются в режиме ввода параметров.

Данные о положении ПР, записанные в управляющей программе, содержат декартовы координаты х, у, г и эйлеровы углы <р, ф, 6, определяющие положение рабочего органа ПР. Этот формат данных о положении ПР обеспечивает независимость управ-

ляющей программы от его кинематической схемы и параметров,, что создает возможность использовать одну и ту же программу для различных роботов.

Программирование скорости движения ПР можно выполнять двумя способами. При движении без выполнения сварки скорость может иметь одно из восьми значений, связанных со значением максимальной скорости. При движении со сваркой скорость задается номером условий сварки, который может изменяться без ее прекращения. Значение скорости при этом может изменяться от нуля до максимальной контурной скорости, задаваемой в режиме ввода параметров, с дискретностью 0,1 мм/с.

При программировании движения имеется возможность задания различных условий его окончания, а именно с позиционированием в заданной точке; с проходом заданной точки без остановки; с переходом к выполнению следующего кадра программы после начала движения. Последнее условие окончания удобно использовать в тех случаях, когда точка окончания движения точно не определена, например при укладке листов в стопу.

При выполнении ПР разнообразных программ большой емкости целесообразно использовать внешнее запоминающее устройство. Наиболее распространенным устройством такого типа является кассетный накопитель на магнитной ленте. Предусмотрены возможности форматирования (разметки) магнитной ленты, записи управляющей программы в один из девяти файлов на магнитной ленте, а также чтение управляющей программы из заданного файла по команде оператора или автоматически перед выполнением первого кадра управляющей программы в зависимости от внешних сигналов.'

В режимах автоматического и покадрового выполнения программы реализованы удобные функциональные и сервисные возможности для выполнения и отладки управляющих программ. Функциональные возможности ПР определяются в основном составом выполняемых им функций, связанных с управлением движением ПР и технологическим оборудованием, а также служебных функций, необходимых для гибкой организации управления программ.

В описываемом ПО реализованы следующие функции: перемещение ПР в позиционном режиме; движение ПР по прямой или по окружности с интерполяцией в реальном масштабе времени; условная передача управления на заданный кадр в зависимости от состояния входных сигналов, значений содержимого счетчиков и таймеров системы, а также условий окончания позиционирования ПР; условный вызов подпрограммы с аналогичными условиями; передача управления одной из 15 программ, находящихся в оперативной памяти в зависимости от состояния соответствующих внешних входов; возврат после выполнения подпрограммы; установка значения одного из 10 счетчиков в диапазоне 0 ... 255; увеличение значения содержимого счетчика; уменьшение значе-

ния содержимого счетчика; установка значения одного из четырех таймеров в диапазоне 0 ... 99,9 с дискретностью 0,1 с; установка и сброс любой комбинации из 15 выходных сигналов общего назначения; останов движения ПР в текущем положении; подготовка начала сварки с выбором одного из 32 условий сварки; завершение выполнения сварки с заваркой кратера.

Если необходимо остановить автоматическое выполнение программы, то это можно сделать после очередного завершения выполнения программы и кадра программы, а также немедленно. Во всех случаях обеспечена возможность нормального продолжения выполнения управляющей программы.

Для отладки программы, включающей сварку, имеется возможность изменения параметров сварки в процессе ее выполнения, а также отказа от выполнения сварки перед ее началом. Это позволяет проверить программирование движений ПР и подобрать нужные значения параметров технологического процесса для обеспечения требуемого качества сварочного шва.

Для упрощения работ по отладке ПО в связи с переходом к различным кинематическим схемам ПР в ПО реализован режим имитации выполнения управляющей программы при отсутствии подключенного к устройству управления манипулятора.

В процессе выполнения управляющей программы обеспечена индикация на дисплее текущего положения ПР (положение отдельных звеньев в градусах и миллиметрах и декартовы координаты рабочего органа в миллиметрах), текущих состояний процесса (значения счетчиков и таймеров, состояния входов и-выходов общего назначения) и другой служебной информации.

При этом обеспечивается обнаружение, диагностирование и обработка следующих аварийных состояний системы и ошибочных действий оператора: аварийный останов системы при нажатии соответствующих клавиш на пульте оператора и пульте обучения; срабатывание защиты привода; срабатывание конечных выключателей, определяющих диапазон движения отдельных координат робота; выход ПР за программно-установленные пределы изменения значений координат робота в процессе интерполяции; ошибки в выполнении программы, связанные с неверной последовательностью команд вызова и возврата из подпрограмм и отсутствием меток; ошибки, возникающие в процессе работы магнитофона (отсутствие готовности устройства, ошибки чтения и записи); аварийные ситуации, возникающие в процессе сварки; ввод оператором неверных данных; отсутствие связи между стойкой устройства управления и пультом обучения.

Сообщения о диагностируемой ошибке или аварийной ситуации выдаются на экран дисплея в виде соответствующего текста. Сообщение об отсутствии связи между стойкой устройства управления и пультом обучения появляется на семисегментной индикации пульТа обучения.

При работе в тестовом режиме имеется возможность проверки работоспособности устройства управления и диагностирования неисправностей. Для облегчения локализации неисправности программы тестового режима разделены в соответствии с выделенными комплектами аппаратурных средств.

Минимальный (базовый) комплект включает следующие блоки: ЦПУ 1 (см. рис. 5.1); памяти, содержащую ППЗУ и ОЗУ для ЦПУ 1; пульта устройства с установленными на нем клавишами; управления дисплеем и дисплей.

К базовому комплекту при необходимости проверки должны быть подключены: плата ввода-вывода, платы ЦПУ 2, ЦПУ 3 и ЦПУ 4, пульт обучения и накопитель на магнитной ленте.

Для каждого из этих комплектов имеются группы тестов, позволяющие обнаружить и локализовать неисправности, имеющиеся в отдельных платах.

При работе в тестовом режиме есть удобные возможности для задания посредством клавиатуры пульта оператора требуемых тестов, их запуска и останова. Одновременно производится индикация о состоянии выполнения теста и возникающих ошибках.

Организация диалога. Форма и организация взаимодействия оператора с ПР существенным образом определяют время его программирования и обучения персонала, удобство использования ПР и ряд других важных эксплуатационных характеристик. Организация диалога оператора с ПР предъявляет ряд противоречивых требований к ПО. Сюда относятся: обеспечение развитых возможностей программирования ПР и невысокие требования к квалификации оператора; универсальность входного языка и его специализация в области применения ПР; большое число вводимых параметров и ограниченность набора функциональнах клавиш.

До настоящего времени широко проводится разработка языков программирования ПР, имеющих различную организацию и возможности. Здесь следует отметить языки VAL для робота PUMA [711; SIGLA для системы OLIVETTI SIGMA [691; HELP для робота PRAGMA фирмы DEA [631; TEACH для системы «Bendix pacs-» [68], а также возможности программирования роботов Cuncinnati Milacron [70] и ASEA [64]. В этой категории языков внимание составителя программ сосредоточено на уровне исполнительного органа. Эти языки содержат примитивы выполнения движения, передачи управления, конструкции подпрограмм.

В рассматриваемой системе реализован язык программирования, достаточно хорошо удовлетворяющий отмеченным выше требованиям. Он представляет собой технологический язык формирования управляющей программы ПР для операций дуговой сварки, реализованный на базе экранных пультов индикации и подсказок.

В процессе диалога на экране дисплея высвечивается специфическое изображение, соответствующее задаваемой функции или 150

КАДР НОМ ФУНКЦИЯ

У сл 1 :

2 ;

3 :

1 МЕТКА [ДВИЖ ] СЛЕД -9.332

88.000 88.218

СКОР.

4 :

5 :

6 :

3

ОБУЧЕНИЕ

7.000

1.101

10.003

КАДР НОМ

ФУНКЦИЯ УСЛ

2 МЕТКА

ПРЯМ СЛЕД

СКОР.

2

X :

- 19.226

У> :

18.211

Y :

27.002

Ф;

6.118

Z :

88.218

е :

17.557

0

12

3

4

5

ДВИЖ

ПРЯМПРИР

ОКРЖ

ТРАН

ОЖИД

Рис. 5.5. Кадры программы для функций «Двнж» н «Прям» (пример индикации при вводе наименования функции управляющей программы)

набору параметров. При этом текущее значение одного из параметров индицируется на светлом поле (в курсоре). Размер курсора (число позиций) определяется типом данных.

Переход к заданию другого параметра в пределах имеющегося изображения осуществляется нажатием клавиш горизонтального и вертикального перемещения курсора. При этом курсор перемещается на место соседнего по горизонтали или вертикали параметра, являясь световым указателем вводимого параметра.

При вводе параметра, индицируемого в виде текста, в нижней части экрана появляется подсказка, определяющая соответствие текстов и цифровых клавиш. Такая индикация производится, например, при вводе наименования функции управляющей программы (рис. 5.5). При вводе цифровых значений, например для задания параметров манипулятора и условий сварки, подсказка не требуется (рис. 5.6).

Работа с экранными пультами индикации реализована на основе логических номеров данных. Каждый вводимый параметр имеет свой номер, в соответствии с которым для него определены место индикации на экране, расположение данных в памяти, размер поля индикации, пределы изменения и некоторые другие данные. Эти данные выбираются из таблиц при индикации каждого параметра, определяя таким образом форму, содержание и место индикации.

Перемещение курсора в пределах заданного изображения также реализовано в табличной форме. Для каждого изображения имеются две таблицы, определяющие изменения логических номеров данных при горизонтальном и вертикальном перемещениях кур-

КАДР НОМ 1ДАННЫЕ

СМЕЩЕНИЕ

МИН - ПРЕДЕЛЫ -

МАКС

1 : [1 -372]

1 : - 110.000

110.000

2 : - 94.533

2 : - 127.000

47.000

3:0.324

3 : - 30.000

35.000

4:6.507

4 : - 200.000

115.000

5:10.174

5 : - 93.000

97.000

6:4.839

6 : - 444.000

440.000

СКОР.

К

400

ГРАД/ИМП

1 :

90

1 : 180/16384

2 :

40

2 : 180/32 747

3 :

40

3 : 180/32 747

4 :

90

4 : 180/ 8193

ГОРЕЛКА

5 :

90

5 : 180/12295

ДЛ 454.00

6 :

90

6 : 180/ 6456

КАДР НОМ УСЛОВИЯ

1 СВАРКИ

- КРАТЕР -

ДАННЫЕ

Н

ТОК

НАПР СКОР.

ТОК

НАПР

НГ

УД

ЗК

кг

1

106

16.0

7.0

140

22.0

0.5

0.0

1.5

0.5

2

150

24.0

10.0

120

20.0

1.0

0.5

1.0

1.0

3

130

20.4

10.0

120

20.0

1.0

0.5

1.0

10

4

150

30.2

10.0

120

20.0

1.0

0.5

1.0

1.0

5

270

30.4

80.0

120

24.2

1.1

0.5

1.0

0.5

6

275

36.0

10.0

130

22.0

1.5

0.8

1.0

1.0

7

280

20.0

10.0

120

22.6

1.5

0.8

1.0

1.0

8

280

22.8

12.1

130

30.6

1.2

0.3

1.0

0.5

А

В

ММ/С

А

В

-е

5)

Рис. 5.6. Пример задания параметров:а — манипулятора; б — условий сварки

сора. При нажатии на соответствующую клавишу производится выборка из таблицы нового логического номера данных по текущему значению номера данных. После этого выполняются операции стирания курсора и индикации его на новом месте.

Диалог с использованием логических номеров данных позволяет организовать ввод и индикацию данных различного типа (целые, вещественные, битовые, текстовые) и формата, включая данные, занимающие 2,5 байт, расположенные с заданными пропусками в памяти.

Алгоритмы планирования движения х. Среди вычислительных алгоритмов устройств контурного управления ПР важнейшими являются алгоритмы, связанные с планированием движения, так как они оказывают существенное влияние на функциональные показатели ПР и имеют сравнительно высокую вычислительную сложность. Во всех алгоритмах такого типа в той или иной форме используется кинематическая модель ПР. В данном разделе рассмотрены три алгоритма, которые могут быть применены при управлении ПР различного назначения.

Программирование контурного движения ПР. Среди используемых в настоящее время методов программирования движения ПР можно выделить две группы: методы, связанные с ручным перемещением манипулятора (обучение); методы аналитического программирования. Первая группа методов применяется наиболее широко, что объясняется их простотой, наглядностью и адекватностью многим практическим применениям.

Большая часть методов этой группы использует кинематическую модель манипулятора, что позволяет программировать положения манипулятора в произвольных точках, задавать форму контура между программируемыми точками, использовать широкий набор устройств очувствления и обеспечивать нормальные условия работы оператора. Возможности систем управления этой группы неодинаковы. Некоторые из систем, например УКМ-772 и устройство управления робота PUMA, допускают задание движения рабочего инструмента в декартовой системе координат по прямой. Другие системы, позволяют также задавать движение по окружности (например, СУР-25 [37], KUKA IR 601/60 СР и др).

Во многих системах информация о положении манипулятора хранится в форме кодов обобщенных координат, однако в роботе PUMA и описываемой в данной главе системе управления эта информация представлена в форме декартовых координат и эйлеровых углов рабочего органа. Это обеспечивает возможность замены роботов или перераспределения их функций посредством обмена программами.

Существо методов аналитического программирования состоит в том, что программа работы робота, включая информацию о положении, составляется без манипулятора, аналогично программированию станков с ЧПУ. Достоинствами этих методов являются наиболее эффективное использование времени оператора и робота, возможность применения баз данных систем автоматизированного проектирования для получения больших объемов информации

Материал данного раздела подготовлен совместно с В. И. Кавиновым.

о положении и устранение ошибок, возникающих при ручном проя граммировании движений. Основными проблемами, характерными для методов аналитического программирования,являются обеспечение адекватности моделей манипулятора и рабочего пространства, разработка соответствующих систем автоматизированного проектирования, связь их баз данных с системами управления ПР и некоторые другие. Более подробная информация об использовании методов аналитического программирования содержится в работах [65, 661. В работе [19] приведен один из возможных алгоритмов аналитического программирования движений робота по пространственным контурам.

Использование методов аналитического программирования, видимо, наиболее перспективно в тех отраслях промышленности, где для применения роботов характерно большое число программируемых точек и имеется определенный опыт создания систем автоматизированного проектирования.

Алгоритмические различия между методами двух групп невелики и обусловлены в основном спецификой входных данных. При программировании обучением в качестве входных данных служат показания датчиков положения ПР, которые затем преобразуются в координаты положения рабочего органа. При аналитическом программировании на входе используются либо координаты деталей во внешней системе координат, либо координаты положения рабочего органа ПР. В первом случае необходимо выполнить дополнительное преобразование координат, а во втором случае алгоритм программирования движения является частью алгоритма, используемого в методах, ориентированных на обучение.

Построение эквидистантных траекторий движения ПР. Под эквидистантными понимаются траектории, расстояние между которыми на всем их протяжении постоянно. Необходимость разработки таких алгоритмов возникает при использовании ПР для электродуговой сварки, нанесения покрытия, шлифования и т. п. Так, для обеспечения качественного шва при электродуговой сварке при большой ширине разделки на стык свариваемых деталей помимо базового или корневого шва необходимо накладывать несколько швов, находящихся на одинаковом расстоянии от корневого шва (сварка секциями) [38]. Программирование швов'по отдельности приводит к увеличению времени обучения ПР и росту объема информации, вводимой оператором.

Предлагаемый ниже алгоритм требует от оператора задания только одной начальной точки для эквидистантных траекторий.

Постановка задачи заключается в следующем. Имеется базовая траектория, заданная как последовательность точек х? (где у = 177, г — число точек; i = 1, 2, 3 — индексы осей) в декартовой системе координат 0xt и декартовы координаты начальной точки эквидистантной траектории х). Необходимо определить декартовы координаты последовательности точек х;, характеризу-

ющие эквидистантную траекторию с началом в точке х}, что равнозначно определению вектора смещения 6У, соединяющего точки х? и хУ.

Решение задачи выполняется путем введения подвижной системы координат A^Zt (где у — индекс точки; I— индекс оси), связанной с базовой траекторией, с началом в точках

Рис. 5.7. Связь подвижной системы координат с базовой траекториейРис. 5.7. Связь подвижной системы координат с базовой траекторией|т?«I|т?«Iот?л?от?л?Р? Р?Р? Р?от? л?р?от? л?р?хУ (рис. 5.7). Матрица перехода от неподвижной системы координат 0хг к подвижной А-^ имеет следующий вид:

Рис. 5.7. Связь подвижной системы координат с базовой траекторией

Рис. 5.7. Связь подвижной системы координат с базовой траекторией

|т?«I

|т?«I

от?

л?

от?

л?

Р? Р?

Р? Р?

от? л?

р?

от? л?

р?

где направляющие косинусы осей рУ, nL ml вычисляются по формулам:

rf - №■ - Z?)/ /(,г' - Щ И+1 - хВ; (5.1) "7 = W|M (V? = «И»;(5.2)

mJ = е{МпХр^(5.3)

где еш — символ Леви—Чивита.

Вектор смещения §У в начальной точке базовой траектории определяется известными координатами точек х) и х}:

6< = х* - х*.(5.4)

После подстановки в приведенные формулы для определения матрицы перехода «У* значений декартовых координат трех первых точек базовой траектории х), х® и х® вычисляются координаты z) начальной точки эквидистантной траектории в системе координат A1zi:

А = »U (хк - Хд) = а)Х (5.5)

Вычисленные значения координат z) в соответствии с определением эквидистантной траектории должны быть постоянны в системе .координат АЧЬ Таким образом, z? == z).

Определив для первой точки вектор смещения 6* и координаты z}, можно последовательно найти декартовы координаты х! для всех г точек базовой траектории:

хХ = хХА-а^ (5-6)

где хХ вычисляются в соответствии с предыдущим алгоритмом.

Алгоритм включает следующие этапы.

Формирование базовой траектории. На этом этапе оператор в соответствии с реализованным методом программирования движения ПР задает необходимую информацию для расчета траектории движения, которая характеризуется набором т точек. Каждая точка определена значениями координат положения рабочего инструмента ПР. Таким образом, в управляющей программе имеется последовательность декартовых координат Х{ и эйлеровых углов ф; (/ = 1, т\ i = 1,3).

Вычисление координат начальной точки эквидистантной траектории в подвижной системе координат. Далее оператор в соответствии с методом программирования должен ввести декартовы координаты Xi точки начала эквидистантной траектории. Значения декартовых координат х}, х), X;, х^ согласно формулам (5.1) — (5.5) полностью определяют значения z}, характеризующие положение начальной точки эквидистантной траектории в подвижной системе координат A1zi.

Вычисление положения точки, лежащей на эквидистантной траектории. На этом этапе генерируется вектор положения следующей точки эквидистантной траектории. Положение смещенной точки определяется согласно (5.6), после чего решением обратной кинематической задачи реализуется переход к обобщенным координатам ПР, аналогично предыдущему алгоритму. Этап 3 алгоритма повторяется до окончания построения эквидистантной траектории.

Адаптация ПР к положению детали. В настоящее время .в целях расширения функциональных возможностей и областей применения ПР большое внимание уделяется разработке для них адаптивных систем управления.

Рассмотрим задачу адаптации ПР к изменению положения детали относительно положения, заданного в управляющей программе. Попытки внедрения ПР на операциях, где детали не могут быть точно установлены в заданное положение, при традиционном подходе приводят к разработке специализированной высокоточной оснастки или к повторению обучения. Это вызывает увеличение стоимости РТК или снижение его быстродействия и эффективности.

Для определения реального положения детали необходимы датчики, которые могут быть установлены как на самом манипуляторе, так и вне его. Применяемые в настоящее время датчики

классифицируются как по функциональному назначению их в системе управления (измерение положения детали, измерение отклонений контура), так и по принципу действия (тактильные, телевизионные, электромагнитные и т. п.) [22].

По режиму функционирования датчиков по отношению к процессу их можно разделить на датчики предварительного и синхронного измерения.

Высокие требования предъявляются к датчикам ПР для дуговой сварки. Это обусловлено как тяжелыми условиями работы, так и сложностью определения положения сварного шва. Одно из удачных решений в области синхронного измерения (слежения за швом) найдено при разработке ПР «Cincinnati Milacron». В этом роботе используется информация о значениях тока и напряжения сварки для определения расстояния от поверхности свариваемого объекта до конца электрода. Однако эта система не обеспечивает решения задачи поиска шва.

Названная задача может быть решена с помощью телевизионных систем, однако их применение в ряде случаев оказывается малоэффективным. Ниже рассмотрен алгоритм определения положения начала шва, основанный на применении тактильного датчика и не требующий существенных затрат на разработку и изготовление аппаратуры. В данном случае в качестве чувствительного элемента датчика используется сварочная проволока, которая в режиме измерения находится под напряжением. В момент касания между проволокой и свариваемым объектом происходит падение напряжения, что фиксируется соответствующей схемой. Текущее положение ПР, соответствующее этому моменту, определяет декартовы координаты точки касания и заносится в память.

Рассмотрим определение смещения детали от положения, зафиксированного в процессе обучения. Рассмотрим узел с тремя плоскими гранями, не параллельными друг другу. Положим, что смещение имеет характер параллельного сдвига. Тогда исходное («обучаемое») и смещенное положения узла должны удовлетворять приведенным ниже системам уравнений:

(^A^h)#l = Ьц", (5.7)

^h^k)p. ™ 5ц, (5.8)

где ак — направляющие косинусы нормали к грани; хк, хк — декартовы координаты точек в исходном и смещенном положениях узла соответственно; й — 1, 3 — индексы осей неподвижной системы координат 0хк; р, = 1, 2, 3 — индексы граней узла; Ь, 5 — расстояния до грани в исходном и смещенном положениях узла соответственно.

Вместо систем уравнений (5.7) и (5.8) можно использовать урав- I нения, описывающие отклонение смещенного положения от исход~.| ного: ‘|

(сцДх^у = Aby, Aby =Бу- by,

On

«12

«13

Онк =

«21

«22

«23

«31

«32

«33

Переходя от координат Ахцй точек, лежащих на различных i плоскостях, к координатам Ахь точки, лежащей на пересечении .] плоскостей, запишем ciyh Ахк = Aby.s

Решая эту систему относительно Ахк, получим значения сме- ; щения узла Ах^ = йукАЬу.

Для вычисления смещения узла необходимо определить j направляющие косинусы а^нормалей к граням узла и расстояния j by, Бу. Выражения для вычисления ак и b вытекают из уравнения плоскости, проходящей через три точки х? (у = 1, 3 — индексы \« точек; i = 1, 3 — индексы осей декартовой системы координат): j

а,^ = b,)

где at = At[\ А£ |; А, = е£Ы Ах^1 Ах^; b = а£х\; Ах^1 = х^ — хк; .1 Axf = х| — х,; I, к, I = 1, 2, 3.

Таким образом, для вычисления смещения узла необходимо j определить декартовы координаты трех точек в исходном положе- ) нии х^ и декартовы координаты Хук одной точки на каждой грани ; узла в смещенном положении. Значения хик записываются опера- j тором при составлении управляющей программы. Значения декартовых координат точек хик в смещенном положении узла опреде- ? ляются в автоматическом режиме работы путем движения мани- = пулятора к измеряемой плоскости и фиксации момента касания датчиком поверхности узла.(

Движение манипулятора от одной грани к другой задаётся^ оператором путем вывода манипулятора в промежуточную точку, 1 выбранную из условия безопасного перехода от грани к грани, j

Размеры плоскостей узла могут быть соизмеримы с допусками ] на смещение узла, что может привести к прохождению датчика , мимо грани. В этом случае необходима коррекция исходных дан- ] ных по результатам определения смещения Sky, измеренных плос- костей в направлении нормали. Значение смещения плоскости ; Skyt вычисляют по следующим зависимостям:j

bXyi = Xyl Ху£, Су = (йквХ^у, bkyi = ^CQ^y.J

Коррекция исходных данных о положении неизмеренных пло- 3 скостей по результатам измеренной р-й плоскости проводится = на основании следующих соотношений::

Xsi — Xs£ -j- 6ку£‘, S “ р -|- 1,3.|

Применение манипулятора в качестве средства измерения упрощает структуру аппаратурной части системы управления. Однако это накладывает дополнительные требования на точность изготовления, поскольку его геометрические параметры используются при расчете положения узла. Следует отметить, что в алгоритме заложена частичная компенсация погрешностей модели манипулятора.

Описанный алгоритм имеет ограничения: в нем не учитываются возможные перекосы и повороты деталей. Чтобы учесть эти факторы, необходимо увеличить число измеряемых точек на гранях до шести, что приводит к снижению производительности ПР.

Следует отметить, что рассмотренный класс деталей (имеющих три плоские грани) и характер их смещения (параллельный сдвиг) являются широко распространенными при автоматизации производственных процессов.

Технология разработки ПО. По мере развития устройств управления ПР и другого технологического оборудования важную роль приобретает технология разработки ПО. Действительно, объем ПО в зависимости от назначения устройства и языка программирования в типичных случаях составляет тысячи и десятки тысяч команд. Ситуация осложняется тем, что использование языков высокого уровня часто не обеспечивает требований малых систем реального времени вследствие недостаточной эффективности соответствующих трансляторов по памяти и быстродействию генерируемых программ. Это приводит к необходимости широкого использования языков низкого уровня типа ассемблера или макроассемблера, что влечет за собой увеличение числа операторов в исходной программе.

При средней производительности программистов около тысячи отлаженных и документированных операторов в год трудоемкость разработки ПО по одному проекту составляет десятки и сотни человеко-месяцев. Поэтому технология разработки ПО существенно определяет сроки создания, область применения и надежность программного изделия, трудоемкость сопровождения и поддержки в процессе эксплуатации.

Вопросам технологии проектирования ПО в последнее время уделяется значительное внимание [12, 29, 57], поэтому остановимся лишь на специфических аспектах, связанных с разработкой ПО для микропроцессорных устройств управления ПР.

Основными этапами разработки ПО являются составление технического задания, выполнение технического проекта, выполнение рабочего проекта,

Основное внимание на этапе составления технического задания уделяется области применения ПО, которая определяет возможности использования ПР и класс управляемых объектов (манипуляторов). При этом следует стремиться к обеспечению максимально возможной области применения с учетом всех возможностей аппаратурной части устройства и перспективы его развития.

Кроме того, последующие затраты на переработку ПО должны; быть минимальными. Идеальным вариантом здесь могла бы быть1 разработка ПО сразу на всю область применения. В ряде случаев это удается сделать путем введения таблиц параметров, определяющих управляемый объект и его технологическое применение, использования директив условной трансляции, библиотек макроопределений и т. п. Таким образом могут быть решены многие проблемы, включая настройку ПО на различные варианты построения аппаратурной части устройства управления.

На этапе технического проекта решаются вопросы организации структуры программ и данных, создания внешних спецификаций программ. Существенными факторами здесь являются выбор структуры данных управляющей программы, детальная спецификация аппаратурной части устройства, спецификация, взаимодействия процессоров и задач, внешние спецификации ключевых программ и предварительная оценка временных диаграмм решения критических задач. Первые две стадии обычно выполняются небольшим числом сотрудников высокой квалификации, так как решения, принятые на этих стадиях, определяют качество проекта ■ в целом и сроки его выполнения.

На этапе рабочего проекта необходимо осуществить проекта-1 рование, кодирование, отладку и испытания программ. Одним из наиболее оправдавших себя на практике является принцип проектирования сверху вниз. При этом все стадии рабочего проекта, осуществляются последовательно, начиная с наиболее важных, го-1 ловных программ, содержащих обращения к подпрограммам еле- j дующего уровня. Подпрограммы нижнего уровня в процессе отлад-. ки вызывающих их модулей представляют собой «программные ; заглушки».;

В ряде случаев достаточно обеспечить обычный возврат управ-J ления после вызова подпрограммы с выполнением отладочной; индикации..

Достоинствами этого принципа являются рациональная еггрук- s тура программы, отсутствие существенных ошибок в подпрограм- ; мах высокого уровня, удобное согласование программных интерфейсов, возможность параллельного выполнения всех стадий pa-j бочего проекта и т. п.1

В процессе проектирования необходимо с самого начала пре- дусмотреть разработку диагностических программ, которые по- | требуются как при отладке ПО совместно с аппаратурой устройства I управления, так и в условиях эксплуатации.j

Во время кодирования программисты используют различные ; методы описания функционирования программ: логические схемы, диаграммы HIPO, псевдокоды и т. д. Выбор формы описания опре-; деляется в основном разработчиком. По имеющемуся у автора опы-' ту, программы со сложной логикой удобно проектировать с ис-; пользованием схем, вычислительные программы — с использова- : нием формализованного описания алгоритма (типа приведенного;

в предыдущем разделе). Во многих промежуточных случаях достаточно подробного содержательного комментирования текста программы. Построение самодокументированных программ существенно облегчает сопровождение документации при внесении изменений в программу.

Важным моментом, определяющим качество и трудоемкость создания программ, является квалификация разработчика. По некоторым сведениям, объем и время выполнения программы могут изменяться в пределах 1 : 10 при заданных внешних спецификациях программы. Кроме того, трудоемкость сопровождения и модификации программы также существенно зависит от того, как она вначале была закодирована на языке программирования.

Для правильно написанной программы характерно широкое использование макрокоманд, выполняющих часто встречающиеся примитивные операции, таблиц параметров и директив условной трансляции, упрощающих настройку ПО на заданное применение.

Одним из наиболее трудоемких этапов рабочего проекта является отладка программ, которую можно разделить на две части: автономную и комплексную. Первая часть выполняется на инструментальной ЭВМ, имеющей ту же систему команд, что и процессор, используемый в устройстве управления, либо обладающей необходимыми кросс-средствами. При этом проводятся синтаксический контроль программы и имитация работы комплекса программ при отсутствии на инструментальной ЭВМ устройств ввода- вывода, имеющихся в устройстве управления ПР. Вместо регистров внешних устройств могут быть использованы ячейки памяти с соответствующей имитацией изменения их содержания и индикацией результатов.

Вторая часть отладки реализуется в составе работающего устройства управления ПР и состоит в совместной отладке аппаратуры и ПО, включающей контроль работы устройства в реальном масштабе времени. Удобным средством комплексной отладки является логический анализатор, позволяющий выполнять трассировку программ, анализ цифровых сигналов и временных диаграмм.

На этапе тестирования выполняется окончательная доводка ПО согласно спецификациям, сформулированным в техническом задании. На этом этапе особое внимание обращается не столько на то, чтобы ПО правильно функционировало в нормальных ситуациях (это должно быть обеспечено на предыдущем этапе), сколько на отсутствие неадекватных реакций в ненормальных условиях (ошибки оператора, ошибки ввода, недопустимые входные или промежуточные данные). Заметим, что все ненормальные ситуации необходимо заранее разделить на обрабатываемые автоматически и требующие вмешательства оператора. В первом случае следует определить процедуру обработки ситуации, а во втором —

1611616 П/р Я. А. Шифрина

161

161

индикацию оператору, перевод устройства в соответствующее состояние и обработку последующих действий оператора для продолжения работы.

Автоматизация проектирования ПР

Автоматизация проектирования — это одна из областей наиболее перспективного использования вычислительной техники. Она позволяет кардинальным образом сократить сроки проектирования, сделать его более качественным, что в масштабах страны сулит огромный экономический эффект.

Имитационная подсистема. По современному представлению, в основе систем автоматизации проектирования (САПР) сложных систем, в том числе робототехнических, должна лежать разветвленная имитационная система, включающая целый комплекс реализованных в виде программ машинных моделей отдельных подсистем проектируемой системы. При наиболее общем представлении применительно к робототехнике к таким подсистемам относятся: исполнительная подсистема, т. е. совокупность механической системы робота с приводами; подсистема принятия решений, в конечном счете формирующая управление приводами робота в результате обработки командной информации, задаваемой человеком, и информации о внешней среде, доставляемой информационной системой; информационная подсистема; подсистема общения человека и робота.

Желательно, чтобы модели этих подсистем были универсальны, т. е. настройка на модель конкретной подсистемы могла быть просто осуществлена оператором путем задания соответствующих значений параметров, определяющих эту модель. Кроме того, должна быть предусмотрена простая возможность компоновки из^ этих моделей подсистем того или иного варианта модели всей системы, а также возможность задания того или иного вида м^ишн- ного эксперимента с моделируемыми подсистемами и всей системой в целом. При этом должна обеспечиваться возможность вывода на печать или в виде, графического материала различных сочетаний переменных по выбору, характеризующих поведение системы.

Поскольку автоматизированное проектирование в принципе должно обеспечивать выбор оптимального варианта проектируемой системы, эффективность функционирования которого определяется десятками и сотнями различных параметров, то полностью укомплектованная имитационная система должна содержать и специальную систему правил, алгоритмов программ и других средств, которые позволяют осуществлять экономный поиск наилучшего варианта системы в пространстве этих параметров, причем поиск неформальный, так как размерность задачи оптимизации чрезвычайно велика. Эти средства составляют основу технологии автоматизированного проектирования сложных объектов. Важным инструментом имитационной системы являются банки данных,

содержащие разнообразные справочную и другую информацию, которая должна облегчить работу проектировщика.

Рассмотрим более подробно некоторые машинные модели подсистем и устройств робота, с помощью которых можно выполнить начальные этапы проектирования его механической подсистемы, осуществить выбор приводов, проверку и сравнение принципов управления роботом в целях выявления наиболее перспективного определения основных параметров сенсорной подсистемы, устройства управления робота, на котором реализуются выбранные принципы.

К рассматриваемым моделям относится машинная модель механической подсистемы робота, устанавливающая связь в виде системы дифференциальных уравнений между обобщенными координатами g и обобщенными силами Q робота:

a (g, м, 9, х, х0, К) g +

т

+ 2 М, 9, х, х0, Ш-

S=1

- Qbbc (g. M, 9, X, Xo, X) = Q + Qb,(5.9)

где Л и D, — m X m-матрицы инерции и коэффициентов Кристо- феля 1-го рода; М, 9, X, Хо и К — параметры, определяющие соответственно массы, моменты инерции, длины, центры масс звеньев манипулятора робота, его корпуса, и параметр, характеризующий кинематическую схему механической конструкции; е, — единичный вектор с s-й ненулевой компонентой; QBec и QB — m-мерные векторы соответственно сил, определяемых весами звеньев корпуса, переносимого роботом груза, и возмущающих сил.

Эта модель универсальна, так как зависит от многочисленных параметров, характеризующих исполнительную механическую систему робота, и может быть «настроена» на любой конкретный робот вплоть до робота с произвольным числом степеней подвижности и произвольной кинематической схемой.

Это осуществляется за счет придания варьируемым параметрам модели соответствующих значений.

Модификацией приведенной выше универсальной модели является модель робота, манипулирующего предметами со «связями», которые формализованы конечными равенствами:

A(g, М, 9, X, Хо, Х)£ +

+ S (№&, М, 9, X, Хо, Х)^]^-

-QBecte. м, 9, х, Хо, X) = Q + QB+(^У>;

RteW-

где {dRIdg^r — m-мерный вектор обобщенных сил реакций, обусловленных связями; г — f-мерный вектор связей.

С помощью этих моделей можно решать прямую задачу механики, т. е. по заданному закону движения в пространстве обобщенных фазовых координат £ф (/) = [g (/), g (t), g (t) ] определять законы изменения обобщенных сил Q (<), обеспечивающих этот закон, а также обратную задачу, т. е. по заданному Q (<) находить gф VY

К основным относится и универсальная модель электромеханического привода, устанавливающая связи между вектором выходных координат привода gn, вектором обобщенных сил Q и вектором управления приводами Un:

+i«+£e+iM'®+iM’(«) = u- <5-10>

где 6П, £эдс, кт — диагональные матрицы m х пг моментов инерции роторов приводных двигателей, коэффициентов противоЭДС, коэффициентов трения со смазочным материалом; L/k^, 7?/feM — диагональные матрицы m х иг отношений коэффициентов самоиндукции якорей и сопротивлений приводных двигателей к коэффициентам пропорциональности между моментами Ft приводных двигателей и токами якорей /яг; Мт (g) — вектор моментов трения без смазочного материала в редукторе.

Для описания реальных конструкций робота необходимо использовать и универсальную модель редуктора, учитывающую упругую деформацию и свободный ход, устанавливающую связь между вектором обобщенных координат робота, векторов выходных координат (переменных) привода и вектором передаваемого через редуктор момента:

F = (Л, Fa, .... Fm);

F i = Суг + ^уг.

Здесь

gin gi 6,gin gi 6,О,gin — gi + 6,О,gin — gi + 6,если gin — gt>8;если gln - gz < 6;если gin — gi< —8,если gin — gt>8;если gln - gz < 6;если gin — gi< —8,(5.И)(5.И)

gin gi 6,

gin gi 6,

О,

gin — gi + 6,

О,

gin — gi + 6,

если gin — gt>8;

если gln - gz < 6;

если gin — gi< —8,

если gin — gt>8;

если gln - gz < 6;

если gin — gi< —8,

(5.И)

(5.И)

где С и d — коэффициенты влияния; gin, gt — приведенная к нагрузке i-я координата привода и i-я обобщенная координата; 26 — зона свободного хода.

• Кроме того, следует учитывать модель трения без смазочного материала в редукторе:

/ АЛ I — АЛ I\

при gj 0 MTj = i+xisj ’ + Мз) Sgn ^

при gj = О

Л4ту —Л4ту —Qj-A(g, м, е, х, Хо, K)gb + QBec= 2L если | S | < Мtj max!

Л4ту —

Л4ту —

^Tj max Sgn ^J > еСЛИ || 2> ^tJ max»

где MTy, Qj, Qj Bec, A ( )g b — составляющие векторов трения, обобщенных сил, веса и инерционных сил.

В состав имитационной подсистемы САПР робототехнических устройств должен войти и набор моделей устройств управления (регуляторов), связывающих вектор управления приводами, вектор заданных командных воздействий g3 (/) с векторами измеряемых датчиками переменных, например обобщенных координат g (<), скоростей g (^), усилий реакций G и т. д., с возможностью учета дискретного во времени формирования вектора управлений, что характерно для реальных устройств с конечным быстродействием: Un = f(g, g. G).

Необходимо иметь и набор моделей датчиков измерения обобщенных координат, скоростей, усилий реакций и т. д. с учетом ограниченной их точности, а в случае дискретных датчиков — разрядности.

Обязательной принадлежностью имитационной системы является универсальная кинематическая модель, зависящая от параметров X и К, связывающая вектор X, характеризующий положение рабочего инструмента, закрепленного в захватном устройстве, с вектором обобщенных координат g:

X = f (g, к К), (5.12)

а также производные этих векторов

(5.13)

На основе этих моделей и различных их сочетаний можно формировать модели конкретных робототехнических устройств, ставить различные машинные эксперименты с проектируемыми подсистемами и всем устройством в целом, например исследовать движение несущей механической системы и исполнительной механической системы роботов с самыми различными кинематическими схемами, конструкциями и параметрами, а также замкнутой системы управления робота со всевозможными видами законов управления, решать прямую задачу механики, т. е. находить силы, необходимые для обеспечения заданного закона движения, и т. д. При этом по мере необходимости можно дифференцированно изу-

чать влияние на движение различных параметров и факторов, в том числе таких трудно поддающихся анализу, как трение без смазочного материала, ограниченная точность (дискретность датчиков), упругость сочленений, дискретность регулятора, различные виды возмущений и т. д.

Средства общения с САПР. Обеспечение возможностей, которые даст имитационная система САПР, предполагает эффективный диалог с САПР, т. е. наличие технических и программных средств, делающих процедуру постановки вопроса и анализа ответа относительно простой, а время между заданием вопроса и получением ответа относительно небольшим.

В качестве технических средств обеспечения диалога используются алфавитно-цифровые и графические дисплеи. Для документирования результатов машинного эксперимента с проектируемыми системами, а также промежуточных и конечных этапов проектирования используются графопостроители и печатающие устройства.

Диалог с САПР осуществляется на специальном проблемно ориентированном языке. Желательно, чтобы структура его была достаточно проста и он мог без особого труда быть усвоен любым пользователем, не являющимся программистом.

К основным относятся следующие операторы:

определяющие тип машинного эксперимента с проектируемым устройством и его подсистемами;

обеспечивающие ввод параметров проектируемой механической подсистемы робота, его приводов, типа и параметров механических связей, если робот перемещает объекты со связями, параметры устройства управления и т. п.; эти операторы порождают диалог с человеком-оператором, который построен таким образом/ чтобы оператор не забыл ввести весь многочисленный набор данных, необходимых для осуществления машинного эксперик!ента, определяемого одним из первой группы операторов;

задающие виды выводимых переменных и их число, а в случае графического вывода — масштаб, аргументы и т. д.;

определяющие внешние устройства, на которые выводятся результаты;

задающие форму выводимых результатов (текст, таблица, график);

общения с банком данных;

пересылки массивов данных;

условных и безусловных переходов в зависимости от получаемых в процессе проектирования результатов, а также цикла.

Заметим, что с помощью двух последних групп операторов можно программировать конкретные задачи различных этапов проектирования в принципе любой сложности.

Наряду с обычным диалоговым режимом взаимодействия с САПР, целесообразно предусмотреть и пакетный режим в случае 166

весьма сложных задач проектирования с большим счетным временем, что затрудняет диалог. Желательно предусмотреть задание пакетного режима с терминала.

Операторы языка выполняются с помощью языкового процессора или мониторной системы. В качестве языка, на котором программируется этот процессор, удобно применять макроязык большой ЭВМ, который используется для реализации САПР. В состав указанных языков входят команды операционной системы. Таким образом, языковый процессор как бы погружен в операционную систему используемой ЭВМ. Языковый процессор активизируется (вводится в оперативную память с дисковых носителей) после вызова САПР. И в дальнейшем, все общение с оператором осуществляется через нее.

В функции САПР входят:

синтаксический и простейший семантический анализ конструкций языка и выдача результатов диагностирования;

ввод с внешних носителей в операционную память машинных моделей, которые необходимы для решения задачи, заданной основным оператором, с установлением каналов обмена информацией между вызванными моделями;

, организация диалога с оператором, уточняющего характер решаемой задачи и «заставляющего» его безошибочно вводить все параметры проектируемой системы, необходимые для решения задачи;

обеспечение возможности редактирования.

Методика проектирования ПР с помощью САПР. Процесс автоматизации проектирования включает несколько этапов, соответствующих разным стадиям разработки проекта.

Первые этапы проектирования носят творческий характер, их можно назвать исследовательскими этапами. Они должны помочь главному конструктору осуществить проверку первоначального замысла системы и принципов построения отдельных ее подсистем, отобрать наиболее приемлемые варианты, выбрать основные параметры системы, оценить различные характеристики ее эффективности.

Для реализации этих этапов используется описанная выше имитационная система, т. е. машинные модели проектируемых подсистем и системы в целом, а также средства организации поиска оптимальных вариантов.

Последующие этапы имеют целью автоматизировать огромный объем проектно-технической работы и, в первую очередь, работу по созданию и отладке математического обеспечения по разработанным на первых этапах алгоритмам, многочисленные чертежные работы, стандартные инженерные расчеты. Если в состав системы входят нестандартные вычислительные средства, то в проектно-технические работы входит разработка этих средств, для чего используются достаточно развитые к настоящему времени средства машинного проектирования цифровой аппаратуры.

Методика проектирования робота с помощью САПР зависит от i характера технического задания, т. е. от вида требований, кото- ) рым должен удовлетворять проектируемый робот.?

Наиболее целесообразно при составлении технического зада- = ния исходить из перечня и описания основных (базовых) техноло- ; гических операций, для которых предназначается робот.

В число операций следует включить наиболее сложные с точки зрения обеспечения таких характеристик, как точность, быстро- 5 действие, грузоподъемность и т. д.!

Базовые операции удобно описывать в виде зависимости от *, времени вектора X (0. характеризующего положение рабочего ' органа в инерциальной системе координат. Дополнительно к этому ‘ должна быть указана точность отработки этого вектора положе- ' ния, массы предельных транспортируемых грузов или значения j сил реакций, которые могут действовать на рабочий орган.

Необходимо определить качество переходного процесса в от- 1 работке замкнутой системой управления приводов робота типовых возмущений. Возможным способом оценки качества является ; определение времени затухания переходного процесса, значений ( перерегулирования, колебательности. Желательно задать характерные возмущения, действующие на механическую часть робота ’ (возмущающие силы) или устройство управления (электрические ! сигналы — помехи). Очень содержательной характеристикой задания является зона обслуживания робота, т. е. объем трехмерного ; пространства, в котором может находиться рабочий орган при ! функционировании ПР и иметь возможность вращения в заданных i пределах по трем углам (зона 3-го порядка), двум углам (зона / 2-го порядка), одному углу (зона 1-го порядка). Наконец, в ряде случаев целесообразно включать в задание ограничение на расход энергии при осуществлении базовой операции.

В целом ряде практических случаев техническое задание может накладывать более узкие рамки на проектируемый робот. Обычно это имеет место, когда приходится ориентироваться на готовые конструктивные решения отдельных узлов робота или на конкретный тип комплектующих изделий, выпускаемых промышленностью, например, в случае модульного подхода к созданию механической части робота, когда конструкции типовых модулей, из которых компонуется механическая часть робота, заданы. В этом случае проектирование механической части робота существенно ; упрощается и сводится к перебору возможных сочетаний модулей ? с целью поиска наилучшего с точки зрения удовлетворения требований технического задания. Возможно задание типа используе- j мого привода.'

Начальные этапы проектирования робототехнического устрой- < ства, как уже упоминалось ранее, должны разрешить ряд прин- j ципиальных вопросов его создания. На этих этапах выясняется j корректность технического задания, уточняются, а иногда изме- * няются его требования, исходя из возможностей физической ре-

ализации их в совокупности, осуществляется проверка и сравнение различных принципов построения отдельных подсистем робота (подсистем управления, механической подсистемы, подсистемы очувствления), выбор основных (базовых) параметров этих подсистем, оценка эффективности функционирования проектируемого ПР.

Наиболее целесообразно процесс проектирования начать с выбора кинематической схемы робота, т. е. числа и длин звеньев робота, а также типов и направления осей шарниров, их сочленяющих; в случае модульного подхода к созданию конструкции на этом этапе осуществляется выбор типов стандартных модулей и характера их соединения в конструкцию. Процесс выбора основан на проверке возможности решения обратной задачи кинематики (нахождения вектора обобщенных координат робота по заданному вектору положения) для каждой выделенной точки в определенной техническим заданием зоне обслуживания для заданного диапазона углов вращения рабочего инструмента в этой точке; точки выделяются так, чтобы они были равномерно распределены по всей зоне обслуживания.

Для этой цели в качестве основного инструмента используется универсальная кинематическая модель робота (5.12), связывающая вектор его обобщенных координат с вектором положения рабочего органа. Путем ввода конкретных значений параметров X, К, от которых зависит эта модель, ее настраивают на конкретный тип кинематической схемы и для этого конкретного типа решают обратные задачи кинематики для каждой выделенной точки в анализируемой зоне. При невозможности решения обратной задачи осуществляется автоматическая или с помощью человека вариация кинематической схемы в целях достижения решения.

Языковые и системные программные средства САПР должны позволить сформулировать описанную процедуру выбора кинематической схемы. Выходом этой процедуры является кинематическая схема робота, при которой обратная задача имеет решение во всех заданных зонах обслуживания для всего заданного диапазона углов вращения рабочего органа в этих зонах.

Следующим этапом проектирования является выбор привода и уточнение конструкции механической части робота. Задача этого этапа — выбрать приводы каждой из степеней подвижности возможно меньшей мощности.

Варьируемыми величинами являются конструктивные параметры звеньев исполнительного устройства робота. Одними из характерных являются площадь и форма поперечного сечения звеньев. Очевидно, при заданных длинах звеньев, определенных на предыдущем этапе, чем меньше площадь сечения, тем меньше масса и моменты инерции звеньев, а следовательно, для реализации заданного базового движения потребуются приводы меньшей мощности. С другой стороны, уменьшение площади сечения приводит-к увеличению механических напряжений в звене и изгиб-

ных деформаций, допустимые значения которых определены техническим заданием.

Таким образом, возникает задача оптимизации. Она заключается в нахождении приводов минимальной мощности, являющейся функцией площади сечения звеньев. При этом необходимо учитывать ограничения на изгибные деформации звена и механические напряжения в нем, которые также являются функциями площади сечения. Если тип привода определен техническим заданием, то рационально при тех же ограничениях минимизировать время выполнения базовой операции, что приводит к уточнению технического задания. Решение этой задачи основано на использовании процедуры нахождения обобщенных сил, обеспечивающих выполнение базовых операций, определенных техническим заданием в виде зависимости вектора положения рабочего инструмента от времени с учетом того, что манипулятор должен транспортировать груз заданной массы, определенной техническим заданием.

Для этой цели в качестве основного инструмента используются универсальные кинематические модели робота, связывающие соответственно вектор положения с вектором обобщенных координат робота (5.12) и производную по времени от вектора положения с вектором обобщенных скоростей (5.13), а также динамическая модель робота (5.9), связывающая вектор обобщенных сил робота Q с вектором обобщенных координат g (t), скоростей g (^) и ускорений g ^.

Первые две модели после настройки их на конкретную кинематическую схему робота для каждого момента времени позволяют определить по заданным векторам X(t) и X (О величины git) и g (t); вектор обобщенных ускорений определяется по приращениям Ag (/) на заданном интервале времени М.

Динамическая модель позволит для каждого момента времени определить по заданным g (t), g (/), g^ требуемое значение вектора обобщенных сил Q (О, которые должны обеспечивать выбираемые приводы.

Динамическая модель должна быть настроена на конкретный тип кинематической схемы робота, для которого многократно решается прямая задача механики, т. е. находится зависимость от времени вектора обобщенных сил Q (<) по заданным g (f), g(t), g(t). Варьируемым параметром может быть площадь поперечного сечения звеньев робота, которая определяет массы и моменты инерции звеньев. Поэтому для каждого нового значения площади сечения при решении прямой задачи необходимо использовать новые значения масс и моментов инерции звеньев и вводить их в модель. Выходными переменными решения, помимо зависимости от времени обобщенных сил, являются также зависимости от времени изгибных сил в опасных сечениях и упругих деформаций, что позволяет завершать процесс решения обратной задачи для площади сечения, при которой достигаются ограничения на механи- 170

ческие напряжения, пропорциональные изгибным силам, или на изгибные деформации.

Таким образом, в процессе многократного решения прямой задачи динамики каждый раз для меньшей площади сечения, чем предыдущая, в конце концов определяется оптимальная зависимость во времени обобщенных сил, удовлетворяющая ограничениям. Поскольку ранее получена зависимость g (/), легко вычалить требуемые зависимости во времени мощностей, которые должны развивать приводы каждой из степеней подвижности робота:

Зависимость Pt (t) для каждой степени подвижности позволяет выбирать тип привода и тип редуктора. Языковые и программные средства САПР должны позволить сформировать процедуру вычисления требуемых мощностей приводов робота для разных сечений звеньев.

Последующим этапом проектирования является выбор типа и параметров регулятора, т. е. определения вида и параметров зависимости вектора управления приводами Un от вектора обобщенных фазовых координат робота g^ = (g, g, g) и задающих воздействий ga, а также других измеряемых датчиками величин, обеспечивающих заданное качество переходного процесса.

Возможным способом выбора является выбор с помощью направленного машинного эксперимента. Он основан на использовании динамической модели исполнительной системы робота, связывающей вектор управления приводами и вектор обобщенных фазовых координат робота и компонуемой из модели механической подсистемы робота и модели приводов в сочетании с моделью исследуемого регулятора:

Un = T(g, g. g3, £з).

С помощью этих моделей составляется модель замкнутой системы управления робота, которая связывает вектор задающих воздействий ga с вектором обобщенных фазовых координат робота. Модель замкнутой динамической системы робота позволяет находить изменения во времени обобщенных координат робота, ошибки в отработке задающих воздействий. По характеру изменения этих переменных во времени оценивается качество переходного процесса. Варьируя параметры закона управления, можно направленно изменять качества переходного процесса, добиваясь требуемого.

В качестве примера рассмотрим выбор системы контурного управления ПР с помощью САПР робототехнических устройств, разработанной в Ленинградском НИИ ВЦ АН СССР.

Система должна обеспечивать независимость динамических свойств объекта, охваченного обратной связью, от конфигурации манипулятора (текущего значения вектора обобщенных координат) -при заданном качестве переходного процесса по каждой

степени подвижности, исключать взаимовлияние степеней подвижности одна на другую и, наконец, не требовать слишком большого объема вычислений для формирования закона управления, чтобы допускалась возможность управления в реальном времени.

Чтобы выполнить перечисленные требования в случае объекта управления, включающего манипулятор с идеальными неупругими трансмиссиями, уравнение которого получается в результате исключения вектора Q из (5.9) и (5.10) при L = 0, QB = 0, g = gn:

т

M(g) + en]£+£[gTD,(g)g]e,+

S=1

+ (^дс ^ + KT) g + M, (g) - QBec (g) = ^ Un,

достаточно формировать управление в функции g, g таким, чтобы управление объекта, охваченного обратной связью, превратилось в

g = X(g3-g) + y(g3-g),

гДе g3 — вектор программного изменения обобщенных координат; X и Y — диагональные матрицы с заданными постоянными коэффициентами, обеспечивающие переходный процесс по каждой степени подвижности, удовлетворяющий заданному критерию. Это имеет место при выборе управления в форме

^п = ^И(£) + ен][Х(£з-£) + Г(£з-£))+/

D 01

+ "Т" S [g Ds (g) g] es— QBec (g) -|_ (кэдс + t~ ^T ) 8 +

+ ^MT(g).(5.14)

Однако такое управление, назовем его идеальным, весьма трудно реализовывать в реальном времени. Поэтому желательно было исследовать с помощью САПР влияние на эффективность управления различных вариантов упрощения закона, а именно влияние исключения из закона сложного для вычислений члена m

"^—5 tg^s (g) 81 е5, зависящего от произведений обобщен- s=l

ных скоростей члена (7?/^м) МТ (g), определяемого трением без смазочного материала. Чтобы избежать трудоемких вычислений матрицы A (g) и вектора QBec (g), входящих в выражение закона управления, необходимо было с помощью САПР проверить следующий способ формирования управления.

В соответствии с ним на всем пространстве векторов обобщенных координат предлагалось выделить дискретные точки gl Ц = = 1, 2, ..., п), заранее вычислить для них и ввести в память значения элементов матрицы A (g') и вектора QBec fe‘)> соответствующие конкретному роботу, для которого делается система управления. Эти значения следует считать справедливыми в окрестностях выделенных точек, заданных так, чтобы ими заполнялось без взаимных пересечений все пространство векторов g. Для типичных кинематических схем ПР достаточно выделить не более 100 точек на всем пространстве векторов g.

Тогда процесс формирования управления будет включать следующие процедуры:

определение принадлежности действительно измеренного вектора обобщенных координат к окрестности действия текущего дискретного значения; это сводится к проверке неравенств вида

gl, - (Д/2) < gj < glt + (Д/2), / = 2, 3, ... , т,

в случае нарушения неравенств

^Н0В = ^-Д или ^Н°в = £/ + А,

где т — число степеней подвижности;

поиск в памяти по выбранному дискретному значению соответствующих значений матрицы A (g) и вектора QBec (g);

умножение матриц на векторы в соответствии с выражением (5.14) для закона управления с учетом его упрощения.

Проверка описанного способа формирования управления заключалась в выявлении влияния на переходный процесс эффекта постоянства матрицы A (g) в выбранной окрестности изменения составляющих вектора g и эффекта скачкообразного изменения матрицы при переходе к новой окрестности.

Работа с САПР осуществлялась следующим образом. С помощью специального кода, набираемого на дисплее, САПР вызывалась к работе. Далее человек набирал оператор решения прямой задачи динамики для замкнутой системы управления. В результате действия этого оператора на основе моделей механической подсистемы робота, электромеханических приводов при L = 0 и регулятора мониторной системы компоновалась модель замкнутой системы управления и подготовлялся процесс интегрирования системы уравнений, представляющих эту замкнутую систему.

Если до этого не были заданы параметры системы, то в процессе диалога между ЭВМ и человеком осуществлялся ввод структуры кинематической схемы манипулятора, параметров конструкции, приводов, закона управления. В данном случае использовался

Рис. 5.8. Кинематическая схема антропоморфного манипулятора с шестью степенями подвижностиРис. 5.8. Кинематическая схема антропоморфного манипулятора с шестью степенями подвижностиклассический антропоморф-» ный манипулятор с шестью степенями подвижности, с звеньями длиной 0,3 м и массой 3 кг, масса груза в захватном устройстве 10 кг (рис. 5.8), привод в виде двигателя ДПР-62. В качестве закона управления при первом машинном эксперименте был выбран идеальный полный недискретный закон,

Рис. 5.8. Кинематическая схема антропоморфного манипулятора с шестью степенями подвижности

Рис. 5.8. Кинематическая схема антропоморфного манипулятора с шестью степенями подвижности

причем задающие сигналы были постоянными, за исключением сигнала, соответствующего локтевой обобщенной координате: он изменялся линейно во времени с максимально возможной скоростью. Следует отметить, что для данного манипулятора это был весьма жесткий режим движения.

В случае ошибки ввода со стороны человека ему выдавали результаты диагностирования, и он мог отредактировать ввод. После запроса САПР и задания человеком начальных условий и шага интегрирования человек давал команду начать решать задачу. Далее ЭВМ сообщала о конце решения и запрашивала, что и куда выводить. При первом эксперименте запрашивался вывод

Рис. 5.9. Графики изменения обобщенных координат плечевой и локтевой степеней подвижности при различных законах управления

на один график и таблицу обобщенных координат плечевой, локтевой и кистевой степеней подвижности.

Заметим, что при идеальном законе управления все компоненты, для которых задающий сигнал не изменяется во времени, кроме третьей, остаются постоянными. Это наглядно иллюстрирует отсутствие взаимовлияния степеней подвижности.

В дальнейшем мерой неидеальности процесса управления служило отклонение от постоянных значений координат, для которых задающие сигналы постоянны, и эти отклонения выводились на отдельный график.

Затем выполнялись новые решения этой же задачи с постепенным упрощением закона управления. При этом задача каждый раз не набиралась заново: достаточно было отредактировать закон управления с помощью средств редактирования САПР и запускать решения.

График изменения обобщенных координат плечевой и локтевой степеней подвижности при исключении из закона управления члена (R/kM) I S [gTDs (g) gl esk зависящего от производной ско- (s=lJ

рости, показан на рис. 5.9, а. Возникающее отклонение этих компонент от постоянных значений, как видно из рис. 5.9, а, мало и не превышает 0 ... 22 °. Изменения тех же координат при исклю- {т

2 [gTDs (g) gl es + S = I

+ MT (g)J, определяемого трением без смазочного материала, иллюстрирует рис. 5.9, б. И в этом случае отклонения остаются весьма малыми не более 0,185°.

Отклонения от постоянных значений этих обобщенных координат на порядок меньше соответствующих отклонений в случае использования обычного пропорционального закона управления U = X [g3 (i) — g] + Y [g3 (/) — g] с постоянными коэффициентами усиления, равными диагональным членам матриц X и Y (рис. 5.9, в), что говорит об эффективности предлагаемого метода, по крайней мере в случае использования в законе матрицы А в точном соответствии с текущим значением вектора g.

Далее был исследован эффект дискретного изменения матрицы; языковые и системные средства САПР позволяют это осуществить. Интервал изменения каждой из обобщенных координат, при котором матрица не изменяется, составляет 15°.

Оказалось, что максимальное отклонение исследуемых обобщенных координат несколько увеличивается, но остается почти на порядок меньше отклонений для случая с обычным пропорциональным регулятором.

Наконец, можно исследовать эффект дискретности формирования во времени сигнала управления (дискрета 10 мс) и ограниченной точности (разрядности) датчиков (12 разрядов). В этом случае исследуемые отклонения оказываются на порядок меньше, чем

отклонения при использовании пропорциональности регулятора с тем же значением дискретности и при той же разрядности датчика.

САПР позволяет исследовать такой же подход к построенйю регулятора при учете неидеальной трансмиссии (упругой), передающей движение от двигателей к звеньям манипулятора; уравнения объекта в данном случае описываются системами (5.9) и (5.10) при L — 0, QB = 0 и замене Q = F его значением (5.11) при А = 0:

V +£п + (ЧДС + А- ^т) g= + £ М. (g) +

+ £ [Сten - g) + dten - g)l = Un,

KM

m

A^A-^ №, ^ g] es - QBec ^ =

= C(gn-g) + d(gn- g).

Было показано, что желаемое качество управления обеспечивается при выборе управления в форме

Un = T"A(gHX (&-£) +У (g8-g)l +

тz

+ "Т-0п£п +-Т- 2j Ig^s te) tH es —7

s—1/

-r-QBe=te) + (^= + -T^)^n+-r^Tte). KMX«м 'КМ

Таким образом, для формирования управления требуется измерение не только векторов g, g обобщенных координат механической части робота и их производных, как в предыдущем случае, но и вектора выходных переменных двигателей gn, gn, gn и их производных. Особеннее затруднения вызывает формирование члена (Я/6М) engn.

Предлагается формировать его программно как приращение вектора скорости gn = kgQIM, где Agn — значения приращения выходной переменной двигателей на заданном интервале времени.

САПР позволяет выяснить эффективность этого приема.

Начальные этапы проектирования включают и выяснение основных параметров устройства управления (вычислительного устройства), с помощью которого должна быть реализована программа формирования управлений приводами в соответствии с законом управления, определенным на предыдущей стадии проектирования. К таким параметрам можно отнести быстродействие вычислителя, разрядность слов, с которыми он оперируется, объем оперативной памяти. Влияние этих параметров на процесс управления можно выяснить с помощью заложенных в модели регулятора следующих ниже двух возможностей.

Первая — обеспечена варьированием времени запаздывания в формировании вектора управления приводами по отношению к моменту измерения сенсорами робота величин (вектора, обобщенных координат, скоростей и т. д.), от которых зависит вектор управления, а также поддерживанием постоянным значения вектора управления в течение времени запаздывания.

Вторая возможность состоит в том, что количество разрядов слов, представляющих числа, с которыми производятся арифметические действия для формирования вектора управления, варьируется по желанию пользователя.

С помощью варьирования величиной запаздывания при осуществлении машинных экспериментов по изучению движения замкнутой системы управления (для чего используется машинная модель замкнутой системы управления) можно выяснить влияние на качество переходного процесса и точность обработки задающего сигнала эффекта запаздывания в формировании вектора управления. В результате этого процесса можно выяснить предельное значение запаздывания, при котором качество переходного процесса и точность отработки задания остаются в пределах, удовлетворяющих техническому заданию. Величина допустимого запаздывания определяет время, которое можно затратить на вычисление вектора управления, что в конечном счете определяет требуемое быстродействие вычислительной машины, используемой в качестве устройства управления. Аналогично, варьируя разрядностью слов, можно определить допустимую минимальную разрядность слов, представляющих числа в вышеупомянутом вычислительном устройстве.

Этот этап проектирования, так же как и предыдущие, может быть записан на проблемно-ориентированном языке общения с САПР робототехнических устройств, что позволяет автоматизировать процесс реализации данного этапа.

На начальных этапах проектирования целесообразно определить и основные параметры сенсорных устройств робота, в частности датчиков положения, измеряющих обобщенные координаты робота, датчиков скорости, датчиков измерения сил реакций, действующих на захватные устройства, которые также могут использоваться в законе управления в случае, когда робот манипулирует с предметами, имеющими механические связи (стержень в направляющих, рычаг, гайка и т. д.).

Таким параметром является точность измерения, а если измеряемые величины нужно подвергнуть предварительному преобразованию в целях подготовки к использованию в вычислителе, формирующем вектор управления, то в число параметров входят и основные параметры преобразующего вычислителя, а именно его быстродействие и разрядность слов, представляющих числа.

Влияние точности измерения на качество переходного процесса и точность отработки устройства управления задающих воздействий может быть выяснено благодаря тому, что машинные

модели сенсорных устройств учитывают ограниченную точность | измерения, которой можно варьировать по желанию, в частности, j если датчики дискретны, то моделируется число разрядов датчика. Эффект запаздывания в преобразовании измеренных величин и* разрядности слов представляющего числа в преобразующем вычислителе также может быть исследован, так как в машинную модель преобразователя заложена возможность варьирования этими : параметрами.

В отличие от первых этапов проектирования робототехнического устройства, которые имеют резко выраженный проблемно- ориентированный характер, последующие этапы: изготовление чертежей, стандартные инженерные расчеты, проектирование цифровой аппаратуры и т. д. — более универсальны. Поэтому соответствующие технические и программные средства САПР робототехнических устройств для реализации этих этапов могут быть заимствованы из других САПР, что ускорит процесс создания и внедрения.

ГлаваГлаваИСПЫТАНИЯ ПРИСПЫТАНИЯ ПР

Глава

Глава

ИСПЫТАНИЯ ПР

ИСПЫТАНИЯ ПР

Особенности испытаний ПР как машин нового класса

Промышленным роботам как новому классу машин присущ ряд особенностей, отличающих их от традиционных средств автоматизации производства.

Основные отличительные особенности ПР и обусловленные ими дополнительные требования к их испытаниям приведены ниже

Отличительные особенностиПР

Возможность быстрой переналадки последовательности, скорости и содержания манипуляционных действий при перемещении предметов

Возможность выполнения основных операций производственного процесса (производственные ПР), операций типа «взять—перенести—положить» (подъемно-транспортные ПР) или тех и других операций (универсальные ПР)

За. Сложность исполнительных устройств ПР, представляющих собой пространственные механизмы со многими степенями подвижности и незамкнутой кинематической цепью

Небольшая жесткость исполнительных устройств (например, в сравнении с обслуживаемым оборудованием)

Дополнительные требованияк испытаниям ПР, обусловленныеих отличительными особенностями

Необходимость проверки дополнительных показателей: времени перепрограммирования; времени смены захватного устройства; усилия захватывания; шероховатости поверхности детали после ее захватывания Необходимость использования при испытании ПР указанных трех групп разных методов при определении погрешности позиционирования, при оценке их технологических и других характеристик

Повышенные требования к проверке и исследованию динамических свойств ПР, в том числе учет влияния на функциональные возможности ПР вибраций и колебаний исполнительных органов и опорных конструкций * Определение оптимальных соотношений между грузоподъемностью, погрешностью позиционирования и скоростями перемещений и т. п.

* Например, амплитуда колебаний исполнительных органов определяет возможность использования ПР для обслуживания прессов с малым штамповым пространством.

В ПР, обслуживающих металлорежущие станки, от амплитуды и времени затухания колебаний исполнительных органов зависит выдержка времени от момента выведения заготовки на линию центров до подачи команды на установку ее в центры или патрон. Значения ускорений и плавность движений предопределяет возможность использования ПР для переноса открытых сосудов с жидкостью (например, для роботов -— заливщиков металла). .

Зв. Напряженные динамические режимы работы ПР (скорости до 3,5 м/с на относительно небольших перемещениях, интенсивные процессы разгона и торможения)

Возможность одновременной отработки движений по нескольким степеням подвижности, в том числе при перемещении предметов по пространственной траектории

ПР — источник повышенной опасности

Необходимость разработки методов проверки параметров ПР при одновременном выполнении нескольких движений, в том числе проверки погрешности отработки пространственной траектории

Жесткие требования к проверкам всех блокировок и устройств, обеспечивающих безопасную и безаварийную работу ПР, а также к выполнению правил техники безопасности при проведении испытаний

Виды испытаний промышленных роботов

ПР как один из видов общемашиностроительной продукции могут быть подвергнуты всем видам испытаний по ГОСТ 16504—81. «Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения» и ГОСТ 26053—84 «Роботы промышленные. Правила приемки. Методы испытаний». /

Классификация основных видов испытаний ПР по различным признакам приведена на рис. 6.1. Эти виды испытаний нашли в настоящее время наибольшее распространение в практике приемки ПР и при экспериментальных исследованиях.

В зависимости от стадии разработки продукции и этапа освоения серийного производства различные образцы ПР подвергаются испытаниям, указанным в табл. 6.1. Каждый из образцов ПР может подвергаться всем остальным видам испытаний, приведенным на рис. 6.1 (например, в зависимости от места проведения испытаний — лабораторным, стендовым, полигонным или эксплуатационным).

В зависимости от поставленной цели все испытания ПР, указанные в табл. 6.1, могут быть отнесены к одной из двух групп: контрольным или исследовательским.

В группу контрольных испытаний ПР, которые проводятся для контроля их качества, входят приемосдаточные, предварительные, приемочные, квалификационные, аттестационные, периодические и типовые.

Исследовательские испытания ПР проводятся для экспериментального изучения определенных свойств конструкции. Наиболее распространенными видами исследовательских испытаний ПР являются статические, динамические и испытания на надежность. К этой группе относятся также доводочные испытания.

Вид испытаний ПР обусловливает: совокупность определяемых или исследуемых параметров и номенклатуру осуществляемых 180

Классиоика-г———

ционныеИспытания ПР

при знаки।

Рис. 6.1. Классификация основных видов испытаний ПР

Вид образца для испытаний

Виды испытаний

3

О

о

5

s а = =

Я Я OS g *

Вэ

3

ST О

X а С

§3 | S я s

X я

О 3

6

S

О X я D.S я « с и

я 3 я о в s

Опытный

+ *

+

+

+ *

+

+ *

Из установочной серии (первой промышленной партии)

+ *

+

+ *

+

+ *

Изделия серийного производства

+

+

+

* Целесообразность проведения устанавливается разработчиком.

проверок; метод определения параметров и выполнения проверок; используемые измерительные средства.

Например, объем контрольных испытаний должен быть минимальным, но достаточным для оценки качества испытываемых образцов. Они проводятся при наиболее неблагоприятном сочетании проверяемых параметров (максимальные скорости и вылеты исполнительных устройств, номинальная грузоподъемность и т. д.) и^ как правило, с использованием простых измерительных средств

Объем и содержание исследовательских испытаний обычно определяются теми задачами, которые ставятся при их проведении. Они предусматривают более детальное исследование основных параметров и технических характеристик ПР с целью уточнения их паспортных значений, установления оптимальных соотношений между ними и разработки рекомендаций по совершенствованию конструкций.

Исследовательские испытания выполняются с помощью различных измерительных средств, включая измерительные преобразователи и регистрирующую аппаратуру, а также измерительные системы и комплексы. Методика проведения динамических испытаний ПР изложена в работах [46, 72].

Рассмотрим особенности проведения контрольных испытаний ПР.

Контрольные испытания промышленных роботов

Параметры ПР, проверяемые при контрольных испытаниях. Эти параметры условно можно разделить на шесть групп; 1) параметры назначения и применения; 2) основные параметры и размеры; 3) параметры безопасной и безаварийной работы; 4) эксплуатационные параметры; 5) параметры надежности; 6) технологические параметры.

К первой группе относятся такие параметры, как тип ПР, выполняемые им операции, номенклатура и число единиц обслуживаемого оборудования, вид обслуживаемого производства по серийности и .т. п.

Во вторую группу входят параметры, характеризующие как ПР в целом, так и его основные составные части (номинальная грузоподъемность, количество рук и захватов, число степеней подвижности, величины и скорости перемещений по всем координатам, погрешность позиционирования, вид системы координат, в которой работает ПР, тип привода и системы управления, масса, габаритные размеры.

Параметрами, входящими в третью группу, являются: сопротивление заземления, сопротивление изоляции проводов силовых цепей и цепей управления; электрическая прочность изоляции силовых цепей; отключение ПР при выходе параметров энергопитания за установленные пределы; ограничение максимальных перемещений исполнительного устройства; наличие блокировок автоматической работы ПР, исключающих проникновение человека в рабочее пространство; надежность захватывания и удержания объекта манипулирования, в том числе при внезапном отключении источника энергии и при нажатии кнопки «Аварийный стоп», и др.

В группу эксплуатационных параметров входят: нагрев узлов и компонентов, потребляемая мощность, расход рабочего тела, помехозащищенность, климатическая устойчивость и виброустойчивость и т. п.

Номенклатура параметров надежности, составляющих пятую группу, определена ГОСТ 4.480—87 «Роботы промышленные. Номенклатура основных показателей».

Номенклатура технологических параметров, входящих в шестую группу, зависит от типа ПР. Примерами технологических параметров могут служить для:

вспомогательных (подъемно-транспортных) ПР — правильность загрузки технологического оборудования (или его имитаторов) и взаимодействия с ним;

сварочных ПР — формирование шва, глубина проплавления, наличие пор и посторонних включений и т. п.;

окрасочных ПР — сплошность и толщина покрытия;

сборочных ПР — соответствие правильности сборки и работоспособности собранного узла требованиям технической документации;

адаптивных ПР — точность и время определения требуемого параметра.

Программа контрольных испытаний ПР. В общем случае эта программа включает следующие основные этапы (табл. 6.2): проверка подготовки к проведению испытаний; проверка технической документации; испытание ПР при трех состояниях: а) при неподвижных механизмах и отсутствии нагрузки на выходных элементах (в дальнейшем проверка ПР в исходном состоянии); б) при движении механизмов и отсутствии нагрузки на выходных элементах (в дальнейшем испытание ПР на холостом ходу); в) при движении механизмов и наличии нагрузки на выходных элементах (в дальнейшем испытание ПР под нагрузкой); составление протокола по результатам испытаний.

В табл. 6.2 приведена также номенклатура проверок, выполняемых на каждом из перечисленных этапов при различных видах испытаний, и перечень определяемых на этих этапах параметров. /

Порядок проведения контрольных испытаний ПР. Порядок проведения контрольных испытаний ПР определяется ГОСТ 15.001—73 «Разработка и постановка продукции на производство. Основные положения», ГОСТ 26053—84, методическими документами Госстандарта «Аттестация промышленной продукции по двум категориям качества» и соответствующими отраслевыми нормативно-техническими документами, которые регламентируют:

организацию (предприятие), которая проводит испытание; место и сроки проведения испытаний;

количество образцов, подвергаемых испытаниям;

порядок разработки, согласования и утверждения программ и методик испытаний;

перечень документов, представляемых на испытание; оформление результатов испытаний.

Приемосдаточные испытания ПР имеют своей целью контроль готовой продукции на соответствие ее техническим условиям, по результатам которого принимается решение о ее пригодности к поставке и (или) использованию. Проводятся службой технического контроля предприятия-изготовителя. Испытаниям подвергается каждый изготовленный ПР. Объем испытаний указывается в технических условиях. Результаты испытаний отражаются в сопроводительной документации на ПР в виде отметки о приемке ПР. Фактические результаты испытаний приводятся при необходимости, например по требованию потребителя.

Предварительные испытания ПР проводятся для определения возможности предъявления опытных образцов на приемочные испытания.

Приемочные испытания ПР служат для проверки соответствия опытных образцов техническому заданию и техническим условиям, а также решения вопроса о целесообразности постановки ПР на производство.

Наименование этапа испытаний

Номенклатура проверок. Проверяемые параметры

Виды испытаний

&£

3 »

о 3 0) S

с

е о

S

м

о

<0 у

ь 3 ЯК

S к

O.S

с и

Проверка подго-

Условия проведения испыта-

4-

+

+

4"

товки к проведению испытаний

ннй

Наличие необходимых изме-

+

+

4-

Проверка техни-

рительных приборов и приспособлений

Комплектность, правильность

0

+

0

0

ческой документации

Проверка ПР в

оформления и содержание технической документации Комплектность испытываемо-

+

+

4-

4-

ИСХОДНОМ состоянии

го образца

Соответствие испытываемого

+

+

4"

4"

образца технической документации

Основные параметры и разме-

+

ры (число рук, тнп привода, размеры, масса и т. п.) Сопротивление заземления

+

+

4"

4-

Сопротивление изоляции про-

+

+

4-

+

водов силовых цепей и цепей управления

Электрическая прочность изо-

+

+

4-

+

ляцин силовых цепей Правильность подключения к

+

+

4-

4-

электро-, гндро- н пневмосети Качество изготовления н точ-

+

+

4"

4"

ность базовых деталей

Качество сборочно-монтажных работ

Качество отделки

+

+

4-

4-

+

4"

4-

4"

Испытание ПР на

Возможность работы мехаииз-

+

+

4-

4-

холостом ходу

мов ПР на холостом ходу Действие блокировок и уст-

+

+

4-

4-

ройств, обеспечивающих безопасную и безаварийную работу

Совместная работа ПР и си-

+

+

4-

4-

стемы управления Максимальные перемещения

+

+

4"

4"

Испытание ПР

Номинальная грузоподъем-

+

+

+

+

под нагрузкой

НОСТЬ

Время перемещений по степе-

4"

+

+

+

ням подвижности

Максимальные скорости и ус-

—

4-

4-

4~

корения

Погрешность позициоиирова-

+

+

4-

4-

ння

Погрешность отработки траек-

+

+

4-

4-

торин

Усилие захватывания

—-

4-

+

4-

Наименование этапа испытаний

Номенклатура проверок. Проверяемые параметры

Виды испытаний

У

2

2

S с

о

£ у

ев S

у

S

§

S V Q.S В 5

Испытание ПР под

Нагрев узлов и компонентов

0

+

—

нагрузкой

Герметичность пневмо- и гидросистем

+

+

+

+

Потребляемая мощность

+

+

+

Расход рабочего тела

—

_ _

+

+

Радиопомехи

—

- -

+

+

Помехозащищенность

—

—

+

+

Виброустойчивость *

—

—

+

+

Климатическая устойчивость*

—

—

+

+

Уровень шума

—

+

Испытание ПР на безотказность при работе под нагрузкой.

+

+

+

+

Составление протокола по результатам испытаний

+

+

+

+

* Испытания проводятся, если это предусмотрено техническими условиями.

Обозначения: «+» — испытание проводится в полном объеме; «О» — испытание проводится в сокращенном съеме (в сравнении с испытаниями, обозначенными знаком «+»); «—» — испытание не проводится.

Предварительные и приемочные испытания ПР проводятся, как правило, на предприятии — изготовителе опытных образцов.

Предварительные и приемочные испытания ПР проводятся обычно по единым программам и методикам.

Квалификационные испытания установочной серии (первой промышленной партии) проводят в целях оценки готовности производства к выпуску серийной продукции на основе отработанного производственного процесса.

Аттестационные испытания осуществляются по техническим условиям. Рекомендуется совмещать проведение аттестационных испытаний с приемочными испытаниями или с ближайшими по сроку периодическими испытаниями.

Периодические испытания ПР проводятся в целях сравнения качества серийных ПР, выпущенных в разное время. Необходимость их проведения и число испытываемых образцов устанавливается в технических условиях. Испытаниям подвергаются ПР, выдержавшие приемосдаточные испытания.

Испытания проводит изготовитель по техническим условиям.

Периодическим испытаниям ПР подвергаются не реже одного раза в два года.

Типовые испытания ПР служат для оценки эффективности изменений, внесенных в серийные изделия. Необходимость их проведения устанавливается изготовителем по согласованию с разработчиком.

Испытания проводит изготовитель по отдельной программе и методике в объеме, необходимом для проверки функциональной работоспособности измененной составной части ПР и оценки влияния этой части на работу ПР в целом. Если внесенные изменения не влияют на функциональные возможности ПР, то типовые испытания не проводят (например, изменение конструкции крышки, замена комплектующего изделия на равноценное и т. п.).

Требования к условиям проведения контрольных испытаний. На месте проведения контрольных испытаний должна быть обеспечена имитация реальных условий эксплуатации проверяемых образцов ПР, включая:

состояние окружающей среды (запыленность, загазованность, температура и т. п );

показатели энергопитания;

уровень вибраций и помех;

наличие объектов манипулирования, предусмотренных техническим заданием и техническими условиями (тип, форма, характерные максимальные и минимальные размеры, температура, чистота поверхности, наличие смазки на захватываемых поверхностях и т. п.).

Особое внимание должно быть уделено выполнению требований безопасности при проведении испытаний:

участок для проведения испытаний должен быть огражден, а в проходе установлены предупредительные надписи, запрещающие вход на участок посторонним лицам;

в рабочем пространстве не должны находиться посторонние предметы и оборудование, препятствующие или ограничивающие движение ПР;

оборудование и приборы, применяемые при испытаниях, должны быть заземлены (если это предусмотрено в сопроводительной документации на указанное оборудование и приборы);

должно быть обеспечено удобство визуального контроля за работой ПР;

обслуживание и наладка ПР должны производиться только лицами, прошедшими обучение и инструктаж по технике безопасности;

при работе в автоматическом режиме у пульта управления должен находиться оператор;

при первых же признаках неполадок и сбоев робот должен быть немедленно выключен; повторное включение допускается только после выявления причин неисправностей и их устранения;

запрещается входить в рабочее пространство робота при его работе.

Требования к испытываемым образцам. ПР должны передаваться для испытаний в окончательно пригодном для эксплуатации состоянии с полным комплектом принадлежностей, перечень которых оговорен в сопроводительной документации на ПР или изготовление которых предусмотрено техническим заданием.

Испытываемые образцы должны быть заполнены эксплуатационными жидкостями, подсоединены к источникам энергии, отрегулированы в соответствии с руководством по эксплуатации и обкатаны до той степени, которая исключала бы возможность изменения их свойств во время испытанийг.

При проведении приемочных испытаний для проверки исполнения технологических команд, а также в целях контроля предусмотренных устройств, обеспечивающих безопасную и безаварийную работу, вспомогательные (подъемно-транспортные) ПР должны испытываться с технологическим и вспомогательным оборудованием или со специальными стендами, имитирующими их работу (центр токарного станка, штамп пресса, магазинные устройства и т. п.).

Технологические (производственные) ПР должны быть оснащены всеми необходимыми устройствами для осуществления технологического процесса (сварки, окраски, сборки и т. д.).

Для проведения испытаний ПР должен быть установлен в помещении, отвечающем требованиям, изложенным в предыдущем подразделе. Установка должна производиться в соответствии с требованиями, изложенными в руководстве по эксплуатации, включая выверку ПР относительно горизонтальной или вертикальной плоскости, надежное крепление к фундаменту и т. п.

Требования к средствам измерений. Средства измерения выбирают в соответствии с функциональным назначением ПР и требуемой точностью определения отдельных параметров и указываются в методиках испытаний конкретных моделей ПР.

Средства измерения, применяемые для проверки ПР, должны быть проверены и аттестованы в установленном порядке и иметь соответствующий паспорт. При установлении результатов измерения должны вноситься поправки, учитывающие погрешность примененных средств измерения в соответствии с паспортными данными.

Требования неизменности свойств образцов во время испытаний не распространяются на испытания на надежность.

Жесткость оправок, стоек и державок должна быть такой, чтобы деформации их под действием измерительного усилия и веса измерительного прибора были пренебрежимо малы по сравнению с допуском на проверяемый параметр.

Методы определения параметров и осуществления проверок, специфичных для ПР. Возможность работы механизмов ПР на холостом ходу. В режиме ручного управления визуально проверяется возможность осуществления максимального перемещения по всем степеням подвижности в прямом и обратном направлениях путем последовательного включения указанных движений не менее 3 раз. Все механизмы должны работать без рывков и вибраций.

При данном испытании одновременно проверяются такие параметры, как число степеней подвижности, вид системы координат и т. п.

Действие блокировок и устройств, обеспечивающих безопасную и безаварийную работу. Целью испытания является проверка наличия, удобства пользования и надежности действия всех предусмотренных в ПР блокировок и устройств, обеспечивающих реализацию параметров безопасной и безаварийной работы (см. п. 6.3).

Проверки осуществляются не менее чем трехкратным включением блокировок.

Все блокировочные устройства должны срабатывать в соответствии с положениями, предусмотренными гидравлической, пневматической и электрическими схемами. При отказе любой из блокировок ее проверка повторяется в полном объеме после устранения причин, вызвавших отказ.

Отметим, что методики испытаний параметров безопасной и безаварийной работы конкретных моделей ПР должны быть составлены с учетом ГОСТ 12.2.072—82 «ССБТ. Роботы промышленные, роботизированные технологические комплексы и участки. Общие требования безопасности».

Совместная работа ПР и системы программного управления. Целью проверки является определение возможности работы ПР во всех режимах и на всех скоростях, обеспечиваемых системой управления. Полный перечень проверок зависит от типа и модели СПУ и приводится в методиках испытаний конкретных моделей ПР.

Примерами выполняемых проверок являются:

Проверка всех режимов: программирования разными методами (обучением, аналитически); ручного управления; покадровой отработки программы; контроля программы; автоматической работы; автоматической работы в течение одного цикла; линейной и круговой интерполяции и др.

Программа работы в каждом из режимов должна предусматривать движения с максимальной скоростью по всем степеням подвижности и с максимальным перемещением.

В автоматическом режиме дополнительно проверяется возможность одновременного движения по нескольким координатам в различных сочетаниях этих движений, обеспечиваемых СПУ (например, поворотное и линейное перемещение, два поворотных движения, два линейных движения и т. п.), если такие сочетания движений предусмотрены техническими условиями и руководством по эксплуатации.

Контролируются (визуально): четкое выполнение исполнительными механизмами задаваемых команд; соответствие выполняемых движений расположению органов управления на пульте; отработка всех движений, выполненных при обучении.

Проверка в автоматическом режиме возможности движения на всех скоростях (от минимальной до максимальной), обеспечиваемых СПУ. Программа должна предусматривать движения по всем координатам на максимальную величину перемещения. Контроль визуальный.

Проверка выдержек времени, обеспечиваемых СПУ в конце движения.

Проверка осуществляется путем отработки в автоматическом режиме произвольной программы, в которой между выполнением отдельных движений предусмотрены: минимальная выдержка времени; выдержка, равная половине максимальной; максимальная выдержка.

Контроль — с помощью секундомера.

Проверка количества точек позиционирования по всем координатам (для цикловых ПР). Проверка осуществляется в автоматическом режиме путем позиционирования в соответствующих точках.

Возможность программирования перемещений на произвольную величину (для ПР с ЧПУ). Проверяется путем непосредственного программирования и отработки каждого из движений.

Проверка номинальной грузоподъемности осуществляется следующими методами: выполнением испытаний по проверке скоростей перемещений, погрешности позиционирования и погрешности отработки траектории (см. ниже); путем работы в автоматическом режиме на наибольших паспортных скоростях с заготовкой, масса которой в сумме с массой захватного устройства на 10 % превышает номинальную грузоподъемность. Время работы 15 мин. Цикл работы должен включать максимальные перемещения по всем координатам при наиболее неблагоприятном сочетании переносных движений. Примеры циклов с подобными сочетаниями движений для четырех видов систем координат и наиболее распространенных компоновок ПР приведены в табл. 6.3.

Следует отметить, что при разработке методик испытаний конкретных моделей ПР указанные циклы движений должны уточняться, исходя из ограничений, оговоренных в технической документации ПР. Эти ограничения могут накладываться, в частности, условиями работы конкретных моделей ПР, уменьшением

фактических размеров их рабочих зон, обусловленных условиями работы (например, для компоновок ПР по п. 3—5 табл. 6.3 — за счет поворота рук только во «втянутом» положении), и т. п.

Визуально контролируются: осуществление всех движений, отсутствие выпадания и проскальзывания заготовок, отсутствие поломок и неисправностей исполнительного устройства.

При приемочных и приемосдаточных испытаниях проверка осуществляется только первым методом.

Время перемещений. В автоматическом режиме определяется время двойного хода (вперед-назад, по часовой стрелке-против часовой стрелки) при максимальных перемещениях с заготовкой номинальной массы без выдержек времени в конце ходов. Число двойных ходов по каждой степени подвижности равно 5. Положение исполнительных органов при испытании следует выбирать по табл. 6.3, 6.4 с учетом замечания в предыдущем разделе относительно ограничений циклов работы ПР.

За среднее время перемещений принимается величина 0,1Т, где Т — время пяти двойных ходов.

Максимальные скорости перемещений. Значения максимальных скоростей приводятся в технической характеристике ПР в качестве справочных данных в тех случаях, когда при исследовательских испытаниях установлена возможность движения с этими скоростями (например, путем осциллографирования).

При контрольных испытаниях проверка максимальных скоростей осуществляется при работе в автоматическом режиме путем определения времени перемещения на отрезке пути после окончания разгона и перед началом торможения. Величины отрезков указываются в конкретных методиках испытаний. Положения исполнительных органов при испытании выбираются в соответствии с табл. 6.3, 6.4.

За время перемещения принимается среднее время из пяти замеров. Исходя из среднего времени и величины отрезков определяется максимальная скорость перемещений.

Погрешность позиционирования. Проверяется для ПР с позиционной СПУ.

При контрольных испытаниях для проверки погрешности позиционирования следует применять один из следующих методов.

Установка вала, удерживаемого захватным устройством, в неподвижную втулку с горизонтальной или вертикальной осью. Разница в диаметрах вала и втулки должна соответствовать паспортной погрешности позиционирования. На валу и втулке не допускается наличие фасок.

Расположение оси втулки рекомендуется выбирать, исходя из основного назначения ПР. Например, для ПР, предназначенных для обслуживания металлорежущих станков с горизонтальной осью шпинделя, предпочтительным является горизонтальное расположение оси втулки. Для универсальных ПР погрешность

Таблица 6.3

Вид системы координат

О в

О

у”

X х

Схемы компоновок

Наиболее иеблаго-1^™|

приятное сочетание пеПАилгиыу nnuwsuufl

Положение руки при определении скоростей

Положение рукн при проверках погрешности позиционирования

в цикле|

««0

К К % Очи

X

Y

Z

<p

X

Y

Z

ф

Декартова

1

Ход каретки по моно- 1 рельсу вправо — опу- 1 сканне руки, ход ка- 1 ретки по монорельсу 1 влево — подъем руки 1

^зс

0,5^max

^max

0>5Хтах

^тах

2

Подъем руки — ход ру- 1 кн вперед — перемете- 1 ние колоииы вправо — 1 ход рукн назад — пере- 1 мещеиие колонны вле- I во — опускание руки 1

5

Jbnol

Уж у» Vz

-Xmax ^max

0,5У max

0,5У max

^max ^max

^тах

0,5У щах

^тах

Цилиндрическая

192

3

Zi

Подъем руки — ход вперед — поворот колонны вправо — ход на- 1 зад — поворот колонны влево — опускание ру- ' ки

«х Vz <ov

7

^max ^max

П/р Я. A

. Шифрина

Zmax

^max

0>5<pmax 0>5фтах

<^тах

^тах 1

»5(ртах

193

1

4

5

1

Вид системы координат

S о

ti

5 g

Схемы компоновок

Наиболее неблагоприятное сочетание переносных движений в цикле

Положи

Опреде-1 ляемая j скорость 1

Цилиндрическая

i

Ход вперед — опускание руки — поворот влево подъем руки — поворот вправо — ход назад

«21

Ю91 1

2

нь

Опускание руки — поворот вправо — ход каретки по монорельсу вправо — поворот влево — подъем руки — ход каретки по монорельсу влево

«х I

У;

Ю91 J

Сферическая

3

С h

>

Поворот вверх — ход вперед — поворот вправо — ход назад — поворот влево — поворот вниз

уж 1

Ю91 I

®9Ф

Угловая

4

Поворот локтя вверх — поворот плеча вверх — ход каретки вправо — поворот плеча вниз — поворот локтя вниз — ход каретки влево

Vx toQl Ю<?2

5

»2

Поворот плеча влево — «выпрямление локтя» — поворот руки вправо — поворот плеча вправо — «сгибание локтя» — поворот руки влево

“91

™02 “ф

Таблица 6.4

ние руки при определении скоростей

Положение руки при проверках погрешности позиционирования

X

z

Qi

Qi

Ф

X

Z

Qi

Q=

V

Хтах

X max

^max ^max

0 >5Qimax 0.5Qmax

^тах

^тах

Qmax

0,5Xmax

0>5Xmax

Zmax

Zmax

Ql max

Ql max

0>5Хтах

^тах

Ql max

Хщах

Xmax

0>5Q! max

Ql max

Софтах 0,5фтах

^тах

Qimax

0> 5(p max

0>5Xmax

Q>5Xmax

Qimax

Qimax

Qamax Qa max

0,5Хтах

0,5Qimax

O.SQs max

1

Qimax

Qimax

Qa mln

Qg mtn

0>5фтах

0>5фтах

OjSQimax

O.SQzmax

0,5фтах

позиционирования следует проверять при расположении втулок и горизонтально, и вертикально.

Определение погрешности позиционирования в трех взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью индикаторов часового типа, установленных в точках позиционирования. Погрешность позиционирования в каждой из плоскостей, определяемая по разности показаний индикаторов, не должна превышать паспортного значения.

По обоим из указанных методов погрешность позиционирования следует определять для одной из точек рабочей зоны, соответствующей, как правило, наиболее неблагоприятному (в отношении погрешности позиционирования) положению руки ПР.

Эти положения для наиболее распространенных компоновок приведены в табл. 6.3, 6.4. В методиках испытаний конкретных моделей ПР их необходимо уточнять с учетом изложенного выше замечания о возможных ограничениях реальных циклов работы ПР.

Проверка осуществляется в автоматическом цикле при номинальной нагрузке и при наибольших паспортных скоростях. Программа должна включать движение по всем координатам и остановку в конце цикла на время, необходимое для снятия показаний (для второго метода). Проверка осуществляется на 10 циклах работы.

Погрешность отработки траектории. Проверяется для ПР с контурной СПУ. Проверка осуществляется в автоматическом режиме при номинальной нагрузке и при скоростях, предусмотренных ТУ, при движении по прямой и по окружности. Число циклов — 10.

При движении по прямой блок из двух индикаторов, укрепленный на руке ПР, перемещается вдоль измерительной линейки, при движении по окружности — вокруг цилиндрического шаблона.

Разброс показаний индикаторов не должен превышать паспортных значений.

Усилие захватывания. Проверка осуществляется путем визуального контроля отсутствия выпадания и проскальзывания заготовок: при проверке грузоподъемности; при испытании ПР на безотказность при работе под нагрузкой (см. далее); при нажатии кнопки «Аварийный стоп» при работе ПР в автоматическом режиме на наибольших скоростях при номинальной нагрузке. Кнопка должна включаться при осуществлении движения, наиболее неблагоприятного в отношении выпадания объектов манипулирования. Например, для деталей типа тел вращения это относится к движению, совпадающему по направлению с осью переносимой детали. Численное значение усилия захватывания определяется, например, с помощью специальных динамометров.

Испытание ПР на безотказность при работе под нагрузкой. Для вспомогательных (подъемно-транспортных) ПР испытание на безотказность осуществляется при непрерывной работе ПР в автоматическом режиме по тест-программе, составленной с максимальным учетом возможностей, включая движение по всем координатам и взаимодействие с технологическим и вспомогательным оборудованием или их имитаторами.

Визуально проверяются: безотказная работа всех узлов и механизмов, правильное выполнение цикла, четкое взаимодействие с технологическим и вспомогательным оборудованием и их правильная загрузка, отсутствие утечек масла и сжатого воздуха (на слух), надежное удержание заготовки в захвате в процессе перемещений.

Для технологических (производственных) ПР испытание проводится при выполнении основной технологической операции. Визуально проверяется правильная работа всех узлов и механизмов.

Методы контроля качества выполнения операций (сварного шва, нанесенного лакокрасочного покрытия, собранного узла и т. д.) и используемые для контроля средства приводятся в методиках испытаний конкретных моделей ПР.

Универсальные ПР 50 % времени следует испытывать при загрузке технологического оборудования или его имитаторов, остальные 50 % — при выполнении основной технологической операции.

В ходе испытаний проверяют соответствие требованиям стандартов и технических условий значений показателей безотказности .

Показатели ремонтопригодности и долговечности проверяются при подконтрольной эксплуатации или при ресурсных испытаниях.

На данном этапе испытаний одновременно проверяют технологические параметры, перечисленные выше.

Ресурсные испытания ПР

Особенности ресурсных испытаний. Испытания ПР этого вида представляют собой комплексные испытания, позволяющие провести прямую оценку как надежности (безотказности, ремонтопригодности, долговечности), так и основных характеристик (динамических свойств, контролепригодности, степени диагностируемости и стойкости к внешним воздействиям ПР) в течение длительного периода времени. Ресурсные испытания конкретных моделей ПР проводятся, как правило, на заводе- изготовителе.

Цель ресурсных испытаний — определение фактических показателей надежности (безотказности, ремонтопригодности, долговечности) и разработка рекомендаций по их повышению.

Эта цель достигается оценкой: основных показателей безотказности, ремонтопригодности, долговечности и законов распределения этих показателей для испытываемых выборок (образцов) ПР; соответствия испытываемых выборок (образцов) ПР паспортным характеристикам; стабильности показателей надежности, динамических свойств, контролепригодности, степени ди- агностируемости, стойкости испытываемых выборок (образцов) ПР к внешним воздействиям (климатическим условиям, вибрациям, изменениям напряжения питающей электросети и внутренних источников электропитания, изменениям параметров внешней и внутренней пневмо- и гидросети).

В соответствии с правилами задания показателей надежности в стандартах и конструкторской документации устанавливается, к какому классу систем, типу режимов эксплуатации, группе надежности и принципу ограничения длительности использования относится испытываемая выборка (образцы) ПР. На основании установленной классификации выбираются показатели надежности, по которым проводится оценка выборки (образцов) ПР, прошедшей ресурсные испытания.

В качестве основного показателя безотказности целесообразно использовать среднюю наработку на отказ (между отказами) ?, ч.

В качестве основных показателей ремонтопригодности целесообразно использовать средние значения:

времени восстановления ?в, ч;

оперативной трудоемкости текущего ремонта и межремонтного обслуживания фтм, чел.-ч;

оперативной трудоемкости среднего ремонта zycp, чел.-ч;

оперативной трудоемкости капитального ремонта фкп, чел.-ч.

В качестве основных показателей долговечности целесообразно использовать средние значения:

ресурса ?д, ч;

ресурса до капитального ремонта ?дкп, ч;

срока службы ?к, лет;

срока службы до капитального ремонта ?йкп, лет.

Динамические свойства оцениваются по специальной подпрограмме в зависимости от целей и задач испытаний. Контролепригодность проверяется согласно ГОСТ 26656—85.

Конкретные показатели, указанные выше, принимаются согласно ТУ на ПР; показатели долговечности также могут быть рассчитаны на основании существующих норм.

Условия проведения ресурсных испытаний. Ресурсные испытания подразделяются на испытания в нормальном режиме (HP) и в ускоренном режиме (УР).

Расчет времени наработки в HP проводят по формуле

?$ = №Ф№

где 1к — установленный ТУ срок службы до списания, лет; р — средний коэффициент загрузки оборудования по отрасли;

?н — наибольшее время непрерывной работы в сутки, установленное ТУ, ч; Фдн — среднее расчетное число рабочих дней в году, обычно Ф№ = 253 дня.

Средний ресурс до капитального ремонта обычно задается в ТУ.

Среднее время наработки в течение суток ?ср = рТн.

Среднее значение коэффициента ускорения оценки ресурса Дну с учетом ускорения оценки ресурса по значению и скорости перемещения (движения) руки, грузоподъемности, числу изменений режимов в единицу времени не должно быть меньше 2,5.

Коэффициент ускорения оценки ресурса

Дну = К^КиКп.

Коэффициент ускорения оценки ресурса по скорости движения руки

До = уур/унр>

где уур — максимальная скорость движения руки при УР; инр— максимальная скорость движения руки при HP.

Коэффициент ускорения оценки ресурса по значению перемещения:

Д: = Дур/Днр>

где LyP, £нр — максимальное значение перемещения руки при УР и HP испытаний соответственно, м.

Коэффициент ускорения оценки ресурса по силе инерции Ди = mypLyp/(/nHpL^p) = ДтД/, где Дт = Шур/Шир — коэффициент ускорения оценки ресурса по грузоподъемности; /пур, тнр — грузоподъемность при УР и ПР испытаний соответственно, кг.

Коэффициент ускорения оценки ресурса по числу изменений режимов в единицу времени:

Дп = ^ур/^нр>

где Пур, инр — число изменений режимов при УР и HP испытаний соответственно, с-1.

Значения пнр и пур подсчитываются на базе основных данных расчетных циклограмм ресурсных йспытаний в HP и УР, полученных с помощью тест-программ испытаний в HP и УР в ТУ.

Время наработки в УР

/(ур) _ /<ир)/ ‘Др — ‘Др /Лиу

С учетом предельных значений температуры окружающей среды, напряжения питающей электросети и вибрационных (ударных) нагрузок величина Дну = ДсДгДиДпД, ДСДВ > >3,15 ...3,3.

Рис. 6.2. Графическая интерпретация области реализации ускоренных режимов испытаний с заданным коэффициентом ускорения оценки ресурса КРис. 6.2. Графическая интерпретация области реализации ускоренных режимов испытаний с заданным коэффициентом ускорения оценки ресурса ККоэффициент ускорения оценки ресурса по температуре окружающей среды

Рис. 6.2. Графическая интерпретация области реализации ускоренных режимов испытаний с заданным коэффициентом ускорения оценки ресурса К

Рис. 6.2. Графическая интерпретация области реализации ускоренных режимов испытаний с заданным коэффициентом ускорения оценки ресурса К

Кг = /йЖmaxW + ITh/tmln)2]»

где Тщах. Тн, Tmln— максимально допустимая, номинальная и минимально допустимая температуры окружающей среды.

Среднее значение коэффициента оценки ресурса по напряжению питающей электросети

Кс = ГО,5 [((/с тах/^сн)2 + (^сн/^с т.п)2].

где Uc тах, UCH, Uc тщ — максимально допустимое, номинальное, минимально допустимое значения напряжения питающей электросети.

Аналогично определяют среднее значение коэффициента оценки ресурса по напряжению внутренних электроисточников.

Среднее значение коэффициента оценки ресурса по вибрации

Кв = ]/(1/2п) £ №WV + (A'fVA <?р))2],

где п — число проведенных (проводимых) этапов испытаний (i = 1, n); fa?0, /а.р) —средние значения частот вибраций для i-ro этапа при УР и HP соответственно, Гц; А^р), Ав”р) —среднее значение амплитуд вибраций (1-й гармонии) для i-ro этапа при УР и HP испытаний соответственно, мм.

Графически интерпретация области реализации УР с заданным коэффициентом ускорения оценки ресурса К^ приведена на рис. 6.2.

пКну = S (Гai/^Яр)!пКну = S (Гai/^Яр)!Расчет среднего значения коэффициента ускорения оценки ресурса ведется по формуле

п

Кну = S (Гai/^Яр)!

п

Кну = S (Гai/^Яр)!

^S Xi/КнуО

(i = ТГп; / = 1, к^,

где, кроме известных величин, T3t — длительность i-ro этапа испытаний; Хи — удельный вес /-го режима в течение i-ro этапа испытаний; К1Чц— коэффициент ускорения оценки ресурса при /-м режиме в течение i-ro этапа испытаний; kt — число режимов при i-м этапе испытаний; п — число этапов испытаний.

Если при РИ реализуется несколько программ, то Лну определяется для каждой программы.

Составные части ресурсных испытаний. К ним относятся предварительная, основная, заключительная части ресурсных испытаний.

Предварительная часть ресурсных испытаний включает функциональный и расчетно-конструкторский анализы.

Функциональный анализ, проводится разработчиком и сводится к определению, к какой из функциональных групп относится ПР (модуль, часть, блок). В зависимости от функционального назначения модуля, части, блока ПР выбирается критерий работоспособности и назначаются соответственно режим и нагрузочное воздействие при последующих испытаниях.

Расчетно-конструкторский анализ проводится после функционального анализа. Задача расчетно-конструкторского анализа — определение (прогнозирование) наиболее слабых элементов, которые могут в значительной степени повлиять на ресурс в целом.

Основная часть РИ состоит из испытаний в HP и УР, включающих контрольно-определительные испытания (КОИ) и испытания слабых элементов (ИСЭ).

КОИ проводятся в целях подтверждения правильности выбора слабых элементов, а также определения конструктивных и технологических дефектов изготовления, которые проявляются в первые 1,5 ... 2 мес. КОИ. Этому способствует ускорение (ужесточение) режимов РИ. КОИ дают возможность уточнить коэффициенты ускорения оценки ресурса (испытаний слабых элементов). В результате КОИ определяются узлы, которые в основном влияют на функционирование.

ИСЭ проводят, как правило, ускоренными методами. ИСЭ подразделяются на испытания на функционирование, изнашивание, усталость, а также на оценку внезапных и внезапно проявляющихся отказов, долговечность.

ИСЭ на функционирование с целью получения статистических данных проводится во всех случаях, когда к ПР предъявляются высокие требования по точности (повторяемости) позиционирования.

Объем выборок ПР для ресурсных испытаний в HP и УР можно установить, используя, например, методические рекомендации [34]. Минимальный объем выборки как для HP, так и для УР — три ПР.

Порядок подготовки ПР к ресурсным испытаниям должен соответствовать требованиям ТУ и программам испытаний.

Для испытаний по оценке динамических свойств должны использоваться датчики ускорений (акселерометры), скорости, малых и больших линейных перемещений, позволяющие фиксировать мгновенные значения положений, скоростей и ускорений схвата руки манипулятора с основной погрешностью измерений не более 5,5 %.

Программы ресурсных испытаний г. Все ресурсные испытания должны начинаться с проверки соответствия технических характеристик и конструктивных параметров требованиям ТУ на данный тип ПР в объеме приемосдаточных испытаний (ПСИ) или в объеме, обеспечивающем проверку правильности функционирования ПР в нормальных условиях.

Составные части программы ресурсных испытаний в нормальном режиме (HP):

программа 1, представляющая КОИ с воздействием на ПР различных факторов;

программа 2, представляющая ИСЭ с воздействием на ПР различных факторов.

Программа 1 должна состоять из следующих этапов испытаний:

этап 1 — испытания по определению фактических показателей надежности ПР в нормальных условиях в соответствии с ТУ на ПР при суммарной наработке Тэ1Р) = 500 ч + ТПси, где Тпси — продолжительность ПСИ;

этап 2 — испытания по определению фактических показателей надежности ПР при различных комбинациях значений воздействующих на ПР внешних факторов.

Выбор комбинаций значений воздействующих на ПР факторов проводится на основе имеющейся априорной информации о математической модели влияния факторов на ПР и его показатели надежности. В качестве активно воздействующих факторов при испытаниях ПР по программам 1 и 2 рекомендуется брать: скорость руки манипулятора и; перемещения руки манипулятора I, ф; грузоподъемность т; число изменений режимов работы в единицу времени (или число включений и выключений в единицу времени) пизм; температуру окружающей среды Тн; напряжение питающей электросети Uc; напряжение внутренних источников электропитания UlBH; давление р и расход М8 рабочего тела во внешней и внутренней пневмо- и гидросети.

Наиболее активно воздействующими внешними факторами следует считать: температуру окружающей среды, напряжение питающей электросети; вибрационные нагрузки, давление рабочего тела во внешней пневмосети (гидросети).

Значения перечисленных выше факторов при HP работы ПР должны соответствовать значениям, реализуемым при эксплуатации ПР на заводах-изготовителях. При отсутствии этих данных в качестве нормальных режимов следует принять режимы, при которых скорость перемещения и масса груза в захватном устройстве составляют 80 % максимально допустимых значений, предусмотренных ТУ на соответствующие ПР.

Материал настоящего параграфа подготовлен совместно с С. Д. Косте- ревой.

При отклонении температуры окружающей среды (воздуха) и относительной влажности от значений, указанных в ТУ в качестве нормальных условий, необходимо учитывать влияние этих факторов на состояние ПР путем сокращения срока их испытаний на соответствующем этапе по формуле /йд = Ir^Kb^ где индекс «д» означает действительное значение, а «р» — расчетное.

При отклонении значений частот и амплитуд вынужденных колебаний (вибраций) при ресурсных испытаниях от значений этих параметров, при которых проводится проверка ПР на вибростойкость согласно ТУ, необходимо вводить соответствующую поправку Кв-

Продолжительность этапа 2 без учета влияния температуры и влажности окружающей среды и вынужденных колебаний определяется наработкой Тэ2Р) =='3000 ... 3200 ч.

При суммарной наработке 3500 ... 4000 ч проводится частичная дефектация в целях определения необходимости в среднем ремонте. После среднего ремонта проводится приработка в течение 200 ч (100 ч без груза, 100 ч с грузом массой т « 0,8/пном).

Программа 2 должна состоять из следующих этапов РИ:

этап 3 — испытания по определению фактических показателей надежности ПР при различных комбинациях воздействующих на ПР внешних факторов. Продолжительность этапа Т'эзр) = = 1150 ... 1350 ч. При суммарной наработке 5000 ... 6000 ч проводится частичная дефектация с целью определения необходимости в капитальном (среднем) ремонте;

этап 4 — испытания по определению фактических показателей надежности ПР при различных комбинациях значений воздействующих на ПР внешних факторов. Режимы испытаний аналогичны режимам 2-го и 3-го этапов. Продолжительность этапа Т^ = 4500 ... 5000 ч. Если после 3-го этапа проводился капитальный или средний ремонты, то в начале этапа в течение 200 ч проводится приработка (из них 100 ч без груза, 100 ч с массой груза т а? 0,8тном).

Разрешается выявленные на этапах 1—3 слабые элементы испытывать не в составе ПР, а автономно. В последнем случае этап 4 не проводится.

Составные части программы испытаний ПР в ускоренном режиме:

программа 1 — ускорение КОИ с форсированием воздействия различных факторов на ПР;

программа 2 — ускоренные ИСЭ с форсированием воздействия различных факторов на ПР.

Программа 1 включает следующие этапы:

этап 1 — определение фактических показателей надежности в HP в соответствии с ТУ на ПР. Коэффициент ускорения оценки ресурса Кэ1р) = 1, суммарная наработка Т11р) = 350 ч+ ТПси, где Тпсй — продолжительность ПСИ, обычно Тпси « 200 ... 300 ч;

этап 2 — определение фактических показателей надежности при различных наиболее неблагоприятных комбинациях форсированных значений воздействующих внешних факторов. Режим испытаний ускоренный, для 50 % общего времени испытаний ЛнУ 2, i > 3,15. Для 50 % общего (остального) времени испытаний Лну 2, г > 4,2. В последнем случае испытания проводятся при последовательной реализации режимов 1—12 (см. ниже). Общая продолжительность каждого из режимов 1—3, 5—10, 12 составляет 40 ... 50 ч, режимов 4, И—80 ...100 ч. Общая продолжительность этапа Т^р) = 1000 ... 1200 ч.

Рекомендуется форсирование режимов проводить при следующих комбинациях внешних факторов:

Режимы

67н = + 1,6[/с = + 1,6fB =6ДВ =0,бр = 0;

67Н = 4-1,б1/с = — 1,б/в =6ЛВ =0,бр = 0;

67Н = — 1,б1/с = + 1,6fB =6ЛВ =0,бр = 0;

67Н.= — 1,б1/с = — 1,б/в =6ДВ =0,бр = 0;

67Н = 0, б1/с = 0, 6fB = 6ЛВ = 4- 1, бр = 0;

67„ = — 1, б[/с = 0, б/в = 6ЛВ = + 1, бр = 0;

67Н = + 1, б(/с = 0, 6fB = 6ЛВ = + 1, бр = 0;

67Н = 0, б[/с = 0, 6fB = 6ЛВ = + 1, бр = 0;

67Н = 0, б1/с = — 1, 6fB = 6ЛВ = + 1, бр = 0;

67Н = 0, 6(7с = + 1, б/„ = 6ЛВ = 0, бр = + 1;

67Н = 0, б1/с = — 1, 6fB = 6ЛВ = 0, бр = — 1;

67Н = 0, б[/с = + 1, 6fB = 6ЛВ = + 1, бр = + 1

Здесь 67н, 6[/с, б/в, 6ЛВ, бр — относительные отклонения (значения) соответствующих параметров. Если относительное отклонение равно 4-1, то имеет место верхнее максимально допустимое по ТУ значение воздействующего фактора; если относительное отклонение равно —1, то имеет место минимально допустимое по ТУ значение воздействующего фактора.

Формула для расчета среднего значения коэффициента ускорения оценки ресурса (ускорения режимов работы) приведена выше.

Программа 2 должна состоять из следующих этапов испытаний:

этап 3 — испытания в УР при различных комбинациях максимально (минимально) допустимых по ТУ значений воздействующих внешних факторов. Для 50 % общего времени испытаний ^уурЬ>4,2. При этом реализуются режимы 1—12. Общая продолжительность каждого из режимов 1—3, 5—10 и 12 составляет 40 ... 60 ч, для режимов 4 и 11 — 80 ... 120 ч. Нижний предел продолжительности этапа Т^р) = 400 ч, верхний предел

Т*^ = 500 ч. Для остального времени испытаний на этом этапе К^к 1 > 3,15;

этап 4 — испытания в УР при значениях воздействующих внешних факторов, превышающих допустимые по ТУ. Для 50 % общего времени испытаний КнуР4,2 ^ 7,25. При этом реализуются режимы 1—12. Общая продолжительность каждого из режимов 1—3, 5—10 и 12 составляет 30 ... 50 ч, для режимов 4 и 11 — 70... 100 ч. Нижний предел продолжительности этапа Т^ = 300 ч, верхний предел ТЭ(4Р) = 400 ч. Для остального времени испытаний K^l. i > 3,15. При реализации режимов 1—12 значения воздействующих факторов должны быть на 20 % выше, чем указано в ТУ;

этап 5 — испытания в УР до предельного состояния (вплоть до разрушения) при наиболее неблагоприятных комбинациях воздействующих внешних факторов, превышающих предельно допустимые по ТУ в 2 раза. Продолжительность этапа T^p) = = 300 ... 400 ч. Для 50 % общего времени испытаний КнуР5, i ^ ^> 3,15. Для остального времени испытаний на этом этапе К„уР5.2 > > 33,5. При этом реализуются режимы 1—12. Общая продолжительность каждого из режимов 1—3, 5—10, 12 не более 50 ч, для режимов 4,11 — не более 100 ч. Для режимов 1—12 значения воздействующих внешних факторов должны на 100 % превышать требования ТУ.

Методика проведения ресурсных испытаний. Последовательность проведения РИ:

проверка соответствия технических характеристик и конструктивных параметров ПР требованиям ТУ в объеме ПСИ или объеме, обеспечивающем проверку правильности функционирования ПР в нормальных условиях по ТУ на ПР;

проведение КОИ по программе 1;

проведение ИСЭ по программе 2. Разрешается по согласованию с разработчиком проводить ИСЭ по программе 2, исключив испытываемые слабые элементы из состава всего изделия.

Ресурсные испытания в течете суток, как правило, проводятся в две смены с общей продолжительностью 16 ч. Разрешается проведение этих испытаний в течение суток в три смены с обязательным перерывом после 16 ч испытаний не менее чем на один час. Продолжительность непрерьАной работы на режимах 1—12 на этапах 2—5 в УР не менее 6 ч и не более 8 ч.

РИ проводятся с восстановлением работоспособности отказавших ПР (модулей, частей, блоков). Разрешается замена устройства программного управления с последующим увеличением срока испытаний.

Для испытаний на безотказность следует принимать риск изготовителя, риск потребителя и отношение приемочного и браковоч-

ного уровней наработки между отказами в соответствии с ТУ на конкретный ПР (модуль, часть, блок).

Соответствие или несоответствие числа отказов на 1000 ч наработки (наработки между отказами) следует определять методом последовательного контроля [341 и ТУ на конкретную модель ПР (модуль, часть, блок).

Проверка точности (повторяемости) позиционирования в процессе РИ проводится через каждые 100—150 ч испытаний продолжительностью при HP и УР не менее 6 ч.

Испытания на ремонтопригодность проводятся методом одноступенчатого контроля [34] при следующих исходных данных: приемочное значение среднего времени восстановления ?вп = 4, браковочное значение среднего времени восстановления 8 ч.

Методика проведения КОИ включает:

выявление в процессе наработки слабых элементов, а также определение конструкторских и технологических дефектов изготовления;

определение числа отказов на 1000 ч наработки (наработки между отказами);

сбор данных для определения среднего времени восстановления (вероятности восстановления за заданное время);

сбор данных для определения среднего ресурса (вероятности ненаступления предельного состояния);

сбор данных для оценки законов распределения показателей безотказности, ремонтопригодности, долговечности;

сбор данных для оценки динамических свойств ПР;

сбор данных для оценки соответствия ПР паспортным характеристикам (по ТУ);

сбор данных по оценке стабильности работы испытываемых ПР;

сбор данных по оценке контролепригодности и диагности- руемости ПР;

сбор данных по оценке вибропрочности и вибростойкости ПР.

Методика ИСЭ ПР содержит по форме составляющие, перечисленные выше.

Методика ИСЭ ПР, у котор||х в качестве критерия работоспособности принята ошибка пози™онирования (ОП) или свободный ход (люфт, СХ), сводится к следующему.

Формально процесс изменения ОП и СХ во времени рассматривается как некоторый случ^ный процесс, являющийся стационарным, т. е. все испытываемые ПР считаются однородными по своим качествам, а их свойства практически неизменяемыми до тех пор, пока величина ОП (СХ) не достигнет предельного значения. На основании этого ОП (СХ) описывается уравнением

<р (z) = ч>йЬ< + z0 ^,

где <р0 — начальная величина ОП (СХ); b — коэффициент, учитывающий 4>ежим работы и износостойкостные свойства мате- 206

риала деталей слабых элементов; х0 (О — случайная функция времени с математическим ожиданием х0 (^) = 0.

В первом приближении, если заменить приведенное выражение кусочно-линейной функцией, для каждого участка А^ получаем зависимость

ф(А^) = ?гА^,

где у, = dtp (A^)/d (AQ |д,.— скорость изменения ОП (OX) мм/ч.

Наличие выражений, описывающих изменение ОП (ОХ), позволяет получить достаточно правдоподобные кривые <р (/) как для HP, так и для УР. В общем случае достаточно получить несколько (минимум две, лучше три) точек, а дальше провести экстраполяцию, определив <р0 и b методом наименьших квадратов или (?г)ср-

Методика расчета наработки между отказами ПР по изменению величины ОП (СХ), когда значения коэффициентов <р0 и b (или уг) подвержены случайным колебаниям, которые связаны как со случайными величинами нагрузок, действующих в процессе эксплуатации, так и со случайным характером изменений, протекающих в материалах и сопряженных деталях ПР, предусматривает следующую последовательность.

Наработка между параметрическими отказами для каждой /-й серии испытаний на точность (повторяемость) позиционирования каждого t-го ПР

tij = (lg<Pnpj- lg <Po>)/lg &ij>

где, кроме известных величин, <рпр — предельная величина ОП (СХ) по ТУ.

Средняя наработка между отказами

?f = 4-S^ (/ = "П),

‘ /=1

где , / — число серий испытаний на точность (повторяемость) позиционирования.

Дисперсия, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации соответственно равны:

Для нормального закона распределения наступления предельного состояния вероятность ненаступления этого состояния

Р (0 = 1 -. С (0,

где Q (.к < t < f2) — вероятность наступления предельного со

стояния в области от к до к, т. е.

<2 (^i < t < к) — ^Ф2 (<2 (^i < t < к) — ^Ф2 (к-кStк-кSt

<2 (^i < t < к) — ^Ф2 (

<2 (^i < t < к) — ^Ф2 (

к-кSt

к-кSt

Рис. 6.3. График для проверки коэффициен- Та ^н/Рис. 6.3. График для проверки коэффициен- Та ^н/1 -/ (М: 2~i (М1 -/ (М: 2~i (М

Рис. 6.3. График для проверки коэффициен- Та ^н/

Рис. 6.3. График для проверки коэффициен- Та ^н/

1 -/ (М: 2~i (М

1 -/ (М: 2~i (М

где Фх ( ^ ?- ) и Ф2 (~^~) — функции Лапласа. Доверительный интервал определяется неравенством

t-^ tв С ?.j < ^ + ,^~ ^,1 vi— 1// — 1

где ^ = <р [Р (i) 1 — коэффициент Стьюдента, который определяется величиной Р (О-

Под отказом при ресурсных испытаниях будем понимать: систематически повторяющиеся автоколебания в точках позиционирования продолжительностью более 2 с;

систематически повторяющиеся перебеги точек позиционирования более 3 мм (за исключением упругих колебаний руки);

не предусмотренные программой длительные (более 2 с) про

стои в точках позиционирования;

нарушения программы — непрохождение команд на манипулятор, уход из точек позиционирования [непопадание валом (штырем) груза в отверстие втулки (матрицы), закрепленной неподвижно на стойке];

колебание времени цикла программы (времени обхода контрольных точек) от среднего значения более ±10 %;

необеспечение точности позиционирования в любой контрольной точке.

После каждого этапа и в конце испытаний в УР необходимо

провести проверку соответствия фактического значения ф расчетному. Для этого необходимо построить график

(рис. 6.3), во втором квадранте которого изобразить кривую (теоретическую) или гистограмму (фактическую), представляющие собой плотность распределения числа или средней наработки между отказами (линии 1 и /') для УР, а в четвертом квадранте — то же для HP (линии 2 и 2'У Геометрическое место точек, соответствующее равным квантилям (SH = Sy), дает кривую, тангенс угла наклона которой в любой точке является не чем иным, как коэффициентом уско-

рения оценки ресурса /<ну.

Если распределение времени между отказами в HP и УР одинаково и подчиняется экспоненциальному закону, то линия равных квантилей трансформируется в прямую линию.

Примечание. Теоретические кривые плотностей вероятностей распределения среднего числа отказов или наработки между отказами получаем в результате обработки гистограмм этих распределений, полученных на основании данных РИ.

Корректировка К^ проводится на основании результатов проверки Кну после каждого этапа по формуле, приведенной выше.

Межремонтное обслуживание и ремонт. Табельное межремонтное техническое обслуживание (часто называют межремонтным обслуживанием) является составной частью профилактического технического обслуживания и проводится на основании руководств и инструкций по эксплуатации для ПР, манипулятора, устройства программного управления и привода.

При эксплуатации ПР в УР сроки проведения табельного межремонтного обслуживания сокращаются в Кну Раз (Ану — коэффициент ускорения оценки ресурса).

Кроме табельного межремонтного технического обслуживания проводятся нетабельные работы, включающие межремонтное обслуживание и текущий ремонт, вызванные необходимостью устранения причин отказов, предупреждения их возникновения, которые были выявлены при ежедневных (ежесменных) осмотрах.

Содержание и результаты межремонтного технического обслуживания и текущего ремонта заносятся в журнал РИ с указанием расхода запасных частей и материалов, а также трудозатрат.

Средний н капитальный ремонты проводятся при необходимости после дефектации, проведенной членами комиссии, назначенной для проведения РИ.

На выполненные работы по ремонту ПР (модулей, частей, блоков) составляются калькуляции, сводная ведомость трудозатрат и ведомость материалов и комплектующих, технические карты ремонта, При необходимости проведения лабораторных и других исследований для определения причин выхода деталей (узлов) из строя в журнале испытаний производятся соответствующие записи. Данные лабораторных и других испытаний прилагаются к протоколу испытаний.

8 П/р Я. А. Шифрина

Глава

7

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПР

Диагностирование ПР и его содержание

Общие положения. Диагностирование ПР основывается на всестороннем и систематическом его изучении, которое включает: целенаправленный сбор данных (информацию) о работоспособности ПР в процессе эксплуатации, объективное экспериментальное исследование (изучение) состояний ПР визуально и с помощью технических средств, анализ результатов эксплуатации и экспериментальных исследований ПР. Как правило, для распознавания состояний ПР необходимо обнаружение достаточно большого числа признаков состояний и их комбинаций.

Современное комплексно-автоматизированное производство предъявляет жесткие требования к качеству ПР. Только при высокой надежности всех механизмов и устройств ПР их можно использовать в составе оборудования, которое длительное время должно работать без обслуживающего персонала. В решении этой важной для отечественной промышленности задачи одно из главных мест занимает разработка вопросов технической диагностики ПР, его СПУ, манипулятора.

Опыт, накопленный в различных отраслях промышленности, показал, что системы технической диагностики (СТД) машин и механизмов могут быть успешно использованы как применительно к серийно выпускаемым образцам техники, так и в процессе испытаний и отработки вновь создаваемых образцов. Результаты диагностирования в процессе эксплуатации машин необходимы для принятия решений о замене или ремонте неисправной составной части объекта диагностирования (ОД) или ОД в целом, а также установления наиболее целесообразной периодичности и объемов профилактических работ.

Техническое диагностирование при эксплуатации ПР обеспечивает проверку их исправности, работоспособности, правильности функционирования, обнаружение дефектов и сбор информации для прогнозирования остаточного ресурса. Эффект, достигаемый в результате диагностирования, обусловлен:

своевременным обнаружением и устранением неисправных состояний составных частей машин, что позволяет поднять значение коэффициента готовности в среднем на 12 ... 18 %;

исключением необоснованных разборочно-сборочных работ, что сохраняет технический ресурс;

обеспечением полной выработки технического ресурса;

обеспечением работы машин с оптимальным регулированием, что повышает их эффективную производительность, снижает расходы горюче-смазочных материалов и электроэнергии;

повышением безопасности работы за счет возможности частных ревизий и контроля составных частей, обеспечивающих безопасность.

Применение средств диагностирования упорядочивает эксплуатацию ПР, позволяет создать автоматизированные системы сбора информации о динамике изменения состояний основных узлов, что важно для оптимизации конструкций, совершенствования технологии изготовления и режимов эксплуатации вновь создаваемых ПР.

Разработка автоматизированных систем испытаний создает благоприятные условия для использования СТД в целях форсирования процессов испытаний новых образцов техники, в том числе ПР, а также для оптимизации их конструкции и технологии изготовления.

Виды СТД. Техническое состояние ПР диагностируется с помощью аппаратурных или вычислительных средств. Существуют два вида СТД: тестового и функционального диагностирования. При тестовом диагностировании на механизмы или устройства ПР подают специально организуемые тестовые воздействия. При функциональном диагностировании в качестве входных используют рабочие воздействия, предусмотренные алгоритмом функционирования ПР.

Для манипуляторов ПР чаще всего используют второй подход.

При этом могут быть применены следующие методы диагностирования:

по длительности цикла ПР и его элементов и температуре (для современных ПР учитывается при создании СПУ);

по параметрам движения (СТД встроена в ПР и СПУ или используется внешняя система с записью на накопитель на магнитной ленте с последующей автоматизированной обработкой);

по параметрам движения, силовым и энергетическим параметрам с записью на самопишущий прибор и расшифровкой данных с помощью эталонных осциллограмм и дефектных карт;

по виброакустическим параметрам (с записью на накопитель на магнитной ленте или с хранением в памяти ЭВМ);

по точностным характеристикам (автоматизированные и неавтоматизированные методы).

Последний метод, имеющий для ПР особое значение, является наиболее трудоемким и слабо разработанным.

Для устройств и СПУ, как правило, используют тестовые методы.

Процесс постановки диагноза обычно состоит из нескольких частей, которые называются элементарными проверками. Каждая из них характеризуется подаваемым на вход ПР (его отдельных механизмов и устройств, модулей) тестовым или рабочим воздействием и снимаемым с выхода откликом (ответом). Значение отклика (ответа) — основной результат элементарной проверки.

Формальное описание алгоритма диагностирования технического состояния объекта выражается в виде безусловной или условной последовательности элементарных проверок и правил анализа результатов этих проверок. Число элементарных проверок, которое достаточно для конкретного диагноза, практически всегда меньше числа всех допустимых (физически возможных и реализуемых) элементарных проверок конкретного ПР, поэтому задача диагностирования не решается однозначно. Для решения одной и той же задачи можно построить несколько алгоритмов, которые различаются или составом элементарных проверок, или последовательностью их реализаций, или их комбинацией.

Для создания СТД необходимо решить следующие взаимосвязанные задачи:

детальное изучение объекта диагностирования ПР — для выявления наиболее уязвимых мест и составления перечня параметров, а также разбиение на классы технических состояний, подлежащих распознаванию;

выбор необходимых средств измерения соответствующих параметров и мест размещения датчиков на ПР;

определение динамических характеристик и создание математических моделей узлов, модулей, устройств, агрегатов и самого ПР в целом для построения диагностической модели;

синтез системы диагностических признаков, чувствительных к изменению параметров технического состояния ПР, определение их пороговых значений по исходной информации о соответствующих параметрах, результатам обработки и математическим моделям ПР;

разработка алгоритма определения текущего технического состояния ПР;

прогнозирование изменения параметров и характеристик технического состояния ПР;

разработка процедуры обратного воздействия на ОД в соответствии с принимаемыми решениями о его фактическом состоянии.

Функциональная схема СТД представлена на рис. 7.1 [6].

Подсистема измерения выдает исходную информацию о состоянии ОД, содержащуюся в данных, зафиксированных ИПП. Эта подсистема включает также усилители, нормализаторы, фильтры и другие преобразователи первичной информации, а также многоканальные накопители на магнитных лентах или дисках, предназначенные для долговременного хранения информации и ее последующей обработки.

Рис. 7.1. Функциональная схема СТД

Подсистема-формирователь диагностических признаков технического состояния ОД и его отдельных элементов преобразовывает исходную информацию, полученную от подсистемы измерений, в соответствии со специально разрабатываемыми для этой цели алгоритмами, которые выделяют в измеряемых сигналах характеристики, обладающие требуемыми избирательными свойствами по отношению к определенному классу неисправностей, подлежащих распознаванию.

Подсистема—классификатор эталонов формирует на основании обучения СТД для каждого класса технических состояний соответствующие эталоны, представляющие собой усредненные для каждого класса значения диагностических признаков.

Диагностическая модель ОД используется для формирования системы диагностических признаков и эталонов, что облегчает процесс поиска информативных характеристик в измеряемых сигналах.

Классификация систем технического диагностирования

Современные СТД ПР представляют собой совокупность собственно ПР, контрольно-испытательного комплекса и комплекса программно-реализованных алгоритмов.

Комплекс алгоритмов и программ СТД [11 ] может быть подразделен на две группы; 1-я группа включает алгоритмы и программы, предназначенные для формирования и построения СТД; 2-я группа содержит алгоритмы и программы, обеспечивающие функционирование СТД.

Основа, алгоритмов 1-й группы — математическая модель СТД, включающая математическую модель ОД ПР, математические модели диагностической аппаратуры, используемой в СТД (которую предполагается использовать в проектируемой СТД), алгоритмы (программы) собственно диагностирования.

Наличие этих моделей, алгоритмов и программ дает возможность решать следующие задачи: выбор априорного и рабочего словаря диагностических признаков СТД; определение априорного и рабочего алфавита классов состояний ОД; нахождение границ между классами и описаниями классов состояний ОД на языке признаков; решение собственной задачи установления диагноза (распознавания).

Математическая модель СТД дает возможность до разработки, проектирования и изготовления собственно элементов СТД установить пути ее рационального построения. Особое значение эти процедуры имеют при разработке СТД вновь разрабатываемых ПР. Для серийных моделей ПР при построении СТД накапливают априорную информацию, выбирают словарь признаков, алфавит классов и т. д., т. е. решают все задачи, связанные с построением СТД.

При разработке новых СТД единственной основой решения этих задач является математическая модель СТД, центральным звеном которой служит математическая модель ОД—ПР. Составление этой модели принципиально не вызывает трудностей, если возможно изучение физических процессов, происходящих в ПР, механизмов возникновения дефектов и неисправностей в ПР. Это „ необходимое, но недостаточное условие создания математической модели ОД (ПР). Модель требуется откалибровать, чтобы обеспечить адекватность модели и собственно ОД. При проектировании ПР такая калибровка не может быть выполнена непосредственно на образце, так как вносить неисправности в новый, часто единственный образец (новую модель) ПР, как правило, не представляется возможным. Поэтому приходится вначале разрабатывать модель аналога данного образца (предшественника — серийного образца ПР) и проводить калибровку этой модели во всех классах состояний. Только после этого приступают к разработке модели вновь разрабатываемого ПР. Вот почему диагностирование серийных образцов ПР — важнейшая задача на пути создания новых и новейших моделей ПР.

Основа 2-й группы — алгоритмы и программы, обеспечивающие работу СТД после ее формирования, т. е. в режиме функционирования, когда определяются конструктивные, технологические, эксплуатационные неисправности и дефекты.

К таким алгоритмам (программам) относятся:

алгоритмы (программы), предназначенные для решения задач первичной и вторичной обработки апостериорной информации, преобразования и ввода ее в ЭВМ, задач вывода информации, которую получают в результате установления технического диагноза, на дисплеи, графопостроители (ГП), автоматические цифровые печатающие устройства (АЦПУ);

алгоритмы планирования и управления СТД (оптимальное планирование экспериментов для сокращения числа экспериментов для получения необходимого объема апостериорной информации); 214

алгоритмы прогноза состояния ОД (для ускорения процессов испытаний или предотвращения аварий);

алгоритмы накопления и уточнения априорной информации по результатам диагностирования ПР.

Основные задачи построения СТД вновь разрабатываемых ПР

При построении СТД вновь разрабатываемых ПР можно выделить следующие этапы:

Построение математической модели СТД образца-аналога (предшественника) или, как часто говорят, базового образца.

Калибровка математической модели СТД по реальной информации и многократная эксплуатация в режиме функционирования аппаратурно-реализованной СТД для достижения абсолютной адекватности модели и объекта диагностирования.

Построение математической модели нового ПР. Для упрощения разработки стараются обеспечить однозначное соответствие между математической моделью СТД образца-аналога и математической моделью СТД нового ПР. Однозначное соответствие аналога и новой модели достигается при условии идентичности принципов построения, классов состояний и словаря диагностических признаков.

Построение СТД нового (проектируемого) ПР, включая оптимизацию схемно-конструктивного решения и калибровку по реальной информации при изготовлении опытного образца разрабатываемого (нового) ПР.

Каждому из этапов соответствует своя структура алгоритмов. Структура алгоритмического обеспечения СТД образца-аналога (предшественника) на стадии ее формирования показана на рис. 7.2.

Рассмотрим работу такой СТД при виброакустической диагностике манипулятора ПР. В этом случае стенд для комплексных испытаний ПР (аппаратурная реализация ОД) позволяет варьировать нагрузки, изменять скорость перемещений по каждой степени подвижности, вводить в объект испытаний известные фиксированные неисправности.

Работа ОД—ПР сопровождается генерированием акустических сигналов, которые воспринимаются измерительной аппаратурой (датчиками), жестко закрепленными в определенных (установленных) местах манипулятора ПР (на ОД). Сигналы датчиков передаются в блок аналоговой измерительной аппаратуры, обеспечивающей первичную обработку информации: фильтрацию, детектирование, усиление и т. д. Такая первичная обработка проводится на основе алгоритмов, аппаратурно-реализованных в измерительной аппаратуре.

С выхода аппаратуры первичной, обработки информации акустический сигнал поступает в анализатор спектра, в котором

Рис. 7.2, Алгоритм СТД на стадии формирования

аппаратурно реализуются алгоритмы определения зависимости спектральной плотности сигнала от частоты, т. е. зависимости Р = Р (ю).

Анализ экспериментальной информации позволяет установить достаточность информативных диагностических признаков, реализованных в виде спектральных характеристик сигнала. Ввиду неоднозначности подобного анализа сигнал с выхода блока алгоритмов первичной обработки направляется на АЦП, а затем в ЭВМ для дальнейшей обработки, где, в частности, определяются кеп- стральные характеристики сигнала, собственные частоты, функции распределения и их параметры и т. п.

После того как в результате тщательного анализа удастся определить рабочий словарь диагностических признаков [11], с помощью специального алгоритма проводится априорное описание классов состояний ОД на языке диагностических признаков. Этот алгоритм реализуется на основе методов обучения системы диагностирования. При этом многократно повторяется процедура задания состояний определенных классов и фиксируется значение соответствующих диагностических признаков. Каждая последовательно введенная характерная неисправность определяет собой соответствующий класс состояний ОД. Наиболее удобный метод ввода неисправностей — замена исправных узлов и плат 216

ПР неисправными, характеризуемыми одной типовой неисправностью. Точное знание внесенных неисправностей и им адекватных изменений значений диагностических параметров позволяет на стадии обучения составить надежные описания классов состояний ОД на языке диагностических признаков в виде вероятностных либо в виде булевых соотношений.

Мера надежности (в смысле полноты и достоверности) полученных описаний периодически проверяется с помощью алгоритма «Экзамен», физически реализуемого аналогично тому, как реализуется алгоритм «Обучение». Отличие состоит в том, что во время работы по алгоритму «Экзамен» апостериорная информация используется не для построения описания классов состояний ОД, а для проверки степени соответствия между физически реализованными классами состояний и результатами технического диагноза состояния ОД, получаемого в ходе выполнения алгоритмов технической диагностики. При достижении удовлетворительных результатов этих «экзаменов» считается, что система диагностирования готова к функционированию в режиме диагностирования.

Блок алгоритмов, формирующих математические аналоги физически вводимых в ОД неисправностей, необходим для калибровки математической модели ОД. Цель калибровки модели — достижение адекватности по выходам модели (значениям диагностических признаков) при заданных алгоритмических входах (класс состояний) выходам с ОД, т. е. значениям соответствующих диагностических признаков, получаемых с выхода аппаратуры первичной обработки, анализатора спектра, блока алгоритмов вторичной обработки информации.

Блок алгоритмов прогноза состояния ОД служит для оценки периода работы ОД, в пределах которого можно гарантировать его неисправное состояние. Такая оценка осуществляется на основе апостериорной информации о текущем состоянии ОД. Разработанные на основании теоретических представлений о функционировании ОД алгоритмы прогноза состояния должны быть тщательно проверены по экспериментальным данным, которые могут быть получены в результате длительных испытаний. Сокращение их сроков можно обеспечить только за счет форсирования или ускорения путем экстремальных (или близких к ним) внешних воздействий (силовых, энергетических и др.).

Блок алгоритмов оптимального планирования экспериментов предназначен для выработки оптимального в определенном смысле плана проведения экспериментов по накоплению апостериорной информации. В качестве критерия оптимизации ряд авторов рекомендует использовать число экспериментов, необходимое и достаточное для получения решения о классе состояния ОД с заданной вероятностью правильности решения.

В гл. 5 для примера дано краткое изложение построения СТД для СПУ сварочного ПР—МПСУ на стадии разработки.

ЧА. Основные этапы построения СТД ПР, находящихся в эксплуатации

Этапы построения СТД находящихся в эксплуатации ПР иллюстрирует схема, показанная на рис. 7.3. Отличие этой схемы от предыдущей состоит в следующем. Результаты технического диагностирования в данном случае используются для уточнения априорного описания классов состояний, а также математической модели ОД.

Важность указанных задач объясняется тем, что только значительные объемы статистических данных могут обеспечить высокую точность прогноза состояния, а следовательно, получение достоверных оценок. С другой стороны, только модель, приближающаяся к абсолютно адекватной, позволяет сократить сроки испытаний за счет проведения на модели отдельных исследований, заменяющих натурные испытания. Наконец, чем точнее модель образца-аналога (предшественника), тем больше оснований для ее успешного применения в качестве основы и прототипа математической модели вновь разрабатываемого ПР.

В заключение укажем, что в рассмотренных СТД, кроме перечисленных алгоритмов, предусмотрен алгоритм экспресс-анализа экспериментальной информации, который дает возможность установить технический диагноз на основе структурных (лингвистических) методов распознавания. Указанные алгоритмы аппара- турно реализуются с помощью различных терминальных устройств, дисплеев и т. п.

Рис. 7.3. Алгоритм СТД на стадии ее функционирования

Виды признаков

СТД вне зависимости от их назначения и принципа действия представляют собой одно из прикладных приложений теории распознавания образцов. Поэтому алгоритмы диагностирования представляют собой алгоритмы распознавания, с помощью которых фактические значения диагностических признаков сопоставляются с априорной информацией — описаниями классов технических состояний ОД на языке диагностических признаков.

Признаки распознаваемых объектов, или диагностические признаки (ДП), могут быть подразделены на детерминированные, вероятностные, логические и структурные.

Детерминированные признаки — это признаки, принимающие конкретные числовые значения, которые можно рассматривать в качестве координат точки в признаковом пространстве, соответствующей данному техническому состоянию ОД. Примерами детерминированных признаков при диагностировании сварных конструкций могут служить, например, максимальное, минимальное и среднее значения некоторого интервала времени kt— длительности строба изменения амплитуды. При рассмотрении детерминированных признаков погрешностями измерений пренебрегают.

Вероятностные признаки — это признаки, случайные значения которых распределены по всем классам технических состояний ОД. Решение о принадлежности распознаваемого объекта к тому или другому классу может быть принято только на основании конкретных значений признаков данного объекта, определенных в результате проведения соответствующих экспериментов. Признаки распознаваемых объектов следует рассматривать как вероятностные и в случае, если их числовые значения измеряются с такими погрешностями, что по результатам измерений с полной определенностью нельзя сказать, какое числовое значение данная величина приняла.

Логические признаки распознавания объектов можно рассматривать как элементарные высказывания, принимающие два значения истинности: «да», «нет» или «истина», «ложь» с полной определенностью. К логическим признакам прежде всего относятся признаки, не имеющие количественного выражения. Они представляют собой суждения качественного характера типа наличия или отсутствия некоторых свойств или некоторых элементов у распознаваемых объектов или явлений. К логическим можно отнести такие признаки, у которых важно не значение признака у распознаваемого объекта, а лишь факт непопадания его в заданный интервал. В пределах этих интервалов появление различных значений признаков у распознаваемых объектов предполагается равновероятным. На практике логические признаки подобного ряда .используют в таких ситуациях, когда либо погрешностями

измерений можно пренебречь, либо интервалы значений признаков выбраны таким образом, что эти погрешности практически не оказывают влияния на достоверность принимаемых решений относительно попадания измеряемой величины в заданный интервал. Например, в области технической диагностики решение о выходе из строя ПР принимается лишь тогда, когда фактические значения некоторых параметров-признаков превышают заданные. Отклонение же значений параметров от номинала, не сопровождающееся выходом за пределы соответствующих интервалов, является информацией о том, что ПР функционирует нормально.

Структурные (лингвистические, синтаксические) признаки представляют собой непроизводные элементы (символы) структуры ОД. Иначе эти элементы (константы) называют терминалами. Каждый ОД можно рассматривать как цепочку терминалов или как предложение. Эти предложения и описывают ОД. При этом если предложение, описывающее неизвестный распознаваемый ОД, относится к языку данного класса, то принимается, что этот ОД принадлежит к этому классу. Например, при распознавании букв русского алфавита терминалами являются вертикальная, горизонтальная, наклонная черточки, наличие, угла и т. д.

В зависимости от того, какие виды признаков используют для описания классов технических состояний ОД, применяются те или другие алгоритмы диагностирования.

Выбор исходной базы

для формирования системы признаков оценки качества работоспособности манипуляторов ПР

Исходные предпосылки. Оценка качества и уровня работоспособности является непременным условием объективного сравнения различных конструкций ПР, определения критериев качества и показателей, характеризующих условия применения ПР, их паспортных характеристик, выбора и унификации регистрируемых параметров.'

В качестве исходной базы для формирования системы признаков, характеризующих условия применения Пр, можно использовать показатели, применяемые в квалиметрйи ПР. Эти показатели обычно подразделяют на две группы (рис. 7.4): основные и вспомогательные. К основным относят показатели целевого назначения, определяемые заданием на проектирование ПР, показатели состава, структуры и конструкции, а также экономические показатели спроектированного ПР. На этапе проектирования определяют также вспомогательные показатели. Ряд показателей, таких как ресурс и другие показатели надежности,, мо- 220

ВИЙВИЙ

ВИЙ

ВИЙ

Рис. 7.5. Величины, регистрируемые при экспериментальном определении показателей качества ПР

жет быть выявлен только при длительных испытаниях или при эксплуатации.

Диагностирование ПР опирается на общие положения квали- метрии [35]. Это относится к таким показателям, как экономические, технологические, стандартизации и унификации, патентноправовые, эргономические и эстетические.

Измеряемые параметры. При экспериментальном определении показателей качества (см. рис. 7.4) приходится регистрировать параметры окружающей среды и показатели качества выполнения задания, например транспортирования, установки, сборки, сварки, окраски, нанесения покрытий и т. п. (рис. 7.5). Это особенно важно в случае применения адаптивных ПР. Применительно к ним вопросы диагностирования решают иначе, так как часть диагностической информации непосредственно используется для управления движениями, а не только для регулирования механизмов и устройств ПР. Разноплановое применение параметров, определяемых при квалиметрическом исследовании ПР, являющемся обязательной стадией диагностирования, обусловливает необходимость системного подхода к диагностированию ПР.

Унификация диагностирования. Наиболее важный элемент системных методов диагностирования ПР — унификация. Только при условии использования унифицированных комплексных методов диагностирования, включая испытания ПР и определение обязательного набора параметров и характеристик, становится возможным построение промышленных систем диагностирования ПР. Созданию унифицированной системы диагностирования должен предшествовать целый цикл работ, включающих сбор дан- 222

Рис. 7.6. Основные регистрируемые параметры механизмов позиционирования ПР

ных, необходимых для расчетов основных узлов манипулятора ПР, а также данных исследовательских и доводочных испытаний опытных образцов, аттестационных испытаний серийных образцов, приемосдаточных, контрольных периодических и типовых испытаний ПР и их эксплуатации.

Таблицы уровней оценки качества манипуляторов ПР. Так как подавляюще^ большинство конструкций манипуляторов ПР включает механизмы позиционирования, дальнейшее рассмотрение вопроса проредем на примере механизмов линейного и углового позиционирования манипуляторов. Применяя общую методику квалиметрии механизмов [35], составим для них квалиметриче- ские таблицам уровней. Таблица уровней показателей качества для механизмов линейного позиционирования должна учитывать возможность как поступательного, так и вращательного движений ведущего звена механизма (табл. 7.1). Поэтому к исходным отнесены зависимости от времени не только линейных скоростей выходного а (0 (рис. 7.6) и входного и0 (0 звеньев механизма, но и угловбй скорости ©0 (/) входного звена и мощности привода Nnp (<). Учитываются также зависимости для ускорения a (t), перемещения I (t) и усилия Р (О на выходном звене и усилия Рпр (/) ^ли перепады давлений на входном звене механизма. Аналогично 1 для механизмов углового позиционирования (табл. 7.2), кроме угловых скоростей выходного © (О и входного ©0 (/). звенье!р, учитывается линейная скорость входного звена

Показатели качества

комплексный

Исходная

единичный

Число объединяемых параметров,

зависимость

2 ... 4

I2 ...4

I3 ... 5

Уровни/

1

2

13

1

у (0;

а (0;

Р $;

Рпр (0;

Др (0;

Д^пр (0;

у0 (0;

^п!

L;

т;

Д/;

га;

max’

max’

Р ст>

усро ~ Д/^п!

Уср == №

^ср = Рп ^п»

р(Р) = та^ ; ин max "max’

ЛТр — PCTL; Л

Рср=т!х 0

XP^dt;

^cp = ^cp/Pn>

Kl = ycp Vm>

K^ ~ ycpo V"^^ ^Lr = °max/ycp’

^£Д = °max/Dcp0;

Кь = КьоО-^ерУ.

Уср = УсроО—Tlcp)’ tig =

= кЛУГУ"^;

Л = PCT^Cp/^np Cpi

<»0 (0

^ maxi

у0;

Рпр ср = ~^~ X ti

х j Pnp(0d<;

0

t'cp ~ уср/уо>

*CP1 — уср/юо>

ЛьД = КьдКХ XKLq A;

ю0;

Рпр maxi

Ар maxi ^пр maxi утпах? ^li ^tS

^p

^ср = “^ X tv

xj NnpWdt;

0

Рйх = mQ™x + + Pct!

*]t = /т/^П>

^P = ^p/^n

Kq = Ущах/уср о»

Таблица 7.1

J

1 'з

X

W X

1^

1

о а

3

то с

3

io

1 э

к5

<

II и "ч;

S»р2

IIII^

§S^

II i<

А О

Э

II

А О

Э

О

А

О

Т. II

II

Р"

я я 5

TO Я О

К

ч с S о я

V к я я к

ю о |

ос

я я

£

СО

'в 1

II з° =. ||

Р2 ^

а

3

II

к1

ОС о

Л.э

а| §

“ S

IIII

’а

А

3

II

А ф О

А Я в э II

э

ос

ОС

"в

$

II а

3

"в

$

II

а

3

II

а я

—л

7 "

в к

II

о

5

II

А

•8

II

А

О

5

*8

А И

-к

А о

А И

•8

А И

А

*8

А И О,

А

А О,

5-° +

oSE

II

^.«8

*А

А Р"

"н 7

3 я

я я я et

■>

'н

J£se «О со

'Ьа= з°

Ее |

a -clа

к5;

S й я в 3

’ь

X я U Я

S

О н Я и я о * 8

3

ш

? 5.

а.

<3 й

? & 7

з

225

Уо (0» угловые перемещения яр (7) и моменты на выходном звене М (t). На входном звене фиксируется момент Мпр (0 или усилие привода Рпр (0. ।

С помощью этих зависимостей можно установить ряд простых показателей качества, которые используются при определении комплексных показателей и оценок. Последние получают кйк отношение показателей к соответствующим паспортным или базовым значениям этих величин, полученных экспериментально. К ним относятся такие временные показатели: время движения без учета колебаний <п и с учетом колебаний в конце хода Тп (в точке позиционирования), время торможения tT и разгона tp выходных звеньев механизма, путь (L или яр), масса т, момент инерции J выходных звеньев механизма, точность или повторяемость позиционирования Az или б^, максимальные линейные йтах и Ятах ускорения при разгоне и торможении звеньев соответственно, статические нагрузки Рст и УИСТ, приложенные к выходным звеньям, максимальные усилия, перепады давлений, моменты и мощности привода, т. е. Рпр тах, А^>тах, Мтах, Мпр тах, Nnp max, Средние скорости Vo И (Оо.

К производственным единичным показателям отнесем погрешности позиционирования Az сум и 6Ф сум, определяемые с учетом систематической составляющей погрешности и коэффициентов 60 и 6Ю неравномерности движения на максимальной скорости. Эти коэффициенты нужны лишь для тех случаев применения ПР, когда на рассматриваемом участке движения выполняются технологические операции, требующие равномерности движения.

Комплексные показатели определяются путем интегрирования исходных зависимостей, например Рст, Рпр ст, Nnp ст и др., а также с помощью заранее определенных и принятых для сравнения механизмов эмпирических зависимостей. К ним относятся коэффициенты быстроходности Кср, KL, Klo, К, Ко, коэффициенты ЛЬд, Ад. Ряд комплексных показателей может быть получен только с использованием математического моделирования. Все остальные комплексные показатели получают путем алгебраических преобразований. Числовые значения большинства показателей высоких уровней определяют путем использования экспериментально полученных зависимостей, связывающих большое число параметров. Увеличение числа параметров, объединенных в комплексных показателях качества, возможно лишь после накопления экспериментальных данных и уточнения исходных эмпирических зависимостей. То же следует заметить и для случая определения базовых значений параметров. Сравнение показателей качества ПР на этапе их проектирования и создания опытных образцов с помощью приближенных зависимостей может помочь конструктору предотвратить просчеты как при проектировании, так и при определении рациональных областей применения ПР.

Оценка качества механизмов манипулятора ПР. Рассмотрим основные относительные показатели на примере механизмов линейного позиционирования. Для механизмов углового позиционирования они приведены в работе [35]. Одними из наиболее важных единичных оценок являются оценки по точности 0Д; и по длительности позиционирования 0Гп:

0Д; = А/ Сум/Асум ni

0тп= Ти/Ти max.

где А, сум и Тп max — паспортные значения наибольших допустимых погрешностей и длительностей позиционирования.

У ряда оценок за базовый показатель принята средняя или максимальная скорость перемещения выходных и входных звеньев. К ним относятся:

Ос = Уср/^ср 0 = 1 Лср> ®i = Уср о/00,

Ос. = Утах/Уср 0. Оо« = Уср о/Утах = То-

Для наиболее важной группы комплексных оценок используют эмпирические базовые (имеют индекс «б») значения соответствующих коэффициентов аиб, Лдб, Лкдб: 0&о = aja^; ОАд = = ^ьдМдб; ОКд = Лкд/Лкдб. Коэффициент Лкдб является производным: Лкдб = аоб/Лдб.

Если принять аоб = Лдб = 3 (эти данные были получены для отработанных конструкций), то Лкдб = 1.

Изучение опыта эксплуатации ПР позволяет в будущем связать эти или другие эмпирически полученные комплексные коэффициенты с показателями надежности. По предварительным данным можно считать, что надежность тем выше, чем меньше Лд и Лкд. Чем выше быстроходность, характеризуемая коэффициентом ав, тем труднее обеспечить снижение ЛЬд как вследствие зависимости ЛЬд от коэффициента KLo (см. табл. 7.1), так и ввиду увеличения динамических нагрузок и снижения точности позиционирования с ростом скоростей позиционирования.

Методика натурного диагностирования манипуляторов ПР. Приведенный пример подсказывает способ отбора регистрируемых параметров для типовых испытаний. При этом следует учитывать возможность осуществления соответствующих измерений как в лабораторных, так и в производственных условиях. При натурном диагностировании большинство задач может быть решено намного точнее, чем при математическом моделировании. Для натурного диагностирования требуется создание специализированных стендов, оснащенных ЭВМ и специальной аппаратурой. При типовых испытаниях следует записывать минимум три параметра на выходном звене механизма, представляющие три ранжированные исходные зависимости от времени в таблицах уровней: скорость,

Т а б л и ц а 7.3.

Модель ПР (перемещения)

о, н

«Ьд

ки

KL

Kl06

KL6

°иб

«Матбак»

150

Г udpon.pt

7 ... 18

teod

2,1 ...

2,6

1,2 ...

2,2

3,3 ...

1

4,6

«Рета б»

100

50 ... 600

0,3 ...

0,9

0,2 ...

0,7

0,9 ...

М

СМ-160

1600

25 ... 67

0,6 ...

0,8

0,6 ...

0,7

1,5 ...

2,0

«Аида»

50

Пневмопр

1,8 ... 5,1

ивод

0,68 ..

1,0

0,62 ...

0,93

0,8 ...

1,4

ПР-5

50

11 ... 65

0,73 ..

1,45

0,30...

0,91

0,9 ...

1,7

ПР-3388

50

60 ... 200

1,7 ...

2,8

1,2 ...

2,2

2,0 ...

10

«Универсал-5.02» (го-

50

Электроп

50 ... 260

ривод

0,7 ...

1,9

0,4 ...

1,0

0,5 ...

1,5

ризонтальное) «Универсал-5.02»

50

300 ... 1000

0,38 ...

0,67

0,24 ...

0,71

0,5 ...

1,0

(вертикальное)

«Мицубиси» (горизон-

10

150 ... 250

0,13 ...

0,43

0,10 ...

0,41

1,1 ...

1,4

тальное)

PIF-751, сварочный

ПР (транспортные перемещения по осям: X

500 ... 5000

0,25 ...

0,4

0,25 ...

0,4

0,6 ...

1,0

У, Z)

PIF-752, сварочный

ПР (транспортные перемещения по осям:

X

—

1000 ... 3000

0,15 ...

0,25

0,15 ...

0,25

0,5 ...

0,7

300 ... 6000

0,3 ...

0,9

0,3 ...

0,9

1,0 ...

1,7

У

—

200 ... 1000

0,4 ...

0,9

0,4 ...

0,9

1,0...

1,7

Z)

—

400 ... 700

0,5 ...

0,7

0,5 ...

0,7

1,2 ...

1,4

ускорение, малые перемещения в точке позиционирования (конце хода). При испытаниях ПР с гидро- и пневмоприводами к этим параметрам добавляется давление рабочей жидкости в системе подачи. Механизмы испытывают при последовательном выполнении движений. Затем проводят оценку принятых показателей при совместном выполнении движений.

К регистрируемым характеристикам относятся: временные интервалы, большие и малые перемещения, скорости, ускорения, давления, усилия, моменты, сила тока, напряжение, расход воздуха (жидкостей), мощность, температура, виброускорение, звуковое давление, износ сопряжений, наличие контакта сопрягаемых деталей.

К определяемым характеристикам относятся: зона обслуживания, быстроходность, быстродействие, нагрузочная способность, погрешность позиционирования, усилие захватывания, нагрузки на элементы механизма и привода, требуемая мощность, КПД, воспроизводимость заданного закона движения, динамическая циклограмма, вибрационные характеристики, уровень шума, 228'

СО* СО

ОО

04

to,

§

о о со

о о

СО ю

8

§

о to

§ 04

О

8

8 О со

о ю

ю

о

со

о

1О о

ю о

о о

3 о

о

ОО

о

о

С4 о

о

о

сч со

о

й о*

ОО о

со о

ОО о

со о

<э

G4

04 СЧ

04

<о о*

о

со о

со со, о*

о

00

о

3 О

1

ОО

*8

00

со

04

со

1 3

3 §■ о

к.

m о

о

о

3 §■ о

1 5

о

со

о

00 о

е о

со ю

8

о о

04

04

С4

Ю

о

S

со

о>

04

ю

о ю

о о

8 СО

о ю

о ю

О ю

о о

« 2

% б

«Универсал-5.02» (платформа) 50 13 ... 34 3,0 ... 4,8 2,7...4,2 0,37 ... 0,57 (11 ...32) 10s «Универсал-5.02» (рука) 50 25 ...70 1,0 ... 1,9 2,0... 1,8 0,11 ...0,3 (10 ... 37) 10s «Мицубиси» 10 4 ...53 0,1 ...0,35 0,05...0,3 0,01 ...0,03 (10 ... 50) 10s

демпфирование, температурные поля и деформации, общий расход энергии сжатого воздуха (охлаждающей и рабочей жидкостей), ресурс и другие характеристики надежности.

Значения квалиметрических показателей качества ПР с различным типом привода для линейных перемещений руки приведены в табл. 7.3.

Накопление и систематизация данных по этим показателям позволяет более объективно сравнивать конструкции и назначать режимы работы.

Как видно из табл. 7.3, величины а„ свидетельствуют, что механизмы линейных перемещений ПР не уступают по быстроходности другим машинам-автоматам. Чем меньше жесткость конструкции и больше ход руки манипулятора при работе, тем меньше значение а^, заложенное конструктором.

В табл. 7.4 приведены значения квалиметрических показателей качества ПР с различным типом привода для угловых перемещений руки. Значения Лд у неизношенных механизмов изменяются в пределах от нескольких сот до нескольких тысяч единиц. Для изношенных механизмов или при неблагоприятных условиях работы (полностью выдвинута рука, максимальная грузоподъемность и т. п.) эти значения достигают десятков или сотен тысяч единиц.

Диагностирование систем программного управления ПР

Для обеспечения высокой контролепригодности и минимума относительных ремонтных потерь целесообразно обеспечить:

исполнение СПУ ПР в виде укрупненных функционально законченных блоков, отличающихся наличием определенного входа и выхода и позволяющих производить замену неисправных блоков на исправные за минимальное время. В дальнейшем указанные блоки будем именовать типовыми элементами замены (ТЭЗ): схемно-конструктивными мерами проведение проверок исправности, работоспособности, правильности функционирования и поиск неисправностей СПУ ПР.

Для решения задачи по проверке исправности СПУ необходимо осуществлять контроль входной и выходной информации. Это может быть реализовано организацией контрольных точек на входе-выходе системы, для чего входные и выходные разъемы СПУ должны дублироваться соответствующими диагностическими разъемами. Под входом системы будем подразумевать совокупность команд управления и команд положения исполнительным устройством ПР в определенный промежуток времени. При необходимости к ним целесообразно отнести команды о скорости перемещения исполнительного устройства ПР. Под выходом 230

СПУ подразумеваем совокупность выходных команд СПУ на манипулятор и технологическое оборудование.

Проверка работоспособности является частным случаем проверки исправности СПУ.

Проверка правильности функционирования СПУ — одна из наиболее важных задач, так как незначительные сбои СПУ при автоматической работе ПР могут привести к значительному материальному ущербу. Проверка правильности функционирования СПУ должна осуществляться непрерывно в автоматическом режиме, что заставляет оснащать СПУ встроенными аппаратурными средствами диагностирования (АСД). Функции, выполняемые АСД, могут быть различны. Их минимальный набор включает контроль: однократной ошибки в цифровых шинах, отработки команд управления с СПУ манипулятором, наличия и уровней питающих и рабочих напряжений.

Для решения задачи поиска неисправностей в СПУ должна быть осуществлена возможность получения диагностической информации с каждого ТЭЗ. Ее можно получить путем введения дополнительных контрольных точек в каждом ТЭЗ, оформленных в виде специальных диагностических разъемов, выведенных на внешнюю панель ТЭЗ. В отдельных конкретных случаях вполне оправдано отсутствие в ТЭЗ указанных разъемов, если данный ТЭЗ оснащен развитой системой самодиагностирования и имеет вывод на индикацию, а также если коэффициент надежности данного блока на порядок и более выше коэффициента надежности остальных ТЭЗ.

Пример аппаратурного метода диагностирования системы программного управления ПР

В качестве примера создаваемых аппаратурных средств диагностирования приведем устройство АСД (рис. 7.7), предназначенное для диагностирования СПУ АПС-1.

Техническое диагностирование АПС-1 с помощью АСД осуществляется в двух режимах: режиме наладки в периоды профилактического осмотра АПС-1; режиме оперативного циклового диагностирования при автоматической работе АПС-1.

Режим наладки включает:

тестовый контроль функциональных каналов АПС-1, предусматривающий подачу тестовых воздействий на АПС-1 через разъем «ЭВМ», получение и расшифровку диагностических ответов АПС-1 с выходных разъемов, проверку работоспособности блока дешифраторов, платы преобразователя, блока индикации, блока реле, блока функциональных преобразователей, блока задатчиков;

Рис. 7.7. Общий вид АСД для АПС-1

локализацию неисправностей плат реле с глубиной диагностирования до компонента.

Тестовое диагностирование, предусматривающее контроль функциональных каналов АПС-1, под которыми подразумевается совокупность элементов последовательной структуры устройства, начиная от блока ввода и кончая функциональными преобразователями, осуществляется следующим образом:

Первоначально проводится проверка прохождения команд от блока ввода через функциональные преобразователи на комплектный электропривод ЭПТ-У15 для управления степенями подвижности манипулятора. Алгоритм проверки приведен на рис. 7.8.

При этом предварительно контакты разъема Х51 «Датчики» размыкаются с кабелем, соединяющим АПС-1 с датчиками, установленными на манипуляторе. На контакты /—6 разъема Х51 относительно контакта 9 «ОВ» подается напряжение +115 В для создания гарантированного разбаланса на входе блока функциональных преобразователей между сигналом задатчика и сигналом, поступающим с разъема Х51, что приводит к появлению на выходе разъема Х53 «ЭПТ» напряжения +10 В (контакты 1—6 относительно контакта 7).

После выполнения указанных операций на контакты разъема Х7—1 «ЭВМ» подается сигнал в виде двоичной комбинации (инверсии). Начальным сигналом является двоичная единица. Затем измеряется напряжение на +м канале разъема Х53 «ЭПТ». Число каналов — 6. Каждому каналу соответствует определенный набор входных комбинаций на разъем Х7—1 «ЭВМ». Например,

Рис. 7.8. Алгоритм тестового диагностирования прохождения команд АПО1 иа электропривод

при & = 1 i = 1 ... 14; при k = 4 ... 6 i = 43 ... 50; 51 ... 57, 58 ... 64.

При наличии напряжения +10 В на соответствующих контактах разъема Х53 «ЭПТ», определяемых комбинацией, поданной формирователями теста на разъем Х7—1 «ЭВМ», на АПС-1 подается сигнал «Скорость». Это приводит к снижению напряжения на разъеме Х53 «ЭПТ» на 20 ... 50 % (конкретное значение выходного напряжения определяется настройкой функциональных преобразователей АПС-1).

При отсутствии напряжения +10 В на контактах разъема Х53 формируется команда «Останов теста» с последующей индикацией формата кадра (номера неисправного канала).

После подачи сигнала «Скорость» через разъем Х7—1 проверяется снижение уровня напряжения на выходе канала, определяемого i-й входной комбинацией. Если выходное напряжение не

Рис. 7.9. Алгоритм тестового диагностирования прохождения технологических команд на манипулятор

снизилось, осуществляется останов теста с последующей индикацией отказа выполнения сигнала «Скорость» 1-го канала.

После выполнения упомянутых выше операций проводится сравнение текущего значения i-й комбинации, поданной на вход АПС-1, с максимальным значением тестовых воздействий при проверке прохождения команд АПС-1 от блока ввода на комплектный электропривод ЭПТ5-У15.01. Максимальное значение определяется числом задатчиков и составляет J = 64.

Если J — t ^ О, то к комбинации прибавляется единица и новая комбинация подается на разъем XI—1 «ЭВМ». При этом алгоритм проверки (см. рис. 7.8) повторяется для всех последующих комбинаций. Если J — i = 0, то формируется команда «Останов теста», на панели индикации высвечивается «Конец 234

теста», с разъема Х51 «Датчики» снимается напряжение U = = 115 В.

Таким образом, при тестовом диагностировании выполняются проверки, перечисленные ранее, что обусловлено последовательной структурой АПС-1.

Проверка прохождения команд на технологическое оборудование (канал ТК) и команд на манипулятор (канал КМ) реализуется по алгоритму, приведенному на рис. 7.9.

Поиск неисправностей плат реле осуществляется по алгоритму, представленному на рис. 7.10. Данный алгоритм позволяет выявить неисправности типа «Отсутствие контакта n-го реле», «Залипание контакта n-го реле», «Отклонение времени срабатывания n-го реле».

Алгоритм реализуется следующим образом. После подачи команды «Пуск» с панели управления аппаратурных средств диагностирования на отдельные каналы платы реле, подлежащей проверке по результатам тестового контроля работоспособности АПС-1 и предварительно вставленной в соответствующий разъем аппаратурных средств диагностирования, поочередно подаются возбуждающие воздействия. Эти сигналы формируются в результате воздействия на двоичный счетчик импульсов, поступающих от генератора импульсов. В свою очередь, счетчик выдает последовательную комбинацию двоичных чисел на дешифратор. Сигналы с дешифратора через усилители, преобразующие логические «1» в номинальное напряжение обмоток управления проверяемых реле (24 В), поступают на соответствующие каналы платы реле. При этом возбуждающими являются только четные сигналы, т. £. проверяется срабатывание реле (замыкание или размыкание контактов). Нечетные сигналы, напротив, снимают возбуждение с обмоток реле. По размыканию (замыканию) контактов определяется наличие или отсутствие неисправности типа «Залипание контактов».

После реализации алгоритма поиска неисправностей типа «Отсутствие контактов» и «Залипание контактов» осуществляется поиск неисправностей типа «Отклонение времени срабатывания реле». Предварительно устанавливается период генерации импульсов, который определяется по формуле

^геи = 27'п1ах -ф NT,

где Т max максимально допустимое время срабатывания реле; NT — время срабатывания элементов АСД.

После установки периода генерации генератора импульсов осуществляется алгоритм проверки, приведенный на рис. 7.8. При этом появление на панели индикации сигнала «Отсутствие контакта» характеризует наличие неисправности «Отклонение времени срабатывания реле».

Режим «Оперативного циклового диагностирования» включает: •

контроль работы блока ввода АПС-1, позволяющий предотвратить сбои, появляющиеся при автоматической работе ПР, подразделяющийся на проверку четности фотосчитывания, осуществляемую по информации, поступающей с блока ввода на разъем ХВ, и проверку покадрового перевода барабана программоносителя АПС-1, реализуемую путем контроля импульсов от задатчика БК-А. В случае одновременного поступления двух и более импульсов и одного импульса «СИ», а также при отсутствии блокирования работы платы контроля покадрового перевода барабана в связи с поступлением команды «Ускоренный перевод барабана», АСД формирует команду «Останов АПС-1» с соответствующей индикацией на панели индикации;

контроль наличия напряжения на следующих блоках АПС-1: индикации, дешифраторов, функциональных преобразователей;

контроль наличия напряжения на следующих платах АПС-1: управления циклом, управления барабаном;

контроль уровней питающих напряжений, а также напряжения сети, включающий контроль напряжений 5 В, +15 ... О ...

—15 В, питающей сети (220 В) с параллельным контролем потребляемого тока;

контроль отработки команд АПС-1 манипулятором, осуществляемый в последовательности: сигнал с АПС-1 (разъем Х53 «ЭПТ»), поступающий на соответствующую степень подвижности ПР, преобразуется в логическую «1» и с определенной задержкой на время Тдад выдается на схему сравнения, где он сравнивается с сигналом, поступающим с дифференцирующего звена, которое преобразует изменение напряжения на разъеме Х51 «Датчики» в логический сигнал.

В случае отсутствия сигнала об изменении напряжения, снимаемого с датчиков манипуляторов при наличии управляющего воздействия АПС-1 на электропривод ЭПТ16-У15.01, формируются напряжение Х51 «Датчики» и команда «Останов АПС-1» с соответствующей информацией на панели индикации АСД.

Диагностирование рабочей жидкости гидроприводов ПР

Исходные положения. Отличительной особенностью диагностирования ПР, с одной стороны, является необходимость органического сочетания одновременного или совместного диагностирования резко различающихся механизмов, устройств, аппаратов и приборов: механических систем, электронных и электрических устройств и приборов, гидравлических и пневматических аппаратов и приводов. С другой стороны, ПР достаточно чувствительны к состоянию рабочих сред, в частности к состоянию рабочей жидкости в гидроприводах. Считается [51, 711, что 70 % аварий в гидравлических устройствах связано с изменениями характеристик их рабочих жидкостей, из которых 90 % происходит вследствие наличия в них посторонних веществ. Поэтому необходимо проводить диагностирование этих жидкостей, выявлять причины, вызывающие изменение их свойств, приводящих к старению, а также контролировать качество свежих или переработанных после отработки рабочих жидкостей, заправляемых в гидропривод.

Кроме того, сама профилактика гидропривода требует эффективного контроля его рабочей жидкости.

Преимущества контроля свойств рабочих жидкостей. Полный контроль свойств рабочих жидкостей позволяет: сократить расходы на ремонт элементов гидроприводов, особенно гидрораспределителей, датчиков, теплообменников; сократить простои ПР в результате устранения отказов и аварий; увеличить срок службы рабочих жидкостей.

До сих пор независимо от наличия посторонних частиц в рабочей жидкости и образования осадка при эксплуатации ПР часто на состояние рабочей жидкости обращают внимание только после появления неисправностей в работе гидропривода. Начи-

нают выяснять причины, жидкость сливают для переработки, не сливая из гидросистемы ПР.

Очень важно одновременно с диагностированием собственно ПР осуществить постоянное диагностирование рабочей жидкости, применяя способы автономного контроля ее свойств.

Старение рабочей жидкости обычно сопровождается: потерей ее функциональных свойств вследствие окисления масла, ускорением процессов окисления масла из-за посторонних примесей и влаги, расходованием присадок, препятствующих старению.

Старение рабочей жидкости происходит в результате окисления масла под влиянием кислорода воздуха. При нормальной эксплуатации и чистоте рабочей жидкости скорость окисления масла чрезвычайно мала. Влага, металлические частицы и другие примеси ускоряют процесс окисления, так как они служат центрами образования продуктов окисления. При этом увеличивается плотность рабочей жидкости, и в гидроприводе могут возникнуть не только отказы, но и аварии. Если старение развивается дальше, то окислы, разлагаясь, образуют соли металлов и эфиры, вязкость резко снижается, жидкость издает резкий запах.

Рассмотрим механизм старения рабочей жидкости. Окислению масла препятствуют антиокислительные присадки. Когда начинается окисление масла, то оно протекает наподобие цепной реакции и в конце концов дает осадок и смолы, которые отлагаются на поверхности металла или фильтра. Для предотвращения окисления необходимо удалить влагу, металлические частицы, продукты разрушения уплотнений, являющихся активаторами окисления.

Особенностью гидросистем ПР является то, что рабочие жидкости используют в замкнутом цикле. При таком способе использования рабочих жидкостей жесткие требования предъявляются к их чистоте и качеству. Кроме того, необходимо вести постоянный контроль их свойств.

Система контроля свойств рабочих жидкостей. Как показал опыт ресурсных испытаний и эксплуатации сварочных ПР «Уни- версал-60.02», в большинстве случаев старение рабочих жидкостей вызывается их загрязнением. Систематический контроль за состоянием жидкости, согласно инструкции по эксплуатации ПР, позволил своевременно восстанавливать свойства и удлинить срок службы рабочей жидкости в 4 ... 5 раз и более, повысить безотказность работы ПР с 40 ... 50 ч до 350 ч, сократить число отказов в 6 раз и более. Кроме постоянного контроля за загрязнением рабочей жидкости и своевременным восстановлением ее рабочих свойств, необходимо добиваться улучшения состояния окружающей среды, являющейся причиной загрязнений.

Контроль свойств рабочей жидкости основан на следующих трех предпосылках: определении степени ее загрязнения и уровня старения; удалении влаги и примесей, активирующих окисление; добавках присадок.

. Регулярные пробы. Регулярные пробыМетоды определения помутнения (загрязнения)Методы определения помутнения (загрязнения)Карта контроля тенденций в изменении свойств маслаКарта контроля тенденций в изменении свойств маслаНерегуляр-ные пробыНерегуляр-ные пробыУпрощенные . методы определенияТочноедиагности-рованиеУпрощенные . методы определенияТочноедиагности-рованиеЗаписи об экс-периментахЗаписи об экс-периментахЗаписи обобновлениимаслаЗаписи обобновлениимаслаГ План лроведе^ \ния фильтрацииГ План лроведе^ \ния фильтрацииЗаписи о неис-правностяхЗаписи о неис-правностяхФильтрующее устройство, основанное на втягивании _ глубинного слоя масла из бака Очистка масла при работающем гидроприводе Добавление присадок |

. Регулярные пробы

. Регулярные пробы

Методы определения помутнения (загрязнения)

Методы определения помутнения (загрязнения)

Карта контроля тенденций в изменении свойств масла

Карта контроля тенденций в изменении свойств масла

Нерегуляр-ные пробы

Нерегуляр-ные пробы

Упрощенные . методы определения

Точноедиагности-рование

Упрощенные . методы определения

Точноедиагности-рование

Записи об экс-периментах

Записи об экс-периментах

Записи обобновлениимасла

Записи обобновлениимасла

Г План лроведе^ \ния фильтрации

Г План лроведе^ \ния фильтрации

Записи о неис-правностях

Записи о неис-правностях

ПланэффективнойочисткимаслаРасположениеПланэффективнойочисткимаслаРасположениеочищающих устройствочищающих устройствРис. 7.11. Примерная схема организации контроля свойств рабочей жидкости

Планэффективнойочисткимасла

Расположение

Планэффективнойочисткимасла

Расположение

очищающих устройств

очищающих устройств

Оптимальная схема организации контроля свойств рабочей жидкости базируется на определении степени старения по изменению свойств смеси с помощью простых диагностирующих приборов при работающей гидросистеме ПР.

Примерная схема организации контроля приведена на рис. 7.11.

Пробы подразделяют на регулярные и нерегулярные. Регулярные пробы и анализы проводятся при ресурсных испытаниях еженедельно в целях определения состояния рабочей жидкости в гидроприводе и решения вопроса о возможности ее дальнейшего использования, но главным образом для выявления изменений, происходящих в течение длительного периода.

Так как при еженедельном взятии проб временной интервал между ними невелик, то можно определять непрерывное изменение рабочей жидкости, но при этом возрастает объем работ по взятию проб и их анализу, что увеличивает стоимость эксплуатации. При значительном интервале (более 3 мес.) между пробами выявить и учесть происходящие изменения невозможно. При установлении периодичности анализов необходимо учитывать загрузку ПР, состояние и изменения во внешней среде, возможные изменения рабочей жидкости за время эксплуатации. Основываясь на количественных результатах анализа, составляют карту контроля тенденций изменения свойств рабочей жидкости.

Нерегулярными называются пробы, проводимые в любое время при выявлении опасной степени старения рабочей жидкости

по карте контроля изменения свойств или при подозрении на загрязнения или ухудшение свойств при ремонте гидросистемы привода.

Диагностирование рабочей жидкости. Непосредственно в гидросистеме в процессе работы провести анализ рабочей жидкости очень сложно. Поэтому проводят отбор проб в процессе работы ПР в автоматическом режиме, для чего предусмотрены специальные устройства. Первым сигналом о старении рабочей жидкости является изменение цветового оттенка. Наилучший способ диагностирования — анализ взятых проб. При этом можно применять как упрощенные, так и точные методы диагностирования (см. рис. 7.12).

Диагностирование по степени помутнения позволяет охарактеризовать общую степень загрязнения рабочей жидкости, анализ изменения прозрачности по времени относительно соответствующей стандартной жидкости дает возможность установить допустимый уровень изменений. Результаты заносятся в карту контроля рабочей жидкости.

Упрощенные способы измерения проводятся с помощью экс- пресс-анализатора. При упрощенном анализе определяют загрязненность, вязкость, влажность, окисленность. Наиболее важным является измерение загрязненности. Загрязняющие вещества рассматривают под микроскопом (60-кратное увеличение), степень загрязнения определяют, сравнивая с контрольной фотографией. Кроме степени загрязнения, в целом можно выявить наличие металлических примесей, краски, волокон, а также форму и тип загрязняющих частиц.

К точным методам диагностирования относят анализ характеристик рабочей жидкости и анализ металлических примесей, содержащихся в масле. Методы точного диагностирования надежней и достоверней, чем упрощенные, но их применение ограничивается их стоимостью и временем проведения.

При необходимости после диагностирования рабочей жидкости проводится очистка масла. Результаты очистки подвергаются диагнозу установленным порядком.

Лучший способ добиться высокого качества рабочей жидкости в процессе эксплуатации — повышение технического уровня гидропривода.

Определение быстроходности и погрешности позиционирования ПР

Быстроходность ПР определяет его производительность. Быстроходность ПР можно найти как методом сравнения с быстроходностью заменяемой модели или аналога, так и методом абсолютных измерений.

Сравнительные испытания проводят путем определения среднего времени цикла загрузки-разгрузки обслуживаемого обору- 240

Рнс. 7.12. Методы диагностирования рабочей жидкостиРнс. 7.12. Методы диагностирования рабочей жидкости

Рнс. 7.12. Методы диагностирования рабочей жидкости

Рнс. 7.12. Методы диагностирования рабочей жидкости

дования или его моделей (для универсальных и подъемно-транспортных ПР при числе двойных ходов не менее пяти) или среднего времени выполнения одной и той же типовой технологической операции (для технологических ПР при пяти повторных рабочих операциях). Испытания заменяемой модели (аналога) и сравниваемого образца (например, опытной модели) проводят при одинаковых условиях (масса детали в захватном устройстве, расположение вспомогательных устройств, вид обрабатываемой дегали и т. п.).

При отсутствии заменяемой модели или аналога эти испытания ведут путем сравнения средних значений времени со значениями, приведенными в соответствующей технической документации. Если в технической документации вместо значений необходимого времени приведены значения средних скоростей перемещения по каждой степени подвижности, требуемые значения времени рассчитывают, используя приведенные скорости.

Погрешность (повторяемость) позиционирования при контрольных испытаниях определяют:

путем установки вала, удерживаемого захватным устройством, в неподвижную втулку с горизонтальной или вертикальной осью. Разница в диаметрах вала и втулки не должна превышать паспортной погрешности позиционирования;

устанавливая захватное устройство по каждой степени подвижности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью индикаторов, размещаемых в точках позиционирования. Погрешность позиционирования в каждой из плоскостей определяют по разности показаний индикаторов.

Ниже изложены методы оценки погрешности позиционирования для ряда ПР.

Погрешность позиционирования ПР «Ритм-05» оценивают путем ее измерения по отдельным степеням подвижности. Планировка и размеры участка для проведения испытаний приведены на рис. 7.13. Измерение осуществляется с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм.

2412419 П/р Я. А. Шифрина

241

241

2000

Рис. 7.13. Планировка участка для проведения испытаний ПР «Рнтм-05* : 7 — стойка; 2 — индикатор; 3 — манипулятор

Стойка с индикатором устанавливается так, чтобы рука, находясь в одном из крайних положений, нажимала закрепленным в захватном устройстве грузом массой 0,5 кг на наконечник индикатора (рис. 7.14). Направление перемещения захватного устройства манипулятора по контролируемой степени подвижности должно точно соответствовать направлению измерительного наконечника индикатора.

От пульта наладки захватное устройство приводится в движение по контролируемой степени подвижности. При этом регистрируется отклонение стрелки индикатора от нуля. Запись погрешности позиционирования осуществляется при 10 измерениях для каждого подхода захватного устройства к индикатору. Погрешность позиционирования определяется как разность между максимальным и минимальным значениями отклонений стрелки индикатора.

Погрешность позиционирования по выдвижению рук, повороту и подъему захватного устройства проверяют для обеих рук.

Рис, 7>14. Наладка ПР с Ритм-05» для проверки погрешности позиционирования:а — подъем захватного устройства; б •— выдвижение руки; в — поворот захватного устройства; г — поперечный сдвигРис, 7>14. Наладка ПР с Ритм-05» для проверки погрешности позиционирования:а — подъем захватного устройства; б •— выдвижение руки; в — поворот захватного устройства; г — поперечный сдвиг9*9*

Рис, 7>14. Наладка ПР с Ритм-05» для проверки погрешности позиционирования:

а — подъем захватного устройства; б •— выдвижение руки; в — поворот захватного устройства; г — поперечный сдвиг

Рис, 7>14. Наладка ПР с Ритм-05» для проверки погрешности позиционирования:

а — подъем захватного устройства; б •— выдвижение руки; в — поворот захватного устройства; г — поперечный сдвиг

9*

9*

Погрешность позиционирования при приемосдаточных испытаниях проверяют 2 раза — до и после испытаний на наибольшее время непрерывной работы, а также

во время проверок ПР на надежность, воздействие климатических факторов и транспорт

ную тряску при периодических испытаниях.

Определение погрешности позиционирования гаммы ПР «Ритм-01» по основным транспортным перемещениям захватного устройства (поворот, подъем-опускание, выдвижение-втягивание, сдвиг) руки (рук) представляет собой разновидность описанного выше способа и состоит в измерении погрешности установки груза (грузов) массой 0,1 кг, имеющего калиброванное отверстие с отклонением по диаметру не более 4-0,01 мм, на калиброванный штырь приспособления с допуском по диаметру не более —0,01 мм. При этом зазор между калиброванным отверстием и штырем должен быть не более 0,2 мм. Исходные положения манипуляторов перед проверкой погрешности позиционирования показаны на рис. 7.15. Проверка проводится при приемосдаточных испы

таниях в автоматическом режиме, включающем все перемещения захватного устройства в течение 20 циклов до и после испытаний ПР на надежность (определение наибольшего времени безотказной работы).

Погрешность позиционирования механического захватного устройства по повороту вокруг продольной оси руки проверяют с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм. Стрелка с индикатором устанавливается так, чтобы наконечник

индикатора упирался в груз, закрепленный в захватном устрой-

243

Рис. 7.15. Исходные положения манипуляторов прн проведении испытаний ПР «Ритм-01» на точность позиционирования и надежность:

о — «Ритм-01.01» и «Ритм-01.03»; б — «Ритм-01.02»; в—с рукой, обладающей одной степенью подвижности

стве руки и находящийся в одной из крайних точек поворота. Проверка производится при включении ПР от СПУ в ручном режиме. При этом записывается отклонение стрелки индикатора от нуля. Погрешность позиционирования записывают также при 10 измерениях на каждом подходе груза к индикатору. Ее определяют как разность между максимальным и минимальным отклонениями стрелки индикатора.

Проверка погрешности (повторяемости) позиционирования ПР «Универсал» сводится к накалыванию (попаданию) иглой, закрепленной в тест-грузе /, бумажных мишеней, наклеиваемых на горизонтальные и вертикальные грани матриц 3. Стойки 2 с матрицами расставляют так, как указано на рис. 7.16. На программоносителе СПУ набирают тест-программу, предусматривающую работу всех степеней подвижности манипулятора, перенос тест- груза номинальной массы в две или четыре базовые точки, расположенные равномерно по периферии рабочей зоны (рис. 7.16) на максимальном удалении (при нормальных режимах — на удалении, составляющем 75 % максимального хода руки), с накалыванием иглой бумажных мишеней. При этом тест-груз прикрепляется к технологическим пальцам захватного устройства.

Проверка погрешности (повторяемости) позиционирования проводится в автоматическом режиме работы на предельных рабочих скоростях. Глубина входа иглы в мишени не более 5 мм. Проверка проводится в течение 4 ч непрерывной работы. Отказы и

a)

Рис. 7.16. Ваанмное положение механизмов манипулятора «Универсал-5* и стойки с матрицей при испытаниях в точках позиционирования:

а _ 1,4; 6 — 2,3

сбои не допускаются, контроль визуальный. Возможно программирование с уменьшением скорости выдвижения руки при входе и выходе в точках позиционирования во избежение искажений результатов (разрыв краев бумажной мишени от упругих деформаций при разгоне и торможении). Погрешность (повторяемость) позиционирования определяют по формулам

Аг = (А — d)/2; А2 = (В — d)/2,

где Ах — погрешность позиционирования по поворотным степеням подвижности, мм; А — наибольший размер поля разброса в направлении угловых перемещений руки (поворотов), мм; d — диаметр иглы, мм; А2 — погрешность позиционирования по выдвижению руки и подъему, мм; В — наибольший размер поля разброса в направлении подъема и выдвижения руки, мм.

Результат проверки погрешности позиционирования Дх и Д2 рассчитывают как среднее арифметическое из четырех значений этих величин, полученных по данным для каждой из двух—четырех контрольных точек.

Основы поиска характерных диагностических признаков на основе анализа

экспериментальных данных

Основы вибродиагностики механических систем ПР. Вибродиагностика — типовой способ диагностирования механических систем манипуляторов ПР.

Рассмотрим методику поиска характерных признаков на основе анализа экспериментальных данных на примере виброакустиче- ской диагностики отдельных механических узлов и деталей манипулятора ПР. Существо этого метода заключается в извлечении из виброакустического сигнала полезной информации о состоянии диагностируемого узла (детали), преобразование и представление этой информации в виде достаточной и компактной системы диагностических признаков.

Наиболее сложными механическими системами ПР являются различного типа редукторы, обеспечивающие работу механизмов перемещений исполнительного устройства манипулятора по той или иной степени подвижности. Поскольку до сих пор в отечественных ПР наиболее широко используются редукторы с зубчатым зацеплением, этот узел выберем в качестве типового (узел- представитель) .

Рассмотрим особенности вибродиагностики типовых узлов механических систем манипуляторов ПР.

Зубчатое зацепление. Каждый зуб, будучи в зацеплении, подвергается воздействию изменяющейся во времени силе нагружения, вызывающей колебания в колесе с частотой повторения (зубцовой частотой) fx = fBp2, где /вр — частота вращения; г — число зубьев.

Частоты повторения и их гармоники, как правило, присутствуют в спектре сигнала. Поэтому значения, например, их амплитуд могут быть использованы для построения априорного словаря диагностических признаков. Кроме того, спектр сигнала содержит ряд других характеристик, появляющихся под действием таких возмущающих факторов, как:

неуравновешенность вращающихся деталей, вызывающих появление в спектре сигнала частот, кратных частоте fBp;

кинематические погрешности, допущенные при нарезании зубьев и сборке колес, вызывающие появление частот, кратных числу зубьев делительного колеса станка, на котором нарезалось данное зубчатое колесо;

кинематические погрешности, допущенные при нарезании зубьев и сборке колес, вызывающих амплитудную и фазовую модуляцию колебаний на частоте повторения, проявляющихся в спектре сигнала в виде набора боковых составляющих /z ± kfBp;

увеличение трения при нарушении геометрии колес в процессе их эксплуатации, вызывающее увеличение уровня шумовой компоненты.

В связи с наличием сложного спектра для выделения полезного сигнала на фоне помех при диагностировании редукторов используют различные методы первичной обработки сигнала (методы частотной фильтрации, амплитудное и фазовое детектирование и т. п.) в совокупности с различными методами статистического анализа.

Подшипники качения и скольжения. Ввиду больших погрешностей эти механизмы не обеспечивают вращение валов с минимальными потерями энергии и постоянством положения оси вала относительно системы координат, связанной с корпусом подшипника.

В подшипниках качения источниками таких погрешностей, вызывающих колебания, являются: волнистость и овальность беговых дорожек, огранность тел качения, дисперсия их диаметров, наличие радиального зазора. Под воздействием этих возмущений движение центра вала приобретает сложный характер. Переменная сила взаимодействия контактирующих деталей обусловливает возникновение акустического сигнала, имеющего вид импульсов с высокочастотным заполнением, модулированных по амплитуде случайным процессом. Спектр такого сигнала широкополосный с наличием большого числа гармоник, кратных основным частотам возбуждения.

При изнашивании подшипников качения увеличивается зазор, приводящий к ударному взаимодействию вала с телами качения, что, в свою очередь, вызывает рост амплитуды полигармонического сигнала. Шероховатость поверхности увеличивает уровень шумовой компоненты.

Таким образом, и для подшипников наличие сложных колебательных процессов вызывает сложный спектр, поэтому для выделения полезного сигнала также необходимо применять сложные методики и приемы.

Выбор диагностических признаков. Соответствие между искомыми параметрами состояния и свойствами виброакустических процессов можно установить в результате специально поставленных диагностических экспериментов. Как показывают многочисленные исследования, на основе анализа статистической информации, полученной при этих экспериментах, можно установить словарь диагностических признаков. Кратко методика этого процесса сводится к следующему:

на основании результатов предварительного изучения и анализа опыта эксплуатации и ресурсных испытаний ПР составляют

перечень его типовых неисправностей (классов состояний), подлежащих диагностированию;

на испытательном стенде устанавливается диагностируемый механизм манипулятора ПР, в который искусственно поочередно вводятся его типовые неисправности;

проводятся испытания механизма на рабочих режимах эксплуатации или режимах, предусмотренных программой;

с помощью виброизмерительной аппаратуры проводится запись виброакустических сигналов испытуемого механизма на каждом режиме работы;

осуществляется математическая обработка полученной апостериорной статистической информации.

Методика обработки указанной информации включает:

предварительное определение спектральных характеристик колебательного процесса при нормальном и дефектном функционировании механизма с помощью анализатора спектра;

выявление зоны наибольших изменений спектральных характеристик: амплитуд дискретных составляющих, распределения энергии по частотам, шумовой компоненты, гармоник и субгармоник основных частот возбуждения модуляционных или комбинационных частот;

построение математической модели формирования виброаку- стического сигнала при наличии соответствующих дефектов;

выбор системы предварительной обработки исследуемого сигнала на базе полученных ранее результатов, основанной на различных видах частотной модуляции в октавных, 1/3-октавных, узких

J'/ уровеньJ'/ уровень\Изнаши8ание\\Изнаши8ание\Питтинг |Питтинг |Излом зубаИзлом зуба" ^уровеньР Заедание |" ^уровеньР Заедание |Хизменение ампли-Хизменение ампли-\Pocm амплитуд \Pocm амплитуд Флуктуации амгАрасщирение полоЛPnnMDHUv иги-тлты! vnuSiiunininuuLiv I лхЛпхЛ „I _I\Pocm амплитуд \Pocm амплитуд Флуктуации амгАрасщирение полоЛPnnMDHUv иги-тлты! vnuSiiunininuuLiv I лхЛпхЛ „I _Iвращения )8рвращения )8рчастот jz±KfOpчастот jz±KfOpных частотных частоткомпонент fzкомпонент fzКеастрКеастрюиоспектр\юиоспектр\шумовой компонентышумовой компонентыКоэффициент корреляции 8 полосе ifКоэффициент корреляции 8 полосе ifп-мерный вектор спектра фазовой огибающейп-мерный вектор спектра фазовой огибающейАмплитуда toАмплитуда toДисперсия 8 полосе ifДисперсия 8 полосе ifп-мернми вектор спектра компонент toп-мернми вектор спектра компонент toп -мерный вектор спектра амплитудной огибающейп -мерный вектор спектра амплитудной огибающейп-мерный вектор спектра компонентп-мерный вектор спектра компонентtztzIVуровеньIVуровень.unu^um^v вгцмн ипплишуи у^лумнуации апплрасширение пало-\туо гармоник зуб-\гармоник чостоты! комбинационных \литуд резонансАсы спектоальныхХ новой частоты fz ।х.I ....„J. I . .. I.unu^um^v вгцмн ипплишуи у^лумнуации апплрасширение пало-\туо гармоник зуб-\гармоник чостоты! комбинационных \литуд резонансАсы спектоальныхХ новой частоты fz ।х.I ....„J. I . .. Iт уровеньт уровеньХЭксцессХЭксцессЭлемент объекта диагностирования

J'/ уровень

J'/ уровень

\Изнаши8ание\

\Изнаши8ание\

Питтинг |

Питтинг |

Излом зуба

Излом зуба

" ^уровеньР Заедание |

" ^уровеньР Заедание |

Хизменение ампли-

Хизменение ампли-

\Pocm амплитуд \Pocm амплитуд Флуктуации амгАрасщирение полоЛ

PnnMDHUv иги-тлты! vnuSiiunininuuLiv I лхЛпхЛ „I _I

\Pocm амплитуд \Pocm амплитуд Флуктуации амгАрасщирение полоЛ

PnnMDHUv иги-тлты! vnuSiiunininuuLiv I лхЛпхЛ „I _I

вращения )8р

вращения )8р

частот jz±KfOp

частот jz±KfOp

ных частот

ных частот

компонент fz

компонент fz

Кеастр

Кеастр

юиоспектр\

юиоспектр\

шумовой компоненты

шумовой компоненты

Коэффициент корреляции 8 полосе if

Коэффициент корреляции 8 полосе if

п-мерный вектор спектра фазовой огибаю

щей

п-мерный вектор спектра фазовой огибаю

щей

Амплитуда to

Амплитуда to

Дисперсия 8 полосе if

Дисперсия 8 полосе if

п-мернми вектор спектра компонент to

п-мернми вектор спектра компонент to

п -мерный вектор спектра амплитудной огибаю

щей

п -мерный вектор спектра амплитудной огибаю

щей

п-мерный вектор спектра компонент

п-мерный вектор спектра компонент

tz

tz

IVуровень

IVуровень

.unu^um^v вгцмн ипплишуи у^лумнуации апплрасширение пало-\

туо гармоник зуб-\гармоник чостоты! комбинационных \литуд резонансАсы спектоальныхХ новой частоты fz ।х.I ....„J. I . .. I

.unu^um^v вгцмн ипплишуи у^лумнуации апплрасширение пало-\

туо гармоник зуб-\гармоник чостоты! комбинационных \литуд резонансАсы спектоальныхХ новой частоты fz ।х.I ....„J. I . .. I

т уровень

т уровень

ХЭксцесс

ХЭксцесс

Рнс. 7.17. Примерная схема формирования диагностических признаков для зубчатогозацепления

полосах, а также с применением полосовой фильтрации, следящих фильтров, стробирования и детектирования;

составление программы получения статистических характеристик, наиболее чувствительных к изменениям спектра мощности виброакустического сигнала, например обобщенного «-мерного вектора спектральных компонент гармонического ряда колебательного процесса или его огибающей, амплитуд отдельных составляющих этого спектра, закона изменения во времени коэффициента автокорреляции, вида регрессионной зависимости колебаний различных точек манипулятора ПР, кепстра, биоспектра;

поиск информативных диагностических признаков на основе многофакторного эксперимента и построение регрессионной модели зависимости каждого диагностического признака от параметров технического состояния механизмов манипулятора ПР, т. е. классов их состояний;

составление словаря информативных диагностических признаков, однозначно реагирующих на проявление отдельного вида неисправности.

В случае отсутствия таких признаков распознавание состояний механизмов манипулятора ПР проводится по совокупности признаков с использованием статистического материала и с применением специальных методов его обработки (методы распознавания образцов). Примерная схема формирования диагностических признаков приведена на рис. 7.17.

Приложение

РОБОТ ПРОМЫШЛЕННЫЙ

Техническое задание (типовое)(на ... листах)

НАИМЕНОВАНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящее техническое задание распространяется на робот промышленный (ПР), представляющий’ собой автоматическую машину, состоящую из исполнительного устройства в виде манипулятора и перепрограммируемого устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций.

ПР входит в состав модулей, участков и линий гибких производственных систем (ГПС), обеспечивающих автоматизацию технологических процессов ... в условиях многономенклатурного, часто переналаживаемого машиностроительного производства.

ПР допускает (при соответствующем оснащении) применение его на операциях . . .

2.1.2.1.ОБОСНОВАНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ

2.1.

2.1.

Разработка ПР производится в соответствии с . .

3.1. тельных3.1. тельныхЦЕЛЬ И НАЗНАЧЕНИЕ РАЗРАБОТКИ

3.1. тельных

3.1. тельных

ПР разрабатывается с целью автоматизации однообразных, утоми- и опасных для здоровья ручных работ на предприятиях отрасли, обеспечения возможности создания технологических модулей, линий и участков ГПС, позволяющих сократить численность основного и вспомогательного производственного персонала, улучшить условия н повысить производительность труда работающих, улучшить качество выпускаемой продукции.

производственного модуля (линии,производственного модуля (линии,Функциональное назначение ПР состоит в осуществлении операций перемещения объектов производства (рабочего инструмента), установки их в рабочие позиции, контроля хода выполнения технологического процесса . . . и управления работой технологического оборудования в соответствии с общим алгоритмом функционирования гибкого участка).

производственного модуля (линии,

производственного модуля (линии,

ИСТОЧНИКИ РАЗРАБОТКИ

Разработка ведется:

на основе результатов, полученных при выполнении научно-исследовательских работ;

исходных требований на проектирование ПР, разработанных предприятием;

патентно-информационных исследований;

анализа материалов по ПР, имеющихся на предприятии . . . ;

изучения работы по технологическому обслуживанию и эксплуатации ПР модели. . . , установленного на предприятии . . . ;

изобретений по авторским свидетельствам . . . .

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Состав ПР и требования к конструктивному исполнению.

В ПР должны входить следующие составные части: манипулятор; устройство управления; кабели связи устройства управления с манипулятором.

Требования к конструктивному исполнению манипулятора.

Манипулятор должен быть выполнен по кинематической схеме (схемам), приведенной в приложении к техническим требованиям и иметь ... степеней подвижности.

Манипулятор должен состоять из конструктивных модулей, объединяющих механизмы, двигатели, информационные устройства, устройства электрической коммутации одной или нескольких степеней подвижности.

В составе модулей степеней подвижности должны быть использованы (выделены) конструктивно законченные унифицированные и взаимозаменяемые электромеханические модули привода, объединяющие двигатель, датчики и передаточный механизм.

Конструктивные модули манипулятора должны иметь унифицированные быстроразъемные стыковочные элементы, обеспечивающие возможность и удобство объединения их в различные конфигурации в зависимости от характера решаемой задачи.

В конструкции манипулятора должны быть использованы передаточные механизмы, направляющие, комплектующие изделия и материалы, обеспечивающие минимальную массу подвижных частей конструкции при сохранении ее прочности и надежности.

Конструкция манипулятора должна исключать его поломку при встрече с препятствием на скорости, соответствующей номинальной скорости перемещения рабочего органа.

Собственная частота колебаний механической системы манипулятора по степеням его подвижности не должна быть ниже 10 Гц.

Статический прогиб конструкции манипулятора при приложении к его рабочему органу силы, соответствующей номинальной грузоподъемности, не должен превышать удвоенного значения абсолютной погрешности позиционирования ПР.

Свободный ход между валом (штоком) двигателя и датчиком положения конструктивных модулей манипулятора не должен превышать дискреты датчика положения.

Свободный ход рабочего органа манипулятора при заторможенных двигателях приводов степеней подвижности не должен превышать значения абсолютной погрешности позиционирования ПР.

Коэффициент полезного действия механических передач не должен быть ниже 0,6.

Момент (усилие) от неуравновешенности конструкции манипулятора по каждой степени подвижности не должен превышать . . . номинального момента (усилия) электродвигателя.

Составные части манипулятора должны иметь надежную защиту от попадания загрязняющих веществ на направляющие, контакты, датчики.

Конструкция руки манипулятора должна обеспечивать возможность быстрой (автоматической) замены рабочих органов.

Габаритные размеры манипулятора, мм, не более. .. . .

Масса манипулятора, кг, не более .. .

Требования к устройству управления.

Устройство управления конструктивно должно быть выполнено в виде отдельной стойки со встроенными преобразователями следящих приводов ПР, выносным пультом ручного обучении и удовлетворять требованиям ГОСТ 21021-85.

Устройство управления должно быть выполнено по блочно-модульному принципу, обеспечивающему возможность изменения и совершенствования состава, структуры н функций ПР по мере появления новых решаемых нм задач.

Устройство управления должно иметь клавиатуру ручного ввода и дисплей, либо интерфейсы связи с клавиатурой и дисплеем, обеспечивающие проведение обучения, контроля н редактирования программ, диагностику технического состояния ПР в диалоговом режиме.

Устройство управления должно иметь интерфейсы связи с манипулятором, обслуживаемым технологическим оборудованием, ЭВМ верхнего уровня и другими устройствами управления и вычислительной техники.

Устройство управления должно обеспечивать позиционное (контурное, познционно-контурное, цикловое) управление движением манипулятора по . . . степеням подвижности.

Устройство управления при работе в контурном режиме работы должно обеспечивать круговую интерполяцию по радиусу . . . с максимальной скоростью . . . м/мин н линейную интерполяцию с максимальной скоростью . . . м/мин.

Класс языка программирования определяется типом используемой в устройстве управления ЭВМ или ее местополрженнем в этом устройстве н зависит от сложности решаемых технологических задач.

Устройство управления должно содержать программные н встроенные аппаратные средства технической диагностики, обеспечивающие контроль функционирования и поиск неисправностей основных блоков устройства и элементов системы следящих приводов ПР.

Основные режимы работы: обучение; автоматическая работа; автоматическая работа по кадрам; контроль программы; редактирование программы; коррекция программы; ввод параметров ПР; поиск кадра; поиск программы.

Устройство управления может быть удалено от манипулятора и внешнего оборудования на расстояние . . . м.

Устройство управления должно обеспечивать программирование ПР методом обучения по первому циклу н перепрограммированием на языке высокого уровня.

Устройство управления должно быть оснащено постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) типа. . . для хранения программ работы ПР.

Устройство управления должно сопрягаться с датчиком обратной связи типа . . . .

Устройство управления по устойчивости н климатическим воздействиям должно соответствовать группе.„ГОСТ 21552—84, по степени защиты, обеспечиваемой нагревостойкостью электрической изоляции, — классу А по ГОСТ 8865—87.

Питание — от трехфазной сети переменного тока напряжением 380 В, частотой 50 Гц, мощностью. . . Вт.

Габариты устройства управления, мм, не более. . . .

Масса устройства управления, кг, не более. . .

Требования к программному обеспечению.

Требования к функциональным характеристикам.

Программное обеспечение (ПО) должно соответствовать типу системы и обеспечивать реализацию операции из следующего класса;

основные технологические операции . . . ;

вспомогательные технологические операции . . . ;

операции управления системой;

управление необходимым дополнительным оборудованием.

Задание на работу роботу должно осуществляться в виде специальной структуры данных — «Технологическое задание (ТХЗ)», позволяющей идентифицировать задание, определить последовательность выполняемых операций и т. п.

ПО должно обеспечить одновременное запоминание до девяти ТХЗ и работу с любым из них по желанию оператора.

Средства ПО должны обеспечить:

формирование ТХЗ в диалоге с оператором (обучение);

корректировку ТХЗ при отработке последовательности операций; автоматическое выполнение ТХЗ с заданным оператором числом циклов;

вывод ТХЗ на внешний носитель н его ввод;

обмен информацией через последовательный интерфейс с ЭВМ верхнего уровня, обеспечивающий: перепись одного илн нескольких технологических заданий; запуск одного нз заданий; контроль завершения выполнения заданий ЭВМ верхнего уровня.

Состав операций, которые могут входить в ТХЗ, должен обеспечивать управление манипулятором при выполнении следующих действий робота:

перемещение манипулятора в заданную точку в позиционном режиме с отработкой сигналов на технологическое оборудование и выдержек времени;

перемещение манипулятора по контуру, заданному последовательностью точек позиционирования, с произвольным шагом, линейной и круговой интерполяцией между ними в координатах рабочего пространства;

возможность организации подпрограмм и условный переход на подпрограмму по условиям, определяемым входными сигналами;

автоматическое определение положения манипулятора н его отклонений в декартовых координатах относительно заданного при обучении.

Для управления системой во всех режимах, организации процессов формирования и выполнения ТХЗ ПО должно обеспечить ввод и трансляцию команд с пульта оператора системы и реализацию требуемых действий.

ПО должно обеспечить формирование ТХЗ (обучение) в режиме диалога с оператором.

Формирование кодов операций и скорости контурных движений манипулятора должно осуществляться с пульта оператора системы.

Задание координат точек траекторий манипулятора должно осуществляться путем его перемещения в ручном режиме с последующей записью этих координат по показаниям кодовых датчиков.

ПО должно обеспечить два режима ручного управления манипулятора: непрерывное перемещение в выбранном направлении со скоростью, заданной с пульта оператора системы, пошаговое перемещение в выбранном направлении на шаг, заданный с пульта оператора системы.

При автоматическом выполнении ТХЗ ПО должно обеспечить: выбор ТХЗ по заданному оператором номеру и автоматическое его выполне-

ние с заданным выполнение щей в ТХЗ;выполнениение с заданным выполнение щей в ТХЗ;выполнениеоператором числом раз;

ние с заданным выполнение щей в ТХЗ;

выполнение

ние с заданным выполнение щей в ТХЗ;

выполнение

ТХЗ с остановкой после завершения каждой операции, входя-

ТХЗ с остановкой после завершения каждого шага контурного

движения манипулятора;

во время выполнения ТХЗ должна быть обеспечена индикация на пульте оператора текущего положения манипулятора в двух видах: положение отдельных звеньев, декартовы координаты рабочего органа.

ПО должно обеспечить также остановку автоматического выполнения ТХЗ по запросу оператора при завершении цикла, операции шага или немедленно.

После остановки ПО должно обеспечить возможность оператору выполнить любое требуемое действие.

По запросу оператора ПО должно осуществить продолжение выполнения ТХЗ в следующих модификациях:

продолжение выполнения с места остановки манипулятора;

, продолжение выполнения со смещением вперед или назад на указанное число операций или шагов.

При остановленном манипуляторе ПО должно обеспечивать возможность смещения манипулятора с запоминанием смещения и последующим его суммированием с требуемым положением манипулятора во всех последующих операциях.

ПО должно обеспечивать следующие режимы корректировки ТХЗ: удаление шага; добавление шага; изменение параметров, шага.

ПО должно обеспечить диагностику аварийных ситуаций, регистрируемых аппаратурными средствами устройства управления, и определить возможность продолжения выполнения ТХЗ.

При невозможности продолжения выполнения ТХЗ ПО должно осуществить прерывание выполнения. При этом должна быть обеспечена безаварийная остановка манипулятора.

Сообщение о диагностируемой ошибке ПО должно выдавать на пульт оператора в виде кода ошибки.

Модули ПО, работающие в режиме реального времени, должны быть защищены от неправильной работы аппаратных средств, если такая защита предусмотрена конструкцией аппаратных средств.

ПО должно быть защищено от переполнения областей памяти, отведенных под стеки, буферы и другие поля данных, заполняемые в автоматическом режиме.

Файловая система. ПО должна обеспечивать контроль правильности сохранения файлов и их передачи между ОЗУ и внешней памятью.

Время восстановления ПО после отказа не должно превышать 5 мин.

Требования к кабелям.

Кабели должны иметь надежную защиту от механических повреждений.

Показатели назначения и экономного использования сырья, материалов, топлива, энергии.

Номинальная грузоподъемность, кг . . .

Максимальная абсолютная погрешность позиционирования, мм ...

Геометрические характеристики рабочей зоны. . . .. . .

Показатели назначения степени подвижности.

Показателв . . . степени подвижности (ее наименование): максимальное перемещение, мм (°) .. .

время перемещения, с . . . . .. .

максимальная скорость, мм/с (%)

максимальное ускорение, мм/с3 (%2) .. .

максимальная абсолютная погрешность позиционирования . ....

Производительность ПР при выполнении операций, не>

ниже, не менее . . . .. .

Время разгона до номинальной скорости, с, не менее . .. . .

Диапазон регулирования скорости .. .

Показатели назначения системы управления.

Устройство управления должно обеспечивать обмен информацией с другими устройствами управления (в том числе других уровней).

Устройство управления должно обладать следующим объемом па* мяти, кбайт, не менее:

оперативной

периферийной .. •

Устройство управления должно обеспечить следующее число каналов связи с внешним оборудованием:

на вход .. .

на выход . . .• -

Требования к надежности.

Все узлы и механизмы ПР должны работать без заеданий и ударов,

Электроаппаратура и электродвигатели должны быть защищены от попадания влаги по категории «Пранил устройства электроустановок (ПУЭ)».

В наиболее ответственных местах должны быть предусмотрены предохранительные устройства от механических перегрузок.

Средний срок службы ПР до списания с учетом всех видов плановопредупредительных и восстановительных ремонтов, лет, не менее . . .

Надежность ПР в условиях и режимах эксплуатации должна характеризоваться следующими значениями показателей:

наработка на отказ, ч, не менее . . ,. . .

установленная наработка на неиндикатируемый сбой, ч, не менее . . . среднее время восстановления, ч, не более

полный срок службы, лет, не менее . . .

гарантийный срок, мес . . .

Требования к технологичности и метрологическому обеспечению разработки, производства и эксплуатации.

Конструкция ПР должна быть технологичной при изготовлении, эксплуатации и ремонте.

Составные части ПР, такие, как манипулятор и стойка управления (включая преобразователи), должны быть доступны для технического обслуживания и ремонта.

Сборка и стыковка отдельных частей ПР не должны требовать сложного технологического оснащения. В конструкции составных частей ПР должны быть предусмотрены элементы для удобства захватывания грузоподъемными средствами. Способы соединений должны обеспечивать легкосъемность составляющих элементов с малым ресурсом. Для технического обслуживания необходимо предусмотреть возможность использования стандартного слесарномонтажного инструмента.

Основные контролируемые параметры:

удельная трудоемкость, нормо-ч/единица измеряемого основного параметра, не более . . .

удельная материалоемкость, кг(т)/единица измеряемого основ- . . . ного параметра, не более . . .

удельная масса металла, кг (т)/единица измеряемого основ- . . . ного параметра, не более'.......

удельная энергоемкость, кВт/единица измеряемого основного параметра, не более . . .

Примечание. Единицу измеряемого основного параметра выбирают в зависимости от назначения ПР. Например, для ПР, выполняющего транспортные функции, основным параметром является грузоподъемность, кг, для сварочного ПР — длина сварного шва или число точек в единицу времени, м/мин (то- чек/мин), для окрасочного ПР — окрашиваемая площадь в единицу времени и т. д.

Требования к уровню унификации и стандартизации.

При разработке составных частей ПР необходимо предусмотреть: максимальную унификацию применяемых узлов, деталей и покупных изделий; использование стандартных крепежных деталей и т. п.

Использование серийно выпускаемых комплектующих изделий, %, не менее . . .

Показатели стандартизации и унификации составных частей ПР: коэффициент применяемости \ %, не менее . . .

коэффициент повторяемости 2 ...

Требования безопасности и требования по охране природы.

В системе управления ПР должны быть предусмотрены блокировки, для случая сбоя программ, обеспечивающие аварийный останов исполнительного органа манипулятора.

Конструкция манипулятора должна исключать его поломку при встрече с препятствием в случае сбоя программы и иметь блокировки для отключения приводов.

Стойка управления и пульт ручного обучения должны иметь аварийные кнопки «Стоп» аварийной остановки.

Коэффициент применяемости Кпр " -—^° ■ 100, где П — общее число типоразмеров деталей изделия; По — число типоразмеров оригинальных деталей.

Коэффициент повторяемости Кп—^ где N — общее число составных частей; П — общее число типоразмеров составных частей изделия.

ПР *должен соответствовать требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.072—82.

Уровень шума на рабочем месте не должен превышать значений, установленных ГОСТ 12.1.003—83.

Монтаж электрооборудования должен отвечать «Правилам устройств электроустановок (ПУЭ)», утвержденным Госэнергонадзором СССР,

Необходимо предусмотреть средства, обеспечивающие надежное заземление всех составных частей ПР, которые могут оказаться под напряжением.

Эстетические и эргономические требования.

Конструкция составных частей ПР и их внешний вид должны соответствовать современным требованиям технической эстетики.

Места регулирования, точки смазки манипулятора должны находиться в доступных местах и не требовать его разборки,

Установка органов управления и усилия, прикладываемые к иим человеком, должны отвечать эргономическим требованиям.

Эргономические и эстетические показатели, балл, ие менее:

гигиенические . . . .

антропометрические . . .

функционально-конструкторская выразительность формы . . .. . .

Съем крышек и панелей составных частей ПР должен быть достаточно простым. Крышки и панели должны обеспечиваться невыпадающим крепежом.

Требования к патентной чистоте.

ПР должен обладать патентной чистотой в отношении СССР, стран — членов СЭВ — Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, Чехословакии (должен быть выполнен с учетом возможности экспортной поставки в эти страны), стран, занимающих ведущее место в робототехнике.

По основным техническим параметрам и технико-экономнческнм показателям ПР должен иметь преимущество перед существующими отечественными образцами роботов данного класса и находиться на уровне современных зарубежных образцов.

Требования к составным частям ПР, сырью, исходным и эксплуатационным материалам.

В конструкции ие должно быть комплектующих изделий, приобретаемых по импорту из капиталистических стран,

На комплектующие изделия и материалы ограниченного применения должны быть ведомости согласования или договора о поставке.

Выбор дефицитных комплектующих изделий и материалов должеи быть подтвержден обоснованием.

Все металлические части манипулятора, за исключением выполненных из коррозийно-стойких материалов, должны быть защищены от коррозии.

Кожухи манипулятора и стойки управления должны иметь лакокрасочные покрытия поверхностей по ГОСТ 9.032—74:

наружных . . . .. .

внутренних

Все покупные комплектующие изделия должны иметь категорию качества не ниже первой.

Условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию и ремонту,

ПР должен быть изготовлен в исполнении . . . , категории размещения . . . ПО ГОСТ 15150—69.

Все составляющие ПР должны быть рассчитаны для работы в закрытых помещениях при температуре +10...+40°C и относительной влажности не выше 80 %.

Питание системы управления должно осуществляться от сети переменного тока напряжением . , . В, частотой 50 Гц.

ПР периодически должны обслуживать два человека, имеющие квалификацию наладчика электронной аппаратуры и слесаря-ремонтника станков шестого разряда.

Система обслуживания должна включать:

ежедневное обслуживание;

еженедельное обслуживание;

техническое обслуживание после 500 ч работы;

техническое обслуживание после 1000 ч работы.

4848Требования к маркировке и упаковке.На видных местах модулей ПР должны быть прикреплены таблички маркировки, изготовленные по ГОСТ 12969—67, на которых должны быть ука-Требования к маркировке и упаковке.На видных местах модулей ПР должны быть прикреплены таблички маркировки, изготовленные по ГОСТ 12969—67, на которых должны быть ука-Подготовка ПР к пуску после распаковки не должна превышать ч.

48

48

Требования к маркировке и упаковке.

На видных местах модулей ПР должны быть прикреплены таблички маркировки, изготовленные по ГОСТ 12969—67, на которых должны быть ука-

Требования к маркировке и упаковке.

На видных местах модулей ПР должны быть прикреплены таблички маркировки, изготовленные по ГОСТ 12969—67, на которых должны быть ука-

заны:

товарный знак или наименование предприятия-изготовителя;

наименование модели составной части ПР;

заводской иомер;

год выпуска.

Маркировка должна быть выполнена способом гравирования.

Перед упаковкой неокрашенные поверхности должны быть законсервированы.

1.4. Упаковка составных частей ПР совместно с консервацией должна обеспечивать сохранность при транспортировании ПР и хранении в течение ... месяцев.

Масса ПР в единице упаковки и применяемая тара указаны в табл. ...

Таблиц а

Масса

Наименованиев единице

упаковки

Тара

"—— Примечание

ТипОбозначение

1документа

Требования к транспортированию и хранению.

Упакованные изделия транспортируют в открытых транспортных средствах всех видов в соответствии с правилами перевозки грузов, действующими на транспорте данного вида.

Условия транспортирования (хранения) ПР ,.. в соответствии с требованиями ГОСТ 15150—69.

Срок хранения ПР ие более ... месяцев.

Требования к категории качества.

Разрабатываемое изделие должно быть ... категории качества (обоснование показателей качества см. таблицу приложения).

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

Экономический эффект от внедрения одного ПР составляет ... . тыс. руб.

Срок окупаемости затрат на разработку и освоение производства ...

года (лет).

Лимитная цеиа ПР ... тыс. руо.шт

64 Потребность в ПР на ближайшие 5 лет составит ... шт.

Наименование показателяБазовое значение показателяОтносительный показатель9 X XgS о Xу XX фо сiо с§оо XXX ф сфаналогак пер- спектявному образцук аналогу5X ФX сх а к5 сgф X XXО чX gи 2 О о с о.сgUh жДд*(с)Технико-эксплуатационныеОсновной контролируемый параметр ПРКоэффициент автоматизации, %, не менееДиапазон регулирования скоростиМаксимальная абсолютная погрешность позиционирования, мм, не болееОбъем оперативной памяти, кбайт, не менееНадежностиНаработка на отказ, ч, не менееСреднее время восстановления, ч, не болееПолный срок службы, лет, не менееГарантийный срок службы, мес., не менееСтандартизации и унификацииКоэффициент применяемости, %, не менееТехнологичностиУдельная материалоемкость, кг на единицу основного параметра, не болееУдельная масса металла, кг на единицу основного параметра, не болееНаименование показателяБазовое значение показателяОтносительный показатель9 X XgS о Xу XX фо сiо с§оо XXX ф сфаналогак пер- спектявному образцук аналогу5X ФX сх а к5 сgф X XXО чX gи 2 О о с о.сgUh жДд*(с)Технико-эксплуатационныеОсновной контролируемый параметр ПРКоэффициент автоматизации, %, не менееДиапазон регулирования скоростиМаксимальная абсолютная погрешность позиционирования, мм, не болееОбъем оперативной памяти, кбайт, не менееНадежностиНаработка на отказ, ч, не менееСреднее время восстановления, ч, не болееПолный срок службы, лет, не менееГарантийный срок службы, мес., не менееСтандартизации и унификацииКоэффициент применяемости, %, не менееТехнологичностиУдельная материалоемкость, кг на единицу основного параметра, не болееУдельная масса металла, кг на единицу основного параметра, не болееОбоснование показателей качества изделийОбоснование показателей качества изделийОбозначения; Д — относительное значение показателя качества (см. ГОСТ 15467—79); К(М=$Д— относительное значение показателя качества продукции с учетом коэффнпиента весомости В, устанавливаемого экспертным путем.Обозначения; Д — относительное значение показателя качества (см. ГОСТ 15467—79); К(М=$Д— относительное значение показателя качества продукции с учетом коэффнпиента весомости В, устанавливаемого экспертным путем.Приложение ! (Обязательное),Приложение ! (Обязательное),

Наименование показателя

Базовое значение показателя

Относительный показатель

9 X X

g

S о X

у X

X ф

о с

i

о с

§

о

о X

X

X ф с

ф

аналога

к пер- спектявному образцу

к аналогу

5

X Ф

X сх а к

5 с

g

ф X X

X

О ч

X g

и 2 О о с о.

с

g

Uh ж

Д

д

*(с)

Технико-эксплуатационные

Основной контролируемый параметр ПР

Коэффициент автоматизации, %, не менее

Диапазон регулирования скорости

Максимальная абсолютная погрешность позиционирования, мм, не более

Объем оперативной памяти, кбайт, не менее

Надежности

Наработка на отказ, ч, не менее

Среднее время восстановления, ч, не более

Полный срок службы, лет, не менее

Гарантийный срок службы, мес., не менее

Стандартизации и унификации

Коэффициент применяемости, %, не менее

Технологичности

Удельная материалоемкость, кг на единицу основного параметра, не более

Удельная масса металла, кг на единицу основного параметра, не более

Наименование показателя

Базовое значение показателя

Относительный показатель

9 X X

g

S о X

у X

X ф

о с

i

о с

§

о

о X

X

X ф с

ф

аналога

к пер- спектявному образцу

к аналогу

5

X Ф

X сх а к

5 с

g

ф X X

X

О ч

X g

и 2 О о с о.

с

g

Uh ж

Д

д

*(с)

Технико-эксплуатационные

Основной контролируемый параметр ПР

Коэффициент автоматизации, %, не менее

Диапазон регулирования скорости

Максимальная абсолютная погрешность позиционирования, мм, не более

Объем оперативной памяти, кбайт, не менее

Надежности

Наработка на отказ, ч, не менее

Среднее время восстановления, ч, не более

Полный срок службы, лет, не менее

Гарантийный срок службы, мес., не менее

Стандартизации и унификации

Коэффициент применяемости, %, не менее

Технологичности

Удельная материалоемкость, кг на единицу основного параметра, не более

Удельная масса металла, кг на единицу основного параметра, не более

Обоснование показателей качества изделий

Обоснование показателей качества изделий

Обозначения; Д — относительное значение показателя качества (см. ГОСТ 15467—79); К(М=$Д— относительное значение показателя качества продукции с учетом коэффнпиента весомости В, устанавливаемого экспертным путем.

Обозначения; Д — относительное значение показателя качества (см. ГОСТ 15467—79); К(М=$Д— относительное значение показателя качества продукции с учетом коэффнпиента весомости В, устанавливаемого экспертным путем.

Приложение ! (Обязательное),

Приложение ! (Обязательное),

СТАДИИ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ

Разработка конструкторской документации на ПР предусматривает

следующие стадии, этапы работ и срок их выполнения: эскизный проект ...кв, 19... г.

технический проект ... кв. 19... г.

разработка рабочей конструкторской документации . .... кв. 19... г.

разработка документации опытного образца ...кв. 19... г.

изготовление опытного образца ...кв. 19... г.

монтаж и испытания опытного образца ...кв. 19... г.

корректировка конструкторской документации по ре

зультатам испытаний ... кв. 19... г.

приемочные испытания опытного образца ...кв. 19... г.

изготовление и испытание установочной партии . . .... кв. 19... г.

Технический проект рассматривается на ... 7.3. Рабочая документация сдается изготовителю-предприятию ... по приемосдаточному акту ... 7.4. Опытный образец изготовляется на предприятии ... . 7.5. Серийные образцы изготовляются на предприятии ... . 7.6. Авторский надзор осуществлиет предприятие ... . 8. Порядок контроля и приемки

Согласованию подлежат: технические условия (ТУ), карта технического уровня и качества продукции (КУ), программа и методика испытаний (ПМ).

ТУ, КУ, ПМ согласовывают:

Опытный образец изготовляют в количестве ... шт., доводят по результатам испытаний и предъявляют на приемочные испытания, проводимые по программе и методике, утвержденным в установленном порядке.

Состав комиссии по проведению испытаний опытного образца должен соответствовать требованиям отраслевых стандартов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Автоматические манипуляторы с программным управлением (промышленные роботы), разрабатываемые Минстанкопромом в 1976—1980 гг. М.: НИИМАШ, 1977, 40 с..

Аншии С. С., Великович В. Б., Козырев Ю. Г. Общая методика испытаний автоматических манипуляторов//Станкн н инструмент. 1981, № 12. С. 2—5.

Белянин П. Н. Промышленные роботы. М.: Машиностроение. 1975. 400 с.

Бидерман В. М. Прикладная теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1972. 416 с.

Владов И. Л., Данилевский В. Н. Механические схваты промышленных роботов с прямолинейным движением губок//Тр. НИАТ, № 394. 1980. С. 36—41.

Внброакустическая диагностика зарождающихся дефектов/Ф. Я. Балицкий, М. А. Иванова, А. Г. Соколова, Е. И. Хомяков. М.: Наука, 1984. 119 с.

Волчкевич Л. И. Роботы и здравый смысл//Изобретатель и рационализатор. 1986, № 4. С. 2—3.

Герц Д. В., Крейн ин Г. В. Расчет пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1975. 272 с.

Голосовский С. И., Шушко Д. А. Социально-экономические критерии эффективности промышленных роботов. М.: Заочный институт повышения квалификации ИТР Центрального правления НТО приборостроительной промышленности им. акад. С. И. Вавилова. 1985. 64 с.

Гомельский Ю. С. Электрические элементы электрогидравлических устройств автоматики. М.: Энергия, 1968. 144 с.

Горелик А. Л., Скрипкин В. А. Методы распознавания. М.: Высшая школа, 1984. 208 с.

Дал У., Дейкстра Э., Хоор К- Структурное программирование/Пер. с английского. М.: Мир, 1975. 246 с.

Игнатьев М. Б., Кулаков Ф. М., Покровский А. М. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. Л.: Машиностроение, 1977. 247 с.

Инструкция по оценке экономической эффективности создания и использования автоматических манипуляторов с программным управлением (промышленных роботов). М.: НИИМАШ, 1983. 102 с.

Испытания промышленных роботов. Методические рекомендации. М.: НИИМАШ, 1983. 99 с.

КамышиыйН. И., Павлеико И. И. Кинематика промышленных роботов// Вестник машиностроения. 1975, № 1. С. 63—65.

Квиттнер П. Задачи программы вычисления результатов. М.: Мир, 1980. 422 с.

Кнфер Л. Г., Абрамович И. И. Грузоподъемные машины. М.: Машгиз, 1956. 486 с.

Клепов А. Д. Автоматическое конструирование движения манипулятора по пространственным контурам: Методы и модели для управления роботами и манипуляторами в производстве и научных исследованиях//Материалы семинара. М.: МДНТП, 1979. С. 136—142.

Козловский В. А. Организационно-экономические вопросы построения производственных систем. Л.: ЛГУ, 1981. 216 с.

Козырев Ю. Г. Построение типажа промышленных роботов/УСтанки и инструмент. 1978, № 7. С. 1—8.

Козырев Ю. Г. Промышленные роботы. Справочник. М.: Машиностроение, 1983. 376 с.

Коренев Г. В. Целенаправленная механика управляемых манипуляторов. М.: Наука, 1979. 448 с.

Коренев Г. В. Цель и приспособляемость движения. М.: Наука, 1974. 528 с.

Кошкии Л. Н. Роторные и роторно-конвейерные линии. М.: Машиностроение, 1982. 336 с.

Крейнин Г. В. Пневматические приводы автоматических манипулято- ровУУСтанки и инструмент. 1978, № 7. С. 24—27.

Люкфелт К. Контроль качества и надежности производства на роботизированных сварочных установках/УМатериалы симпозиума фирмы «Eke Engineers» ФРГ (на русском языке). Изд. фирмы, 1984. 12 с.

Льюис Э., Стерн X. Гидравлические системы управления/Пер. с англ./ И. М. Крассов. М.: Мир, 1966. 407 с.

Майерс Г. Надежность программного обеспечения/Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 360 с.

Макаров В. М. Исследование областей эффективного применения промышленных роботов для автоматизации мелкой холодной штамповки/УПромыш- ленные роботы и их применение. Л.: ЛДНТП, 1981. С. 17—24.

Макаров В. М., Искровская Т. С. Организационное проектирование и его роль в технико-экономическом анализе вариантов робототехникиУУВестник машиностроения. 1984, № 3. С. 70—73.

Методика (основные положения) определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М.: ГКНТ, 1978. 41 с.

Микропроцессорное устройство управления сварочным робо- том/И. Б. Кнауэр и др.УУТез. докл. 3-е Всесоюзное совещание по робототехническим системам. Воронеж, 1984, ч. 2. С. 33—35.

Надежность технических систем: Справочник/Ю. К. Беляев, В. А. Богатырев, В. В. Болотин и др.; Под ред. И. А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985. 608 с.

Нахапетян Е. Г. Квалиметрия механизмов машин-автоматов и промышленных роботовУУКвалиметрия и диагностирование механизмов. М.: Наука, 1979. С. 4—32.

Организационно-технологические основы совершенствования на базе использования промышленных роботовУУОбзор. М.: НИИМАШ, 1982. 46 с.

Организация программного обеспечения контурной системы операционного управления промышленным роботом для дуговой сваркнУС. М. Григорович, В. И. Кавинов, А. Е. Клепов, К- В. СамвелянУ/Тез. докл. Всесоюзного совещания по робототехническим системам. Минск.: БелНИИНТИ, 1981, ч. 1.С. 101—102.

Патон1 Б. Е., Спыну Г. А., Тимошенко В. Г. Промышленные роботы для сварки. Киев: Паукова думка, 1977. 227 с.

Подготовка производства к применению промышленных роботов. Методические рекомендации. М.: НИИМАШ, 1980. 40 с.

Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора. М.: Наука, 1976. 104 с.

Попов Д. П., Верещагин А. Ц., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы. М.: Наука, 1978. 398 с.

Принципы построения двигательной системы автоматических манипуля- торо'в с программным управлением/А. Е. Кобринский, А. И. Корендясев, Б. Л. Саламандра и др.//Станки и инструмент, 1976, № 4. С. 3—10.

Проектирование нелинейных следящих систем/В. Н. Яворский и др. — Л.: Энергия, 1976. 206 с.

Промышленные роботы в сборочном производстве/В. И. Костюк, Л. С. Ямпольский, И. Б. Иваненко. Киев: Техника, 1983. 183 с.

Промышленная робототехника/Я- А. Шифрин и др. — М.: Машиностроение, 1982. 415 с.

Разработка методики и проведение динамических исследований промышленных роботов/С. С. Аншин, Р. В. Векилов и др.//Тез. докл. Всесоюзного совещания по робототехническим системам. М.: Наука, 1978. С. 23.

-Рапопорт Г. Н., Солии Ю. В. Применение промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1985. 272 с.

Расчеты на прочность/Под ред. С. Д. Пономарева, т. 2. М.: Машгиз, 1958. 314 с.

Розанов Б. В. Гидравлические прессы. М.: Машгиз, 1959. 428 с.

Самоцеитрирующий захват для гладких ступенчатых валов/В. Б. Вели- кович, С. В. Житомирский, Ю. Г. Козырев, А. В. Кудинов//Механизация и автоматизация производства. 1976, № 10. С. 15—17.

Сираси Ц. Диагностирование старения рабочей жидкости гидравлических установок/Пер. № Е-31976. М.: ГПНТБ, 1982. 16 с.

Системы управления промышленными роботами и манипуляторами/ Е. И. Юревич, Ю. Д. Андриасов, С. И. Новиченко и др. Л.: ЛГУ, 1980. 184 с.

Структура и программное обеспечение многопроцессорной системы управления сварочным роботом/В. В. Назаров и др.//Тез. докл. 3-го Всесоюзного совещания по робототехническим системам. Ч. 2. Воронеж, 1984. С. 32—33.

Устройство промышленных роботов/Е. И. Юревич, Б. Г. Аветиков, О. Б. Корытко и др. Л.: Машиностроение, 1980. 332 с.

Устройство циклового программного управления УЦМ-30. М.: Внеш- торгиздат. Изд. № 8894/84 . 28 с.

Хохлов В. А. Гидравлические усилители мощности. М.: АН СССР, 1963. 240 с.

Фокс Дж. Программное обеспечение и его разработка/Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 368 с.

Чупраков Ю. И. Гидропривод и средства гидроавтоматики. М.: Машиностроение, 1979. 232 с.

1^ Шоу А. Логическое проектирование операционных систем. М.: Мир,

Шушко Д. А. Основные особенности и результаты оценки экономической эффективности от внедрения робототехнических комплексов и промышленных роботов//Кузнечно-штамповочное производство. 1981. № 11. С. 33—35.

Яковенко Д. Г. Управление экономическими параметрами развития производства. М.: Наука, 1974. 175 с.

Яковенко Д. Г. Экономические циклы жизни машин. М.: Машиностроение, 1981. 158 с.

Camera A., Migliardi G. F. Integrating parts inspection and functional control during automatic assembly/ZAssembly automation, Vol. 1. No 2. 1981. P. 78-82.

Cobleen H. Adaptive control-giring robots the power to copeZZRobotic today. Spring, 1980. P. 32—34.

Franklin I. W., Vandrbrug G. J. Programming vision and Robotics systems with RAIL/ZProceedings, 6-th International conference on Robots. Dearborn, Michigan. March, 1982. P. 392—407.

Kempf K. G. Robot command languages and artificial intel ligenceZZPro- ceedings, 6-th International conference on robots. Dearborn, Michigan. March, 1982. P. 369—392.

Luenberger D. G. Observing the state of linear system. Trans.//IEEE on military electronics. V. MIL-8, 1964. No 2. P. 67—73.

Ruoff С. Teach-A concurrent robot control languageZ/Proceedings IEEE Computing Society 3-rd International computer softuare application conference. Chicago, 1979. P. 442—445.

Salmon M. SIGLA — The Olivetti SIGMA robot programming language// Proceedings of 8-th International symposium on industrial robots. Stuttgart, 1978. P. 358—363.

Schreiber R. Cincinnati Milacron's T3 compruter controlled robotZZRobo- tics Today, Summer, 1980. P. 45—46.

Shimano В. E., VAL-A versatile robot programming and control system/ Proceedings IEEE computer softuare application conference. Chicago, 1979. P. 878—883.

Warnecke H. J., Brodbeck B., Schiele G. Results of the examination of industrial robots on a test stand/'/Proceedings of the Sth congress on theory of machines and mechanismus. Vol. 1. Monreal, Canada, 1979. P. 816— 820.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

А

Автоматизация проектирования ПР 162—178 , имитационная система 162—166

Б

Быстроходность ПР 240

Г

Гидропривод 56—59

—, основы расчета 68—72

д

Диагностирование ПР 210—213 , диагностические признаки 219 вероятностные 219 , виды 219, 220 , выбор 251—253 — детерминированные 219 логические 219 структурные (лингвистические, синтаксические) 220 — —, система признаков оценки качества работоспособности

манипуляторов ПР 220—230

— рабочей жидкости гидроприводов ПР 237 —240

— систем программного управления см. Системы программного управления, диагностирование

3

Захватные устройства 23, 123 вакуумные, расчет 138—140 — —, классификация 123—127 — — магнитные, расчет 138—140 механические, расчет 127—132 , определение КПД 133—138

и

Испытания ПР 179—209

— — аттестационные 186

, виды 180—182

, классификация 181

исследовательские 180—182

контрольные 180, 183—197

—, методы определения параметров и осуществления проверок 189—196

на погрешность отработки траектории 196, 197

, порядок проведения 184

, проверяемые параметры 183, 184

, программа 184

— — —, требования к испытываемым образцам 188

к средствам измерений 188

к условиям проведения 187, 188

, особенности 179, 180

периодические 187

предварительные 184

приемосдаточные 184

приемочные 184

ресурсные 197—209

, методика проведения 205—209

, особенности 197, 198

, программы 202—205

, составные части 201

, условия проведения198—201

типовые 187

М

Механическая система УПР, деформация 112

, расчет 112—122

исполнительная (ИМС) 15, 19, 20

, особенности 19, 20

, расчет параметров 44, 45

, типы 20, 21

несущая (НМС) 15

, несущие звенья 16, несущие кинематические пары 16, несущие системы вывешивания 16, 17

, расчет жесткости 115—120

, способы соединения деталей конструкции 18

•, обратная задача о положении механизмов ПР 104

— , определение масс исполнительных кистевых передаточ

ных механизмов 114, 115

— — —, расчет ИМС 120—122

масс передаточных механизмов 115

О

Органы ПР рабочие 23

, приводы 23

П

Передаточные механизмы ПР 99—103

Пневмопривод 56—58

—, основы расчета 80—99

— следящий 94—99

с дискретной системой управления 98, 99

с непрерывной системой управления 95—98 Погрешность позиционирования ПР 240—250 Привод ПР 55 активный 57, 58

— — гидравлический см. Гидропривод комбинированный 56 пассивный 58

пневматический см. Пневмопривод

, признаки классификации 56

следящий 57

замкнутый 58

разомкнутый 58

, структура 56

, типы 56—59 электрический см. Электропривод — __ энергетические характеристики 59—64 Программное обеспечение ПР 141—162 , алгоритмы планирования движения 153—159 , структура 143—146 , технология разработки159—162 , требования 142, 143 —, функциональные возможности146—153

Промышленный робот (ПР), агрегатно-модульный принцип построения 64—67 , алгоритмы управления 46—48 , кисть 20—24 , межремонтное обслуживание и ремонт 209 , методика создания комплексной системы подготовки производства 11, 12 , методы расчета и проектирования 104—140 создания конструкций 64 , многоуровневая структура схемно-компоновочного решения 45, 46

модульного типа РПМ-25 34—38

, особенности 9, 13—15

, постановка задачи проектирования 9—14 , рабочее проектирование 13, 14

РПШ-40 23 —25, 27

сварочный 38—42

—, особенности применения 38—41

— РПКСМ 24, 25, 31—34

СУР-МС 24, 25, 31, 42

«Универсал — 60.02» 24, 25, 27 —29

«Универсал — 60.04» 24, 25, 29 —31

, системы программного управления см. Системы программного управления

, стадии проектирования 43—46

, структура привода 56

— —, структурная схема типового модуля 45

, техническое задание (типовое) 254

проектирование 13, 14

, требования 9, 10

универсальный (УПР) 14—38

, исполнительная механическая система (ИМС) см. Механическая система УПР исполнительная

, несущая механическая система (НМС) см. Механическая система УПР несущая

,особенности 14, 15

,система вывешивания 18, 19

обеспечения рабочей зоны 16, 17

—:,способы соединения несущихдеталейконструкции18

,структура и устройство механическойсистемы15—38 ,функциональная схема 15

, характеристики см. Характеристики ПР

Р

Редукторы скорости 100—102

Робот промышленный см. Промышленный робот

Робототехническая система, состав функциональных подсистем 162

С

САПР роботов 162, 166—178

, методика использования 167—178

, средства общения 166, 167

, функции 167

Система механическая манипулятора прямоугольная 45

универсального ПР см. Механическая система УПР

— модулей робота РПМ-25 35

Системы программного управления 46—55

аналого-позиционные 49—52

, диагностирование 230—237

контурные и контурно-позиционные 52—55

—— микропроцессорные (МСПУ) 52—55

, требования 46—48

— технической диагностики (СТД) 210—220

, виды 211—213

, классификация 213—215

, комплекс алгоритмов и программ 213—215

, основные задачи построения 215—217

, функциональная схема 213

, этапы построения 218

Структура схемно-компоновочного решения ПР многоуровневая 45, 46

Схема кинематическая механизмов продольного и поперечного перемещения и подъема боковых рук ПР 32, 33 портала робота РПКСМ 33 руки робота РПКСМ 33

трехстепенной кисти ПР 30, 31

— структурная типового модуля ПР 45

У

Усилитель электрогидравлический типа РДЭ 72—80

Устройства захватные см. Захватные устройства — обеспечения рабочей зоны УПР 16, 17

X

Характеристики ПР, динамические 104—112

кинематические 104—112

, методика определения 104

— привода ПР энергетические см. Привод ПР, энергетические характеристики

Э

Электрогидропривод 56—59

—, основы расчета 68—80

Электропривод 56—59

УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ!

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ»ВЫПУСТИТ В 1989 ГОДУСЛЕДУЮЩИЕ КНИГИ ПО РОБОТОТЕХНИКЕ;

Научно-популярная литература

Меркулов А. П. Что могут роботы. —2-е изд., доп. — М.: Машиностроение, 1989. — 12 л.: ил. — (Науч.-попул. б-ка школьника). — (в обл.): 50 к.

Автор книги — известный популяризатор науки и техники, член Союза журналистов СССР — в увлекательной форме рассказывает об основных направлениях в развитии робототехники в 80-е годы, о новых технологических процессах и организации производства при внедрении робототехники.

Второе издание (1-е изд. 1986 г.) дополнено материалами о совершенствовании электронного «мозга» роботов, об использовании роботов в гибком автоматизированном производстве и др.

Для учащихся старших классов и ПТУ.

Производственная литература

А с ф а л ь Р. Роботы и автоматизация производства: Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1989. — 27 л.: ил. —(в пер.): 2 р. 20 к.

В книге автора — сотрудника Центра робототехники и автоматизации при Арканзасском университете (США) — анализируются основные направления развития робототехники, в том числе взаимосвязь промышленных роботов с другими элементами автоматизации. Особое внимание уделено не проблемам конструирования роботов, а вопросам их внедрения и эксплуатации на современных предприятиях и заводах будущего.

Для инженеров всех отраслей промышленности, занимающихся автоматизацией производственных процессов .

ББК 32.816-02

П79

УДК 621.865.8.001.63

Серия основана в 1984 году

Авторы:

С. С. Анисин, А. В. Бабич, А. Г. Баранов, П. Н. Белянин,И. Л. Владов, Е. И. Воробьев, А* Л. Горелик, В. Н. Данилевский,И. В. Калабин, Л. Е. Клепов, И. Б. Кнауэр, Ю. Г. Козырев,Г* В- Крейнин, Ф. М. Кулаков, В. Г. Михеев, Е. Г. Нахапетян,П. С. Ромашкин, В. П. Степанов, Я- А. Шифрин, В. В. Шор,Д. А. Шушко

Рецензент д-р техн, наук В. Г. ГРАДЕЦКИЙ

Проектирование и разработка промышленных роботов/ П79 С. С. Аншин, А. В. Бабич, А. Г. Баранов и др.; Под общ. ред. Я. А. Шифрина, П. Н. Белянина. —М.: Машиностроение, 1989. —272 с.: ил. —(Автоматические манипуляторы и робототехнические системы).

ISBN 5-217-00464-9

В книге отражен опыт проектирования и разработки серийно выпускаемых в СССР промышленных роботов (ПР). Изложены принципы построения ПР, методы их расчета, конструирования и проектирования. Описано устройство ряда отечественных ПР и даны их характеристики. Рассмотрены перспективные разработки нового поколения ПР.

Для инженерно-технических работников заводов, КБ, НИИ и проектных организаций различных отраслей народного хозяйства, занимающихся разработкой средств автоматизации и механизации технологических процессов.

ISBN 5-217-00464-9© Издательство «Машиностроение», 1989

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие