Агрегатно-модульное построение промышленных роботов

Приемы и принципы, используемые отдельными проектировщиками при создании агрегатно-модульных конструкций, различны. Не разработана еще система определения основных понятий. В дальнейшем будем пользоваться терминами и определениями основных понятий системы унифицированной агрегатно-модульной базы робототехники, приведенными в табл. 1.  

В состав ПР входят основные системы трех видов: исполнительная, информационная и управления. При агрегатно-модульном построении ПР функциональные узлы основных систем строятся на агрегатной основе и на базе этих узлов создаются различные компоновочные схемы. 

К отдельным агрегатным узлам (модулям) системы предъявляются следующие основные требования: законченность и кон­структивная самостоятельность механизмов; обеспечение прочности и жесткости (в пределах одного типоразмера) в соответствии с проектными нормативами; обеспечение компоновки в различных сочетаниях и положениях, простота и надежность монтажа; унификация стыковочных элементов узлов одинакового назначения.  

Следует также предусматривать унификацию узлов в пределах смежных типоразмеров и между отдельными типами узлов (модулей) с установлением конкретной номенклатуры типов таких узлов, деталей, принадлежностей и приспособлений.  

При создании агрегатно-модульной системы построения ПР решается задача минимизации необходимого числа степеней подвижности конструкции для выполнения ею своего функционального назначения.  

Классификация агрегатно-модульных конструкций. Существуют различные формы реализации принципа агрегатного построения ПР. Их можно классифицировать по ряду независимых признаков, которые в конкретных условиях могут применяться в различных сочетаниях. В любом случае термин «агрегатное построение» может относиться к некоторой гамме устройств, скомпонованных из однотипных узлов. При этом можно выделить следующие основные признаки построения гамм ПР: компоновка, число основных характеристик, вид систем управления. Следует отметить, что приводимая классификация является условной, так как на практике эти признаки встречаются в самых различных сочетаниях, а границы между группами весьма неопределенны.  

1 По компоновке системы агрегатно-модульного построения ПР условно могут быть разделены на две группы: 1) системы построения ПР на базе одной принципиальной компоновочной схемы (однотипные роботы): конкретные исполнения ПР различаются размерами и грузоподъемностью, а также характером комплекта­ций (системами управления, дополнительными кинематическими модулями, расширяющими подвижность базовой модели, различ-ными типами приводов, изменяющих энергетические показатели конструкции, и т. п.); 2) системы агрегатно-модульного построения ПР, дающие возможность получать несколько принципиально различных компоновочных схем (разнотипные роботы), в том числе различающихся формой и размерами рабочих зон и грузоподъемностью.  

2 По возможности изменения технических характеристик ПР агрегатно-модульные гаммы могут быть разделены на три группы: 1) гамма ПР с постоянными значениями основных технических по­казателей (например, грузоподъемности, скорости, числа степеней подвижности и т. п.); 2) гамма модификаций ПР с ограниченным числом основных технических показателей; 3) агрегатно-модульная гамма широкого назначения, обеспечивающая получение модификаций ПР с большим разнообразием основных характеристик.  

3 По типу систем управления различают: гаммы ПР, комплектуемые системами управления одного типа; гаммы ПР, обеспечивающие построение модификаций ПР, комплектуемых системами управления различных типов; агрегатно-модульные гаммы ПР, допускающие комплектование модификаций механических систем различными типами систем управления, входящими в некоторый унифицированный ряд.  

4 По типу систем управления между агрегатно-модульными гаммами и внутри их следует различать жесткопрограммируемые, адаптивные и гибкопрограммируемые ПР.  

Основные требования при разработке конструкций. Одним из важных требований агрегатно-модульного построения ПР является требование конструктивного формирования отдельных элементов по функциональному признаку. В этой связи агрегатные узлы должны быть по возможности законченными и конструктивно независимыми механизмами.  

В составе гаммы агрегатных узлов исполнительной системы необходимо предусматривать 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 исполнительной системы ПР должны обеспечивать взаимную компоновку в различных сочетаниях и положениях, а их монтаж должен быть простым и надежным.  

Для систем управления и автоматики должна предусматриваться возможность крепления на конструктивных 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-модульной системы должна решаться задача минимизации номенклатуры узлов и устройств, входящих в ее состав.  

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

-             конструктивно-технологические параметры ПР (грузоподъемность, скорости перемещений исполнительных органов, 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 и 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 системы программного управления должны максимально (но без избыточности) соответствовать требованиям, удовлетворяющим решению 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); максимальный темп работы робота определяется требованиями технологии и (вместе с объемом возлагаемых на ПР операций) экономически целесообразным техническим уровнем конструкции ПР.  

Унификация и нормализация основных параметров ПР и узлов — одна из основных задач при разработке агрегатно-модульных систем.  

С переходом к агрегатному построению ПР следование какому бы то ни было ряду грузоподъемности становится затруднительным, так как грузоподъемность ПР зависит от массы его узлов и их типа, длины ходов, типа привода и набора рабочих движений. У ПР агрегатной конструкции часто предусматривается возмож­ность установки узлов в разных положениях, что также оказывает влияние на грузоподъемность.  

Таким образом, номинальная грузоподъемность, характеризующая гамму, регламентируется лишь для наиболее характерных модификаций или базовых моделей гаммы. 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 момент вра­щения, устанавливаются при разработке параметрических рядов агрегатных систем.  

Скорости и значения перемещений 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 многообразием компоновок ПР и зависимостью динамических показателей конструкции от выбора варианта комбинации стыкуемых модулей.  

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

В существующих конструкциях агрегатных ПР используются два вида соединений узлов — клеммное и на винтах. Клеммы, надетые на цилиндрические скалки, применяются в основном для легких манипуляторов. Такое соединение позволяет легко регулировать линейное и угловое взаимное расположение узлов.  

При соединении винтами на узлах предусматривают базовые плоскости и крепежные отверстия. В тех случаях, когда предъявляются высокие требования к точности сочленения, используют базирующие отверстия. В узлах упрощенных манипуляторов выполняется несколько стыковочных элементов, позволяющих устанавливать узлы в различных положениях. Переустановка указанных узлов позволяет изменять форму и расположение рабочей зоны манипулятора.  

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

Захватные устройства подвергаются нормализации по грузоподъемности, наибольшему размеру захватываемой поверхности объекта манипулирования, по конструкции и размерам элементов (мест) крепления к ручке робота.  

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