Конструкции захватных устройств
Наибольшее применение получили механические ЗУ, конструкция которых содержит следующие элементы: привод, усилительно-передающее звено и зажимной элемент. В ряде случаев механические ЗУ снабжаются дополнительными информационно-измерительными звеньями, позволяющими выводить рабочие органы промышленных роботов в область расположения объектов, а также измерять отдельные параметры захватываемых объектов.
Одна из разновидностей механических ЗУ — с реечно-рычажным механизмом — представлена на рис. 2. Корпус 1 служит одновременно рабочим пневмоцилиндром привода и базой для крепления реечно-рычажной передачи 4 усилительно-передающего звена. Рабочее тело в полость цилиндра подается по каналам 3, и в зависимости от состояния клапанов, управляющих каналами 3, поршень 2 со штоком и рейкой перемещается в заданном направлении. Перемещение рейки приводит к качанию секторов реечно-рычажной передачи 4, а также спаренных параллелограммных механизмов 5 с губками 6 на концах. Использование плоскопараллельных рычагов в параллелограммных механизмах 5 обеспечивает строго параллельное расположение рабочих поверхностей губок 6 во всем диапазоне их перемещения, что удовлетворяет условию оптимального наложения удерживающих связей на объект при его захвате.
Часто технологический процесс требует, чтобы один промышленный робот обслуживал ряд объектов, отличающихся по форме, физико-механическим свойствам, размерам и т. д., в связи с чем в ЗУ должна быть предусмотрена возможность быстрой переналадки. Для механических ЗУ такая переналадка выражается, как правило, в смене губок. Однако при этом обеспечивается переналадка захватных устройств в узком диапазоне номенклатуры захватываемых объектов. Поэтому стремятся создать более универсальные устройства за счет конструктивных решений. На рис. 3 показана конструкция механического спаренного захватного устройства, имеющего расширенные технологические возможности. Это достигается совмещением в одном ЗУ двух механизмов: нижнего 1 и верхнего гравитационного 2, расположенных в корпусе 3 свою очередь, корпус 6 захватного устройства крепится к руке 5 манипуляционной системы ПР. Устройство может осуществлять захват объектов между нижним механизмом 1 и внутренней профилированной поверхностью верхнего механизма 2. С этой целью приводом 7 вертикального перемещения корпуса 3 верхнего механизма 2 осуществляется сведение механизмов 1 и 2 до полного зажима находящегося между ними объекта. В случае, когда не требуется четкое фиксирование объекта в ЗУ, используется гравитационный призматический механизм 2. Захватное устройство снабжено приводом вращения для осуществления ориентирующих движений вокруг оси крепления корпуса 3 к руке 5 промышленного робота.
Наличие на производстве широкой номенклатуры объектов из ферромагнитных материалов предопределяет целесообразность использования магнитных ЗУ. Особенно успешно такие устройства применяются в заготовительном производстве при обслуживании объектов плоской формы. Магнитные ЗУ отличаются простотой конструктивного исполнения, надежностью захвата объектов, возможностями управления усилием захвата и быстрой переналадки путем смены зажимных элементов.
Одна из разновидностей магнитных ЗУ, приведенная на рис. 4, может использоваться как для захвата объектов из листового материала, так и для группового захвата объектов каждым из электромагнитов, входящих в состав устройства. Количество электромагнитов, таким образом, определяется необходимым числом одновременно захватываемых объектов или требованиями обеспечения определенного усилия захвата, распределенного по поверхности захватываемого объекта. Конструкция магнитных ЗУ, как правило, очень проста и содержит электромагниты 1,расположенные на сменных кронштейнах 2, которые, в свою очередь, прикреплены к основанию 3, а также традиционные элементы — кисть 5 и руку 4 промышленного робота, на которых устанавливается магнитное ЗУ.
Практика промышленных предприятий подтверждает высокие показатели надежности и долговечности пневматических струйных систем. Большой интерес для промышленной робототехники, в частности, при создании захватных устройств для промышленных роботов, представляют струйные вихревые преобразователи. К преимуществам использования таких преобразователей в качестве схватов промышленных роботов следует отнести прежде всего возможности совмещения функций получения и преобразования информации о положении объектов роботизации и управления процессом вывода рабочих органов ПР в область расположения объекта роботизации с обеспечением операции захвата последнего.
Более широкий диапазон измерения и линейную характеристику наибольшей протяженности имеет струйный преобразователь вихревого типа с кольцеым сходящимся соплом (рис. 5, а).
Предел измерения, а вместе с тем и определения удаленности расположения объекта 2 от кольцевого сопла преобразователя 1, достигает 70 мм. При этом оптимальными являются следующие параметры преобразователя: ширина кольцевого зазора b = 0,722 мм; расстояние от торца кольцевого сопла до торцевой поверхности преобразователя l = 0,045 мм; угол конуса преобразователя 2j = 60°; диаметр кольцевого сопла D = 6,5 мм.
Свойства преобразователя по обнаружению и захвату объекта видны из его рабочей безразмерной характеристики (рис. 5, б) с тремя явно выраженными участками. Участок f — тдля точного измерения не применяется, так как чувствительность преобразователя на нем низка. Вместе с тем имеющая место слабая зависимость коэффициента давления К (представляет собой отношение атмосферного давления рн к давлению питания р0) от параметра Д (отношение расстояния х от торца преобразователя до объекта к диаметру D) может использоваться для предварительного снижения скорости перемещения рабочих органов ПР в направлении объекта. Участок с — f характеристики служит для точной индикации положения детали и одновременного управления скоростью позиционирования преобразователя в область расположения объекта. Наконец, третий участок характеристики а—с определяет эжекторный характер взаимодействия преобразователя и объекта, когда объект «засасывается» струей воздуха, выходящего из сопла. В частности, приведенные выше параметры преобразователя и давление питания р0 = 80 кПа обеспечивают удержание объекта весом 1,0 Н, если он перекрывает торец преобразователя диаметром 15 мм.
Описанный преобразователь-схват, в отличие от известных вакуумных присосок с эластичным элементом, не предъявляет высоких требований к чистоте обработки поверхности объекта и его температуре.
Конструктивно ЗУ эжекторного типа (рис. 6) представляет собой корпус 3, на котором укреплен держатель с резиновыми амортизирующими кольцами 1. Корпус 3 связан с распределителем 5, устанавливаемым на кисти ПР. Система распределения воздуха по питающему каналу 7 и рабочим соплам от жиклера 4 создает отсос воздуха из-под резиновых колец 1, за счет чего объект прижимается к торцу колец 1. Регулирование усилия захвата и вывод захватного устройства на рабочий режим производятся регулировочными каналами 6. Для эжекторных, а также вакуум-присосных ЗУ характерен амортизирующий эффект, в связи с чем такие устройства чаще всего используются при работе с легкодеформируемыми и хрупкими объектами.
Аналогичную конструкцию имеют и вакуум-присосные ЗУ, но с тем отличием, что эжекторный канал заглушается с внешней стороны, а в распределителе создается разрежение (а не подается струя воздуха).
В точном приборостроении, электронной и смежных отраслях промышленности при работе с плоскими и цилиндрическими объектами небольших масс и габаритных размеров широко применяются струйные ЗУ. К их достоинствам относятся: возможность комплектации изделия или накопления объектов; совмещение процесса захвата с ориентированием объектов; простота конструкции и удобство обслуживания.
Конструктивно струйные ЗУ представляют собой корпус 1 (рис. 7), выполняющий роль распределителя потока воздуха, поступающего из входного канала 3, по каналам 2 питания рабочих сопел 8 захватного устройства. Изображенное на рис. 7 захватное устройство предназначено для обслуживания объектов, имеющих сквозные отверстия: шунтов, статоров и роторов конденсаторов переменной емкости, обыкновенных и пружинных шайб, гаек и т. п. Процесс захвата осуществляется введением рабочих элементов 7 в отверстия объектов 5, 6 и подачей струи воздуха в рабочие сопла 8. Сопла расположены под углом к образующей рабочих элементов 7 так, что, выходя из сопел 8, струи воздуха прижимают объекты 5 и 6 к ограничительному бурту 4. Если сопла выполнить спиральными с углом закручивания относительно образующих рабочих элементов, можно придать вращательное движение накапливаемым и прижимаемым к ограничительному бурту 4 объектам 5 и 6, т. е. будут осуществляться ориентирующие движения в процессе переноса объектов от позиции захвата к рабочей позиции.
Возможны также и другие исполнения струйных захватных устройств, например, для обслуживания плоских объектов без сквозного отверстия. Однако в любом случае захват и удержание объектов осуществляются при воздействии струи воздуха, выходящего под определенным углом к образующей рабочего элемента.
Использование в качестве зажимных камерных элементов позволяет создавать простые по конструкции и надежно работающие ЗУ, характеризующиеся высокой степенью адаптации к форме захватываемых объектов. В ряде случаев, благодаря своеобразному исполнению камерных элементов, удается имитировать действие фаланг кисти человека.
Представленное на рис. 8 камерное ЗУ содержит трехэлементную систему 1, укрепленную посредством стыковочного узла 3 с рукой 2 промышленного робота. Элементы 1 разведены под углом 120° к плоскости крепления со стыковочным узлом и представляют собой полую оболочку, выполненную из резины или другого эластичного материала, внутренняя часть которой посредством штуцера 4 соединена с источником сжатого воздуха или жидкости. Гофрированная внутренняя поверхность элементов 1 на утолщенной стенке b оболочки (сечение А—А) увеличивает надежность захвата объектов, осуществляемого следующим образом. Рабочее тело через штуцер 4 подается во внутреннюю полость оболочки 1, которая начинает изгибаться по радиусу г за счет разности толщин а и b (причем b > а) ее внутренней и внешней стенок, плотно охватывая находящийся во внутренней области системы камерных элементов 1 объект. Усилие захвата определяется разностью толщин а и Ь стенок оболочек и рабочим давлением в их полостях.
Часто камеры захватных устройств заполняют сыпучим материалом, а деформация камер при захвате объектов обеспечивается системой рычагов Опыт эксплуатации таких ЗУ, снабженных механическими рычагами, показал несовершенство их конструкций с учетом приводов рычагов. Кроме того, при работе таких ЗУ требуется информация о размерах захватываемого объекта с целью исключения его деформации и своевременного останова привода рычагов.
Новые возможности открываются при замене жестких механических рычагов с силовыми приводами и резиновыми камерами с сыпучими материалами одним резиновым баллоном, имеющим в сечении подковообразную форму и заполненным сыпучим материалом. На рис. 9 показана одна из таких конструкций. Захватное устройство, прикрепленное с помощью стыковочного элемента 5 к руке промышленного робота, содержит две пневматические системы. Одну из них составляют трехходовой электромагнитный вентиль 6, фильтрующий элемент 9 и тонкостенная рабочая камера 1, заполненная сыпучим материалом 2. Вторая — состоит из трехходового электромагнитного вентиля 7, распределительного коллектора 8 с каналами 4подвода сжатого воздуха и соединенных с ними заглушенных на концах приводных камер 3 с плоскими внутренними и гофрированными наружными стенками. Приводные камеры 3 внутренними плоскими стенками закреплены с наружными стенками камеры 1.
В нерабочем состоянии полости приводных камер 3 и рабочей камеры 1 соответственно через вентили 7 и 6 связаны с атмосферой, так что края камеры 1 разведены за счет упругих свойств материала или под действием специальных работающих на сжатие пружин (на рис. 9 не показаны). В таком состоянии захватное устройство, готовое к работе, выводится рукой промышленного робота в область расположения захватываемого объекта. Захват объекта, оказавшегося между губками рабочей камеры 1, осуществляется переводом вентиля 7 в рабочее положение, когда полости приводных камер 3 подсоединяются к источнику сжатого воздуха. Гофрированная сторона камер 3 удлиняется, приводя в движение губки рабочей камеры 1, которые, сближаясь, захватывают объект, и при достижении полного захвата объекта рабочей камерой 1 изменяется положение вентиля 6, что обеспечивает отсос воздуха из рабочей камеры. В ходе отсасывания воздуха из полости рабочей камеры 1 фильтр 9 препятствует попаданию сыпучего материала в канал разрежения. Под воздействием избыточного внешнего давления частицы сыпучего материала теряют способность к смещению относительно друг друга, в связи с чем наполнитель рабочей камеры 1 как бы «затвердевает», не изменяя форму камеры. Таким образом, обеспечивается усилие, достаточное для надежного удержания объекта между губками рабочей камеры 1. Для освобождения объекта полости приводных 3 и рабочей 1 камер соединяются посредством вентилей 7 и 6 с атмосферой.
Описанное захватное устройство может использоваться для захвата и удержания объектов из различных материалов, имеющих разнообразную форму, без какой-либо переналадки.
При проектировании захватных устройств промышленных роботов следует соблюдать требования ГОСТ 26063—84, который устанавливает их типы, присоединительные размеры фланцевых мест крепления и диаметров цилиндрических хвостовиков.
Исходными величинами, выбираемыми конструктивно, для построения специального профиля губок являются (рис. 10): максимальный Dmax и минимальный Dmin диаметры захватываемого объекта; положение осей поворота губки (точка А) и центра зажимаемого объекта (точка О); угол 2b при вершине призмы. Расстояние АО выбирают большим, чем средний диаметр Dcpзахватываемых объектов.
По выбранным значениям b и положению оси ОА строим прямоугольный треугольник АОВ с вершиной В прямого угла, являющейся центром одного из радиусов профиля губок. Выбираем точку К симметрично точке В относительно гипотенузы АО.
Из точек К и В описываем профиль губок радиусами г1 и г2.
Далее выполняем расчет погрешности центрирования объекта для данного профиля губок.
Точное центрирование объектов в губках криволинейной формы возможно, если поверхность губок при изменении радиуса гд зажимаемои заготовки обеспечивает перемещение ее центров по дуге окружности радиусом R = ОА. На практике же аппроксимация криволинейной поверхности губок ЗУ дугами окружности приводит к перемещению центра изделия не по дуге окружности (в данном случае радиусом г = ОА), а по дуге эллипса. При этом ошибка центрирования D может быть определена следующим образом:
Обычно для малогабаритных объектов D мала (сотые доли миллиметра) и ею пренебрегают.
|