67818

КІНЕМАТИКА ПРОМИСЛОВИХ РОБОТІВ

Лекция

Производство и промышленные технологии

Кожне тіло щовільно рухається в просторі має ортогональну систему координат і 6 степенів вільності свободи можливість руху вздовж кожної з осей і обертання навколо них. Проте як видно з рисунку вся сукупність переміщень кінематичних ланок руки людини зводиться до транспортних переносних рухів...

Украинкский

2014-09-15

154.5 KB

7 чел.

 Технічні засоби робототехнічних систем

Лекція 04

Тема: КІНЕМАТИКА ПРОМИСЛОВИХ РОБОТІВ

План

1 Основні поняття кінематики

2 Умовні позначення кінематичних пар і їх степені вільності

3 Кінематичні ланцюги маніпуляторів

4 Системи координатних переміщень промислових роботів

5 Модульний принцип побудови промислових роботів

Література:

  1.  Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. – М.: Машиностроение, 1988. – 392с.
  2.  Детали и механизмы роботов: Основы расчета, конструирования и технологии производства: Учеб. пособие/ Под ред. Б.Б.Самотокина. - К.: Выща школа, 1990. – 343с.
  3.  Артоболевский І.І. Теория механизмов и машин. – М.: Наука, 1985. -  640с.

Цілком імовірно, що в майбутньому мобільні роботи отримають широке розповсюдження, але в даний час рівень розвитку, якого досягли промислові роботи, краще всього характеризується поняттям "механічна рука" або маніпулятор, прикріплена до підлоги, стіні, стелі або до машини, забезпечена спеціальним робочим органом, яким може бути захоплюючий пристрій або який-небудь інструмент, наприклад зварювальний або фарбувальний пістолет. Рука приводиться в рух гідравлічним, електричним, а іноді і пневматичним приводом в наперед запрограмованій послідовності рухів під управлінням контроллера (управляючого пристрою), який, як правило, заснований на мікропроцесорі і здатний визначати положення руки завдяки пристроям зворотного зв'язку в кожному вузлі.

Роботів звичайно програмують оператори, пересуваючи руку в потрібній послідовності або шляхом відтворення цієї послідовності за допомогою пристрою дистанційного керування. Деякі складні роботи можуть програмуватися безпосередньо голосом, віддачею наказів пересунутися на задану відстань і в заданому напрямі. Новітні зразки роботів оснащені сенсорним зворотним зв'язком і здатні реагувати на зміни, що відбуваються в безпосередній близькості від них. Для збільшення протяжності робочого простору, в якому може діяти рука, роботи встановлюють на направляючі або рами і тим самим надають їм обмежену рухливість.

Розрізняють глобальні, регіональні і локальні рухи.

Глобальні (міжопераційні) рухи — це переміщення ПР на відстані, що перевищують розміри самого робота, при обслуговуванні технологічних об'єктів (ліній). Від можливості здійснювати глобальні рухи залежить мобільність робота, і для їхньої реалізації робот забезпечується рухомою основою (інакше робот є стаціонарним).

Регіональні рухи — це переміщення робочих органів ПР в межах його зони обслуговування. Конфігурація і розміри цієї зони визначаються геометричними параметрами ланок руки робота. Таким чином, регіональні рухи відносяться до рухів у межах операції.

До локальних рухів робочих органів ПР прийнято відносити переміщення на відстані, що не перевищують їхніх розмірів. Це головним чином орієнтуючі рухи кисті при виконанні технологічних операцій.

Мобільні можливості ПР визначаються їх кінематичною структурою, тобто видом і послідовністю розташування кінематичних пар.

1 Основні поняття кінематики

Траєкторія каменя, кинутого довільно залежить від сили вітру, сили кидка, густини повітря, тощо. Але ця траєкторія буде єдиною, бо тіло не може одночасно бути в кількох місцях. З точки зору фізики ми можемо вирахувати швидкість, час польоту,  кінцеве положення каменя і т.д. Проте така визначеність не підходить до розрахунку органів машини, адже ланка, що проходить через деяку точку повинна знову пройти через цю саму точку. Щоб витримати таку умову структура машин і механізмів (в тому числі виконавчих механізмів маніпулятора) повинна задовільняти наперед задані умови, які вивчає розділ механіки кінематика. Основні положення кінематики твердять наступне.

  1.  Кожне тіло, щовільно рухається в просторі має ортогональну систему координат і 6 степенів вільності (свободи) – можливість руху вздовж кожної з осей і обертання навколо них.
  2.  На тіло, що рухається можна накласти деякі зв’язки, тоді вільність рухів буде обмеженою і воно матиме 5, 4, 3, 2, 1 степінь вільності (наприклад, кулька на столі – 5, кулька в циліндричному жолобку – 4, книжка на столі – 3, повзунець на штанзі терезів – 1 степінь вільності).
  3.  Тіло, на яке накладено 6 зв’язків є жорстко закріплене, або нерухоме (опора, консоль).
  4.  Якщо дві ланки зв’язані одна з одною так, що є можливість руху однієї з них відносно іншої, то кажуть, що вони утворюють кінематичну пару.

2 Умовні позначення кінематичних пар і їх степені вільності

Кінематичні пари  можуть мати різне конструктивне оформлення, отже, кількість їх видів дуже велика. Академік І.І.Артоболевский  кінематичні пари розділив на класи (таблиця 4.1).

Таблиця 4.1 – Умовні позначення кінематичних пар

Клас пари

Кількість умовних зв’язків

Кількість

степенів вільності

Назва пари

Рисунок

Умовне позначення

І

ІІ

ІІІ

ІІІ

IV

IV

V

V

V

1

2

3

3

4

4

5

5

5

5

4

3

3

2

2

1

1

1

Куля – площина

Куля – циліндр

Сферична

Площинна

Циліндрична

Сферична з пальцем

Поступальна

Обертальна

Гвинтова

Всі кінематичні пари ділять на класи залежно від кількості умов зв’язку, накладених ними на відносні рухи їх ланок. Оскільки кількість умов зв’язку може бути від 1 до 5, то класи кінематичних пар –від І до V. Пари І класу накладають на відносний рух дох тіл 1 зв’язок, залишаючи 5 степенів вільності і т. д. (див. таблицю).

3 Кінематичні ланцюги маніпуляторів

Кілька ланок, з’єднаних між собою кінематичними парами утворюють кінематичний ланцюг.

На рисунку 4.1 показано кінематичний ланцюг, що складається з чотирьох ланок, які утворюють три кінематичні пари. Ланки 1 і 2 входять до обертальної пари А (V класу), ланки 2 і 3 – в поступальну пару В (V класу) і, нарешті, ланки 3 і 4 входять до обертальної пари С(V класу).

Кінематичні ланцюги ділять на замкнені і незамкнені.

Якщо кожна ланка кінематичного ланцюга входить до двох кінематичних пар, такий ланцюг є замкнений (рисунок 4.2, зліва). Якщо у кінематичному ланцюгу є хоча б одна лануа, що входить лише до однієї кінематичної пари, такий ланцюг називають незамкнений (рисунок 4.2, справа).

Кінематична схема маніпулятора ПР - це відкритий кінематичний ланцюг, до якого входять, в основному, пари V класу. Сукупність деякої кількості рухомих ланок надають механізму певне число степеней рухливості, яке є важливою характеристикою механічної сиситеми ПР.

Числом ступенів рухливості W кінематичного ланцюга називають число ступенів свободи кінематичного ланцюга щодо ланки, прийнятої за нерухому.

Число ступенів рухливості визначають по формулі Соснова-Малишева:

                                     W = 6n -5p5 - 4p4 - 3p3 - 2p2 - p1                                                                 (4.1)

де пчисло рухомих ланок кінематичного ланцюга;

p5, p4, p3, p2, p1 число   кінематичних   пар   відповідно І, II, III, IV і V класу.

Пригадаймо, для переміщення тіла в просторі і його довільній орієнтації механізм повинен мати не менш 6 ступенів рухливості: 3 — для здійснення транспортних (переносних) рухів і 3 — для орієнтуючих рухів. Сказане ілюструється можливостями руки людини (рисунок 4.3, а), яка від передпліччя до фаланг кисті має 27 ступенів рухливості, що обумовлює універсальні здібності людини при виконанні ним виробничих функцій.

Рука – розімкнений кінематичний ланцюг. Її ланки – кіски – з’єднані суглобами. Кінематичними парами. Суглоби, що з’єднують кістки пальців, нагадують шарніри, вони залишають ланкам “кісткам” 1 степінь вільності, суглоби плеча, передпліччя, кисті нагадують кінематичні пари, що допускають по декілька ступенів вільності. Ланки всього ланцюга – руки –з’єднані між собою м’язами, які віддалено можна уподобити пружинам, і складною сіткою нервів, керованих центральною нервовою системою. Не слід забувати. Щолюдина працює своєю рукою не тільки в межах її досяжності, але і глобально, куди вона може перенести своє тіло.

Проте, як видно з рисунку, вся сукупність переміщень кінематичних ланок руки людини зводиться до транспортних (переносних) рухів x, y, z в декартовій системі координат, а також орієнтуючих рухам x, y,  z щодо відповідних координат. Тому еквівалентом руки людини може служити механізм (рисунок 4.3 б), здатний виконувати ту ж сукупність рухів і є промисловим роботом з шістьма основними x, y, z , x, y,  z і однією додатковою (забезпечують рух губок захватного пристрою) ступенями   рухливості.

Кінематична структура ПР і їхні рухові можливості визначаються видом і послідовністю розташування кінематичних пар. Тому при створенні роботів, що копіюють фізичні функції руки людини, слід ураховувати не тільки наявність ланок, що забезпечують сукупність рухів, але також вид і послідовність їхнього розташування в структурі.

4 Системи координатних переміщень ПР

Залежно від конструктивної схеми механічної системи рука ПР може знаходитися в робочому об'ємі, що має ту або іншу форму, а її рухи — здійснюватися в різних системах координат.

Система координатних переміщень (система координат) ПР визначає кінематику основних рухів і форму робочої зони. До основних рухів відносять всі рухи механічної системи ПР без урахування руху захоплення (затиску) деталі, орієнтуючих рухів і додаткових переміщень основи ПР. Системи координат (рисунок 4.4) бувають двох видів: прямокутні і криволінійні.

В прямокутній системі координат (плоска і просторова) об'єкт маніпулювання поміщається в певну точку простору Р шляхом прямолінійних переміщень ланок механічної системи ПР по трьох (або двох) взаємно перпендикулярних осях.

В криволінійній системі координат найбільш поширені координати:

  •  плоскі полярні (переміщення об'єкту відбувається в одній координатній площині у напрямі радіус-вектора г і кута );
  •  циліндричні, що характеризуються переміщенням об'єкту в основній координатній площині в напрямах r і а також по нормалі до неї z;
  •  сферичні (полярні), де переміщення об'єкту маніпулювання в просторі здійснюються за рахунок лінійного руху руки ПР на величину r і її кутових переміщень і в двох взаємно перпендикулярних площинах.

Різновидом криволінійної системи є ангулярна (кутова) плоска або просторова (циліндрова і сферична) система координат, характерна для рухів багатоланкових шарнірних рук ПР.

В ангулярній плоскій системі координат об'єкт маніпулювання переміщається в координатній площині завдяки відносним поворотам ланок руки, що мають постійну довжину. Ангулярная циліндрична система характеризується додатковим зсувом щодо основної координатної площини у напрямі перпендикулярної до неї координати z. В ангулярній сферичній системі координат переміщення об'єкту в просторі відбувається тільки за рахунок відносних кутових поворотів ланок руки, при цьому хоча б одна ланка має можливість повороту на кути і  в двох взаємно перпендикулярних площинах.

Види систем координат і приклади відповідних їм структурних кінематичних схем ПР приведені на рисунку 4.4.

5 Модульний принцип побудови промислових роботів

Залежно від конструктивного вигляду використовуваних в структурі промислового робота кінематичних пар забезпечуються поступальні, обертальні і комбіновані рухи, причому комбінування пар дає 60 сукупностей індексів рухливості, а отже, і 60 типів структур промислових роботів. Разом з тим число кінематичних структур ПР набагато більше, оскільки воно визначається не тільки кількістю кінематичних пар, але і послідовністю їхнього розташування.

Аналіз можливих компоновок ПР дозволяє виділити основні елементи (модулі) узагальненої структури маніпуляційної системи робота: основа; колона (стійка), що кріпиться до основи; рука (руки), що кріпиться до колони; кисть, прикріплена до руки; технологічні механізми (модулі), що кріпляться до кисті; робочий орган захватного пристрою, що кріпиться до технологічного механізму. Для рухомих ПР додаються направляючі і візок.

При цьому вимога швидкого переналагоджування (перекомпоновування) обумовлює необхідність уніфікованих елементів сполучення в з'єднаннях рука—кисть—технологічний механізм — захватний пристрій для заміни модуля, і для зміни структури шляхом вилучення проміжних елементів, непотрібних в конкретній виробничій ситуації.

Кожний модуль — це конструктивно і функціонально незалежна одиниця, що містить як звичайні привідні пристрої і механізми, так і енергетичні і інформаційні комунікації. Модуль може забезпечувати одну або декілька ступенів рухливості робота.

Наприклад, робот РПМ-25 містить наступну систему модулів: 2 модуля глобальних (міжопераційних) переміщень — в підвісному виконанні і на підлозі; 6 модулів регіональних переносних рухів — поперечного зсуву, підйому, гойдання Г, обертальних переміщень О , подвійного гойдання ДГ і радіального ходу РХ; 3 модуля локальних орієнтуючих рухів — з однією, двома і трьома ступенями рухливості. Крім того, є модуль з нерухомою основою і операційні модулі із захватними пристроями.

Можливі комбінації стикування модулів показані на рисунку 4.5 направленими зв'язками. Зокрема, комбінація з трьох модулів лінійного переміщення П дозволяє отримати компоновку робота РПМ-25, що працює в декартовій системі координат (П—П— П); використання модуля обертання О і двох модулів лінійного переміщення П— компонування, що працює в циліндричній системі координат (П— П—О); модулів гойдання Г, обертання О і лінійного переміщення П — компонування, що працює в сферичній системі координат (П — Г — О); модулів подвійного гойдання ДГ і обертання О — компонування, яке працює в ангулярній системі координат (ДГ — О).

Комбінації можливих поєднань модулів, що представляють практичний інтерес, налічують 50 варіантів компонування з одним елементом орієнтуючих рухів Р. Враховуючи можливості застосування всіх наявних в наборі модулів рук (PI, P2, РЗ) число варіантів збільшується до 150.

Особливості створення структур ПР, що працюють в різних системах координат, ілюструється на рисунку 4.5, де показано, як, нарощуючи структури роботів за допомогою типових кінематичних ланок, можна задовільняти технічним вимогам на проектування ПР стосовно конкретних умов їхньої експлуатації. Технологічна універсальність ПР підвищується зі збільшенням їхньої енергоозброєності, ступені уніфікації вузлів і їх чутливості, можливості пристосовування в умовах виробництва, що змінюються, вдосконалення робочих органів і виконавчих пристроїв. Переналагоджуваність роботів з розвинутою кінематичною структурою залежить від повноти ряду уніфікованих змінних робочих органів, типу і можливостей системи керування.

При всіх позитивних рисах використання модульного принципу в робототехніці створює додаткові труднощі при проектуванні ПР. Перш за все це стосується до роз'єму модулів, який повинен здійснюватися у ланках кінематичного ланцюга, що призводить до збільшення кількості стикувальних поверхонь і, отже, зменшення жорсткості або збільшення маси і габаритних розмірів конструкції. Крім того, модульний принцип припускає створення уніфікованих стикувальних поверхонь і засобів центрування і кріплення різних за конструктивним виконанням і функціональним призначенням модулів. Нарешті, особливі вимоги пред'являються до сумісності енергетичних і інформаційних комунікацій при складанні будь-яких комбінацій модулів, причому з'єднання в комунікаціях між модулями повинні бути швидкороз’ємними.

Таким чином, виконавчим механізмом ПР є маніпулятор, оснащений на вільному кінці ЗП або інструментом. Ланки маніпулятора з’єднуються між собою за допомогою кінематичних пар V порядку, обертальних і поступальних. Компонуючи різну послідовність кінематичних пар у ланцюгу, отримують різні варіанти конструкцій Пр, які забезпечують і різні системи координатних переміщень ПР. Кожна кінематична пара отримує рух від керовоного приводу. Всі ці приводи об’єднані єдиною системою керування ПР для здійснення координованого руху всіх ланок маніпулятора відповідно до програми виконання техпроцесу.

Це цікаво

Англійський інженер N винайшов машину для розв‘язування і зав‘язування краваток. До конструкції входять 10 електродвигунів, важелі, повзунки, ланцюгові передачі. Операція зав‘язування і розв‘язування здійснюється за 500 кроків. Процес розв‘язування і зав‘язування триває безперервно до вимкнення машини.

5

PAGE  2


Рисунок 4.1 – Схема кінематичного ланцюга

Рисунок 4.2 – Незамкнений і замкнений кінематичний ланцюг

Рисунок 4.3 – Степені вільності руки людини і антропоморфного механізму

Рисунок 4.4 – Системи основних координат перміщень ланок механічної системи маніпуляторів і ПР (а), і відповідні їм приклади структурних кінематичних схем (б)

Позначення: 1.1 – прямокутна плоска система координат; 1.2 – прямокутна просторова система координат; 2.1,2.2, 2.3 – полярні системи координат, відповідно плоска, циліндрична і сферична; 3.1. 3.2, 3.3 – ангулярні системи координат, відповідно плоска, циліндрична і сферична

исунок 4.5 – Модульний принцип побудови ПР


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28010. Экологические особенности и значимость биогумуса. Препараты получаемые на основе биогумуса. Экологические аспекты подготовки и применения биогумуса 2.93 KB
  Препараты получаемые на основе биогумуса. Экологические аспекты подготовки и применения биогумуса. Установлена возможность биогумуса связывать радионуклиды находящиеся в почве органических удобрений резко уменьшать поступление тяжелых металлов в растения.
28011. Экологические проблемы мелиорации. Виды и целевое назначение современных мелиораций. Положительные и отрицательные изменения в ОС под влиянием гидротехнических мелиораций 4.85 KB
  К этим мероприятиям относятся: Орошение и обводнение Осушение земель Противоэрозионные мероприятия закрепление оврагов сыпучих песков почво и полезащитное лесонасаждение. Рассоление почв Выравнивание микрорельефа и т. Мелиорация земель призвана способствовать получению высоких и стабильных урожаев повышению плодородия почв рациональному использованию земельных ресурсов. Орошение – способ повышения продуктивности почв важнейшее направление интенсификации с х производства.
28012. Экологические проблемы механизации. Влияние средств механизации на почвенно- биотический комплекс, воздушную среду 14.46 KB
  В результате неоднократного передвижения машин по полю происходит значительное переуплотнение почвы которое распространяется на большую глубину до 100 см а машинные следы покрывают до 80 поля. Докучаева плотность почвы возросла к настоящему времени на 20. Угнетение активности почвенных микроорганизмов переуплотненные почвы и нарушение ее структуры снос перемолотой почвы водой и ветром т. машинная деградация почвы – все это отрицательные последствия воздействия на пашню ходовых систем и рабочих...
28014. Антропогенные изменения почв и их экологические последствия. Гумусовые соединения почв как элемент почвенно-экологического мониторинга 3.46 KB
  Гумусовые соединения почв как элемент почвенноэкологического мониторинга. Будучи важнейшей жизнеобеспечивающей сферой почва испытывает различличные воздействия обусловленные многообразной производственной деятельностью человека. Ухудшение состояния земельных ресурсов и снижение плодородия почв создают угрозу для средств существования людей и продовольственной безопасности в будущем.