Тема: Виды манипуляторов и промышленных роботов.

Машина – автомат. Числовое программное управление. Основы логического синтеза. Определение манипулятора. Промышленные роботы. Структура и геометрия манипуляторов. Зона обслуживания, угол и коэффициент сервиса./1/ гл.1 § 1 /2/ гл.4, лекция 27-32

Манипуляторомназывается техническое устройство, предназначенное для воспроизведения рабочих функций руки человека. Первые конструкции манипуляторов не только по назначению, но и по внешнему ви­ду напоминали руку человека. На рис. 15.1 показана схема копирующего манипулятора, состоящего из управ­ляющего(У) и исполнительного (И) механизмов. Оба механизма совершенно идентичны, причем вследствие ме­ханической, электрической, магнит­ной или какой-либо другой связи движения звеньев исполнительного повторяют (копируют) движения звень­ев управляющего механизма.

Как видно из схемы, механизм манипулятора образован из прост­ранственной незамкнутой кинемати­ческой цепи. Звенья этой цепи по аналогии с рукой человека имеют следующие названия:

0 — корпус,

1 — плечо,

2 — предплечье,

3 — кисть или захват,

4 — палец.

 

Рисунок15.1

 

Кинематическая пара, образованная плечом и корпусом, или кине­матическое соединение, заменяющее эту пару, называется плечевым суставом; кинематическая пара, образованная плечом и предплечьем, - локтевым суставом; кинематическая пара, образованная кистью и предплечьем,— кистевым суставом. Звено 4 (палец) при рассмотрении структуры, кинематики и динамики манипулятора объединяется со звеном 3. Поэтому считаем, что кинематическая цепь манипулятора, показанного на рис. 15.1, состоит из стойки (корпуса) и трех подвиж­ных звеньев. Плечевой и кистевой суставы выполнены как сферичес­кие пары, а локтевой сустав — как вращательная пара. Следователь­но, рассматриваемый манипулятор имеет семь степеней свободы, так как число степеней свободы незамкнутой кинематической цепи равно сумме подвижностей кинематических пар. Захват может в этом мани­пуляторе занять любое положение в пространстве в пределах, опре­деляемых конструктивными размерами звеньев.

В дальнейшем появились манипуляторы с большим числом звень­ев и кинематических пар и внешнее сходство с рукой человека стало утрачиваться, но во всех вариантах сохранилось назначение мани­пулятора — воспроизводить пространственные движения, подобные движениям рук человека. Копирующие манипуляторы применяются теперь во многих областях техники для выполнения операций в усло­виях, исключающих возможность присутствия человека возле обраба­тываемого или перемещаемого изделия (радиоактивность, вакуум, высокая температура, повышенное давление, вредное химическое про­изводство и т. п.).

В зависимости от вида системы управления различают манипуля­торы с ручным управлением и манипуляторы с автоматическим управ­лением.

В манипуляторах с ручным управлением оператор, воздействуя на звенья управляющего механизма, приводит в движение звенья исполнительного механизма через зубчатые колеса, тросы, рычаги. Однако в этом случае предельные усилия и перемещения исполнитель­ного механизма ограничиваются возможностями оператора. От этого недостатка свободны манипуляторы с сервоприводами, т.е. с вспомо­гательными приводами, которые приводят в движение отдельные звенья исполнительного механизма по сигналам, вырабатываемым при движении звеньев управляющего механизма. Кроме того, в манипуля­торах с сервоприводами легко выполняется дистанционное управление. В манипуляторах с автоматическим управлением звенья исполни­тельного механизма получают движение от сервоприводов, работаю­щих по заданной программе подобно станкам с программным управле­нием; управляющий механизм служит в этом случае только для выра­ботки программы работы исполнительного механизма. Все действия оператора, связанные с перемещением звеньев управляющего меха­низма, преобразуются посредством датчиков перемещения в электри­ческие или механические сигналы и записываются на магнитную лен­ту или перфоленту. Полученная программа может многократно ис­пользоваться для управления манипулятором.

Промышленные роботы. Манипуляторы с автоматическим управ­лением могут использоваться не только для работы во вредных усло­виях, но и для механизации однообразных и утомительных работ на быстродействующих конвейерах, операциях по перестановке деталей, упаковке деталей и т. д. В этих случаях манипуляторы с автомати­ческим управлением называют обычно промышленными роботами. Они отличаются от обычных машин-автоматов применением механизмов, образованных из незамкнутых кинематических цепей, возможностью быстрой переналадки на выполнение другой программы и широким диапазоном различных пространственных движений рабочих органов. Структура промышленных роботов принципиально не отличается от структуры манипуляторов с автоматическим управлением, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только манипуляторы. Основные положения теории манипуляторов применимы также к анализу и синтезу протезов с биоэлектрическим управлением, т. е. механизмов, воспроизводящих движение рук или ног человека с использованием сигналов от биотоков, получающихся при сокращении мышц.

Блок-схемы системы управления манипулятором. Манипуляторы могут быть с ручным управлением и с автоматическим управлением. Специфическим требованием, предъявляемым к системам ручного управления манипулятором, является возможность их «очувствле­ния», т. е. между силами, приложенными к звеньям манипулятора, и силами, действующими на руку оператора, должно быть определен­ное соответствие. Другими словами, оператор должен чувствовать те усилия, которые действуют на захват манипулятора.

При дистанционном управлении копирующим манипулятором при­меняются различные виды следящих систем, действие которых сходно с действием следящего привода. Отличи­тельной особенностью является лишь свойство «очувствления», в за­висимости от которого системы управления манипулятором подразде­ляются на системы с пассивным отражением сил и системы с активным отражением сил, называемые также обратимыми следящими си­стемами.

 

Рисунок 15.2

В системах с пассивным отражением силоператор ощущает силы, действующие на исполнительный механизм только в процессе измене­ния положения звена управления. При этом обратная связь, информи­рующая оператора о величинах сил, не влияет на работу следящего привода, т. е. не изменяет положения управляющих звеньев. Эта си­стема называется также односторонней, так как управляющее воздей­ствие поступает только от оператора.

В обратимых следящих системахобратная связь не только инфор­мирует оператора о величине сил, действующих на исполнительный механизм, но и соответствующим образом изменяет положения уп­равляющих звеньев. Эта система называется двусторонней или обрати­мой, так как ее следящий привод обеспечивает передачу движения в двух направлениях (от входа к выходу и обратно). На рис. 15.2 пока­зана блок-схема обратимой следящей системы манипулятора. Оператор прикладывает момент сил М₁.

Устройство «очувствления» измеряет момент М₂ на выходе привода и воздействует на управляющий механизм моментом М'₂.Этот момент влияет на положения управляющих звеньев и потому величина рассогласования, т. е. разность между перемещениями на входе х и перемещениями на выходе у, зависит не только от воздействия оператора, но и от нагрузок, действующих на звенья исполнительного механизма.

Системы автоматического управления манипуляторами строятся обычно по принципу программного управления, причем эти системы могут работать в двух режимах: режиме обучения и рабочем режиме. На рис. 15.3 показана блок-схема манипулятора с про­граммным управлением, ко­торый состоит из исполнитель­ного механизма, снабженного системой сервоприводов, дат­чиков положений звеньев и вычислительной машины. В режиме обучения (ключ 1 зам­кнут, ключи 2 и 3 разомк­нуты) оператор с помощью дополнительной обучающей системы проводит исполни­тельный механизм через тре­буемую последовательность рабочих положений. Инфор­мация об этой последователь­ности, получаемая от датчи­ков положений звеньев, коди­руется (шифруется) и поступает в запоминающее устройст­во. В рабочем режиме (ключ 1 разомкнут, ключи 2 и 3 замкнуты) манипулятор работает автоматичес­ки по введенной ранее в запоминающее устройство программе, которая декодируется (расшифровывается) и преобразуется в заданные движе­ния звеньев исполнительного механизма. Кроме того, вычислительное устройство по сигналам от датчиков положения звеньев производит коррекцию работы манипулятора через управляющее устройство.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют машиной – автоматом?

2. В чем заключаются основы логического синтеза?

3. Дайте определение манипулятора.

4. Какие виды управления машинами-автоматами известны?

5. Что входит в зону обслуживания манипулятора?