Главная > Разное > Конструирование роботов
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

8.3. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ ДЛЯ СБОРОЧНЫХ ОПЕРАЦИЙ

8.3.1. Определения

Прежде чем описывать конкретные исполнительные устройства, введем понятия монтажа и сборки. Сборка состоит в получении конечного изделия путем соединения менее сложных деталей. При этом внутренние связи между различными частями собранного изделия имеют от 0 до 6 степеней подвижности.

Монтажом называется сборка, при которой конечное изделие может быть разобрано без нарушения целостности и повреждений составляющих его деталей (демонтаж). Иными словами, соединения не закрепляются намертво. Таким образом, монтаж можно рассматривать как разновидность сборки, когда недопустимо выполнение необратимых операций, таких, как клепка, сварка, пайка и т.д., и при соединении используются лишь различные взаимные перемещения одних деталей относительно других.

Выполнение монтажа можно разложить на элементарные операции, каждая из которых имеет дело с небольшим числом деталей. Наиболее распространена операция бинарного монтажа, при которой соединяются два объекта: первичный объект, полученный в результате предшествующих элементарных операций, и вторичный объект, который соединяется с первичным. Эта операция выполняется в несколько этапов.

Этап подвода. Если первичный объект удерживается вспомогательным исполнительным устройством, на этом этапе выполняются следующие операции:

• Поиск основным исполнительным органом вторичного объекта в рабочем пространстве. При этом кроме перемещения манипулятора может возникнуть необходимость локализации и распознавания вторичного объекта.

• Захват этого объекта основным исполнительным органом кроме захвата может включать и повторное установление положения переносимого предмета.

• Подача вторичного объекта к месту монтажа вначале путем простого переноса, а затем путем точного сближения.

На этом этапе фактически решается обычная задача транспортировки, и для ее выполнения используются схваты, подобные рассмотренным в начале данной главы.

Этап стыковки. После выполнения этапа подвода проводятся небольшие перемещения с целью обеспечения взаимодействия между обоими монтируемыми объектами. Движение этих объектов не свободно, а взаимосвязано и определяется

ограничениями, устанавливаемыми в ходе выполняемой операции. Последовательность действий на этом этапе включает следующие шаги:

• Сближение или установление контакта (точечного, линейного, поверхностного) между двумя объектами.

• Установка вторичного объекта за счет микроперемещений, определяемых видом односторонних или двусторонних связей, накладываемых на контакты между соединяемыми объектами, и соответствующими величинами усилий. Характер и степень подвижности связей изменяются в ходе выполнения перемещений.

• Обеспечение неподвижности, в результате чего образуется окончательное соединение, имеющее конечное число степеней подвижности (оно характеризует подвижность данной конструкции при рассмотрении ее как первичного объекта для проведения дальнейшей сборки). Цель монтажа не всегда состоит в создании неподвижных конструкций, и поэтому число не обязательно равно нулю (особенно на промежуточном этапе монтажа).

• Разъединение основного схвата и вторичного вмонтированного объекта путем ослабления и освобождения связей между ними.

Отметим, что характер действий на втором этапе накладывает на конструкции схвата и манипулятора определенные требования, которые подробно проанализированы ниже.

В наиболее общем случае сборка может включать третий этап.

Этап закрепления. На этом этапе в результате дополнительной обработки (закатка, сварка, пайка и т.д.) детали видоизменяются для получения окончательного неизменного соединения и тем самым фиксируется число степеней их относительной подвижности

В данной книге мы ограничимся рассмотрением лишь исполнительных органов для сборочных операций.

8.3.2. Организация роботизированной системы сборки

Значительная часть промышленной продукции выпускается небольшими сериями. Это обусловливает необходимость создания гибких автоматизированных поточных линий при переходе от выпуска одного вида продукции к другому. Использование роботов позволяет решить эту проблему и придать системам сборки требуемую гибкость в работе за счет повышения числа программируемых операций и сокращения числа механических настроек.

Роботизированная система сборки содержит следующие элементы:

• руки-манипуляторы для проведения действия над предметами (часто легкими);

• рабочие инструменты, предназначенные для операций монтажа и в случае необходимости оснащенные сенсорными датчиками;

• возможные органы восприятия (системы визуализации);

• систему управления, которая обрабатывает информацию с сенсоров, формирует в динамическом режиме команды для манипулятора и устанавливает последовательность выполнения задач, решаемых при сборке;

• устройства доставки и подготовки собираемых предметов.

8.3.3. Монтаж

Наиболее распространенной операцией монтажа является операция вставки. Мы будем рассматривать в основном вставку цилиндрических деталей: ввод одной цилиндрической детали (штифта) в цилиндрическое отверстие несколько большего диаметра, когда обеспечивается небольшой зазор между ними.

Ручной монтаж. Рука человека плохо приспособлена для выполнения точного позиционирования. Кроме того, человек использует не только гибкость руки, но также зрение и ощущения, которые играют роль превосходной обратной связи. При ручном монтаже выполняются следующие шаги:

• Сближение. Рабочий подводит друг к другу две собираемые детали, не зная заранее их взаимного расположения. Благодаря зрению точность позиционирования, которая сильно зависит от темпа работы, может достигать нескольких десятых долей миллиметра.

• Вставка. Как только контакт между двумя деталями установлен, человек начинает совершать небольшие движения рукой в поисках оси, вдоль которой осуществляется вставка. При этом он инстинктивно наклоняет детали относительно общей оси монтажа, чтобы облегчитьобнаружениеконтакта (рис. 8.17).

Отметим высокую степень адаптивности человека к операциям ручной сборки. Рабочий без труда переходит от одного типа деталей к другому, практически без обучения и «настройки».

Автоматизированный монтаж с помощью робота. Нельзя считать, что роботизированная система отвечает требованиям производства, если ее производительность ниже, чем при ручной работе. Выполнение работы может затрудняться наличием малых зазоров между деталями, когда требуется проводить

особо точные движения. Погрешности возникают по разным причинам. Назовем некоторые из них:

• случайные ошибки в определении точных размеров собираемых деталей (наличие «допусков» на размеры, несущественные для вида и свойств конечной конструкции);

Рис. 8.17. (см. скан) Ручная вставка штифта в отверстие. а — контакт в одной точке; контакт в двух точках; в — огибающая ввода штифта.

• случайные ошибки в определении начальных положений собираемых деталей (погрешности исполнительного устройства, удерживающего первичный объект) и манипулятора, подающего-вторичные объекты к месту сборки;

• погрешности в позиционировании робота (систематические ошибки, недостаточная разрешающая способность, заедание, под действием внешних возмущений, вибрации и т.д.).

Успешное автоматическое выполнение роботом сборочных: операций можно схематически представить двумя различными способами.

Монтаж с управлением по разомкнутому циклу. Для достижения удовлетворительных результатов на органы позиционирования, датчики внутренней информации и конструкцию периферийных устройств накладываются повышенные ограничения по жесткости и точности. Однако данное решение оказывается дорогостоящим и снижает производительность труда. При этом, также уменьшаются допуски на изготовление деталей.

(кликните для просмотра скана)

Этот подход подобен разработке специальных механизмов и приемлем в робототехнике лишь в случае, когда допуски наг монтаж достаточно велики.

Монтаж с управлением по замкнутому циклу. В данном способе от робота требуются более низкие точностные характеристики. Однако вид и характер его действий изменяются в зависимости от усилий, возникающих при установлении контакта между переносимым предметом и внешней средой (рис. 8.18). Реализацию подобного восприятия усилий можно обеспечить явным или косвенным образом, используя различные средства:

1) силомоментный датчик (для измерения сил и моментов) обеспечивающий управление различными степенями подвижности робота;

2) силомоментный датчик для сбора информации, обрабатываемой индивидуальными микропроцессорами, включенными в следящую систему в зависимости от конструкции манипулятора (числа степеней подвижности). Таким образом, исполнительный орган становится самокорректирующимся, что позволяет повысить быстроту действия и обеспечить приспособление к различным задачам;

3) упругие элементы, чувствительные к усилиям, возникающим в месте контакта с внешней средой. Под действием этих усилий упругие связи деформируются и обеспечивают малые смещения стыкуемых деталей, необходимые для правильного проведения монтажа.

Примечание 1. Термином самокорректировка положения (активная или пассивная) называется общее свойство рассмотренных выше устройств создавать корректирующие смещения в зависимости от усилий:

Примечание 2. Несмотря на то что самокорректирующееся устройство не оснащено собственными датчиками и приводами, его можно рассматривать как систему, работающую по замкнутому циклу, потому что определяется текущая величина усилия (с помощью упругой деформации) и осуществляется обратная связь (с помощью взаимных перемещений собираемых деталей).

Способы реализации. Силы реакции, возникающие при контакте первичного и вторичного объектов, оказывают влияние на все элементы кинематической цепи манипулятора, расположенные до вторичного объекта. При этом в зависимости от размещения сенсорных элементов возможны три типа технических решений:

1. Определение усилий в соединении вторичный объект— схват («кисть»). Чувствительные элементы (тактильные датчики, искусственная кожа и т.д.) размещаются на «пальцах» или

на «ладони». Этот способ редко применяется в производственных условиях, так как необходимо уметь определять усилия, возникающие при взаимодействии двух собираемых объектов, по результатам измерения усилий в соединении вторичный объект — схват. Это довольно сложно, поскольку связь между этими двумя величинами зависит от конструкции схвата, формы удерживаемого предмета, способа выполнения захвата (изо-статический захват или нет) и т.д.

2. Определение сил и моментов сопротивления с помощью приводов манипулятора. В данном способе используются соотношения между определяемыми величинами, пропорциональными силам и моментам в приводах, и некоторыми их рабочими характеристиками, такими, как ток в якоре электродвигателя постоянного тока, разность давлений в камерах гидроцилиндра и т. д.

3. Определение усилий в соединении схват — манипулятор («запястье»). Такое промежуточное решение нашло наибольшее распространение. Чувствительные датчики размещаются непосредственно на элементах, соединяющих схват со звеньями манипулятора. Можно сказать, что исполнительный орган образован из двух различных (часто съемных) модулей с разграниченными функциями захвата и самокорректировки положения.

Ниже рассмотрено несколько решений третьего типа, которые в настоящее время разрабатываются в лабораториях или уже внедрены в производство.

8.3.4. Устройства с пассивной самокорректировкой положения за счет упругих связей

Принцип действия. При соединении схвата со звеном кинематической цепи манипулятора с помощью системы стержней с шарнирами можно проводить перемещение схвата для изменения положения центра тяжести и переориентацию удерживаемой детали (например, штифта). В этом случае во избежание заклинивания штифт нужно не «вталкивать» в отверстие, а вводить (т. е. постоянно корректировать его направление) (разд. 6.3.2). С геометрической точки зрения подобное устройство должно обеспечить:

• компенсацию отклонений от коаксиальности отверстия и штифта за счет поступательного движения штифта (две поступательные степени свободы в плоскости, перпендикулярной оси);

• компенсацию угловых отклонений за счет поворота штифта до совпадения обеих осей (две вращательные степени свободы вокруг взаимно ортогональных осей, перпендикулярных оси штифта).

Эти четыре степени свободы (при малых отклонениях) могут быть обеспечены различными способами. В частности, в отдельных случаях они могут быть не связаны между собой, но это не обязательно.

С динамической точки зрения очевидно, что упругость системы не может быть произвольной, так как

О устройства с повышенной жесткостью могут проводить корректирующие движения лишь при больших контактных усилиях;

• устройства с малой жесткостью чрезвычайно чувствительны к случайным возмущениям (силам инерции, вибрациям). В результате перемещение штифта может выйти из-под контроля еще до начала монтажа.

Более того, для различных направлений ввода оптимальные коэффициенты жесткости неодинаковы и могут варьироваться в зависимости от вида осуществляемого соединения (монтаж с зазором, монтаж с натягом) и свойств соединяемых объектов (размеров, масс, упругости, состояния поверхности и т.д.).

Устройство с удаленным центром корректировки (Remote Compliance Center - RCC).

Рис. 6.19. Устройство с удаленным центром корректировки, в котором стержни подвижно закреплены на основаниях с помощью шаровых цапф (точка С является удаленным центром корректировки положения).

Принцип действия этого устройства, разработанного Невинсом и Уитнеем, основан на геометрических свойствах шарнирного четырехугольника, обобщенных на случай трехмерного пространства (рис. 8.19):

• конструкция из трех параллельных стержней позволяет осуществлять поступательное перемещение (пространственная аналогия шарнирного параллелограмма);

• конструкция из трех стержней с пересекающимися осями позволяет получить подобие сферического шарнира, обеспечивающего повороты с небольшой амплитудой вокруг точки пересечения осей стержней, которая в данном устройстве называется центром корректировки и расположена в конце штифта.

Рис. 8.20. Устройство с пассивной самокорректировкой положения. (По данным Assembly Aytomation, 1980.)

Подобное устройство позволяет разграничить поступательное и вращательное перемещения штифта, которые вызваны усилиями, приложенными в центре корректировки С. Очевидно, при вставке эти усилия совпадают с силами и моментами реакции, возникающими при контакте штифт — отверстие. В данном случае центровка обеспечивается за счет скольжения фаски штифта по фаске отверстия.

С помощью такого устройства можно очень быстро (за несколько долей секунды) осуществлять вставку с малым зазором (сотые доли миллиметра); например, сборка автомобильного генератора с его помощью производится за 2 мин 42 с.

Устройство с пассивной корректировкой положения (Passive Compliance device - PCD) (разработано в Новой Зеландии в Университете Canterbury). По конструкции оно напоминает устройство с удаленным центром корректировки, однако принципы их работы различаются (рис. 8.20). Оно представляет собой деформируемую конструкцию из жестких, но с изменяемой длиной составных стержней, которые образуют две группы параллельных соединений, шарнирно закрепленных на двух пластинах. При поступательном движении удерживаемого предмета соединительные стержни поворачиваются, а при его

вращении (с малой амплитудой) они незначительно удлиняются или укорачиваются. С точки зрения технического исполнения представляют интерес некоторые оригинальные идеи, лежащие в основе создания этого устройства:

1) изменение длины соединительных элементов осуществляется с помощью поршней, размещенных на пружинах;

Рис. 8.21. Принцип действия самокорректирующегося устройства положения с изменяемой структурой.

2) соединительные элементы крепятся с помощью шаровых цапф.

Самокорректирующееся по положению устройство с изменяемой структурой. Разработано в Лаборатории автоматики Безансона и изготовлено фирмой Sormel. Корректировка движения схвата производится с помощью системы с упругими связями, осуществляющими поворот схвата и его поступательное движение, а также датчиков и приводов, работающих по принципу прерывателей релейного типа (рис. 8.21). Стратегия действий робота вырабатывается на основе анализа последовательности операций при выполнении данной задачи человеком вручную. Особое внимание обращается на предварительный наклон вставляемого штифта относительно оси отверстия. При этом утрачивается потребность в изготовлении фаски и может быть увеличена погрешность при установлении штифта (в данном способе зона приемлемой погрешности позиционирования фактически равна площади отверстия). Наклон проводится с помощью силового цилиндра который создает первоначальную деформацию упругой структуры. При вертикальном сближении обеспечивается неподвижность по направлениям х

и у (гидроцилиндр ). О возникновении контакта наклоненный штифт — отверстие сигнализирует миниатюрный датчик усилий, помещенный между упругими стержнями и схватом.

Рис. 8.22. (см. скан) Схема самокорректирующегося по положению устройства. а — продольное сечение схвата; б - боковое сечение схвата.

Схват продолжает вертикально опускать штифт до полной остановки движения (возникновение контакта в трех точках), обнаруживаемой по превышению некоторого порога усилий. На данном этапе производится перецентровка штифта по отношению к отверстию за счет малой дополнительной деформации

упругой структуры стержней устройства. В результате перемещения по х и у становятся возможными, и за счет энергии упругой деформации штифт выпрямляется, что обеспечивает правильное смещение всей системы штифт — структура. После этого временно прерванное опускание схвата возобновляется и производится до окончания вставки. В течение этого времени упругая система компенсирует случайные угловые отклонения.

На различных этапах выполнения сборки датчик вертикальных усилий также выполняет функцию предохранительного устройства системы, которое сигнализирует об отклонениях усилий от нормы и таким образом позволяет при возможных нарушениях в работе избежать повреждений деталей и органов робота. На рис. 8.22 представлен вариант схемы схвата, работающего по описанному выше принципу.

Из экспериментальных работ упомянем о способе вставки стального штифта диаметром 2 мм в расточное отверстие из того же материала с зазором 0,01 мм, при этом допустимо первоначальное отклонение оси схвата от оси отверстия до 1,2 мм. Такое устройство особенно пригодно для монтажа мелких деталей, так как в данном случае фаска (если она существует) всегда выполнена с низким качеством и имеет малую величину. Наконец, этот исполнительный модуль осуществляет вставку цилиндрических штифтов диаметром 0,5-8 мм.

8.3.5. Устройства с активной самокорректировкой положения за счет упругих связей

Принцип действия. В основе конструкции всех данных устройств лежит принцип проведения корректирующих движений в соответствии с точно измеренными усилиями в контакте штифт — отверстие. Поэтому эти устройства должны оснащаться датчиками усилий на исполнительном органе, системой обработки информации, определяющей по измеряемым усилиям величину необходимых перемещений, и приводами для проведения корректирующих движений.

В данной книге мы не рассматриваем принципы действия датчиков", а также способы осуществления корректирующих движений с помощью основных приводов, управляющих перемещением манипулятора большой амплитуды. Принципиально эти вопросы ясны, но не всегда достаточно хорошо реализуемы на практике.

Здесь же определенное внимание уделяется конструктивным решениям, когда малые перемещения осуществляются специальными приводами. Подобные устройства более громоздки и работают медленнее, чем системы с пассивной корректировкой, однако их возможности более универсальны.

Активное самокорректирующееся устройство, показанное на рис. 8.23, было создано Ван Брюсселем и Симонсом из Лувенского католического университета (Бельгия).

Рис. 8.23. Активный самокорректирующийся схват.

Перемещение корректирующего устройства, имеющего пять степеней свободы, производится с помощью контроля внутренних усилий. Таким образом, искусственно достигается регулируемая корректировка движений в течение всего времени (даже во время ввода), что обусловливает широкие возможности данной системы.

При сборке движение схвата осуществляется с помощью алгоритма, определяющего для каждого момента времени наилучшее перемещение, исключающее заклинивание. При самообучении вставка штифта повторяется несколько раз, при этом в каждом случае определяются силы реакции и другие регулируемые параметры.

Рабочий стол. Для уменьшения габаритов исполнительных органов робота можно размещать приводы и датчики на сборочном столе, или, точнее, на стойке вспомогательного исполнительного органа, удерживающего первичный объект для его сборки со вторичным объектом. Схема подобной системы, разработанной фирмой Hitachi, приведена на рис. 8.24. Она оснащена датчиками усилий и имеет шесть степеней свободы. Функции ее исполнительных органов различны. Основной манипулятор

Рис. 8.24. (см. скан) Схема рабочего стола с шестью степенями свободы. (По данным 11е ISIR, 1981.)


(удерживающий вторичный объект) предназначен для больших перемещений. Корректировку движения с высокой точностью осуществляет вспомогательный манипулятор, имеющий систему звеньев и схват (губки).

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление