Теория механизмов и машин (стр. 10 )

Определение значения коэффициента сервиса и связано с анали­зом движения звеньев механизма манипулятора при различных фиксированных положениях центра схвата.

Методику вычисления и рассмотрим на примере манипулятора с двумя сферическими и одной вращательной парами (рис. 11.13, а). Для определения угла сервиса ш в некоторой точке Е рабочей зоны рассмотрим механизм манипулятора как пространственный четы-рехзвенник со сферическими парами А, С, D к вращательной парой В; точка D центра схвата совпадает с заданной точкой Е (рис. 11.16, а). Сперва определим возможные положения звена СD (схвата) в плоскости чертежа, а затем все его возможные положения в пространстве путем вращения плоского четырехзвенника относительно условной стойки АD длиной r, совпадающей с осью х пространственной системы координат Оxyz [5].

В области, где коэффициент сервиса и=1, угол сервиса ш=4р; следовательно, точка С должна иметь возможность занять любое положение на сфере радиусом DС=l3 с центром в точке D; для этого в плоском четырехзвеннике звено СD должно быть кривошипом, т. е. поворачиваться на полный оборот. Как известно (см. § 11.1), условие существования кривошипа состоит в том, что сум­ма длин самого короткого и самого длинного звеньев должна быть меньше суммы длин остальных звеньев.

В любой промежуточной точке зон I или III, например в точке D', можно определить коэффициент сервиса и следующим образом. Найдя максимально возможный угол поворота цm коромысла С'D', когда звенья AB' и В'С' находятся на одной прямой, определим поверхность сферического сектора радиусом R=l3 и углом ц= цm (рис. 11.16, в). Формулу поверхности S шарового сектора получим путем суммирования элементарных поверхностей dS = 2рRsinц*Rdц в пределах от ц = 0 до ц = цm:

На рис. 11.16, а для r=АD' cosцm~0,24 и и = 0,38. График за­висимости и = и (r) для манипулятора с размерами звеньев, изобра­женных на рис. 11.16, а, представлен на рис. 11.16,б. Подобные графики нужны не только при исследовании имеющегося манипулятора, но и при проектировании кинематических схем манипулято­ров по заданным условиям.

К техническим показателям, характеризующим манипуляторы и промышленные роботы, также относятся: грузоподъемность или нагрузочная способность; быстродействие, характеризуемое затратой времени на движение звеньев манипулятора при выполнении операций по определенной программе; точность позиционирования, определяемая разбросом положений руки ПР в момент многократно повторяемой технологической операции; энергетические затраты (расход электроэнергии, сжатого воздуха, рабочей жидкости и т. д.).

Вопросы для подготовки для самоконтроля:

1.Как называется техническое устройство, предназначенное для воспроизведения рабочих функций рук человека?

2.Какие манипуляторы называются роботами?

3.Манипуляторы, их устройство и область применения

4.Технические показатели манипуляторов

Рекомендуемая литература:

8.1.1.   Теория механизмов и машин.- М.; Наука, 1968

8.1.2. ёКурс теории механизмов и машин.- Высшая школа, 1985

8.1.3. Теория механизмов и машин.-Минск.; Высшая школа, 1968

8.1.4. Теория механизмов и машин. М.:1998.

Тема 14.  Механизмы промышленных роботов и манипуляторов. Основы теории управления движением испольнителных механизмов.

В манипуляторах промышленных роботов (ПР) с автоматическим управлением различают два режима работы систем автоматического управления: режим обучения и рабочий режим. В режиме обучения оператор с помощью специальной системы, включающей в себя датчики перемещений звеньев и устройства для записи сигналов датчиков на магнитную ленту или перфоленту, проводит исполнительный механизм манипулятора через требуемую последовательность рабочих положений звеньев. Информация, получаемая от датчиков положения звеньев, кодируется (шифруется) и поступает в запоминающее устройство в виде определенной программы. В рабочем режиме манипулятор работает автоматически по этой программе, которая декодируется (расшиф­ровывается) и преобразуется в заданные движения звеньев.

На рис. 11.17, а дана кинематическая схема одного из промышленных роботов с приводами, а на рис. 11.17,6 — структурная схема его основного рычажного механизма и упрощенная блок-схема автоматического управления манипулятором. Манипулятор ПР (рис. 11.17, а) имеет 5 степеней свободы (W=5) и соответственно 5 отдельных приводов: D1, D2, D3, D4, -  электродвигатели и D5 — пневмопривод. Двигатель D1 через червячную передачу при­водит во вращательное движение вокруг вертикальной оси звено 1; двигатель D2 с помощью винтовой передачи (винт—гайка) перемещает поступательно (вверх-вниз) звено 2; двигатель D3 с помощью такой же передачи сообщает горизонтальное поступательное движение (вправо-влево) звену 3; электропривод D4 посредством червячной передачи осуществляет вращательное движение схвата 4 вокруг горизонтальной оси; пневмопривод D5 раскрывает и закрывает губки схвата 5 путем преобразования поступательного движения поршня посредством рычажного механизма.

На рис. 11.17,б показано, что преобразованные сигналы датчи­ков перемещений системы управления подаются в виде электрических напряжений ui на соответствующие приводы, которые прикладывают определенные моменты или силы к звеньям и перемещают их на нужные расстояния. Скорость вращения каждого электродвигателя регулируется напряжением, подводимым к якорю дви­гателя, а управление этими напряжениями осуществляется от датчиков положения звеньев.

При ручном управлении оператор, действуя на звенья управляю­щего механизма, приводит в движение звенья исполнительного механизма. Передача движения может осуществляться с помощью рычажных, зубчатых, волновых, винтовых передач, гибких прово­лочных валов, других механических элементов и различных муфт. Для увеличения (при необходимости) перемещений и усилий руки оператора в манипуляторах применяют сервоприводы (вспомога­тельные приводы) — электрические, гидравлические, пневматические, которые приводят в движение отдельные звенья исполни­тельного механизма по сигналам, вырабатываемым при движении звеньев управляющего механизма.

К ручным системам управления копирующими манипуляторами предъявляется специфическое требование их «очувствления», когда человек-оператор должен ощущать не только перемещения объекта манипулирования, но и нагрузку в виде силы или момента, действующих на схват манипулятора.

Для управления копирующими манипуляторами применяют два вида силовых следящих систем: с пассивным отражением усилия, когда оператор ощущает усилия на исполнительном органе лишь в процессе его движения, и с активным отражением усилия — так называемые обратимые следящие системы, когда оператор ощущает силу (или момент) на исполнительном органе как при его движении, так и в неподвижном положении.

Таким образом, в отличие от обычных систем автоматического регулирования эти системы обладают не только свойством управ­ления по положению, но и свойством передачи (отражения) усилия. Для воспроизведения на валу оператора усилий, развиваемых исполнительным органом, служат так называемые моментные загружатели или имитаторы нагрузки. В качестве моментных загружателей применяют фрикционные или порошковые электромагнитные муфты и электрогидравлические загружатели. При применении фрикционных электромагнитных муфт одна из половин муфты неподвижна, другая связана с валом оператора. При отсутствии нагрузки и соответствующего сигнала управления половинки муфт свободно скользят друг относительно друга и оператор не ощущает нагрузки на своем валу. При подаче сигнала с измерителя (датчика) моментов на обмотки управления одной из половинок муфты в ее магнитной цепи создается магнитный поток, который охватывает подвижную половинку муфты и прижимает ее к неподвижной. Чем больше сигнал, тем больший момент ощущает оператор.

Аналогичен принцип работы порошковой электромагнитной муф­ты. Порошок из ферромагнитного материала (например, железа) помещают между движущимися половинками муфты в магнитном поле, которое образуется в обмотке электромагнита при включении тока. При увеличении нагрузки, измеряемой датчиком моментов, увеличивается ток возбуждения и магнитная индукция в рабочем зазоре, возрастает тангенциальная сила, необходимая для сдвига ведомой части относительно неподвижного магнитопровода, и в ре­зультате увеличивается момент сопротивления на валу оператора.

Схема электрогидравлического пассивного загружателя дана на рис. 11.18, б. При приложении оператором момента Моп к валу оператора и соответствующего усилия к штоку 1 поршень 2 перемещается в гидроцилиндре, заполненном рабочей жидкостью (например, маслом), и вытесняет последнюю по каналам 3, 8 из одном полости цилиндра в другую. Если с датчика моментов па валу нагрузки (рис. 11.18, а) не поступает сигнала, то ток в обмотке управления 5 загружателя равен нулю, и золотник 7 (с кольцевой прорезью) находится в нейтральном (среднем) положении, удержи­ваемом центрирующей пружиной 4. При этом золотник 7 не перекрывает каналы 3, 8, сопротивление движению жидкости минимальное и оператор ощущает лишь небольшое усилие. Если появляется нагрузка на исполнительном органе в виде момента Мн, она измеряется датчиком моментов DМ (рис. 11.18, а), в обмотке уп­равления 5 золотником появляется ток, и золотник 7 перемещается в осевом направлении х до положения, где усилие на золотник уравновешивается силой пружины 4. В результате золотник частич­но перекрывает каналы 3, 8, сопротивление движению рабочей жидкости увеличивается и оператор ощущает увеличение момента Мн на валу нагрузки в виде момента сопротивления М3, развиваемого загружателем. Чем больше момент Мн, тем больше будет момент М3. Максимальный ход золотника ограничен упором 6. Недостаток системы с пассивным отражением усилия — ощущение оператором нагрузки только при движении звена управления; кроме того, не фиксируется знак момента нагрузки, в результате оператор не ощущает разницы (по усилию): поднимается груз или опускается.

Блок-схема следящей системы с пассивным отражением усилия дана на рис. 11.18, а. Пусть к валу нагрузки приложен некоторый момент Мн, а оператору нужно повернуть этот вал на некоторый угол цн. В этом случае он поворачивает вал управления на угол цоп = цн) что фиксируется датчиком положения ДП. Сигнал, пропорциональный углу цоп, поступает на усилитель мощности УМ и далее на исполнительный элемент — двигатель Д, который повора­чивает вал нагрузки на заданный угол цн = цоп и развивает момент МД=МН; этот момент измеряется датчиком моментов ДМ и, как было сказано выше, фиксируется загружателем 3, с тем чтобы опе­ратор имел информацию о величине нагрузки от объекта манипу­лирования.