Захватные устройства и инструменты промышленных роботов

Захватное устройство (захват) ПР предназначено для захватывания предмета обработки и удержания его в процессе перемещения. Вид захвата определяется формой, размером, массой и свойствами захватываемого предмета обработки, а также специфическими требованиями технологического процесса.

В зависимости от принципа действия захваты делят на:

• 1) механические (работают по принципу зажима с удержанием детали с помощью сил трения и запирающего действия рабочих элементов, а также по принципу использования выступающих частей рабочих элементов устройств в качестве опоры для детали);
• 2) вакуумные (работают за счет сил, возникающих при разности давлений);
• 3) магнитные (работают с помощью сил магнитного притяжения).

По числу рабочих позиций захваты всех типов разделяют на:

• • однопозиционные (имеют одну рабочую позицию);
• • многопозиционные (имеют несколько рабочих ПОЗИЦИЙ).

Захватные устройства изготовляют несменными и сменными

(требуют малого времени для смены, могут заменяться автоматически).

Для загрузки металлообрабатывающих станков, как правило, используют механические зажимные устройства, которые помимо закрепления заготовки выполняют функции ориентации, центрирования предмета обработки.

Узкодиапазонные захватные устройства при переналадке обеспечивают возможность закрепления детали за поверхность с размерами, включающими соседние меньшие значения ряда: 1; 4; 12; 32; 63; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500 мм. Эти захваты обычно выполняют на базе клиновых и рычажных механизмов.

Широкодиапазонные захваты обладают возможностью закрепления без переналадки деталей с размерами, включающими соседние меньшие значения указанного выше ряда. Эти захваты выполняют обычно с использованием реечных и зубчатых передаточных механизмов, они имеют более широкие технологические возможности, чем узкозахватные. Механические захваты используются для загрузки станков деталями типа тел вращения или коробчатой формы.

Широкое применение находят многопозиционные (многоместные) захватные устройства. При наличии на руке ПР двух захватов цикл загрузки-разгрузки оборудования сокращается. Во время обработки предыдущей заготовки робот захватывает заготовку для обработки и смещается на максимально близкое расстояние к рабочей зоне. После обработки ПР свободным захватным устройством берет обработанную заготовку и после поворота устанавливает ее в приспособление станка. Во время обработки новой заготовки ПР укладывает обработанную заготовку в тару или на тактовый стол. В результате совмещения вспомогательных переходов с работой станка время загрузки может сократиться в 2—3 раза. Современные захватные устройства помимо захватов для удержания заготовок имеют захваты для смены инструментальных головок или блоков.

Промышленные роботы обычно комплектуют набором типовых захватных устройств, часто при переходе на обработку другой детали меняют не сам захват, а его сменные рабочие элементы (призмы, губки и т.д.).

К захватным устройствам предъявляют следующие требования: надежность захватывания и удержания объекта во время разгона и торможения подвижных элементов ПР, точность базирования заготовки в захвате, недопустимость повреждения или разрушения предмета обработки, прочность при малых габаритных размерах и массе. Особое внимание должно быть обращено на проверку допустимых для данного захватного устройства сил, моментов, нагрузок на места крепления.

При частой смене заготовок или при обслуживании одним ПР нескольких станков захватные устройства должны обеспечивать возможность работы с заготовками с различными размерами, формой и массой. В данном случае наиболее приемлемыми являются широкодиапазонные захватные устройства. В некоторых случаях возникает необходимость применения захватных устройств с автоматической сменой их. Требование быстрой смены захватного устройства и его элементов часто является важным, так как восполняет недостаток подвижности самого робота и позволяет более полно использовать ПР в роботизированном процессе.

Расчет механических захватных устройств включает проверку на прочность деталей захвата. Кроме того, необходимо определить силу привода захватного устройства, силу в местах контакта заготовки и губок, проверить отсутствие повреждений поверхности заготовки или детали при захватывании, возможность удержания захватом заготовки (детали) при манипулировании, особенно в моменты резких остановок.

Соотношение между силой Р привода, силами Р на губках или моментом М на губках захватного устройства определяют из условий статического равновесия. Так, для захвата с рычажным механизмом, показанным на рис. 2.12, из условия ХР = 0 в точке С имеем

Из условия ХЛ/ = 0 относительно точки Л следует

где р — КПД механизма.

При известном моменте М сила привода

где М. — момент сил на губке; Ъ — плечо рычага; п — число губок (обычно п = 2).

Данный захват обладает эффектом самоблокировки, так как рычаг проходит через «мертвое» центральное положение.

Рис. 2.12. Расчетная схема захватного устройства с рычажным механизмом

Для захватных устройств, показанных на рис. 2.13, соотношения между силами Р и /-’следующие:

Р = (Р/г) (2ЬсШс + (I)) Р = (Р/Ц) (ас!)/(Ь(с — с!)) Р=(Р/Ч)(2Ь/а)соь 2 в

Если захватное устройство имеет несколько губок, то сила захвата на каждой губке составит:

/?! = (1-с)0/1 и Я₂ =с0/1 — для схемы, приведенной на рис. 2.14, а /?, = (/ + с)0/1 и Я₂ = сО/1 — для схемы, приведенной на рис. 2.14, б.

Рис. 2.13. Схемы захватных устройств ПР

Рис. 2.14. Схемы для определения сил, действующих на губки от силы тяжести

Силы захватывания, которые требуются для удержания заготовки в процессе ее перемещения,

где т — масса заготовки; g — ускорение свободного падения; К_] — коэффициент безопасности, значение которого зависит от условия применения ПР и расположения других элементов РТК; = 1,2— 2,0; К₂ — коэффициент, зависящий от максимального ускорения А, с которым робот перемещает заготовку, закрепленную в его захвате; К₂ = 1 + А/% К_ъ — коэффициент передачи, зависящий от конструкции захвата и расположения в нем заготовки.

Что такое роботизированная рука

Самым распространенный производственный робот — манипулятор или «роботизированная рука». Рука робота состоит из нескольких сегментов, соединенных снабженными шаговыми двигателями или сервоприводами суставами, которые управляются компьютером.

На рабочей части руки расположен эффектор — непосредственно взаимодействующее с объектами устройство. Чаще всего, эффектор — одно из множества возможных захватных устройств, либо инструмент для обработки объектов. О захватах роботов, их разновидностях и применении читайте в этой статье.

Содержание

Захватные устройства для роботизированных рук

Эффектор робота — это физический интерфейс между рукой робота и обрабатываемой деталью. Этот инструмент на конце руки (EOAT: End of Arm Tooling) является одной из наиболее важных частей робота.

Захват — разновидность эффектора, предназначенная для удержания и перемещения деталей. Захват входит в прямой контакт с продуктом, поэтому важно выбрать правильный тип захвата, наиболее подходящий для целевых объектов, который сможет надежно удерживать и не повредить их.

Источник: top3dexpo.ru, демонстрация работы робота Hanwha на выставке Top 3D Expo.

Роботизированные руки часто имеют встроенные сенсоры, которые сообщают компьютеру, насколько сильно робот захватывает определенный объект. Это не даёт роботу уронить или сломать обрабатываемую деталь.

Другие существующие виды эффекторов: сварочное, фрезерное или сверлильное оборудование, шуруповерты и гайковерты, распылители для краски или специальные захваты для определенных типов объектов, 3D-печатные экструдеры, строительный инструмент.

Существую также антропоморфные захваты, повторяющие кисть человеческой руки, но они почти не применяются в промышленности (до тех пор, пока антропоморфные роботы не задействованы на производстве), а предназначены для исследовательских и медицинских целей, например — как часть протезов.

Сегодня разработчики придерживаются двух принципиально разных подходов к проектированию эффекторов: универсальные захваты под любой тип инструмента или задачи, либо быстросменные узкоспециализированные захваты. Каждый подход имеет как свои достоинства, так и недостатки, поэтому проектировщикам роботизированных производств приходится учитывать экономическую целесообразность обоих подходов. На сегодняшний день наиболее распространенными являются узкоспециализированные захваты.

Рабочий орган промышленного робота — составная часть манипулятора промышленного робота для непосредственного выполнения технологических операций или вспомогательных переходов.

Манипуляторы промышленных роботов оснащают двумя классами рабочих органов, к которым относятся:

• • захватные устройства (ЗУ), предназначенные для захватывания и удержания предметов производства (ПП) или технологической оснастки (ГОСТ 26063—84);
• • инструменты и технологические головки — приспособления и устройства, выполняющие основные технологические операции.

Захватные устройства могут удерживать детали, оснастку, инструменты и технологические головки.

В качестве инструментов и технологических головок роботы оснащают ковшами для разливки расплавленного металла; клещами для точечной сварки; горелками для дуговой сварки, пламенной резки и зачистки; сверлильными, фрезерными, шлифовальными головками и др. В качестве рабочего органа используют сборочные инструменты (винто- и гайковерты, запрессовщики и т.п.), краскопульты и измерительные головки. Ограничений на тип и устройство рабочих органов нет, их выбирают из существующих конструкций или проектируют в соответствии с требованиями конкретного технологического процесса.

Рабочий орган связывает манипулятор с удерживаемой или обрабатываемой деталью. Это — важная часть робота, поскольку он является последним звеном, через которое робот взаимодействует с предметом производства. Успешное применение робота во многом зависит от конструкции и изготовления его рабочего органа, конструкция которого должна соответствовать требованиям конкретного технологического процесса и быть увязанной с конструктивнотехнологическими особенностями примененного робота, а также с системой управления и информационного обеспечения всего технологического оборудования, входящего в состав роботизированного комплекса. Очевидна и зависимость рабочего органа от принятой организации рабочей среды.

Свойства рабочего органа ПР. Вне зависимости от назначения рабочий орган промышленного робота обладает следующими свойствами:

• • является многоэлементной механической системой, имеющей конкретное технологическое назначение;
• • определяет непосредственную область применения конкретной модели промышленного робота;
• • относится к числу сменных компонентов манипулятора промышленного робота;
• • представляет собой приспособления, имеющие, как правило, один или более приводов;

• • может содержать датчики внешней информации, обеспечивающие его адаптацию к конкретным условиям рабочей среды и решаемой задачи;
• • может быть многофункциональным устройством, обеспечивающим решение более чем одной технологической задачи (перенос детали с одновременным измерением ее параметров; обрезка облоя деталей, извлеченных из термопластоавтоматов; сортировка деталей; разделение слоистых материалов и т.п.).

В состав рабочего органа робота входят: узел крепления захвата или инструмента к присоединительному фланцу руки робота; несущая конструкция; привод (пружинный, пневматический, гидравлический, электромеханический или другой) [1] ; механические соединительные и рабочие элементы (рычаги, пальцы, насадки, инструмент и т.п.); датчики. При этом датчики вводят в состав рабочего органа с различными целями: для его очувствления (тактильные, силовые, силомоментные), оценки хода технологического процесса (например, контроля подачи электрода, расхода материалов, крутящего момента при сверлении или завинчивании и т.п.) и определения состояния объекта манипулирования (дистантные, температурные, радиоактивные и т.п.).

Технические показатели рабочих органов связаны с их назначением.

Для захватных устройств: усилие захватывания, показатели быстродействия (время захватывания, время отпускания, время локальных перемещений ЗУ), характерные предельные размеры захватываемого предмета производства (например, минимальный и максимальный диаметры цилиндрического предмета). Если робот имеет набор сменных схватов, то указываются общие пределы для всех этих схватов.

Показатели быстродействия (время перемещений, захватывания и отпускания) зависят преимущественно от вида привода (двигателей), а при одном и том же виде привода изменяются не в очень широких пределах. Обычно везде, где это возможно, используют пневматические приводы, так как они наиболее быстроходны, недороги, сравнительно мало весят и их легко обслуживать.

Технические показатели инструментов и технологических головок также устанавливают отдельно для каждого типа инструмента. Обычно это показатели, характеризующие параметры технологического процесса (усилие запрессовки в прессовых головках, расход краски для распылителей окрасочных роботов, максимальная сила тока электросварочного устройства, момент затяжки гайковерта и т.п.).

Технические требования к конструкции рабочего органа можно разделить на две группы:

• • общие требования, относящиеся и к захватным устройствам, и к инструментам, и к любым другим видам оснастки;
• • специальные требования, предъявляемые конкретными условиями работы (со стороны обслуживаемого оборудования и примененного промышленного робота, а также конкретными технологическими процессами, операциями, организацией окружающей среды и т.п.).

Общие требования к конструкции рабочего органа можно сформулировать, несмотря на их многообразие и существенные различия по назначению, сложности и сфере применения.

Соответствие технологическому назначению и техническим показателям робота. Рабочий орган должен быть спроектирован, выбран и (или) модернизирован так, чтобы иметь технические показатели, полностью соответствующие заданному технологическому назначению, условиям производственного процесса и не ухудшающие технические показатели промышленного робота (соответствовать прежде всего показателям грузоподъемности, погрешности позиционирования, не способствовать появлению вибраций и т.п.).

Безопасность для обслуживающего персонала, безаварийность и надежность в работе — относятся к самым важным требованиям. Рабочий орган взаимодействует не только с предметом производства, но и с другим оборудованием: станками, конвейерами, питателями, зажимными приспособлениями и т.п. В ряде случаев может происходить взаимодействие и с человеком-оператором (например, оператор может периодически загружать заготовки в питатель, производить выборочные измерения обработанных деталей или устанавливать детали в зажимное приспособление для сварки). При сбоях программы возможно отключение питания рабочего органа, а также его столкновение с предметами, находящимися в рабочей зоне робота, что может привести к его повреждению, а также представлять опасность для оператора и вызвать аварийную ситуацию. В этой связи:

• • при отключении питания захватное устройство должно продолжать удерживать предмет производства, а технологическая головка полностью отключаться и отходить (с помощью пружин, противовесов и т.п.) в безопасный сектор зоны обслуживания ПР;
• • между оборудованием, различными приспособлениями и роботом должна предусматриваться взаимная блокировка, препятствующая возникновению аварийных ситуаций;

• • рабочие органы робота следует защищать средствами обеспечения безопасности (тактильными скобами, инфракрасными датчиками и т.п.) от возможных столкновений с объектами, расположенными в зоне обслуживания ПР;
• • показатели надежности рабочего органа должны быть сопоставимы с показателями промышленного робота.

Малая масса — грузоподъемность манипулятора включает и массу рабочего органа, а общая масса объектов манипулирования влияет на скорость перемещений, величину инерционных нагрузок и, в конечном счете, — на производительность РТК и точность обработки. Обычно для снижения массы разрабатывают тонкостенные, но усиленные ребрами жесткости конструкции, в которых используют легкие и прочные материалы (алюминий, магний).

Малые габариты рабочего органа способствуют снижению его массы, позволяют экономнее использовать рабочую зону, улучшают рабочие характеристики робота, содействуя уменьшению момента инерции последнего звена манипулятора.

Максимальная жесткость и прочность рабочего органа во многом определяют рабочие характеристики робота. Недостаточная жесткость рабочего органа ухудшает погрешность позиционирования руки манипулятора. Закрепление нежесткой или непрочной оснастки на присоединительном фланце может вызвать чрезмерную вибрацию, которая при применяемых скоростях перемещения конечного звена руки (до 2,5 м/с) может привести к повреждению или разрушению рабочего органа. Использование жестких конструкций позволяет избежать вибраций.

Максимальное усилие сжатия объекта манипулирования при гарантии надежного удержания и недопущении его разрушения или повреждения поверхности (благодаря применению эластичных накладок на пальцах ЗУ, силовых и силомоментных датчиков и т.п.).

Возможность применения для выполнения различных технологических операций и использования для работы с различными предметами производства в пределах одного или разных конструктивно-технологических классов достигается в результате применения:

• • универсальных, широкодиапазонных и антропоморфных захватных устройств (в том числе за счет ручной перенастройки на детали разных размеров и использования сменных вкладышей и накладок);
• • перенастраиваемых (в том числе автоматически) технологических головок;

• • многоцелевых технологических головок, обеспечивающих выполнение нескольких технологических операций (например, головок, работающих с использованием методов электромагнитного или вихревого ориентирования деталей);
• • автоматической смены захватных устройств и инструментов в соответствии с классом предметов производства и требованиями технологической операции.

Удобство технического обслуживания, замены и ремонта. Необходимо предусмотреть легкость и безопасность контрольного осмотра рабочего органа, возможность быстрой замены непрочных и изнашиваемых элементов конструкции, а также сменных деталей (накладок, вкладышей, пальцев). В целях уменьшения числа инструментов, требуемых для технического обслуживания, в конструкции рабочего органа по возможности следует использовать один и тот же тип крепежных деталей.

Специальные требования к конструкции рабочего органа, предъявляемые конкретными условиями работы, формулируют после тщательного анализа предметов производства и технологического процесса. Работу проводят в два этапа:

• • подготовительный этап (сбор и анализ информации о параметрах предмета производства, технологического процесса, прочих необходимых сведений);
• • разработка специальных требований к конструкции.

Разработка конструкции рабочего органа проводится по техническому заданию, сформулированному на основе общих и специальных требований и технико-экономической оценки целесообразности их реализации в конкретных производственных условиях.