Основные этапы проектирования манипуляторов и их содержание

Техническая организация роботизированных производств зависит от конструкции используемых роботов. При проектировании роботизированных технологических комплексов (РТК) в соответствии с требованиями автоматизируемого производства должны быть выбраны необходимые типы ПР, их системы управления, компоновочно-кинематические схемы манипуляторов и их параметры. Если промышленность не выпускает такие роботы, то приходится разрабатывать проект модификации ближайшей по своим характеристикам модели. В отдельных случаях модификация нецелесообразна из-за слишком большого отличия прототипа от требуемых параметров. Тогда разрабатывают новую модель робота, причем проектируют не просто ПР, а составной элемент роботизированной производственной системы. Поэтому его основные функциональные, конструктивные и эксплуатационные характеристики должны быть тесно связаны с соответствующими характеристиками других элементов системы.

Чтобы решить вопрос о возможности и способе применения ПР для автоматизации конкретного производственного процесса, необходимо знать следующие основные характеристики робота:

функциональные — число, вид и взаимное расположение степеней подвижности; число и диапазоны установок точек позиционирования по каждой степени подвижности; формы, размеры и расположение рабочей зоны — множества всех точек пространства, в которых могут находиться рабочие органы ПР; число и вид программ и команд в программе; число, вид и характеристики каналов связи систем управления с внешним оборудованием; грузоподъемность робота; возможные технологические усилия на рабочих органах; диапазоны скоростей и ускорений рабочих органов робота и точность их задания; адаптацию робота или его схватов к погрешностям расположения, формы и массы объектов манипулирования;

конструктивные — способ установки ПР (напольный, на портале, встроенный и др.); формы, размеры и расположение рабочего пространства — множества точек, в которых могут находиться элементы конструкции ПР; виды и диапазоны регулирования взаимного расположения степеней подвижности; систематические погрешности позиционирования; случайные статические и динамические погрешности; максимальные ускорения при разгоне и торможении; податливость манипулятора, собственные частоты и коэффициенты затухания; габариты, размеры, массу и т. д.;

эксплуатационные — показатели надежности и ремонтопригодности; время переналадки на новые объекты манипулирования или режимы работы: потребляемую мощность и источники питания; взрыво- и пожаробезопасность; стоимость и др.

Приведенное выше разделение характеристик роботов на группы в достаточной мере условное. При разработке конструкции робота удобно учитывать более детальные градации характеристики: компоновочно-геометрические; точностные; быстродействия и динамики; силовые; прочностные; жесткостные и т. д.

Известно, что в каталогах по ПР и проспектах обычно отражается лишь часть из перечисленных характеристик [8]. Остальные характеристики ПР разработчику приходится определять путем изучения соответствующей технической и эксплуатационной документации на ПР или в процессе его исследования перед внедрением.

Промышленные роботы разрабатываются в соответствии с ГОСТ 2.103—68 (СТ СЭВ 208—75), 2.118—73 (Техническое предложение), 2.119—73 (Эскизный проект), 2.120—73 (Технический проект) и др.* Проектирование ПР после уточнения потребности в нем и цели проектирования начинается с формирования технических требований, предъявляемых к нему со стороны автоматизируемого производства. Эти требования разнообразны и обусловливаются видом производства, характером автоматизируемых технологических процессов и объектов манипулирования, существующей организацией производства, требуемой производительностью и т. д. Разная значимость требований позволяет разделить весь процесс проектирования на соответствующие этапы, что существенно облегчает процедуру проектирования.

При разработке технического предложения достаточно ограничиться такими основными требованиями, как размеры и форма рабочей зоны, количество точек и точность позиционирования, грузоподъемность, перемещения и скорости, типы приводов и системы управления, способ сопряжения с другим оборудованием. В соответствии с этими требованиями выбирают принципиальную схему манипулятора, определяют вид, взаимную ориентацию, число и последовательность расположения степеней подвижности; выбирают тип привода и системы управления, способ установки робота (напольный, на портале и др.), уточняют несущие конструкции манипулятора, тип захватного устройства. Если нет заранее выбранного конкретного (иногда «сборного») прототипа робота, то этот этап проектирования трудно формализуется.

С учетом различных функциональных, компоновочных и других организационно-технических соображений конструкции ПР разбивают на отдельные узлы — функциональные и конструктивные модули. Их часто разрабатывают и изготовляют разные коллективы и в различное время. Поэтому необходимо сформулировать взаимосвязанные технические требования к модулям, выполнение которых обеспечит заданные свойства робота в целом. Причем при проектировании модулей следует ориентироваться на максимально возможное использование унифицированных элементов и хорошо отработанных конструкций.

При разработке эскизного проекта ПР оценивают скорости и ускорения характерных точек манипулятора, определяют нагрузку на модули в наиболее тяжелых режимах работы, формируют точностные требования к отдельным узлам ПР.

В ходе проектирования модулей ПР в соответствии с техническими требованиями выбирают их компоновочные схемы. Из условий прочности, жесткости и точности определяют форму и размеры несущих конструкций модулей, направляющих, осей и их опор, требования к точности их изготовления. Рассчитывают нагрузки на привод, на основе которых выбирают необходимый двигатель и проектируют передачи.

После выбора основных технических решений и конструктивной проработки в первом приближении модулей и всего манипулятора разрабатывают его привод и систему управления. Выбирают типы датчиков, источников питания и усилителей. Рассчитывают их параметры и подбирают нужные типоразмеры из числа выпускаемых промышленностью моделей. Оценивают достигнутые на этапе эскизного проектирования основные функциональные, конструктивные и эксплуатационные характеристики робота.

Следует иметь в виду, что проектирование нового ПР — итерационная процедура: в ходе проектирования нередко приходится возвращаться к пересмотру ранее принятых решений после выявления несоответствия отдельных конструктивных решений тем или иным требованиям или их недостаточной рациональности. После выполнения эскизного проекта в ходе дальнейшего технического проектирования ПР производится всесторонний комплексный анализ его точностных, динамических и прочностных характеристик. По результатам этого анализа вносят в случае необходимости коррективы в принятые ранее решения и после утверждения технического проекта переходят к разработке рабочей документации на опытный образец ПР.

Изготовленный образец ПР всесторонне исследуют, осуществляют доводку конструкции, уточняют или впервые определяют экспериментально его характеристики. После внесения необходимых изменений в рабочую документацию осуществляют технологическую подготовку к изготовлению опытной партии и дальнейшему серийному производству ПР.

Перечисленные этапы технического проектирования ПР должны сопровождаться соответствующей технико-экономической, эргономической и художественно-конструкторской проработкой проекта.