Рейнгард Геттнер - Роботы сегодня и завтра

Сконструированные таким образом промышленные роботы могут использоваться для выполнения самых разнообразных задач.

Если промышленными роботами первого поколения можно заменить примерно 2 % всех рабочих мест в промышленности, то промышленные роботы второго поколения можно применять на каждом четвертом, а то и третьем рабочем месте. Что касается роботов третьего поколения, то они предположительно могли бы высвободить еще одну треть общего числа промышленных рабочих.

Карл Маркс, постоянно подчеркивавший роль науки, обращал внимание на то, что машины и любой другой вид орудий производства являются «органами мышления человека, созданными его руками; конкретным проявлением силы его знаний». Это касается и промышленных роботов. Дальнейшее усиление и интенсификация научно-технической деятельности человека вообще и в области промышленной робототехники в частности, как в качественном, так и в количественном отношении повысит эффективность экономики и, следовательно, послужит на благо человечества.

При конструировании промышленного робота за отправную точку берут, например, физические свойства обрабатываемой детали или других предметов, занятых в рабочем процессе. Обрабатываемые объекты могут быть из различных материалов (металл, стекло, камень, пластмасса и др.), иметь после обработки различную форму (прямоугольная пластина, валик или шар), быть твердыми или эластичными, тяжелыми или легкими, иметь низкую или очень высокую температуру и прочие свойства. Кроме того, определенное влияние на конструкцию промышленных роботов оказывают применяемый в рабочем процессе инструмент, размещение машин, имеющиеся транспортировочные приспособления, накопители, размеры рабочего помещения, уровень надежности техники безопасности и защиты от несчастных случаев, требования по техническому уходу и ремонту, а также прочие условия по охране окружающей среды. Столь разнообразным требованиям соответствуют и различные конструктивные решения, которые реализуются в рамках определенных групп.

К важным конструктивным элементам промышленного робота относятся:

станина, основа для направляющей грейфера;

направляющая грейфера и сам грейфер, обеспечивающие пространственное ориентирование инструмента и обрабатываемой детали (соответственно в пределах обрабатывающего устройства), захват обрабатываемой детали, обеспечение нужной позиции обрабатываемой детали при рабочем цикле;

привод, преобразование и передача необходимой энергии на оси, обеспечивающие манипулирование;

система управления, управление движениями робота и контроль за выполнением программы, прием и переработка поступающей информации и программ, обеспечение связи с приспособлениями, соответствующее реагирование на определенные явления;

измерительная система, измерение позиций, величин перемещений и скорости по отдельным осям манипулирования;

датчики, учет воздействия окружающей среды, замеры физических величин, распознавание образца и позиции.

Роботы могут устанавливаться стационарно или подвижно — в зависимости от предъявляемых к ним требований, на станинах или на рабочих столах, на стенах либо подвешиваться на арках.

В процессе применения промышленных роботов огромное значение имеет система маневрирования, т. е. кинематическая система. Главная ее задача заключается в обеспечении перемещения объекта — обрабатываемой детали или инструмента — из одной точки в другую, т. е. на любую позицию в рамках рабочей зоны. Для этого передаточный механизм направляющей грейфера имеет ротационные и трансляционные узлы. Трансляционные узлы служат для выполнения прямолинейных перемещений. Их связь между собой осуществляется при помощи ротационных узлов, которые обеспечивают роботу возможность за счет действия приводов выполнять вращение и поворотные движения. Комбинируя эти узлы между собой, можно установить пределы рабочей зоны робота. Следовательно, изменение позиций объекта может осуществляться в пределах рабочей зоны за счет комбинирования вращательными и поступательными движениями соответствующих узлов.

Давайте проследим это на одном примере. Тело (предположим, куб) может свободно перемещаться в пространстве и имеет свободу шестой степени, т. е. при помощи трех вращательных и трех поступательных движений оно может быть перемещено на любую иную позицию, что для промышленного робота соответствует комбинированию движений по ротационным и трансляционным осям.

Исходной для данных процессов является система координат с обычными осями координат X, У, Z для осей поступательных движений по прямым линиям (поступательные движения по направлениям осей координат). Оси вращательных движений обозначаются буквами А, В, С. Возможности выполнения отдельных движений передаточным механизмом направляющей грейфера и самого грейфера определяют степень свободы робота (называемой также степенью свободы грейфера). Относительно куба он имеет свободу шестого порядка.

Куб с направлениями поступательных движений (X, Y, Z) и вращательных движений (А, В, С).

Возможность выполнения движений у промышленного робота обеспечивается взаимодействием различных шарниров, соединенных между собой рабочими звеньями. Так, для перемещения центральной точки грейфера в какую-либо точку рабочей зоны необходимы три движения, для придания грейферу в этой позиции желаемого направления необходимы еще три движения. Как правило, три движения приходятся на рычаг и три — на грейфер.

Выбор необходимой степени свободы для робота зависит, конечно, от тех задач, которые предстоит ему выполнять. Например, загрузочный робот, который может обходиться относительно простыми движениями, не нуждается в высокой степени свободы, в отличие от робота, предназначенного для мытья и чистки автомобильных кузовов.

Как уже говорилось, наряду с обычными координатами нужна еще одна система, включающая в себя цилиндрические, шаровые и шарнирные координаты.

Взаимодействие робота с окружением осуществляется в основном при помощи его грейферов, находящихся в непосредственном контакте с обрабатываемым предметом. Поэтому конструкция грейфера зависит от вида силовой передачи, количества шарниров, проходимого расстояния, вида поверхности; размеров и массы объекта, а также от вида материала объекта и т. п.

Грейфер размещается на рычаге и предназначен для удерживания инструмента или обрабатываемой детали. При помощи передаточного механизма направляющей грейфера он, а вместе с ним и обрабатываемая деталь или инструмент перемещаются на позицию, требуемую для выполнения определенной операции.

Приводы грейфера промышленного робота с шестью осями и соответственно с шестью степенями свободы; X, Y, Z — поступательные движения; А, В, С — вращательные движения.

Различные комбинации осей и их координат. Чем выше мобильность, тем сложнее управление. Обозначения: S — поступательное движение, D — вращение.

Зачастую грейферы оснащаются дополнительными элементами — магнитами, датчиками и т. п., предназначенными для зажима, охвата либо удержания объекта.

Грейфер с зажимом.

Грейфер с вакуумным схватом (1), магнитным схватом (2).

Грейфер с охватом (приспособление к объекту).

Промышленные роботы оснащаются стандартными грейферами, у которых можно заменять отдельные элементы. Для выполнения определенных рабочих операций иногда приходится изготавливать специальные грейферы.

Например, для того чтобы манипулировать твердыми, мягкими и хрупкими предметами, робот должен иметь гибкий грейфер, который может приспосабливаться к объекту, т. е., удерживая объект, захватывать его либо осторожно, либо жестко. Это достигается с помощью механизма, состоящего из нескольких звеньев и ряда роликов и приводимого в действие и управляемого проволочными тягами.

Для одновременного выполнения различных рабочих операций роботы оснащаются несколькими рычагами, на каждом из которых устанавливаются один или два грейфера. Так, бесперебойная работа загрузочных роботов или загрузочных устройств для турникетных автоматов обеспечивается тремя рычагами с, соответственно, одним или двумя грейферами.

Если робот не предназначен для операций по захвату объекта, то рычаг с грейфером может быть заменен на соответствующий инструмент для выполнения специальных технологических операций: сварки, сверления, монтажа, покраски краскопультом и т. д.