14.6. Механические захватные устройства

Механическими называют захватные устройства, в которых удерживание объекта осуществляется под действием усилий, возникающих в точках (зонах) контакта объекта с рабочими элементами за счет работы приводов или собственного веса объекта. Механические захватные устройства можно разделить

на схваты и поддерживающие захватные устройства. Схват - механическое захватное устройство, удерживающее объект посредством зажима рабочими элементами при их перемещении. Поддерживающими называют механические захватные устройства не имеющие подвижных звеньев и представляющие собой опоры, на которых объект удерживается под действием силы тяжести (ковши для захватывания, транспортировки и разливки жидкого металла, крюки, штыри, призматические опорные элементы, лопатки и т.д.).

Базирование объекта в охвате обусловлено, главным образом, конструктивными особенностями рабочих элементов. При этом число координат, по которым положение объекта в ЗУ строго не определено (относительно системы координат ЗУ), может колебаться от 0 до 6.

Б ольшинство современных промышленных роботов оснащено механическими захватными устройствами - схватами. Схват (рис. 14.5) состоит из следующих основных частей: двигатель 1, передаточный механизм 2 и рабочие

элементы 3.

14.7. Двигатели схватов

По функциональным возможностям создания перемещений рабочих элементов двигатели схватов можно разделить на три группы: с неограниченным перемещением выходного звена (например, электродвигатели), с ограниченным перемещением выходного звена (например, пневмоцилиндры и неполноповоротные пневмодвигатели), с малым перемещением выходного звена (например, мембранные двигатели). Двигатели с неограниченным перемещением выходного звена целесообразно применять в схватах, предназначенных для захватывания объектов, у которых расстояние между захватываемыми поверхностями может изменяться в широких пределах. Двигатели с ограниченным перемещением выходного звена применяют, когда расстояние между захватываемыми поверхностями объекта изменяется в небольших пределах. Двигатели с малыми перемещениями применяют в узкодиапазонных схватах, предназначенных для захватывания объектов с одними и теми же размерами.

П о типу энергоносителя в схватах применяют пневматические, гидравлические и электрические двигатели.

В качестве двигателей, приводящих в движение рабочие элементы и создающие усилия захватывания, могут быть использованы электромагниты (рис. 14.6). Сжатие схвата происходит при подаче напряжения на обмотку 1 электромагнита 2, раскрытие - под действием пружины 3.

14.8. Передаточные механизмы

Передаточные механизмы схватов предназначены для преобразования и передачи движения и усилия двигателя рабочим элементом. В таблице 14.1 изображены различные структурные схемы передаточных механизмов схватов.

Тот или иной вид движения рабочих элементов определяется структурной схемой передаточного механизма. Вершина К рабочего элемента (табл. 14.1), представляющая собой точку пересечения касательных к поверхности объекта в местах ее контакта с рабочим элементом (если рабочий элемент касается объекта двумя плоскостями), или точка соприкосновения рабочего элемента с объектом (если он имеет только одну рабочую поверхность), может совершать вращательное, поступательное или прямолинейное движения. При этом центр С окружности, вписанной в многоугольник, образованный плоскостями рабочих элементов, называемый центром охвата (рис. 14.7), при вращательном и поступательном движениях изменяет свое положение, при прямолинейном - остается неизменным. передаточные механизмы схватов у которых рабочие элементы совершают вращательное движение являются наиболее простыми в конструктивном исполнении. Передаточные механизмы с поступательным движением рабочих элементов более сложны.

Существенным недостатком обоих указанных типов передаточных механизмов является зависимость положения центра охвата от угла поворота рабочего элемента. Схваты с такими передаточными механизмами могут быть использованы только для захвата объектов, размеры которых отличаются незначительно. Для работы схватов в широком диапазоне размеров за­хватываемых объектов необходимо применять передаточные ме­ханизмы с прямолинейным движением рабочих элементов.

Для передаточных механизмов схватов вводят понятие передаточного отношения:

(14.1)

где dL_ВХ - элементарное перемещение (линейное dl или угловое d входного звена передаточного механизма; dL_ВЫХ - элементарное перемещение (линейное dh или угловое d) выходного звена (рабочего элемента);

_ВХ- скорость (линейная V_ВХ или угловая W_ВХ) входного звена;

_ВЫХ - скорость (линейная V_ВЫХ или угловая W_ВЫХ ) выходного звена (рабочего элемента);

К - число рабочих элементов;

М_ВЫХ - эквивалентный силовой фактор (сила N или момент Т) на выходном звене (рабочем элементе);

М_ВХ - силовой фактор (сила F_ПР или момент Т_ПР) на входном звене;

η- коэффициент полезного действия (КПД) передаточного механизма охвата равный 0,85...0,95.

Наиболее часто в передаточных механизмах схватов используют преобразование поступательного движения входного

звена в поступательное движение рабочих элементов. В этом случае передаточное отношение определяют по формуле:

Рабочие элементы

Для захватывания и удержания объекта выходные звенья передаточных механизмов схватов снабжают рабочими элементами, рабочая поверхность которых представляет собой плоскость, призму, боковую поверхность цилиндра или их комбинацию. Рабочие элементы в свою очередь снабжают накладками (губками) 1 (рис. 14.14, д). Их роль во взаимодействии рабочих элементов с объектом и в обеспечении высокого уровня эксплуатационных характеристик велика. Выбором материала накладок с повышенным коэффициентом трения может быть существенно повышена несущая способность схвата без всяких изменений остальных частей. Накладками из теплоизолирующих материалов может быть снижен нагрев схвата при работе с горячими заготовками. Влияние износа в зонах контакта на точность захвата объекта может быть значительно уменьшено, если накладки являются сменными.

Усилия в местах контакта объекта с рабочими элементами

У силия, возникающие в местах контакта объекта с рабочими элементами, зависят от способа закрепления объекта в захватном устройстве и направления действия вектора равнодействующей силы, приложенной к объекту.

Рассмотрим общий случай закрепления объекта в захватном устройстве (рис.14.15). Считаем, что центр масс объекта совпадает с центром схвата или имеет небольшое смещение. При движении исполнительного устройства с ускорением объект также будет двигаться ускоренно. Вектор равнодействующей силы от силы веса объекта и максимальной инерционной силы равен:

(14.13)

где m - масса объекта; - вектор ускорения свободного падения; - вектор максимального ускорения объекта:

(14.14)

- вектор ускорения объекта от ускорения i-го звена испол­нительного устройства; - вектор кориоллисова ускорения объекта; n - число подвижных звеньев исполнительного уст­ройства.

Приближенное значение вектора Q можно определить в

виде:

, (14.15)

где К=1.1...1.3.

Вектор можно разложить на составляющие: по направлению оси захватного устройства -осевая сила, перпендикулярно оси захватного устройства - нормальная сила и перпендикулярно плоскости захватывания (вдоль оси объекта) -бинормальная сила. В результате получили систему трех взаимно перпендикулярных сил, действующих на объект. Таким образом, рассматриваемую схему удержания объекта можно пред ставить в виде суммы трех элементарных схем. При этом в точках контакта объекта с рабочими элементами захватного устройства возникнут элементарные нормальные и касательные (силы трения) силы, где i=l,2,3,4 - номер точки контакта объекта с рабочими элементами; j - номер элементарного нормального и касательного усилий, возникающих в i-й точке контакта. Для определения их значений необходимо рассмотреть равновесие объекта в каждой элементарной схеме.

Р ассмотрим элементарную схему удержания объекта (рис. 14.16, а). В точках 1 и 2 контакта объекта с рабочими элементами захватного устройства возникают нормальные и касательные силы (рис. 14.17). Для их определения рассмотрим равновесие объекта. Составим уравнения проекций всех сил на оси х и у:

К асательная сила (сила трения) F_T = N • f, где f - коэффициент трения скольжения между объектом и рабочими элементами. Для незакаленных сталей без насечки (стали марок 45, 50) f=0,12...0,15, для закаленных сталей с острой насечкой (стали марок 65Г, У8А, У10A)f=0.3...0.35.

После подстановки выражения для силы F_Т в систему уравнений и ее решения, найдем нормальные силы и силы трения, возникающие в точках контакта объекта с рабочими элементами:

Если ₁ = ₂ = , то нормальные силы будут равны:

(14.19)

Если только φ₁= 90° (рис. 14.18), то

При ₁ = ₂ = 90° (рис. 14.19), получим:

. (14.22)

Для элементарной схемы (рис.14.16,6) удержания объекта в точках 1 и 3 контакта объекта с рабочими элементами возникают нормальные и каса­тельные силы (рис. 14.20).

Рассматривая равновесие объекта, найдем нормальны силы и силы трения:

При ₁ = ₃ = 90°: ,

и полная нормальная сила будет равна:

(14.25)

Для элементарной схемы (рис. 14.16, в) удержания объекта в точках 1,2, 3 и 4 контакта объекта с рабочими элементами возникнут нормальные и касательные силы.

Для их определения рассмотрим равнове­сие половинок объекта. Для левой половинки объекта (рис.14.21):

После решения системы уравнений найдем значения нормальных сил:

Рассматривая равновесие правой половинки объекта аналогично найдем:

При ₁ = ₂ = ₃ = ₄ =  будем иметь:

(14.30)

Из полученных формул при равенстве всех углов видно, что какое бы значение ни приобретали углы φ величины нормальных сил остаются неизменными.

Если φ₁ = φ₃ = 90° а φ₂ ≠ 90⁰ и φ₄ ≠ 90° (рис. 14.22), то

полная нормальная сила, действующая слева на объект равна:

(14.31)

Если ₁ = ₂ = ₃ = ₄ = 90° (рис. 14.23), то полные нормальные си­лы, действующие слева и справа на объект равны

Значения полной нормальной силы и силы трения в каждой точке контакта объекта с рабочими элементами захватного устройства находят по формулам:

(14.34)

где i=l, 2, 3, - номер точки контакта объекта с рабочими эле­ментами; j - номер элементарной нормальной силы и силы тре­ния в i-и точке контакта; n =III - максимальное число элемен­тарных нормальных усилий и сил трения в i-й точке контакта.

Максимальное значение нормальной силы будет в той точке, в которой действует наибольшее число элементарных нормальных сил.

В общем случае опасную точку контакта можно опреде­лить в зависимости от направления действия вектора внешней

силы . Если вектор усилия проходит через квадрант, содержащий i-ю точку контакта, то она и будет опасной точкой. В рассматриваемом случае вектор усилия проходит через квад­рант, содержащий точку контакта 1, поэтому она и является опасной.