1.Основные понятия и определения.

1.1.Манипулятор. Классификация манипуляторов по методу

управления.

Манипулятор (М) – устройство для выполнения двигательных функций, ана- логичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве, ос- нащенное рабочим органом.

Объектом манипулирования называют тело, перемещаемое в пространстве манипулятором. К объектам манипулирования относят заготовки, детали, захватные устройства, вспомогательный, мерительный или обрабатывающий инструмент, тех- нологическую оснастку и т.п.

Метод управления манипулятором (рис. 1.1) наиболее полно характеризует

уровень автоматизации конструкции и возможность ее применения в различных условиях. По методу управления все М можно разделить на:

–биотехнические (с ручным управлением);

–интерактивные (со смешанным управлением);

–автоматические.

			Манипуляторы
	Биотехнические		Интерактивные	Автоматические
	Копирующие	Командные	Автооператоры	Перепрограм-
				мируемые

Полуавтоматические

Рис. 1.1. Классификация манипуляторов по методу управления.

Манипулятор с ручным управлением (биотехнический) – М, управляемый оператором. Это управление может осуществляться дистанционно или (и) непо- средственно за счет перемещения рабочего органа М.

В состав структурной схемы М входят приведенные ниже основные элементы. Задающий орган – функциональная часть М, предназначенная для создания

управляющих сигналов и движений.

Исполнительный орган – функциональная часть М, предназначенная для выполнения действий по сигналам и движениям, поступающих от задающего орга- на.

Связующий орган предназначен для передачи сигналов и движений от за- дающего к исполнительному органу.

Рабочий орган – часть исполнительного органа, предназначенная для реали- зации технологического назначения М (выполняется в виде захватов, инструмента и

5

т.п.).

Взависимости от типа задающего органа биотехнические М. могут быть трех разновидностей.

Вкопирующем М движение рабочего органа повторяет перемещение кисти руки оператора. Задающее устройство кинематически подобно исполнительному механизму (обычно снабжается устройствами, позволяющими оператору ощутить в масштабе силы, действующие на исполнительный механизм).

Вкомандном (некопирующем) М движение рабочего органа не связано кине- матически с задающим устройством, а управление осуществляется по каждой из степеней подвижности в отдельности с помощью кнопок, рукояток и т.п.

Вполуавтоматическом М задающая система включает в себя рукоятку, управляющую несколькими степенями подвижности, и малую ЭВМ или специаль- ный вычислитель, которые преобразуют сигналы с рукоятки в сигналы, управляю- щие движениями исполнительных или рабочих органов.

Функциональные схемы основных видов биотехнических манипуляторов вы- полняют по принципу копирующего управления, по принципу раздельного управ- ления приводами (командная система) и управления от задающего устройства типа рукоятки.

Все биотехнические М отличаются от автоматических отсутствием устройств памяти и требуют непрерывного участия оператора в процессе управления.

Одной из наиболее распространенных разновидностей биотехнических мани- пуляторов являются сбалансированные (шарнирные сбалансированные) манипуля- торы с ручным управлением, содержащие систему уравновешивания рабочего орга- на.

Вавтоматическом М выполнение рабочих функций обеспечивается без участия оператора. К числу автоматических манипуляторов могут быть отнесены автоопе- раторы (А), промышленные роботы (ПР) и манипуляторы с интерактивным управ- лением (ИМ).

Автооператор (А) – автоматическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора (или совокупности М и устройства передвижения)

инеперепрограммируемого устройства управления, другими словами, А – непере- программируемый автоматический М.

Промышленный робот (ПР) – автоматическая машина, стационарная или пе- редвижная, состоящая из исполнительного устройства в виде М, имеющего не- сколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управ- ляющих функций (по ГОСТ 25686–85). В технической литературе часто встречается

иболее короткое определение: ПР – перепрограммируемый автоматический М про- мышленного применения. Характерными признаками ПР являются:

–автоматическое управление;

–перепрограммируемость – способность к быстрой автоматической или при

6

помощи человека-оператора замене управляющей программы (к изменению последовательности, системы и содержания команд);

–способность к выполнению трудовых действий.

Интерактивный робот – попеременно управляемый оператором или дейст- вующий автоматически. В отличие от биотехнических, интерактивные системы имеют устройства памяти для автоматического выполнения отдельных действий. В

зависимости от формы участия человека интерактивное управление может быть двух видов:

1)автоматизированное, т.е. чередование во времени автоматических режимов управления с биотехническими;

2)супервнзорное, когда все части заданного цикла операций выполняются робо- том автоматически поэтапно, но переход от одного этапа к другому может

осуществляться только после подачи оператором необходимой целеуказатель- ной команды.

Разновидностью интерактивного управления является диалоговое управление,

предполагающее разнообразные формы общения оператора с системой управления (на языках любого уровня, включая подачу команд голосом, текстом и т.п.).

В станкостроении принята следующая система буквенных и цифровых индек- сов, определяющих:

1.вид оборудования: М – манипулятор, КМ – манипулятор для кузнечно- прессового оборудования, ЛМ – для литейного оборудования;

2.грузоподъемность (кг): числовые значения в соответствии с ГОСТ;

3.тип системы программного управления: позиционная, цикловая (с ограничен- ным числом точек позиционирования) – Ц, позиционная числовая – П, контур- ная – К, комбинированная (универсальная) – У.

4.компоновочная схема – двузначное число (00, 01, ... 99);

5.конструктивное исполнение (число рук, величина ходов и т.п.) – двухзначное число.

Например, модель ПР М40 П 81.01 – обозначает грузоподъемность 40 кг, пози- ционную систему управления, компоновка типа 81 (цилиндрическая система коор- динат), конструктивное исполнение 01.

Для обозначения ПР агрегатно-модульной конструкции после первого буквен- ного обозначения добавляется индекс А.

1.2. Кинематические пары и их классификация.

Кинематическую пару можно определить как подвижное соединение двух со- прикасающихся звеньев. Возможные соединения звеньев в кинематические пары весьма разнообразны. Таким образом, на относительное движение каждого звена кинематической пары накладываются ограничения, зависящие от способа соедине-

7

ния звеньев пары. Эти ограничения принято называть условиями связи в кинемати- ческих парах.

В общем случае движение в пространстве всякого абсолютно твердого тела может быть всегда представлено как вращение вокруг трех произвольно выбранных осей (координатных векторов) и поступательное перемещение вдоль тех же осей, образующих базис, т.е. твердое тело в пространстве обладает шестью видами неза- висимых возможных движений.

Вхождение звена в кинематическую пару с другим звеном налагает на относи- тельные движения этих звеньев условия связи. Очевидно, что число этих условий связи может быть только целым и должно быть меньше шести, так как уже в том случае, когда число условий связи равняется шести, звенья теряют относительную подвижность и кинематическая пара переходит в жесткое соединение двух звеньев. Точно так же число условий связи не может быть меньшим единицы, ибо в этом случае, когда число условий связи равно нулю, звенья не соприкасаются, и, следо- вательно, кинематическая пара перестает существовать; в таком случае мы имеем два тела, движущиеся в пространстве одно независимо от другого.

Математически вышеизложенные ограничения для числа условий связи S запи-

сываются следующим образом

1 ≤ S ≤ 5 .

(1.1)

Следовательно, число степеней свободы Н звена кинематической пары в отно-

сительном движении может быть выражено зависимостью

H = 6 − S . (1.2)

Из двойного неравенства (1.1) и уравнения (1.2) следует, что число степеней

свободы звена кинематической пары в относительном движении может изменяться также от 1 до 5. Связи, наложенные на относительное движение звена кинематиче- ской пары, ограничивают те возможные относительные движения, которыми обла- дают звенья в свободном состоянии. В результате этих ограничений некоторые из шести возможных относительных движений свободно движущегося звена становят- ся для него связанными. Например, соответствующим подбором соприкасающихся элементов звеньев можно устранить возможность одного из вращений вокруг ка- кой-либо оси или одного из поступательных движений вдоль какой-либо оси, или одновременно одного из вращений и одного поступательного движения и т.д.

Оставшиеся возможные движения могут быть или независимыми друг от дру- га, или же быть одно с другим связаны какими-нибудь дополнительными геометри- ческими условиями, устанавливающими функциональную связь между движения- ми. Например, в кинематической паре винта и гайки (винтовой паре) вращение вин- та вокруг оси вызывает его поступательное движение, причем оба эти движения связаны определенной аналитической зависимостью.

Оставшиеся независимыми возможные движения определяют число степеней свободы звеньев кинематической пары в их относительном движении.

8

Число простейших движений вокруг и вдоль трех координатных осей может оказаться больше числа степеней свободы, если между простейшими движениями установлены функциональные зависимости, являющиеся дополнительными усло- виями связи как, например, в винтовой паре.

Все кинематические пары делятся на классы в зависимости от числа условий связи, налагаемых ими на относительное движение их звеньев. Класс кинематиче- ской пары может быть всегда определен, если будет принята во внимание зависи- мость (1.2). Из этого равенства находим

S = 6 − H .

Итак, кинематические пары могут быть классифицированы как по числу степе- ней свободы звеньев в и относительном движении, так и по числу связей, налагае- мых парой на относительное движение звеньев. По первому признаку различают одно-, двух-, трех-, четырех- и пятиподвижные кинематические пары. По второму признаку – кинематические пары V, IV, III, II и I класса (классификация И.И. Арт- оболевского).

В манипуляторах в основном получили распространение одноподвижные ки- нематические пары, т.е. пары V класса, допускающие относительное вращательное, поступательное или винтовое движение.

		Классификация кинематических пар.			Таблица 1.
Класс	Число	Число	Название пары	Рисунок	Условное обозна-
пары	условий	степеней			чение
	связи	свободы
I	1	5	Шар – плоскость
II	2	4	Шар – цилиндр
			Цилиндр –
			плоскость
			Сферическая
III	3	3
			Плоскостная
IV	4	2	Цилиндрическая
			9