Введение
Промышленные роботы компании ABB работают во всем мире. Роботы выпускаются в 4-х осевом и 6-ти осевом исполнении. Установленная база роботов насчитывает более 180,000 единиц. Шведские роботы давно зарекомендовали себя как надежные, быстрые, универсальные и высокоточные манипуляторы для различных отраслей промышленности. Их технические характеристики лежат в широком диапазоне и перекрывают все возможные потребности рынка - точность позиционирования от 0,5 до 0,02 мм, грузоподъемность от 3 до 500 кг, рабочая зона от 0,58 до 3,55 м. Контроллер роботов выполнен со всеми необходимыми требованиями предъявляемыми к оборудованию и электронике, которое работает в жестких условиях эксплуатации - температурный режим работы от +5 до +45 оС, возможность эксплуатации в литейных цехах, компактное исполнение, возможности подключения промышленного оборудования по ProfiBus, DeviceNet, EtherNet, ProfiNet, InterBus. Программирование производится на языке RAPID, разработанный специально для роботов ABB. Специально разработанное программное обеспечение RobotStudio и дополнительные программные модули позволяют осуществлять моделирование, программирование и отладку различных техпроцессов - сварка, механообработка, обслуживание прессов, сортировка, укладка и паллетирование продукции, обслуживание станков, покраска.
Принципиальное устройство промышленного робота
Манипулятор промышленного робота по своему функциональному назначению должен обеспечивать движение конечного звена и закрепленного в нем объекта манипулирования в пространстве по заданной траектории и с заданной ориентацией. Для полного выполнения этого требования основной рычажный механизм манипулятора должен иметь не менее шести подвижностей, причем движение по каждой из них должно быть управляемым. Промышленный робот с шестью подвижностями является сложной автоматической системой.
Эта система сложна как в изготовлении, так и в эксплуатации. Поэтому в реальных конструкциях промышленных роботов часто используются механизмы с числом подвижностей менее шести. Наиболее простые манипуляторы имеют три, реже две подвижности. Такие манипуляторы значительно дешевле в изготовлении и эксплуатации, но предъявляют особые требования к организации рабочей среды. Эти требования связаны с заданной ориентацией объектов манипулирования относительно механизма робота. Поэтому оборудование должно располагаться относительно такого робота с требуемой ориентацией.
На рис. 1 приведены структурная и кинематическая схемы промышленных роботов с трехподвижным манипулятором, которых иногда называют цилиндрическими по форме обслуживаемого пространства. Основной механизм руки манипулятора состоит из неподвижного звена 0 (основания) и трех подвижных звеньев 1, 2 и 3. Механизм этого манипулятора соответствует цилиндрической системе координат. В этой системе звено 1 может вращаться относительно звена 0 (относительное угловое перемещение f10), звено 2 перемещается по вертикали относительно звена 1 (относительное линейное перемещение S21) и звено 3 перемещается в горизонтальной плоскости относительно звена 2 (относительное линейное перемещение S32). На конце звена 3 укреплено захватное устройство или схват, предназначенный для захвата и удержания объекта манипулирования в процессе обработки. Звенья основного рычажного механизма манипулятора образуют между собой три одноподвижные кинематические пары (одну вращательную А и две поступательные В и С) и могут обеспечить перемещение объекта в пространстве без управления его ориентацией. Для выполнения каждого из трех относительных движений манипулятор должен быть оснащен приводами, состоящими из двигателей с редуктором и системы датчиков обратной связи. Так как движение объекта осуществляется по заданному закону движения, то в системе должны быть устройства, сохраняющие и задающие программу движения. Преобразование заданной программы движения в сигналы управления двигателями осуществляется системой управления. Эта система включает ЭВМ, с соответствующим программным обеспечением, цифроаналоговые преобразователи и усилители. Функциональная схема промышленного робота приведена на рис. 2.
Рис. 1. Структурная (а) и кинематическая (б)
схемы промышленного робота с трехподвижным манипулятором
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ ПО ТИПУ КОНСТРУКЦИИ
Декартовые (картезианские или портальные) роботы – обычно эти манипуляторы имеют три линейные оси перемещения, ориентированные перпендикулярно друг другу. Рабочее пространство, обслуживаемое роботом, т. е. пространство, каждая точка которого доступна для рабочего органа на конце манипулятора, имеет форму параллелепипеда (рис. 3, а и б). Этот тип роботов представляет собой простейшую конструкцию из всех стационарных устройств. Благодаря малому количеству осей и шарниров достигается высокая жесткость конструкции, необходимая для получения хороших показателей точности и воспроизводимости. Так, промышленные роботы максимального типоразмера, выпускаемые фирмой Shibaura, при длине рабочего хода 2500 мм обеспечивают точность воспроизведения повторяющихся однотипных перемещений в пределах 0,05 мм. Теоретически этот тип роботов наиболее прост для программирования, хотя в последнее время это преимущество теряет свою ценность, так как изготовители поставляют собственные готовые программные продукты, необходимые для обработки данных и управления. Простотой конструкции обусловлен а и достаточно низкая стоимость такого оборудования.
К недостаткам этих конструкций следует от нести не самую удобную форму обслуживаемого пространства, низкое соотношение размеров обслуживаемого и занимаемого роботом пространств, сильно ограниченные возможности ориентирования инструмента и невозможность выполнения операций в пространствах с ограниченным доступом.
РАБОТЫ СКАРА (SCARA)
Присущие декартовым роботам недостатки и непрерывно усложняющиеся технологические процессы заставили инженеров создать более гибкие и производительные системы. В 1981 г. Компании SankyoSeiki, Pentel и NEC представили совершенно новую концепцию сборочного робота.
Этот автомат был разработан под руководством Х. Макино, профессора университета г. Яманаши (Япония). Робот получил название «сборочная роботизированная рука с избирательной гибкостью» (Selective Compliance Assembly Robot Arm), или сокращенно СКАРА (SCARA). Впоследствии эта аббревиатура получила широкое распространение для обозначения роботов этого типа. Рука манипулятора обладает жесткостью в направлении оси Z и податливостью в плоскости XY, что позволяло использовать его для сверления в деталях отверстий, ориентированных относительно этой плоскости. Достоинство роботов СКАРА состоит в параллельном расположении осей соединений, обеспечивающем легкую подвижность руки в плоскости XY, но жесткость в направлении Z (рис. 3, г). Эта особенность объясняет присутствие в названии робота сочетания слов «избирательная податливость (гибкость)». Такая конструкция выгодна для многих операций сборки узлов, заключающихся в простом вкладывании круглых стержней в круглые отверстия без их соединения.
Второй важной особенностью роботов СКАРА является двухзвенная конструкция соединения элементов манипулятора, часто называемая шарнирной и позволяющая ему, подобно руке человека, вытягиваться в определенных пределах и снова втягиваться или «сворачиваться», освобождая занимаемое пространство. Эта возможность особенно удобна для перемещения деталей из одного производственного модуля в другой или для загрузки-выгрузки в рабочую зону станка, имеющую ограниченный доступ.
Роботы СКАРА обладают более высокой скоростью выполнения операций, чем декартовы манипуляторы равного класса.
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕРОБОТЫ
В промышленном производстве большое место занимают операции, от которых требуется взять нужную деталь, перенести ее на небольшое расстояние и в заданном положении опустить в определенное место. Для выполнения таких операций были разработаны параллельные стержневые роботы. Первое применение стержневых замкнутых механизмов в робототехнике связано с использованием платформы Стюарта (рис. 3, е), позволяющей с помощью приводов линейных подвижностей осуществлять перемещение платформы П относительно основания по шести независимым координатам. На основе данных механизмов построены координатные измерительные устройства и высокоточные технологические машины, например, для выполнения лазерной обработки. Механизмы относительного манипулирования позволяют строить технологическое оборудование облегченной конструкции для обработки сложных поверхностей. Устройства параллельной структуры характеризуются тем, что их выходное звено соединено с основанием несколькими кинематическими цепями, работающими параллельно в отношении передачи движения.
Такие механизмы позволяют параллельно управлять усилием, скоростью и перемещением по одной координате выходного звена. Кроме того, в каждой кинематической цепи имеются свободные, не содержащие приводов сочленения, в которых могут быть установлены дополнительные датчики, а также дополнительные приводы, работающие параллельно с основными. В настоящее время на многих предприятиях работают автоматы, получившие благодаря особенностям конструкции общее название «дельта-роботы». Эти механизмы были специально сконструированы для манипулирования с большой скоростью небольшими по массе предметами. Первый дельта-робот был представлен в 1980 г. Р. Клавелом, сотрудником Федеральной политехнической школы в Лозанне. Разработка получила высокую оценку специалистов, и ряд крупных компаний приобрел права на ее использование. В настоящее время срок действия ключевых патентов истекает, и поэтому новые производители готовятся к выходу на рынок со своими разработками. Дельта-робот является типичной параллель ной конструкцией, в которой рабочий орган соединен с базой посредством нескольких кинематических звеньев. Обычно такой робот имеет три руки, соединенные с базой посредством карданных шарниров, при этом в каждой руке робота для позиционирования рабочего органа используется схема параллелограмма.
Благодаря тому, что приводы располагаются в основании базовой части конструкции, а руки манипулятора выполнены из легких композитных материалов, роботы этого типа выполняют перемещения со сверхвысокими скоростями. Эта особенность широко используется в процессах сортировки и упаковки изделий. Дельта-роботы способны выполнять до 150 захватов изделий в минуту.
ШАРНИРНЫЕ РОБОТЫ
Роботы с шарнирным манипулятором по возможностям перемещения напоминают действия руки человека (рис 3, и). На рис. 3, к показан шарнирный робот, имеющий 6 степеней свободы. Механическая конструкция такого манипулятора содержит как минимум три поворотных соединения, образующих полярную систему координат. Три базовые вращательные оси обеспечивают поворот руки, ее наклон в плечевом соединении и сгибание в локтевом звене (рис. 3, к). Дополнительные три поворотные оси (крен, тангаж и рыскание) и одно призматическое сочленение позволяют манипулятору выбирать любое направление, а затем вытягиваться по радиусу на требуемое расстояние. Эта конструктивная схема, отличающаяся очень высокой гибкостью, позволяет манипулятору обходить препятствия. В принципе рука робота может занять любое положение и направление внутри зоны обслуживания. Роботы с шарнирной рукой используются в самых различных целях. Например, робот с шарнирной рукой манипулирует сварочной головкой почти так же, как это делает человек. Углы ориентации головки сварочного аппарата и траекторию ее движения можно изменять для получения требуемого качества сварки в любых положениях. Шарнирные роботы позволяют выполнять дуговую сварку в самых труднодоступных местах. Кроме этого, шарнирные роботы компактны и обслуживаемая ими рабочая зона намного больше пространства, занимаемого роботом (рис. 3, л).
Типовые шарнирные роботы имеют 5 или 6 программируемых звеньев или осей. Несмотря на то, что роботы этого типа удобны для многих видов применения, управление ими является достаточно сложным. Когда управление роботом осуществляется в обычной для них системе обобщенных координат, мысленное представление характера движений манипулятора сильно затруднено, так как для перемещения каждого его звена используется принцип минимального значения требуемого угла. Это означает, что траектория перемещения инструмента не является прямой линией. Отличительной чертой шарнирных роботов является возможность координированного взаимодействия друг с другом, используемого для уменьшения размеров производственных площадей или применяемого вынужденно из-за ограниченности рабочего пространства
В традиционной малоинвазионной хирургии (хирургии минимального вмешательства) операцию проводят через небольшие разрезы в коже человека для сохранения жизненно важных органов. Хирург работает, используя длинные тонкие инструменты, в условиях сильно ограниченного доступа к операционной зоне. Работа в таких условиях требует большого опыта и напряжения хирурга, поскольку существует риск потери координированного действия глаз и рук оперирующего или контакта с операционной зоной. По этой причине многие операции не удается провести с минимальным хирургическим вмешательством. Эти недостатки малоинвазионной хирургии удается преодолеть с помощью технологий, использующих эффект присутствия и телеуправления. В этом случае инструментами манипулирует не хирург, а руки специального дистанционно управляемого робота. Хирург во время операции удобно сидит за пультом управления. Благо даря трехмерному эндоскопическому обзору, обратной связи по усилиям и восстановленной координации зрения и действия рук, хирург вновь получает возможность практически прямого доступа к операционному полю.
Следует сказать, что представленная классификация роботов по типу их конструкции в последнее время принимает все более условный характер. Роботы с шарнирной рукой устанавливают на декартовые системы перемещения, роботы СКАРА также дополняются шарнирными манипуляторами, а декартовые манипуляторы обзаводятся дополнительными степенями свободы перемещений.
Рис. 3 Основные типа промышленных роботов с примерным соотношением размеров зоны обслуживания и занимаемой площади