 |
Структурные формулы исполнительных механизмов
|
|
|
|
Синтез структуры МС
Под структурой манипуляционной системы понимают состав и взаимное расположение ее кинематических пар.
Синтез структуры МС предполагает определение числа степеней подвижности, состав кинематических пар и последовательность их расположения.
При анализе структуры МС обычно выделяют транспортирующие степени подвижности в особую группу и считают, что они образуют ту или иную систему координат. Система координат определяет вид, взаимную ориентацию транспортирующих степеней подвижности и форму рабочей зоны.
Вид траектории позволяет рационально выбрать состав транспортирующих степеней подвижности.
Однако, такая простота постановки задачи синтеза структуры МС встречается далеко не во всех технологических процессах и поэтому метод выбора состава транспортирующих степеней подвижности на общность претендовать не может.
Более строгими являются задачи синтеза структуры МС, ориентирующиеся на переборные методы оптимизации структуры в соответствии с каким-либо критерием качества.
Критерии качества выбора структуры и основные ограничения
Сложность и стоимость любого ПР прямо связаны с числом степеней подвижности МС. Требования точности заставляют обеспечивать необходимую жесткость и безлюфтовость конструкции, что также отражается на стоимости робота. Избыточность степеней подвижности, обеспечивая большую универсальность ПР, усложняет вместе с тем процесс синтеза управления роботом.
В связи с этим, выработан единый показатель качества кинематической структуры – число степеней подвижности МС, т.е. критерием качества при выборе структуры МС является минимум числа степеней подвижности.
|
|
|
Отметим технические факторы, влияющие на число степеней подвижности робота (табл.1).
Таблица 1.
| № п/п | Технические факторы | no | nт | nк |
| Необходимость перебазирования ОМ, обусловленная: – особенностями обработки детали (переход с позиции на позицию и т.п.) – характером ориентации детали на позиции загрузки, выгрузки и хранения | + + | |||
| Особенностями расположения в рабочей зоне оборудования и принцип его действия | + | + | ||
| Форма, размеры и расположение РЗ обслуживаемого оборудования (рабочих позиций) | + | |||
| Планировка РТК (число и расположение роботизированных позиций) | + | + | ||
| Система координат транспортирующих перемещений ПР | + | + | + | |
| Дополнительные специальные требования к конструкции ПР (автоматическая смена захватных устройств, очистка баз деталей и станка, необходимость дополнительных перемещений) | + | + | + |
nо – число ориентирующих СП
nт – число транспортирующих СП
nк – число координатных СП.
Ограничения, накладываемые на МС при выборе структуры, определены требованиями технологического процесса. Основные ограничения:
– принципиальная достижимость всех точек и траекторий позиционирования (при выбранной структурной схеме), обусловленных технологическим процессом;
– обеспечение достижимости и манипулятивности во всех манипулятивных точках и манипулятивных траекториях, назначенных технологическим процессом.
Основные понятия о кинематике МС
МС состоит из звеньев:
– звено, принимаемое за неподвижное, называется основанием (стойкой).
– звено, которому сообщается движение, преобразуемое исполнительным механизмом в требуемые движения других звеньев, называется входным.
– звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен исполнительный механизм, называется выходным (конечным, последним).
|
|
|
Максимальное число входных звеньев равно числу степеней подвижности исполнительного механизма.
Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающих их относительное движение, называется кинематической парой.
Совокупность поверхностей, линий и точек звена, входящих в соприкосновение (контакт) с другим звеном пары, называется элементом пары.
Для того чтобы элементы пары находились в постоянном соприкосновении, пара должна быть замкнута геометрическим (за счет конструктивной формы звеньев) или силовым (силой тяжести, пружиной, силой давления жидкости или газа и т.п.) способом.
Кинематические пары классифицируют по числу связей (ограничений), налагаемых парой на относительное движение звеньев (классификация И.И. Артоболевского) на кинематические пары пятого, четвертого, третьего, второго и первого классов (табл. 2).
Таблица 2
Род R кинематической пары – относительное число степеней свободы тел, соединенных парой.
K=6-R
где К – класс кинематической пары.
В исполнительных механизмах промышленных роботов используют кинематические пары только 5, 4 и 3 классов, но в основном кинематические пары 5-го класса.
Пары 4 и 3 классов эквивалентно заменяют комбинацией двух или трех пар 5-го класса (рис. 1), т.е. кинематическим соединением – кинематической цепью, конструктивно заменяющей в исполнительном механизме кинематическую пару.
Рис.1
Система звеньев, связанных между собой кинематическими парами называется кинематической цепью.
В зависимости от вида движения звеньев кинематические цепи подразделяют на плоские (рис 2,а,в) – звенья движутся в одной или нескольких параллельных плоскостях, и пространственные (рис.2,б,г) – звенья движутся в пространстве.
Рис.2
Кинематические цепи могут быть замкнутыми (рис.2,в) и незамкнутыми (рис. 2,а,б,г). Кинематические цепи исполнительных механизмов ПР являются в основном незамкнутыми. Существуют незамкнутые кинематические цепи с местными замкнутыми контурами (рис. 2,г).
Структурные формулы исполнительных механизмов
Существуют общие закономерности в структуре (строении) самых различных исполнительных механизмов, связывающие число степеней подвижности исполнительного механизма с числом звеньев, числом и видом его кинематических пар. Эти закономерности носят названия структурных формул исполнительных механизмов.
|
|
|
Для пространственного исполнительного механизма структурная формула (формула А.П. Малышева) имеет вид:
(1)
где W – число степеней подвижности пространственного исполнительного механизма; n – число подвижных звеньев; i – класс кинематической пары; Pi – число кинематических пар i -го класса. В исполнительных механизмах роботов могут быть использованы только кинематические пары 5, 4 и 3 классов.
Число степеней подвижности плоского исполнительного механизма определяют по формуле П.Л. Чебышева:
(2)
где цифра 4 относится к высшим кинематическим парам, цифра 5 – к низшим.
Если в пространственных и плоских исполнительных механизмах ПР число подвижных звеньев равно числу кинематических пар
,
то число степеней подвижности исполнительного механизма находят по формулам:
(3)
(4)
В частном случае в пространственных и плоских исполнительных механизмах, имеющих кинематические пары только 5-го класса и число звеньев n равное числу кинематических пар P5, число степеней подвижности равно: W=P5.
Следует различать число степеней подвижности исполнительного механизма и число степеней свободы рабочего органа (объекта). Число степеней свободы рабочего органа – число независимых возможных его движений. Рабочий орган как твердое тело не может иметь число степеней свободы больше шести, в то время как число степеней подвижности исполнительного механизма не ограничено. Для реализации заданного движения объекта с числом степеней свободы Wоб число степеней подвижности W исполнительного механизма не может быть меньше чем Wоб, т.е. W >= Wоб.
|
|
|
