Энергоэффективные безреверсивные мехатронные манипуляционные устройства

Известно [1], что применение промышленных роботов (ПР) ограничено их высокой стоимостью и существенным потреблением энергии. Используемые манипуляторы ведущих мировых производителей для переноса грузов имеют очень высокое соотношение между массой подвижной части исполнительного устройства и грузоподъемностью.

Число публикаций, посвященных исследованию энергетических свойств ПР, невелико. Особого внимания заслуживают работы А.Е. Кобринского, Ю.А. Степаненко. В этих работах было показано, что затраты энергии приводами исполнительных устройств ПР зависят от выполняемой рабочей операции, программы ее реализации и кинематической схемы исполнительного устройства ПР; было впервые введено понятие о диссипативных свойствах системы приводов исполнительных устройств, под которыми следует понимать неспособность системы приводов накапливать потенциальную энергию.

В связи с вышесказанным особо выделяются задачи разработки и реализации мехатронных устройств, позволяющих решать новые задачи по созданию специализированных комплексов автоматизации производственных процессов с существенно улучшенными функциональными показателями по стоимости, энергоэффективности, простоте конструктивного исполнения, быстродействия, широте спектра их практического применения.

Перечисленные выше задачи показывают, что для операции целесообразна разработка специализированных робототехнических комплексов (РТК) с одновременным решением задачи снижения энергопотребления. Однако их развитие и внедрение сдерживаются недостатком исследований в этой области, что позволяет перейти к их разработке.

Материал данной статьи объединен задачей снижения энергопотребления в РТК, предназначенных для переноса и переналадки посредством системного подхода при их проектировании.

В связи с этим ставятся задачи: провести анализ типовых технологических процессов переноса объектов и оценки их параметров, в том числе энергетических; разработать критерии энергетической эффективности процесса переноса; исследовать пути минимизации энергозатрат при переносе и повышении быстродействия; найти новые принципы построения и работы РТК с разработкой системы управления, отвечающей требованиям технологического процесса переноса, а также рекомендациям по снижению энергозатрат в РТК и повышению быстродействия.

Типовые траектории перемещения захватных устройств вспомогательных ПР при обслуживании обычного технологического оборудования достаточно просты и единообразны.

Для обычных ПР с независимыми приводами по степеням подвижности требуемые движения реализуются при последовательном включении приводов по одиночке (на каждом этапе работает только один привод в ту или другую сторону). В начале каждого этапа привод должен разгонять подвижную часть, а в конце этапа осуществлять торможение. Формально вычисленная работа на каждом этапе мала, но без применения специальных мер энергия, затрачиваемая на разгон, не возвращается. Для повышения быстродействия необходимо значительное увеличение мощностей двигателей, что приводит к серьезным трудностям, особенно для роботов с электроприводом. Практика и прикидочные расчеты показывают, что трудно получить время полного цикла (с возвращением рабочего органа в начальную точку) менее трех–четырех секунд.

Авторами предложен оригинальный путь принципиального решения проблемы значительного повышения быстродействия манипуляторов с цикловым программным управлением. Он основан на построении механизмов, в которых ведущие звенья, приводимые во вращательное движение роторами нерегулируемых электродвигателей, совершают равномерное вращение с постоянными угловыми скоростями, а выходные звенья передачи задают рабочему органу движения по траектории, удовлетворяющие определенным ограничениям с мгновенными или длительными остановками в заданных точках позиционирования. Такие манипуляторы принято называть роторными. Проще всего этот принцип реализуется в механизмах, в которых производится сложение двух вращений вокруг параллельных осей. Траектории, воспроизводимые рабочими органами, относятся к классу циклоид, поэтому такие роторные манипуляторы также называются циклоидальными (в случае большого числа осей вращения – полициклои-дальными).

Возможности значительного возрастания быстродействия таких манипуляторов обусловлены тем, что роторы этих двигателей не останавливаются и не реверсируются, а сокращение времени цикла достигается увеличением постоянных угловых скоростей за счет уменьшения передаточных отношений при не очень большом повышении мощностей. Реализация подобной идеи означает частичный возврат к принципам построения узкоспециализированных механизмов с единственным приводом и одной степенью подвижности, но способных производить движения по заданным, иногда довольно сложным траекториям с заданными законами изменения перемещений и скоростей.

Такие механизмы были изобретены давно и находили широкое применение в автоматическом технологическом оборудовании (станках-автоматах, а также высокопроизводительных роторных линиях различного назначения) начиная с 1930 гг.

Теоретическая основа проектирования подобных механизмов, заложена еще в прошлом веке, но наиболее полно отражена в трудах И.И. Артоболевского и учеников его научной школы. В настоящее время эта теория продолжает развиваться и вышла на новый уровень в связи с развитием компьютерных методов автоматизированного проектирования и автоматического управления.

Однако рассматриваемые роторные манипуляторы новых поколений не являются классическими механизмами, лишь в самых простых вариантах они представляют собой механизмы с одной степенью подвижности и одним нерегулируемым приводом. Роторные манипуляторы должны сохранять обязательные и типовые для роботов свойства переналаживаемости, программируемости и адаптивности, что требует усложнения структур механизмов, использования нескольких приводов и самостоятельных систем автоматического управления.

Усложнение кинематических схем, применение новых приемов (в частности, изменение структуры), введение нескольких регулируемых приводов, необходимость коррекции движений, значительное увеличение динамических нагрузок при сохранении высоких требований к точности и надежности выполнения технологических и вспомогательных операций требуют проведения комплекса системных и целенаправленных научных исследований механики движений многозвенных механизмов с разомкнутыми кинематическими цепями.

Основная идея использования циклоидальных механизмов в манипуляторах заключается в том, чтобы задавать требуемую траекторию и закон движения по траектории чисто кинематическими средствами, за счет выбора кинематической схемы, а привод осуществляет движение от постоянно вращающегося двигателя. Могут быть предложены и рассмотрены различные кинематические схемы, воспроизводящие траектории, сходные по конфигурации. Из всех них предпочтение следует отдавать схемам, содержащим только вращательные кинематические пары. Достоинства таких схем обсуждалась в работах [1-4].

Принципиальным является то обстоятельство, что в этих точках происходит не выстой на заданное время, а лишь мгновенная остановка (скорость обращается в нуль). Другое важное обстоятельство – точки возврата располагаются равномерно по окружности, что налагает определенные ограничения на расстановку оборудования, обслуживаемого роботом.

В силу программной перенастраиваемости функционально наибольшими возможностями обладают манипуляторы с шарнирно-рычажными механизмами при наличии соответствующей автоматической системы управления. В этой компоновке приводные устройства размещены вблизи осей кинематических пар, что увеличивает инерционность манипулятора. Наиболее простые варианты исполнения характеризуются наличием жестких механических связей, использованием только одного приводного двигателя, высокой надёжностью, небольшой стоимостью, но ограниченными возможностями перенастройки.

Применение тросовых тяг зубчатых ремней или цепных передач позволяет уменьшить инерционность механизмов манипуляторов, а также заметно расширить их рабочие зоны, не вводя паразитные зубчатые колеса.

При отсутствии требований к перенастройке траекторий схвата достаточно использования только одного приводного двигателя, при необходимости перенастройки используется шарнирно-рычажная компоновочная структура со встроенными приводными устройствами в шарнирные сочленения звеньев, работа которых должна синхронизироваться соответствующей системой управления.

Виды кинематических пар

Смешанные

Полусмешан-ные Вращательные

Кинематика руки	Число и расположение приводов	Виды передач
С размыканием кинематической пары		С тросовыми тягами
		Зубчатые
	Несколько по степеням подвижности
Многорукие		Планетарные
С выдвижением		Цепные
С вращением	Один	Прямые

Рис. 1. Классификация компоновочных структур

Система синхронизации	Устройство управления
	Механическое
Электронная
	Электронное цикловое
Механическая
	Электронное адаптивное

С учетом этих особенностей можно классифицировать все возможные варианты реализации компоновочных структур полициклоидальных мехатронных устройств (рис. 1) и системы управления (СУ). Она осуществлена на основе нескольких независимых переменных, поэтому является фасетной. Наименования признаков даны в верхних рядах, а их варианты - в вертикальных столбцах, конкретные разновидности компоновочных структур с учетом особенности эксплуатационных показателей показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Эксплуатационные показатели безреверсивных манипуляторных устройств (ЗРМ – зубчато-рычажный механизм; ТТМ – механизм с тросовыми тягами;

ПЗМ – планетарно-зубчатый механизм; ШРМ – шарнирно-рычажный механизм)

Существует большое число производственных операций, которые можно автоматизировать с помощью простых программных механизмов, причем весьма часто под гибкостью управления понимается возможность переналадки циклов СУ, являющихся системами с жесткой логикой.

Итак, при отсутствии требований к перенастройке требуется «жесткое» механическое управления ММС – в этом случае достаточно одного привода для ведущего звена, в случае наличия требований к перенастройке необходимо иметь приводные устройства для каждой степени подвижности, а их работа должна синхронизироваться соответствующей СУ [2].

Существенное снижение энергозатрат при переносе объекта может быть достигнуто путем рационального построения технологического процесса с встроенным безреверсивным манипулирующим устройством. При оптимальном построении подобного РТК важен правильный выбор как структурной схемы безреверсивного манипулирующего устройства, так и вспомогательного оборудования. В качестве примера реализации технологического процесса рассмотрим проработку РТК, в состав которого входит безреверсивный манипулятор с «жестким» механическим управлением.

Для загрузки и разгрузки деталей на станки, РТК, деталей типа валов нужно спроектировать манипулятор, обладающий следующими характеристиками:

Грузоподъемность – 100 кг.

Диапазон диаметров захватываемых деталей – 100-160 мм.

Диапазон длин захватываемых деталей – 800-1300 мм.

Время загрузки ≤ 1 мин.

Исходя из вышеуказанных требований, необходимо учитывать следующие условия:

• 1)    при манипулировании объектами большой массы не всегда нужна перенастройка (т.к. высоки требования к жесткости механизмов и к простоте траектории при перемещении объектов);

• 2)    необходимо обеспечить диапазон регулирования механизмов схвата на диаметр и по длине;

• 3)    обеспечить время выстоя, необходимое для установки детали;

• 4)    обеспечить необходимое быстродействие манипулятора.

Рис. 3. Планировка участка

Состав технологического и вспомогательного оборудования

Таблица

Обозначение	Наименование оборудования	Модель
С1	Станок ленточнопильный	Carif-450
С2, С 22	Напольный пластинчатый конвейер
С3,С8,С9,С15,С19,С23,С26	Безреверсивный манипулятор
С4	Станок фрезерно-центровальный	КЛ-175Ф3
С5, С16, С24	Подвесной конвейер
С6	Накопитель
С7, С13, С21	Перегрузчик
С10, С14, С18	Стол поворотный
С11, С12	Станок токарный	1Б732Ф3 с УЧПУ Н-22
С17	Станок токарно-винторезный	1М63Ф101
С20	Станок токарный	1Б732Ф3 с УЧПУ NC-210
С25	Станок фрезерно-сверлильный	SYIL X4 CNC
С27	Станок круглошлифовальный	3Б161
С28	Стенд	УР 9240-786
С29	Склад готовой продукции

На рисунке 3 представлена планировка поточного участка, спроектированная в соответствии с технологическим процессом изготовления деталей типа вал. В состав необходимого технологического и вспомогательного оборудования (табл.) введен манипулятор, который используется как средство сопряжения основных транспортных потоков, а именно для перекладывания объектов с одного, «подающего» непрерывного транспортирующего устройства, на другой, «принимающий». В роли транспортирующих устройств могут выступать линейные конвейеры, роторы роторных линий и т.п.

Рис. 4. Структура РТК

На рисунке 4 представлены цикл работы РТК и его структура. В момент захватывания объекта осуществляется пространственное совмещение центра схвата манипулятора с центром объекта, находящегося на призме транспортера или самоцентрирующегося патрона станка. В принципе возможно захватывание объекта, если в указанный момент времени векторы скорости этих двух точек различны. Однако при различии скоростей возможны удары с последующими трудно предсказуемыми относительными смещениями, в частности схват может не поймать объект или объект будет захвачен в неправильном положении. Поэтому естественно потребовать, чтобы в указанный момент относительная скорость обратилась в нуль; при этом условия захватывания существенно облегчаются. Поскольку загрузка и разгрузка объектов осуществляется в трех положениях схвата манипулятора, то его траектория должна быть гипоциклоидой. Время цикла и время выстоя выбирается расчетом согласно данным работы [1]. Транспортные устройства, входящие в состав РТК, обладают собственными системами управления, построенными на базе программируемых логических контроллеров, а промышленный робот и станок – устройством числового программного управления класса NC или CNC. Устройства, представленные в таблице, используют неразделяемые ресурсы, основным из которых является пространство. И во избежание столкновений рабочих органов необходимо согласовать их движения во времени посредством единой системы управления РТК согласно циклограмме, представленной на рисунке 5.

№	Злеиеямим	Врем, с
		10	20	30	10	50	6S	10	80	90	№	118	Ж	138		158	188		188	№	Я	218	Д	08	118	58	2Й	118	2«	Ж	188	88	128	118	118	158	188	118	1$	№	188
1	Da8oma лоОбесного канбейера	77	1
2	Загрузка ПР из паз. 3 & паз. 2
			Г	'/г	77	777.
3	П^аЗашна стаже (сторона 11
							7г	///	///	'//	V/.	7/,	г/,	///	г/.
i	вазгрркаПР оз лоз 2 6 паз /
																г//	77	77	77,
5	Поборот стола на 180'																			77
6	Загрузка ПР ш лш.16 лоз 2
																						77/	7/.
1	рабатка на станке (сторона 21
																								7/	W	7/	'//.	///	/7	-//	7/	7,
8	Разгрузка ПР оз лоз 2 6 поз 1
																																	72	-22<	22/	Г2Д

Рис. 5. Циклограмма работы РТК (5 минут 50 секунд)

Выбор компоновочной схемы безреверсного манипулятора очевиден, поскольку, в силу требований к жесткости руки, необходимо решение с ПЗМ компоновкой с одним приводом ведущего звена. Кинематическая схема представлена на рисунке 6. Манипулятор содержит самоцентрирующиеся захваты для предметов обработки и планетарный привод их перемещения. Привод каждого захвата, помимо этого, содержит кривошипно-кулисный механизм, кривошип которого закреплен на сателлите, а оси кулис установлены на водиле между валом сателлита и валом водила. При вращении водила паразитные шестерни обкатываются по неподвижному зубчатому колесу, вращая через сателлиты кривошипы, приводя движение «захват». При этом предмет обработки, установленный в захвате, движется по циклоидальной траектории.

Рис. 6. Кинематическая схема безреверсивного манипулятора

Представленный класс безреверсивных манипуляционных устройств дает возможность спроектировать автоматическое производство с минимальными затратами, встраивая транспортные устройства и промышленные роботы в производственный процесс, позволяет в несколько раз повысить быстродействие по сравнению с серийными промышленными роботами, обладает свойством гибкой перенастройки и существенной выгодой по критерию «качество - цена».

Проект поддержан грантом РФФИ №11-08-00717-а.