УДК 658.527.11
ББК 34.6805
М82

Рецензенты:
Г.И. Закаменных — доктор технических наук, профессор,
академик Российской академии ракетных и артиллерийских наук,
генеральный директор ОАО «ЦНИИ “Буревестник”»;
А.С. Курников — доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Технология конструкционных материалов и ремонта»
Волжской государственной академии водного транспорта

Москвичев А.А., Кварталов А.Р., Устинов Б.В.
М82
Захватные устройства промышленных роботов и манипулято
ров : учебное пособие / А.А. Москвичев, А.Р. Кварталов, Б.В. Усти
нов. — М. : ФОРУМ : ИНФРАМ, 2015. — 176 с. — (Высшее образо
вание. Бакалавриат).

ISBN 9785911349691 (ФОРУМ)
ISBN 9785160102900 (ИНФРАМ)

В учебном пособии излагается материал по курсам «Проектирование не
стандартного автоматического оборудования» и «Основы робототехники».
Даются основные понятия и определения рабочего органа манипулятора
ПР, классификация и области применения захватных устройств. Рассмот
рены составные части, схемы механизмов передачи движений схватов ис
ключительно с жесткими звеньями. Представлены компоновочные схемы и
типовые конструкции различных захватных устройств. Приводятся обосно
вание и выбор схемы, приводов и параметров захватных устройств, расчет
необходимых сил привода, захватывания и удержания объекта манипули
рования. Определяются предельные контактные напряжения и усилия,
действующие в местах контакта рабочих элементов захвата и объекта мани
пулирования.
Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обу
чающихся по направлениям 15.03.04 «Автоматизация технологических про
цессов и производств» и 15.03.06 «Мехатроника и робототехника», а также
может быть использовано при курсовом и дипломном проектировании.

УДК 658.527.11
ББК 34.6805

ISBN 9785911349691 (ФОРУМ)
ISBN 9785160102900 (ИНФРАМ)

© Москвичев А.А., Кварталов А.Р.,
Устинов Б.В., 2014
© Издательство «ФОРУМ», 2014

Список сокращений

БСЗ
—
бесконтактный струйный захват
БУ
—
блок управления
ВЗ
—
вакуумный захват
ВЗУ
—
вакуумное захватное устройство
ВН
—
вакуумный насос
ВР
—
воздухораспределитель
ГПр
—
гидропривод
ГПК
—
гибкий производственный комплекс
ГР
—
гидрораспределитель
ГЦ
—
гидроцилиндр
ЗУ
—
захватное устройство
ИУ
—
исполнительное устройство
М
—
манипулятор
ОМ
—
объект манипулирования
ПР
—
промышленный робот
ПЦ
—
пневматический цилиндр
РО
—
рабочий орган
РТК
—
роботизированный технологический комплекс
ТП
—
технологический процесс
ЭД
—
электродвигатель
ЭМ
—
электромагнит
ЭМЗУ —
электромагнитное захватное устройство
ФЭД
—
фотоэлектрический датчик

Введение

Комплексная автоматизация производственного процесса осно
вывается на широком применении роботизированных технологиче
ских комплексов (РТК), основными элементами которых являются
промышленные роботы (ПР). Роботы позволяют автоматизировать как
основные операции, так и вспомогательные переходы, и поэтому они
применяются в различных отраслях промышленности, наиболее ши
роко — в машиностроении. Использование ПР особенно эффективно
в условиях большой номенклатуры и частой сменяемости выпуска из
делий, позволяет высвободить человека от выполнения тяжелых од
нообразных и опасных для жизни операций. Экономическая эффек
тивность применения ПР определяется его производительностью и
сроком действия. При этом к ним предъявляются требования высо
кой подвижности, быстрой переналадки на новую программу дейст
вий, универсальности, долговечности и достаточной надежности, так
как рука манипулятора совершает от 200 до 1000 перемещений в час.
Несомненно, в ближайшие годы растущий выпуск ПР позволит удов
летворить возрастающий спрос на них в различных отраслях про
мышленности.
Как известно, ПР состоит из манипулятора, имеющего несколько
степеней подвижности, который оснащен рабочим органом для непо
средственного выполнения технологических операций или вспомога
тельных переходов, и устройства программного управления.
Захватное устройство (захват) — это узел механической системы
манипулятора, обеспечивающий захватывание и удержание в опреде
ленном положении объекта при его перемещении в пространстве.
Объекты могут иметь различные размеры, форму и массу, поэтому за
хваты относят к числу сменных элементов манипулятора. Как прави
ло, современные ПР комплектуются набором типовых (для данной
модели) ЗУ, которые можно менять в зависимости от требований
конкретной технологической задачи.

Большое разнообразие форм и размеров захватываемых объектов,
различие многочисленных дополнительных требований к их захваты
ванию и удержанию обусловливают использование очень большого
количества ЗУ. Если число используемых схем манипуляторов ПР ис
числяется единицами, то захватов — многими десятками, а количест
во типоразмеров схватов не представляется возможным оценить даже
приблизительно. При серийном производстве ПР практически нельзя
учесть разнообразие всех требований к захватам, поэтому часто для
работы ПР штатный схват снимают, а на его место устанавливают но
вый, специально спроектированный и изготовленный по месту экс
плуатации робота. При этом доделкой, переделкой, модернизацией, а
часто и проектированием новых ЗУ занимаются преимущественно не
специалисты по робототехнике, а конструкторы и технологи пред
приятия потребителя, внедряющие ПР.
Авторы данного учебного пособия сделали попытку обобщить и
проанализировать вопросы теории, расчета, проектирования и при
менения различных ЗУ. Основное внимание уделяется разработке ме
ханических ЗУ.

Введение
5

Глава 1
КЛАССИФИКАЦИЯ
ОБЪЕКТОВ МАНИПУЛИРОВАНИЯ
И ТРЕБОВАНИЯ К ЗАХВАТАМ

Роботизация производственных процессов является дальнейшим
развитием процесса автоматизации, так как применение ПР позволя
ет автоматизировать те производственные процессы или их части, ав
томатизация которых простейшими техническими средствами неце
лесообразна.
Применение ПР определяет специфику функционирования РТК.
В настоящее время разрабатываются и применяются ПР для обслужи
вания металлорежущего, кузнечнопрессового, литейного, сборочного
и деревообрабатывающего технологического оборудования, выполне
ния операций сварки, покраски, сборки, электротермической, гальва
нической и плазменной обработки, производства печатных плат и др.
Использование ПР практически во всех отраслях промышленно
го производства, условия их эксплуатации в едином цикле с совокуп
ностью различных средств технологического оснащения определяют
большое разнообразие объектов манипулирования — предметов про
изводства, различного инструмента, технологической оснастки.
Основными классификационными признаками объектов мани
пулирования являются: физическое состояние, форма и размеры,
свойства симметрии, подвижность и ориентация в момент захватыва
ния [10].
Как правило, объекты манипулирования являются твердыми и
жесткими, но они могут быть упругими, хрупкими или пластичными.
Твердые — это такие объекты, которые в разумных пределах не требу
ют какихлибо ограничений на контактные усилия. Жесткие — объ
екты, деформациями которых в процессе захватывания и переноса
можно пренебречь. Такое деление в ряде случаев условно и может
быть расширено в более детальных классификациях.

Предметы могут представлять собой тела разнообразной формы и
размеров. Так, при загрузке металлорежущих станков они обычно
имеют цилиндрическую или призматическую форму прямоугольного
сечения; при обслуживании кузнечнопрессового оборудования —
плоскую или коробчатую форму. Применительно к задачам захваты
вания и удержания объекта схватом важное значение имеют особен
ности формы поверхностей, по которым производится захватывание,
наличие точек, осей и плоскостей симметрии, распределение инерци
онных характеристик по осям предмета (оно различно для плоских,
удлиненных и объемных объектов). Для предметов сложной формы
может быть существенным наличие отверстий, выступающих шты
рей, облоя и др.
При описании объекта важно знать, неподвижен объект во время
захватывания или он находится на непрерывно движущемся транс
порте. Часто возникает ситуация, когда объект в момент захватыва
ния фиксируется в специальных зажимных приспособлениях (напри
мер, когда объект установлен на плоскости, в гнездах, пазах, насажен
на штыри) или же может перемещаться по некоторым из направ
лений.
Качественные показатели для объектов манипулирования раз
личных классификационных групп следующие:
1) габаритные размеры;
2) положение и ориентация характерных осей, линий и поверх
ностей;
3) диапазоны измерения погрешностей формы и положения по
верхностей;
4) размах изменения погрешностей установки объекта;
5) масса и другие инерционные характеристики;
6) допустимые значения контактных усилий при захватывании
объекта.
В каждом конкретном случае возможно расширение этого пе
речня.
При определении требований к способу и особенностям захваты
вания необходимо установить желаемые направления подхода схвата
к объекту, указать поверхности, по которым целесообразно осуществ
лять захватывание, назначить его способ. Часто при работе с деталя
ми различных размеров, но сходных по форме, захватывание надо
производить так, чтобы положение некоторых характерных осей,
плоскостей или поверхностей объекта оставалось неизменным отно
сительно корпуса захвата.

Глава 1. Классификация объектов манипулирования...
7

Условия работы захвата могут быть как нормальными, так и ано
мальными, отличающимися повышенным или пониженным уровнем
и интенсивностью воздействующих внешних факторов, в частности,
температуры, давления, влажности, запыленности, вибраций, кон
центраций в среде активных химических веществ, радиоактивности
и др.
Вид объекта манипулирования во многом определяет тип и кон
струкцию захвата и прежде всего поверхностей его рабочих элемен
тов, непосредственно взаимодействующих с объектом. Исходя из
особенностей работы ПР с объектом формируется систематизация
этих рабочих элементов захвата, основными классификационными
признаками которых являются: геометрические и конструктивные
особенности, свойства поверхности и их кинематическое движение.
Геометрические особенности рабочих элементов захвата включают в
себя общие особенности формы и степень согласованности их кон
фигурации с видом объекта. Особенностями конфигурации рабочих
элементов могут быть простейшие формы, образованные плоскостя
ми, призматическими или цилиндрическими поверхностями, с вы
ступающими ребрами или штырями. По степени слаженности с объ
ектом могут быть выделены согласованные рабочие элементы, форма
которых полностью совпадает с видом объекта (факсимильные рабо
чие элементы), рабочие элементы полусогласованной формы и рабо
чие элементы несогласованной формы.
По свойствам поверхностей рабочие элементы разделяют на глад
кие, с насечкой, с роликами. Насечка или накладки наносятся на по
верхности рабочих элементов для увеличения сил трения в точках или
зонах контакта их с объектом. Введение роликов, наоборот, способст
вует значительному их снижению. Кроме того, накладки обеспечива
ют уменьшение износа поверхностей рабочих элементов, улучшение
условий контакта с объектом, что способствует его сохранности.
При классификации по конструктивным особенностям в качест
ве основных признаков можно выделить:
• способ крепления;
• разнообразность формы;
• реализацию специальных решений.
Рабочие элементы крепятся к корпусу схвата или к одному из
звеньев механизма передачи движения. Они могут иметь фиксиро
ванную форму или изменяемую вручную или автоматически. Часто
рабочие элементы выполняются сдвоенными, удлиненными, разне
сенными и др., которые перемещаются либо симметрично относи

8
Глава 1. Классификация объектов манипулирования...

тельно оси или плоскости, либо с заданным отношением, совершая
поступательное или вращательное движение.
Анализ разработанных и используемых конструкций захватов по
казывает, что большинство перечисленных вариантов признаков реа
лизуется на практике, но предпочтительными являются немногие их
сочетания. Так, для имеющегося в промышленности парка ПР чаще
всего применяются захваты с рабочими элементами простейших
форм, не согласованные с объектом манипулирования, перемещаю
щиеся симметрично относительно его средней плоскости. В ряде
случаев поверхности рабочих элементов выполняются с насечкой и
оснащаются накладками.
Отмеченный анализ совокупностей исходных данных об объекте
манипулирования, условий эксплуатации и характерных особенно
стей захвата имеет важное значение при его проектировании, особен
но на этапе выбора схемных решений и характерных параметров.
К захватным устройствам предъявляются требования общего ха
рактера и специальные, связанные с конкретными условиями работы
ПР. К числу обязательных требований относятся надежность захва
тывания и удержания объекта манипулирования, стабильность его
базирования, недопустимость повреждения поверхностей или его
разрушения. При малых габаритных размерах и массе захвата его
прочность должна быть высокой. Особое внимание необходимо обра
тить на надежность крепления захватного устройства к руке манипу
лятора. При обслуживании одним ПР нескольких единиц оборудова
ния применение широкодиапазонных захватов или их автоматиче
ская смена оказываются единственно возможным решением, если
одновременно обрабатываются заготовки различных конфигураций и
масс. Поэтому к захватам манипуляторов, работающим в условиях се
рийного производства, предъявляются дополнительные требования:
широкодиапазонность (возможность захватывания, базирования и
удержания изделий различной формы, размеров и массы), обеспече
ние захватывания близко расположенных объектов, легкость и быст
рота замены ЗУ вплоть до автоматической. В ряде случаев возникает
необходимость автоматически изменять усилия удержания объекта в
зависимости от его массы.
В настоящее время разрабатываются конструкции захватов, спо
собных захватывать и базировать неориентированно расположенные
объекты [10].

Глава 1. Классификация объектов манипулирования...
9

Глава 2
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В ТЕОРИИ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ

2.1. Основные понятия и определения
в сфере захватных устройств

Рабочий орган (РО) манипулятора предназначен для непосредст
венного взаимодействия с объектами внешней среды. Эти РО могут
быть в виде захватных устройств (ЗУ) для выполнения вспомогатель
ных операций или специальных инструментов для осуществления ос
новных операций различных технологических процессов (ТП).
Общие требования, предъявляемые к ЗУ в целом, — маневрен
ность, универсальность, быстросменность, быстродействие, перенала
живаемость и специфические, такие как надежность захвата и удержа
ние объекта манипулирования, которые обусловлены условиями нало
жения удерживающих связей на предмет в процессе его захватывания.
При конструировании ЗУ манипулятора учитывают форму и
свойства захватываемых предметов, что предопределяет способ удер
жания объекта и особенности обслуживаемого ТП, проявляющиеся в
специфике применяемой оснастки.
Наиболее важными критериями при оценке выбора захватных ор
ганов являются:
• приспосабливаемость (адаптивность) к форме захватываемого
объекта;
• точность;
• усилие захватывания.
Поэтому при классификации ЗУ основными признаками являют
ся способ удержания объекта и свойства ТП, которые формируют со
став и конструктивную базу захвата. Третьим классификационным