Захватные устройства промышленных роботов и манипуляторов

-
2020

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.

М82
Захватные устройства промышленных роботов и манипуляторов :

учебное пособие / А.А. Москвичев, А.Р. Кварталов, Б.В. Устинов. —
Москва : ФОРУМ ИНФРАМ, 2020. — 176 с. — (Высшее образование:
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