Основы робототехники

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году




А.А. ИВАНОВ


ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание, исправленное




               Рекомендовано Учебно-методическим советом СПО в качестве учебного пособия для студентов учебных заведений, реализующих программу среднего профессионального образования по специальностям 15.02.07 «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)», 15.02.08 «Технология машиностроения», 15.02.09 «Аддитивные технологии», 15.02.10 «Мехатроника и мобильная робототехника (по отраслям)», 15.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание роботизированного производства», 15.02.14 «Оснащение средствами автоматизации технологических процессов и производств (по отраслям)»



        znanium.com


Москва ИНФРА-М 2022

УДК 621.865.8(075.32)
ББК 32.816я723
      И20


      Рецензенты:
         Кретинин О.В. — доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой «Автоматизация машиностроения» по научной работе Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева;
         Горохов С.Л. — кандидат технических наук, заместитель главного конструктора Научно-исследовательского института измерительных систем имени Ю.Е. Седакова

      Иванов А.А.
И20 Основы робототехники : учебное пособие / А.А. Иванов. — 2-е изд., испр. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 223 с. — (Среднее профессиональное образование).
         ISBN 978-5-16-014622-5 (print)
         ISBN 978-5-16-108959-0 (online)
         В пособии изложен материал по курсу «Основы робототехники». Даны основные понятия и определения роботов и робототехнических устройств (РТУ), их классификация, области применения и виды РТУ. Рассмотрены структура, кинематика, точность позиционирования и производительность промышленных роботов (ПР). Представлены механизмы захвата объектов с расчетом необходимого усилия захвата. Приведены обоснование и выбор приводов, информационно-сенсорных систем, а также систем управления ПР. Приведены примеры использования промышленных роботов на основных технологических операциях и в качестве сервисного оборудования: загрузка-разгрузка технологических машин и линий, транспортирование, накопление и пространственная ориентация объектов. Кроме того, даны примеры использования ПР в экстремальных условиях: в вакууме, на больших глубинах, при высоких и низких температурах, при повышенной радиации, во взрыво- и пожароопасных ситуациях и др.
         Для студентов учреждений среднего профессионального образования по УГС 15.02.00 «Машиностроение», а также студентов вузов направлений подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» и 15.03.06 «Мехатроника и роботехника».

УДК 621.865.8(075.32)
ББК 32.816я723







ISBN 978-5-16-014622-5 (print)
ISBN 978-5-16-108959-0 (online)

© Иванов А.А., 2019

                Список сокращений










АД  --- асинхронный двигатель             
АДУ --- адаптивная система управления     
АС  --- автоматизированный склад          
АЦП --- аналого-цифровой преобразователь  
БА  --- буфер адреса                      
БНП --- блок непрерывного позиционирования
БПР --- блок приоритетных прерываний      
БУ  --- блок управления                   
БУП --- блок управления приводами         
ВД  --- вентильный двигатель              
ВН  --- вакуумный насос                   
ВР  --- воздухораспределитель             
ВТ  --- вращающийся трансформатор         
ГМ  --- гидромотор                        
ГН  --- гидронасос                        
ГПК --- гибкий производственный комплекс  
ГР  --- гидрораспределитель               
ГПС --- гибкая производственная система   
ГЦ  --- гидроцилиндр                      
ДВС --- двигатель внутреннего сгорания    
ДОС --- датчик обратной связи             
ДП  --- датчик положения                  
ДПТ --- двигатель постоянного тока        
Др  --- дроссель                          
ЗУ  --- захватное устройство              
ИМС --- интегральная микросхема           
ИСС --- индикатор состояния оборудования  
К   --- коммутатор                        
КИМ --- контрольно-измерительная машина   
КДП --- контрольно-диагностический пульт  
КВ  --- корректирующее воздействие        
КС  --- контроллер состояния              
КСУ --- контурная система управления      

Список сокращений

М    --- манипулятор                                  
МВв  --- модуль ввода                                 
МВ   --- модуль вывода                                
МП   --- микропроцессор                               
МПП  --- модуль процессора привода                    
МПС  --- микропроцессорная система                    
МС   --- модуль связи                                 
МЦП  --- модуль центрального процессора               
ОЗУ  --- оперативное запоминающее устройство          
ОН   --- операционный накопитель                      
ПГУ  --- пневмо-гидроусилитель                        
ПЗ   --- позиция загрузки                             
ПЗУ  --- постоянное запоминающее устройство           
ПК   --- программируемый контроллер                   
Пм   --- программа                                    
ППУ  --- приемно-передающее устройство                
ПО   --- программное обеспечение                      
ПП   --- печатная плата                               
ПР   --- промышленный робот                           
Пр   --- привод                                       
ПЗС  --- прибор с зарядовой связью                    
ПСУ  --- позиционная система управления               
ПТ   --- программируемый таймер                       
ПУ   --- пульт управления                             
ПЦ   --- пневматический цилиндр                       
РЗ   --- рабочая зона                                 
РО   --- рабочий орган                                
РПЗУ --- репрограммируемое запоминающее устройство    
РПК  --- роботизированный производственный комплекс   
РТК  --- роботизированный технический комплекс        
РТУ  --- робототехническое устройство                 
СГ   --- сборочная головка                            
СК   --- система координат                            
СЛ   --- сборочная линия                              
СПВ  --- система подготовки воздуха                   
СПРО --- система поддержания работоспособности объекта
СПУ  --- система программного управления              
СТЗ  --- система технического зрения                  
СУ   --- система управления                           
СЦ   --- сборочный центр                              
ТВ   --- телевизионная камера                         

Список сокращений

5

ТВД --- телевизионный датчик               
ТВЧ --- токи высокой частоты               
ТГ  --- тахогенератор                      
ТД  --- техническое диагностирование       
ТО  --- технологическое оборудование       
ТП  --- технологический процесс            
ТР  --- транспортный робот                 
ТС  --- транспортная система               
ТЭЗ --- типовой элемент замены             
УЗВ --- устройство эагрузки-выгрузки       
УО  --- устройство обработки видеосигнала  
УПО --- устройство последовательного обмена
УУ  --- устройство управления              
ФД  --- фотоимпульсный датчик              
ЦАП --- цифро-аналоговый преобразователь   
ЦП  --- центральный процессор              
ЦСУ --- цикловая система управления        
ЧПУ --- числовое программное управление    
ШВП --- шарико-винтовая передача           
ШД  --- шаговый двигатель                  
ШИП --- широтно-импульсный преобразователь 
ЭВМ --- электронная вычислительная машина  
ЭД  --- электродвигатель                   
ЭМ  --- электромагнит                      
ЭПр --- электрический привод               

                Введение








    Робототехника, возникнув на основе кибернетики и механики, в свою очередь, способствовала новым направлениям развития и самих этих наук. В кибернетике это связано с интеллектуальным управлением и бионикой, а в механике — с многостепенными механизмами типа манипуляторов.
    Робот можно представить как универсальный автомат для производства механических действий, подобных тем, которые выполняет человек при физической работе. Всегда при создании роботов образцом служат возможности человека.
    Слово «робот» впервые употребил чешский писатель Карел Чапек в социально-фантастической пьесе «Россумовские универсальные роботы» (1920), где так названы механические рабочие, предназначенные для замены людей, выполняющих тяжелую и вредную работу, т. е. это машины с антропоморфным действием. Название «робот» образовано от чешского слова robota — тяжелый подневольный труд.
    В России роботы появились в 60-х гг. прошлого столетия в связи с развитием кибернетики, вычислительной техники, электроники и систем управления, гидравлики и пневматики. Робот есть кибернетическая система, способная выполнять операции, относящиеся к физической и умственной деятельности человека. Промышленные роботы (ПР) дают возможность автоматизировать не только основные, но и вспомогательные операции, и поэтому они находят применение в различных отраслях промышленности, более всего — в машиностроении. Важнейшим преимуществом ПР является возможность быстрой переналадки для выполнения задач, различающихся последовательностью и характером манипуляционных действий. Они создают предпосылки для перехода к качественно новому уровню автоматизации — созданию автоматических производственных систем, функционирующих с минимальным участием человека. Применение ПР наиболее эффективно в условиях частой смены объектов производства, а также при замене ручного низкоквалифицированного труда. По

Введение

7

сравнению с традиционными средствами автоматизации ПР обеспечивают большую гибкость технических и организационных решений. Важнейшими социальными предпосылками расширения применения ПР являются: изменение условий труда работающих путем освобождения их от монотонных, тяжелых и вредных операций технологического цикла, обеспечение условий безопасности, снижение потерь рабочего времени от производственного травматизма и профессионально-технических заболеваний.
    Важная роль отводится роботам, заменяющим человека при выполнении различных задач в экстремальных условиях: на больших глубинах, в вакууме, в космосе, на участках с радиационно-, взрыво-и пожароопасными условиями труда.
    Таким образом, целесообразность применения ПР прежде всего должна диктоваться интересами человека, его безопасностью и удобством работы.

Глава 1




                ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА РОБОТОВ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ









            1.1. Основные понятия и определения роботов и робототехнических устройств


   Согласно справочной литературе робот — это автоматическая машина, включающая перепрограммируемое устройство управления и другие технические средства, обеспечивающие выполнение тех или иных действий, свойственных человеку в процессе его трудовой деятельности [6, 8].
   Наиболее совершенный робот способен самостоятельно решать задачи самоуправления, адаптации к условиям внешней среды и выполнять комплекс трудовых воздействий. Общим признаком роботов является возможность быстрой переналадки для автоматического выполнения различных действий, предусмотренных программой.
   Общепринятого определения промышленного робота в настоящее время не существует. В Японии, например, под промышленными роботами понимают автоматы с изменяемой программой, используемые для автоматизации ручных операций. По этому определению промышленный робот, как и человек, наделен тремя возможностями: физическими, функциональными и умственными. При этом под функциональными возможностями понимают приспособляемость (или универсальность), способность передвигаться в пространстве, а под умственными возможностями — способности ощущения и восприятия, память и логику, а также способность к обучению. Приведем определения промышленного робота, принятые в нашей стране.

1.1. Основные понятия и определения роботов...

9

    Промышленный робот (ПР) — это автономно функционирующая автоматическая машина (стационарная или передвижная), состоящая из манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и устройства программного управления, и предназначенная для выполнения основных и вспомогательных операций производственного цикла без участия человека [6, 8].
    В технической литературе часто используется краткое определение: промышленный робот — перепрограммируемый автоматический манипулятор промышленного применения. Недопустимо пользоваться малопонятным термином «робот-манипулятор», который однако нередко появляется в ряде печатных изданий (например, в газетах и журналах).
    Манипулятор — оснащенное рабочим органом исполнительное устройство для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве.
    Объектом манипулирования называют тело, перемещаемое в пространстве манипулятором. К объектам манипулирования относят заготовки, детали, инструмент, технологическую оснастку и т. д.
    Конструкция манипулятора, выполненного в виде механической руки, кинематически аналогична руке человека (рис. 1.1).
    К числу автоматических манипуляторов могут быть отнесены автооператоры. Автооператор — это автоматически действующее устройство, состоящее из исполнительного органа в виде манипулятора (или совокупности манипуляторов), средства передвижения и не пе

Рис. 1.1. Схема кинематической аналогии руки человека и механической руки манипулятора промышленного робота

Глава 1. Общая характеристика, классификация и структура роботов...

репрограммируемой системы управления. Допускается использовать краткую формулировку: автооператор — не перепрограммируемый автоматический манипулятор. Обычно для управления автооператором применяют системы цикловой автоматики с переставными упорами, конечными выключателями и релейными схемами. Поэтому переналадка автооператора требует регулировки или замены кинематических звеньев (изменения размеров рычагов, замены кулачков, перестановки упоров). Автооператоры, как правило, способны выполнять одну-две простые операции. Однако благодаря простоте конструкции и системы управления они находят достаточно широкое применение в промышленности, в частности, для замены режущего инструмента в металлорежущих станках с инструментальным магазином [4, 6].
   Промышленные роботы создают условия для качественного скачка в автоматизации путем организации комплексно-автоматизированных участков и цехов. На основе робототехнических устройств можно объединить технологическое оборудование в координировано работающие комплексы различного уровня. Такие комплексы обеспечивают оптимальную структуру технологических процессов в широком диапазоне серийности изделий. Открываются новые возможности эффективной организации серийного производства на основе комплексной автоматизации материальных и информационных потоков с использованием промышленных роботов и средств вычислительной техники. Такая организационная форма комплексной автоматизации получила название интегрированной производственной системы. Особенности серийного производства, связанные с быстрой сменяемостью моделей изделий, требуют создания систем автоматизации, обладающих технологической гибкостью, т. е. возможностью переналадки оборудования в пределах научно обоснованного типоразмерного ряда. Робототехнические устройства составляют основу таких систем автоматизации, которые получили название гибкой производственной системы. Гибкая производственная система (ГПС) может быть составлена из модулей двух типов: модуля в виде роботизированного технического комплекса (РТК), в котором робот обеспечивает обслуживание основного технологического оборудования (загрузка-разгрузка станка), и модуля в виде роботизированного производственного комплекса (РПК), в котором робот осуществляет основные операции технологического процесса (сборку, сварку, окраску, напыление и т. д.).