Захватные устройства промышленных роботов и манипуляторов

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 нестандартного автоматического оборудования» и «Основы робототехники».
Даются основные понятия и определения рабочего органа манипулятора
ПР, классификация и области применения захватных устройств. Рассмотрены составные части, схемы механизмов передачи движений схватов исключительно с жесткими звеньями. Представлены компоновочные схемы и
типовые конструкции различных захватных устройств. Приводятся обоснование и выбор схемы, приводов и параметров захватных устройств, расчет
необходимых сил привода, захватывания и удержания объекта манипулирования. Определяются предельные контактные напряжения и усилия,
действующие в местах контакта рабочих элементов захвата и объекта манипулирования.

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов 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 основывается на широком применении роботизированных технологических 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 широко — в машиностроении. Использование ПР особенно эффективно
в условиях большой номенклатуры и частой сменяемости выпуска изделий, позволяет высвободить человека от выполнения тяжелых однообразных и опасных для жизни операций. Экономическая эффективность применения ПР определяется его производительностью и
сроком действия. При этом к ним предъявляются требования высокой подвижности, быстрой переналадки на новую программу действий, 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 удовлетворить возрастающий спрос на них в различных отраслях промышленности.
Как известно, ПР состоит из манипулятора, имеющего несколько
степеней подвижности, который оснащен рабочим органом для непосредственного выполнения технологических операций или вспомогательных переходов, и устройства программного управления.
Захватное устройство (захват) — это узел механической системы
манипулятора, обеспечивающий захватывание и удержание в определенном положении объекта при его перемещении в пространстве.
Объекты могут иметь различные размеры, форму и массу, поэтому захваты относят к числу сменных элементов манипулятора. Как правило, 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 захватыванию и удержанию обусловливают использование очень большого
количества ЗУ. Если число используемых схем манипуляторов ПР исчисляется единицами, то захватов — многими десятками, а количество 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 новый, специально спроектированный и изготовленный по месту эксплуатации робота. При этом доделкой, переделкой, модернизацией, а
часто и проектированием новых ЗУ занимаются преимущественно не
специалисты по робототехнике, а конструкторы и технологи предприятия потребителя, внедряющие ПР.
Авторы данного учебного пособия сделали попытку обобщить и
проанализировать вопросы теории, расчета, проектирования и применения различных ЗУ. Основное внимание уделяется разработке механических ЗУ.

Введение
5

Глава 1
КЛАССИФИКАЦИЯ
ОБЪЕКТОВ МАНИПУЛИРОВАНИЯ
И ТРЕБОВАНИЯ К ЗАХВАТАМ

Роботизация производственных процессов является дальнейшим
развитием процесса автоматизации, так как применение ПР позволяет автоматизировать те производственные процессы или их части, автоматизация которых простейшими техническими средствами нецелесообразна.
Применение ПР определяет специфику функционирования РТК.
В настоящее время разрабатываются и применяются ПР для обслуживания металлорежущего, кузнечнопрессового, литейного, сборочного
и деревообрабатывающего технологического оборудования, выполнения операций сварки, покраски, сборки, электротермической, гальванической и плазменной обработки, производства печатных плат и др.
Использование ПР практически во всех отраслях промышленного производства, условия их эксплуатации в едином цикле с совокупностью различных средств технологического оснащения определяют
большое разнообразие объектов манипулирования — предметов производства, различного инструмента, технологической оснастки.
Основными классификационными признаками объектов манипулирования являются: физическое состояние, форма и размеры,
свойства симметрии, подвижность и ориентация в момент захватывания [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 требуют какихлибо ограничений на контактные усилия. Жесткие — объекты, 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 захватывания и удержания объекта схватом важное значение имеют особенности формы поверхностей, по которым производится захватывание,
наличие точек, осей и плоскостей симметрии, распределение инерционных характеристик по осям предмета (оно различно для плоских,
удлиненных и объемных объектов). Для предметов сложной формы
может быть существенным наличие отверстий, выступающих штырей, облоя и др.
При описании объекта важно знать, неподвижен объект во время
захватывания или он находится на непрерывно движущемся транспорте. Часто возникает ситуация, когда объект в момент захватывания фиксируется в специальных зажимных приспособлениях (например, когда объект установлен на плоскости, в гнездах, пазах, насажен
на штыри) или же может перемещаться по некоторым из направлений.
Качественные показатели для объектов манипулирования различных классификационных групп следующие:
1) габаритные размеры;
2) положение и ориентация характерных осей, линий и поверхностей;
3) диапазоны измерения погрешностей формы и положения поверхностей;
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 перечня.
При определении требований к способу и особенностям захватывания необходимо установить желаемые направления подхода схвата
к объекту, указать поверхности, по которым целесообразно осуществлять захватывание, назначить его способ. Часто при работе с деталями различных размеров, но сходных по форме, захватывание надо
производить так, чтобы положение некоторых характерных осей,
плоскостей или поверхностей объекта оставалось неизменным относительно корпуса захвата.

Глава 1. Классификация объектов манипулирования...
7

Условия работы захвата могут быть как нормальными, так и аномальными, отличающимися повышенным или пониженным уровнем
и интенсивностью воздействующих внешних факторов, в частности,
температуры, давления, влажности, запыленности, вибраций, концентраций в среде активных химических веществ, радиоактивности
и др.
Вид объекта манипулирования во многом определяет тип и конструкцию захвата и прежде всего поверхностей его рабочих элементов, 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 конфигурации с видом объекта. Особенностями конфигурации рабочих
элементов могут быть простейшие формы, образованные плоскостями, призматическими или цилиндрическими поверхностями, с выступающими ребрами или штырями. По степени слаженности с объектом могут быть выделены согласованные рабочие элементы, форма
которых полностью совпадает с видом объекта (факсимильные рабочие элементы), рабочие элементы полусогласованной формы и рабочие элементы несогласованной формы.
По свойствам поверхностей рабочие элементы разделяют на гладкие, с насечкой, с роликами. Насечка или накладки наносятся на поверхности рабочих элементов для увеличения сил трения в точках или
зонах контакта их с объектом. Введение роликов, наоборот, способствует значительному их снижению. Кроме того, накладки обеспечивают уменьшение износа поверхностей рабочих элементов, улучшение
условий контакта с объектом, что способствует его сохранности.
При классификации по конструктивным особенностям в качестве 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 фиксированную форму или изменяемую вручную или автоматически. Часто
рабочие элементы выполняются сдвоенными, удлиненными, разнесенными и др., которые перемещаются либо симметрично относи8
Глава 1. Классификация объектов манипулирования...

тельно оси или плоскости, либо с заданным отношением, совершая
поступательное или вращательное движение.
Анализ разработанных и используемых конструкций захватов показывает, что большинство перечисленных вариантов признаков реализуется 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, перемещающиеся 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 особенностей захвата имеет важное значение при его проектировании, особенно на этапе выбора схемных решений и характерных параметров.
К захватным устройствам предъявляются требования общего характера и специальные, связанные с конкретными условиями работы
ПР. К числу обязательных требований относятся надежность захватывания 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 обратить на надежность крепления захватного устройства к руке манипулятора. При обслуживании одним ПР нескольких единиц оборудования применение широкодиапазонных захватов или их автоматическая смена оказываются единственно возможным решением, если
одновременно обрабатываются заготовки различных конфигураций и
масс. Поэтому к захватам манипуляторов, работающим в условиях серийного производства, предъявляются дополнительные требования:
широкодиапазонность (возможность захватывания, базирования и
удержания изделий различной формы, размеров и массы), обеспечение захватывания близко расположенных объектов, легкость и быстрота 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, способных 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 непосредственного взаимодействия с объектами внешней среды. Эти РО могут
быть в виде захватных устройств (ЗУ) для выполнения вспомогательных операций или специальных инструментов для осуществления основных операций различных технологических процессов (ТП).
Общие требования, предъявляемые к ЗУ в целом, — маневренность, универсальность, быстросменность, быстродействие, переналаживаемость и специфические, такие как надежность захвата и удержание объекта манипулирования, которые обусловлены условиями наложения удерживающих связей на предмет в процессе его захватывания.
При конструировании ЗУ манипулятора учитывают форму и
свойства захватываемых предметов, что предопределяет способ удержания объекта и особенности обслуживаемого ТП, проявляющиеся в
специфике применяемой оснастки.
Наиболее важными критериями при оценке выбора захватных органов являются:
• приспосабливаемость (адаптивность) к форме захватываемого
объекта;
• точность;
• усилие захватывания.
Поэтому при классификации ЗУ основными признаками являются способ удержания объекта и свойства ТП, которые формируют состав и конструктивную базу захвата. Третьим классификационным