ББК 32.816-02
П79
УДК 621.865.8.001.63
Серия основана в 1984 году
Авторы:
С. С. Аншин, А. В. Бабич, А. Г. Баранов, П. И. Белянин,
И. Л. Владов, Е. И. Воробьев, А. Л. Горелик, В. И. Данилевский,
И. В. Калабин, А. Е. Клепов, И. Б. Кнауэр, Ю. Г. Козырев,
Г. В- Крейнин, Ф. М. Кулаков, В. Г. Михеев, Е. Г. Нахапетян,
П. С. Ромашкин, В. П. Степанов, Д. А. Шифрин, В. В. Шор,
Д. А. Шушко
Рецензент д-р техн, наук В. Г. ГРАДЕЦКИЙ
Проектирование и разработка промышленных роботов/
П79 С. С. Аншин, А. В. Бабич, А. Г. Баранов и др.; Под общ.
ред. Я- А. Шифрина, П. Н. Белянина. —М.: Машинострое-
ние, 1989. —272 с.: ил. —(Автоматические манипуляторы
и робототехнические системы).
ISBN 5-217-00464-9
В книге отражен опыт проектирования и разработки серийно выпу-
скаемых в СССР промышленных роботов (ПР). Изложены принципы по-
строения ПР, методы их расчета, конструирования и проектирования.
Описано устройство ряда отечественных ПР и даны их характеристики.
Рассмотрены перспективные разработки нового поколения ПР.
Для инженерно-технических работников заводов, КБ, НИИ и проект-
ных организаций различных отраслей народного хозяйства, занимаю-
щихся разработкой средств автоматизации и механизации технологиче-
ских процессов.
"	зо-s»
ISBN 5-217-00464-9	© Издательство «Машиностроение», 1989
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.......................................................... 7
Глава 1. Основы проектирования ПР ................................... 9
1.1.	Исходные предпосылки .................................. 9
1.2.	Универсальные ПР ..................................... 14
1.3.	Сварочные роботы ..................................... 38
Глава 2. Общие вопросы разработки ПР с различными видами приво-
дов	и системами программного управления ................. 43
2.1.	Основные стадии проектирования	ПР .................... 43
2.2.	Требования к системам программного управления. Алго-
ритмы управления .......................................... 46
2.3.	Ан алого-позиционные системы программного управле-
ния. Описание, характеристики	...................... 49
2.4.	Контурные и контурио-позициониые системы программ-
ного управления ........................................... 52
2.5.	Выбор приводов........................................ 55
2.6.	Агрегатно-модульный принцип построения ПР..........	64
Глава 3. Проектирование приводов и передаточных механизмов ПР . .	68
3.1.	Основы расчета гидравлических н электрогидравличе-
ских приводов.............................................. 68
3.2.	Расчет электрогидравлических	усилителей типа РДЭ 72
3.3.	Основы расчета пневмоприводов......................... 80
3.4.	Выбор передаточных механизмов ПР...................... 99
Глава 4. Методы расчета и проектирования ПР......................... 104
4.1.	Определение кинематических и динамических харак-
теристик ПР............................................... 104
4.2.	Расчет деформаций механической	системы	ПР.......... 112
4.3.	Расчет и проектирование захватных	устройств........... 123
Г лава 5. Программное обеспечение и автоматизация проектирования
ПР	...................................................... 141
5.1.	Программное обеспечение ПР........................... 141
'	5.2. Автоматизация проектирования ПР ..................... 162
Глава О. Испытания ПР ............................................. 179
6.1.	Особенности испытаний ПР как машин нового класса 179
6.2.	Виды испытаний ПР .................................. 180
6.3.	Контрольные испытания ПР ........................... 183
6.4.	Ресурсные испытания ПР.............................. 197
Глава 7. Диагностирование и определение основных характеристик ПР 210
7.1.	Диагностирование ПР и его содержание................. 210
7.2.	Классификация систем технического диагностирования 213
7.3.	Основные задачи построения СТД вновь разрабаты-
ваемых ПР ................................................ 215
7.4.	Основные этапы построения СТД ПР, находящихся в
эксплуатации ............................................. 218
7.5.	Виды признаков ..................................... 219
7.6.	Выбор исходной базы для формирования системы	при-
знаков оценки качества работоспособности манипуля-
торов ПР............................................ 220
7.7.	Диагностирование систем программного управления	ПР	230
7.8.	Пример аппаратурного метода диагностирования/системы
программного управления ПР.........................  231
7.9.	Диагностирование рабочей жидкости гидроприводов	ПР	237
7.10.	Определение быстроходности и погрешности позицио-
нирования ПР ............................................. 240
7.11.	Основы поиска характерных диагностических призна-
ков на основе	анализа экспериментальных данных . . .	246
Приложение ........................................................ 250
Список литературы ...........................................	. .	260
Предметный указатель............................................... 264
ПРЕДИСЛОВИЕ
За последние 10—15 лет в робототехнике были достиг-
нуты определенные успехи. Однако принципы и технические про-
блемы проектирования и разработки конструкций промышленных
роботов (ПР) еще не вполне сформулированы, не получили долж-
ного объяснения и поэтому представляют значительные трудности
при их изложении. Авторы надеются, что данная книга внесет
определенную ясность в эти вопросы и усилит интерес к дальней-
шим исследованиям.
В последние годы в нашей и зарубежной печати опубликовано
значительное количество статей и отдельных трудов, посвящен-
ных теории и проектированию промышленных роботов. Из числа
этих работ особого внимания заслуживают книги и статьи, напи-
санные К- В. Фроловым, И. М. Макаровым, Е. П. Поповым,
Н. А. Лакотой, В. С. Кулешовым, Е. И. Юревичем, М. Б. Игнатье-
вым и др.
Однако они не позволяют в полной мере представить объем,
содержание и последовательность проектирования и разработки
ПР в целом.
Актуальность материала, изложенного в книге, позволяет
надеяться, что она вызовет несомненный интерес как широкого
круга конструкторов и производственников различных отраслей,
занятых в области автоматизации производственных процессов,
так и специалистов-разработчиков ПР.
В отличие от ранее опубликованных трудов, например, автор-
ских коллективов, возглавляемых профессором Е. И. Юревичем
(«Устройство промышленных роботов». Л.: Машиностроение, 1980;
«Системы управления промышленными роботами и манипулято-
рами», Л.: ЛГУ, 1980), в настоящей книге изложены особенности
разработки отечественных промышленных роботов, выпускаемых
серийно и широко применяемых в ряде отраслей.
Особое внимание в книге обращено на практическое исполь-
зование сообщаемых материалов, в связи с чем в нее включены
примеры, таблицы, иллюстрации.
В основу книги положен опыт разработки ПР такими веду-
щими организациями страны, как ИМАШ им. А.. А. Благонра-
7
вова АН СССР, ЭНИМС, НИАТ, Институт проблем механики
АН СССР, НПО «Техноприбор» и др.
Участвуя во внедрении ПР на более чем 40 предприятиях
пяти отраслей, авторы убедились в правильности основных идей
и конструктивных решений, заложенных в созданных моделях
промышленных роботов.
Нам представляется, что опыт, который накоплен почти за
два десятилетия, изложенный в предлагаемой книге, будет по-
лезен специалистам, работающим над созданием и внедрением
роботов в нашей стране.
Работа по созданию книги была разделена между авторами
следующим образом:
П. Н. Белянин — п. 1.1 и общее редактирование книги;
Я- А. Шифрин — п. 1.1. и общее редактирование книги;
С. С. Аншин — п. 4.3, 6.1, 6.2, 6.3;
А. В. Бабич — п. 1.2, 2.1, 4.2;
А. Г. Баранов — приложение;
И.Л. Владов — п. 4.3;
Е. И. Воробьев — п. 4.1;
А.	Л. Горелик — п. 7.2, 7.3., 7.4, 7.5, 7.11;
В.	Н. Данилевский — п. 4.3;
И. В. Калабин — п. 1.2, 2.5, 3.4;
А.	Е. Клепов — п. 5.1;
И. Б. Кнауэр — п. 2.2, 2.3, 2.4;
Ю. Г. Козырев — п. 1.1, 2.6, 4.3, 6.1, 6.2, 6.3;
Г. В. Крейнин — п. 3.3;
Ф. М. Кулаков — п. 5.2;
В.	Г. Михеев — п. 1.1, 7.10, приложение 1;
Е. Г. Нахапетян — п. 7.1, 7.6;
П. С. Ромашкин — п. 3.2;
В. П. Степанов — п. 1.3;
В. В. Шор — приложение;
Д. А. Шушко —п. 1.3, 3.1, 6.4, 7.7, 7.8, 7.9.
Авторы, понимая, что содержание книги и ее качество могут
быть улучшены, заранее благодарят читателей, пожелавших
прислать свои предложения и замечания.
Глава
«| ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПР
1.1.	Исходные предпосылки
Постановка задачи проектирования ПР, включаемых
в общий технологический комплекс. Рассмотрим особенности суще-
ствующих ПР. По своим конструктивным схемам, рабочим ха-
рактеристикам и другим признакам ПР весьма разнообразны.
Это объясняется:
назначением того или иного типа ПР, определяющим его гру-
зоподъемность, число степеней подвижности, циклограммы и
продолжительность работы, тип системы программного управле-
ния, тип привода;
несовершенством манипулятора и системы управления ПР,
что приводит к необходимости разработки и изготовления дорого-
стоящей оснастки, доработки технологического оборудования,
с которым роботы взаимодействуют, увязки систем программного
управления роботов и технологического оборудования;
многообразием условий, в которых должны эксплуатиро-
ваться ПР, включенные в состав модулей, участков, линий ГПС;
постоянным расширением и уточнением требований к надеж-
ности (безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости и дол-
говечности) ПР;
экономическими, производственными и другими соображе-
ниями, а также особенностями направлений разработки ПР
в различных конструкторских бюро.
Наибольшее влияние на конструкцию ПР оказывает область
его применения и тип системы программного управления.
Требования, предъявляемые к ПР:
компактность и простота конструкции, низкая стоимость про-
изводства и эксплуатации;
высокая экономичность работы, что обеспечивается соответ-
ствующими числом степеней подвижности и объемом памяти
системы программного управления (отсутствие излишней универ-
сальности ПР и избыточности памяти системы управления, т. е.
соответствие уровня ПР сложности выполняемых работ);
высокая гибкость (простота и экономичность при перепро-
граммировании) и контролепригодность;
простота и надежность обучения ПР;
9
устойчивость работы в автоматических режимах (как при
основных, так и вспомогательных операциях);
постоянная готовность к работе в интервале температур 0 ...
надежность включения, работы и выключения;
стабильное нарастание скорости при разгоне;
высокая точность (повторяемость) позиционирования при ма-
лом значении времени затухания колебаний в точке позициониро-
вания (не более 0,2 с);
совместимость ПР с оборудованием, в составе которого он
будет работать, что определяется: соответствием сложности ПР
характеру технологического и вспомогательного оборудования и
оснастки, обеспечивающих их работу в автоматическом режиме;
стыкуемостью ПР со всем оборудованием, с которым он будет ра-
ботать; возможностью осуществлять технологически необходимые
управляющие воздействия на соответствующее оборудование;
окупаемостью затрат в пределах, не выше нормативных сроков;
возможностью автоматической перенастройки при смене пред-
метов производства по управляющим командам;
высокая помехозащищенность;
удобство монтажа (встраивания) ПР в модулях ГПС;
малые масса и габаритные размеры для заданной грузоподъ-
емности;
возможность перевозки ПР автомобильным, морским, речным,
железнодорожным и авиационным транспортом;
материалы и комплектующие (их антикоррозионные покрытия)
должны допускать длительное хранение ПР.
Все перечисленные выше требования с детализацией, соответ-
ствующей необходимой глубине и тщательности проработки,
излагаются в техническом задании (ТЗ) на ПР (см. приложение).
Постановка задачи проектирования ПР как технического сред-
ства модулей ГПС. Проектирование ПР является системной
задачей, которая должна решаться на основе технико-экономиче-
ского анализа (ТЭА) построения ГПС и ее модулей. Результаты
ТЭА дают исходные данные для определения потребности в ПР
различного назначения. ТЭА проводится с учетом демографиче-
ских и других социальных аспектов развития производительных
сил в стране и отрасли.
Принятию решения о производстве тех или иных моделей ПР
в отрасли должны предшествовать также: учет технико-экономи-
ческих возможностей удовлетворения потребности в ПР за счет
плановых поставок других отраслей и импорта; анализ производ-
ственных возможностей отрасли и прогноз их развития; учет дан-
ных о существующем парке ПР и объемах их выпуска (включая
оценку экономического цикла жизни).
Такая проработка позволяет определить номенклатуру и ра-
циональные объемы и сроки подготовки производства выпуска ПР.
Наиболее целесообразно — обеспечить начало проектирования
10
(по времени) не позже спада производства предыдущей модели
(одного или однорядного поколения семейства) ПР.
Важным моментом в принятии решения о выпуске ПР является
одновременное назначение предприятий-разработчиков и пред-
приятий-изготовителей ПР, а также сроков начала их серийного
производства.
^Методика создания комплексной системы подготовки произ-
водства базируется на полном охвате всех сторон подготовки
к производству новой или модернизированной модели ПР. Ком-
плексная система подготовки производства подразделяется на
следующие этапы и стадии:
I — планово-исследовательская подготовка, включающая:
изучение возможностей реализации достижений технического
прогресса применительно для данного предприятия и выпускаемой
им продукции (ПР, устройства программного управления, ком-
плектующие);
определение перспектив развития производства продукции,
обновления основных фондов, структуры и тому подобных
элементов в соответствии с тенденциями изменения производ-
ства ПР;
уточнение спроса на новую и модернизированную продукцию,
определение районов ее потребления и источников исходного
сырья, материалов и комплектующих изделий;
разработка рекомендаций к составлению ТЗ по характеристике
свойств новых или модернизированных ПР.
II—конструкторская подготовка или собственно проекти-
рование ПР'.
составление ТЗ на проектирование или модернизацию ПР;
эскизное проектирование;
техническое проектирование;
рабочее проектирование.
III	— технологическая подготовка:
проектирование технологических процессов;
расчет нормативов всех видов ресурсов;
определение необходимой оснастки и организация ее проекти-
рования;
определение системы контроля.
IV	— организационная подготовка:
расчет нормативов организации производства;
проектирование производственной структуры;
разработка мероприятий по совершенствованию специализации
цехов, участков, рабочих мест.
V	— экономическая подготовка:
составление производственных программ по цехам и участкам;
расчет мощности подразделений предприятия и цехов, привле-
ченных к изготовлению ПР;
, разработка системы стимулирования производства новой про-
дукции;
11
ТЭА и расчет ожидаемого экономического эффекта от внедре-
ния новой или модернизированной продукции (ПР).
VI	— психологическая подготовка:
разъяснение специфики новой продукции и условий ее изго-
товления;
организация пропаганды экономического эффекта от внедрения
новой продукции для предприятия и .каждого члена его кол-
лектива;
информирование коллектива о новых профессиональных, ква-
лификационных, экономических аспектах и особенностях обору-
дования, оснастки, инструментов, применяемого для изготовле-
ния ПР.
Более полно содержание работ по комплексной подготовке
производства, их последовательности и методам организации
планирования и управления производством см. в [61, 62].
Эскизное проектирование. Целью эскизного проектирования
является разработка и проверка принципиальных технических
решений в соответствии с ТЗ на ПР.
Эскизное проектирование ПР включает:
проработку вариантов типовых циклограмм работы ПР, обеспе-
чивающих выполнение технологического процесса для деталей-
представителей, заявленных заказчиком;
разработку компоновочной схемы и архитектуры ПР в целом
и его составных частей — манипуляторов, системы программного
управления (СПУ), приводов при их размещении вне манипу-
ляторов;
уточнение выбора и приближенный расчет приводов;,
предварительную проработку схемно-конструкторских реше-
ний по манипуляторам, СПУ, приводам;
выбор комплектующих изделий и инструментов;
оценку кинематики, закона движения по степеням подвижно-
стей, точности позиционирования и рабочей зоны манипуляторов;
приближенный расчет динамики ПР;
оценку жесткости и прочности основных элементов конструк-
ций ПР;
эскизную проработку программного обеспечения;
разработку методик контроля технических характеристик и
ускоренных испытаний ПР на надежность;
экспериментальную проверку новых технических решений и
комплектующих изделий, организацию доработки комплекту-
ющих изделий;
изготовление и испытания макетов (макета) в целях проверки
принципов работы ПР и его составных частей;
оценку ПР на технологичность и метрологичность по показа-
телям стандартизации и унификации;
эстетическую и эргономическую проработку ПР;
ориентировочные расчеты, подтверждающие показатели дол-
говечности, ремонтопригодности, сохраняемости и живучести;
12
предварительное решение вопросов упаковки и транспортиро-
вания ПР;
проверку принятых решений на патентную чистоту и конку-
рентоспособность, оформление заявок на изобретения;
разработку чертежей общих видов основных частей и ПР
в целом;
расчет ожидаемого годового экономического эффекта от вне-
дрения ПР.
Техническое и рабочее проектирование. Технический проект
согласно ГОСТ 2.120—73 служит для выявления окончательных
технических решений, дающих полное представление о конструк-
ции ПР до разработки рабочей документации.
При техническом проектировании выполняются работы, поз-
воляющие:
получить полное представление о конструкции разрабатывае-
мого ПР;
оценить соответствие ПР требованиям ТЗ, технологичность,
степень сложности изготовления, способы упаковки, возможности
транспортирования и монтажа у потребителей, удобство эксплуа-
тации и ремонта.
Особенностью отечественных технических проектов является
необходимость усложненной и всесторонней проработки механи-
ческой части ПР ввиду ограниченных возможностей большинства
отечественных СПУ. Вот почему ниже довольно подробно рас-
смотрены наиболее удачные конструкции универсальных и спе-
циализированных (на примере сварочных) ПР.
Второй особенностью технических проектов ПР является об-
стоятельная проработка эксплуатационных качеств ПР с учетом
условий и особенностей монтажа и наладки на паспортные ре-
жимы, а также требований удобства обслуживания, ремонта,
диагностирования, устойчивости к воздействию внешних факто-
ров (внешней среды), возможности быстрого устранения отказов,
контроля качества работы ПР.
Третьей особенностью технического проекта является необ-
ходимость не только уточнения номенклатуры покупных (ком-
плектующих) изделий, но и согласование их применения с голов-
ными разработчиками этих изделий.
Четвертая особенность — обязательное согласование габа-
ритных, установочных и присоединительных размеров с заказчи-
ком или основным потребителем.
Важной особенностью технического проекта является оценка
технического уровня и качества ПР. Эта оценка — довольно
утомительная и длительная процедура. Ее итог — составление
и государственная регистрация карты технического уровня и
качества продукции.
Наконец, технический проект включает разработку чертежей
сборочных единиц и деталей.
13
При разработке технического проекта обычно используются
документы, разработанные на предыдущей стадии, если они соот-
ветствуют требованиям, предъявляемым к документам техниче-
ского проекта, или если в них внесены изменения с целью обеспе-
чения такого соответствия. Использованным документам при-
сваивают литеру «Т».
Рабочее проектирование согласно ГОСТ 2.103—68 (СТ СЭВ
208—75) включает:
разработку конструкторской документации опытного образца
(партии) ПР, предназначенного для серийного или единичного
(кроме разового) производства;
изготовление и предварительные испытания опытного образца
(партии);
корректировку конструкторской документации по результа-
там изготовления и предварительных испытаний опытного об-
разца (партии) с присвоением документам литеры «0»;
приемочные испытания опытного образца (партии), включая
ускоренные испытания на надежность (безотказность);
корректировку конструкторской документации по результатам
приемочных испытаний опытного образца (партии) с присвоением
документам литеры «Ор.
1.2.	Универсальные ПР
Особенности универсальных ПР. В соответствии с клас-
сификацией, приведенной в ГОСТ 25686—85, универсальный про-
мышленный робот (УПР) может применяться для выполнения тех-
нологических операций различных видов и вспомогательных
переходов при функционировании с различными группами мо-
дулей технологического оборудования. Это определяет комплекс
требований, которым должен удовлетворять УПР и его особен-
ности:
1.	Манипуляционная система УПР должна обеспечивать лю-
бое положение перемещаемых деталей и заготовок в пространстве,
что может быть реализовано при наличии не менее шести степеней
подвижности, иметь объем рабочей зоны, достаточный для обслу-
живания или работы с различным оборудованием, и соответство-
вать типоразмерам, установленным для УПР заданной номиналь-
ной грузоподъемности.
2.	УПР должен быть работоспособным при различных усло-
виях внешней среды (температуре, запыленности, загазованности
и т. д.).
3.	В конструкции УПР должна быть предусмотрена возмож-
ность смены захватных устройств или инструмента в автомати-
ческом режиме его работы.
4.	СПУ робота должна обладать достаточной гибкостью, т. е.
программа должна иметь возможность ветвления. Память СПУ
робота должна быть достаточной для работы с тарой и при много-
14
Рис. 1.1. Функциональная схема УПР
станочном обслуживании, а также обеспечивать быстроту пере-
наладки. Для обеспечения группового управления СПУ робота
должна иметь выход на ЭВМ.
5.	Привод УПР должен обладать высоким быстродействием
с учетом производительности обслуживаемого оборудования.
(>. Максимальная погрешность позиционирования УПР не
должна превышать ±1 мм.
7. Информационная система УПР должна быть адаптивной и
обеспечивать взаимодействие с внешними объектами (с исполь-
зованием памяти), а также контроль хода технологического про-
цесса.
Структура и устройство механической системы УПР. По ана-
логии с человеком механическую систему УПР подразделяют на
«скелетную», которую в роботах называют несущей механической
системой (НМС), и «мышечную», называемую исполнительной
механической системой (ИМС).
НМС служит для обеспечения рабочей зоны, необходимых
видов движения и жесткости. ИМС обеспечивает перемещения
звеньев НМС с требуемыми динамическими и точностными ха-
рактеристиками.
Кинематика движения детали в процессе производства, габа-
ритные размеры и расположение оборудования определяют струк-
туру НМС, т. е. количество звеньев манипулятора, вид кине-
матических пар, соединяющие звенья, размеры звеньев и кон-
структивное исполнение этой сигкмы.
Циклограмма работы модулей ГНС, в которых предполагается
использовать УПР, масса перемещаемых деталей, погрешность
позиционирования определяют структуру ИМС.
Функциональная схема ЪПР показана на рис. 1.1. Оператор
с помощью пульта обучения ПО вводит в систему программного
управления СПУ программу. Эта система выдает сигнал на блок
управления привода БУП, который формирует сигнал для дви-
15
жения, реализуемого исполнительными элементами привода НЭП,
механической системы.
Движение исполнительного элемента привода преобразуется
механизмами преобразования МП движения, которые могут быть
связаны с исполнительным механизмом ИМ, например кистью
руки, через передающие связи ПС. Это вызвано тем, что не всегда
рационально устанавливать привод вблизи кисти, так как необ-
ходимо учитывать условия эксплуатации и требования минимиза-
ции инерционной нагрузки транспортных степеней подвиж-
ности.
Механизм преобразования транспортных координат воздей-
ствует на несущие звенья НЗ и связанную с ними систему силового
вывешивания СВ илм. на их кинематические пары КП непосред-
ственно без передающих связей, так как они, как правило, рас-
положены вблизи от несущих звеньев.
Механизм преобразования движения, передающие связи и
исполнительный механизм могут быть охвачены устройствами
устранения зазоров УУЗ. При их отсутствии зазоры устраняются
автономно. Исполнительные механизмы связаны с устройствами
смены захватных устройств УСЗ и операционными механиз-
мами ОМ.
Связь датчиков положения и скорости с механической системой
осуществляется через механизмы преобразования датчиков МПД,
которые преобразуют движение ИМС в движение датчиков.
Причем движение с ИМС может передаваться непосредственно от
механизмов преобразования, или исполнительного механизма,
или несущих звеньев.
При движении механической системы датчики Д выдают
сигналы в систему программного управления СПУ о положении
степеней подвижности, а в блок управления приводом БУП
о скорости их движения. СПУ имеет программное обеспечение.
По мере отработки программы система управления выдает
команды на обслуживаемое роботом технологическое оборудова-
ние ТО, а с датчиков технологического оборудования ДТО по-
лучает информацию о его состоянии (включено, выключено,
о положении стола ползуна пресса и т. д.).
При необходимости адаптации на роботе устанавливают сен-
сорные датчики СД, которые дают сигналы в СПУ об изменении
условий работы. Эти датчики могут быть установлены на опера-
ционном механизме ОМ, исполнительном механизме и на НМС.
Несущие звенья НЗ, несущие кинематические пары КП и
системы вывешивания СВ составляют НМС.
Устройства обеспечения рабочей зоны показаны на рис. 1.2, а,
б, например, в роботах «Универсал-15», «Универсал-5», УМ-1
(СССР), «Versatran», «Unimate» (США); «Robitus RA» (Япония);
рычажный двухзвенный механизм [рис. 1.2, в — в роботах
РПМ-25 (СССР), Asea (Швеция), JRB-10 (Япония), «Cincinnati
Milacron» (США)];
16
рабочей зоны УПР
-F=
рычажный трехзвенный ме-
ханизм [рис. 1.2, г — в роботах
«Kuka Famulus» (ФРГ)].
В вертикальной плоскости
рабочую зону обеспечивают
устройства:
неподвижное звено — посту-
пательно перемещающаяся опо-
ра [рис. 1.2, д — в роботах
«Liebherr» (ФРГ), «Kawasaki Unimate

«Versatran», «Robitus RA»,
5030» (Япония)];
шарнир — перемещающееся звено (рис. 1.2, е) — в роботах
«Unimate», «Robitus RB», «Универсал-15», «Универсал-60»);
пантограф [рис. 1.2, ж, «Uniman 2000» (Япония), «Универ-
сал-5»].
Для формирования рабочей зоны в горизонтальной плоскости
применяют:
опора — перемещающееся звено (рис. 1.2, а, б, д — в ро-
ботах «Универсал-15», РПМ-25, «Unimate», «Versatran» и др.);
неподвижное звено — прямолинейно перемещающаяся те-
лежка («Unimate», «Robitus RC», РПМ-25).
Роботы, у которых рабочая зона реализуется с помощью шар-
нирных механизмов, обычно имеют звенья с переменным попереч-
ным сечением. Несущие детали конструкции соединяются между
собой неподвижными стыками и кинематическими парами, основ-
ные из которых показаны на рис. 1.2, 1.3.
В кинематических парах УПР применяют элементы качения.
Для прямолинейных перемещений звеньев используются много-
опорные и двухопорные элементы качения (см. рис. 1.2, а, б).
Многоопорные элементы конструктивно выполняют в виде уст-
17
Рис. 1.3. Способы соединения несущих деталей конструкций УПР
ройств с возвратом элементов качения. Вращательные кинема-
тические пары применяют в основном двухопорные.
На рис. 1.3, а показано базирование поворотной платформы 1
робота с помощью двух радиальных подшипников 3 и упорного
подшипника 4. Подшипники установлены на оси 2, закрепленной
на основании, фиксируемом штифтом 5. Недостатком конструкции
является большая высота.
Конструкция, у которой значительно уменьшена высота за
счет установки поворотной платформы 6 на двух радиально-
упорных подшипниках 7 на основании 8, показана на рис. 1.3, б.
Базирование звеньев на горизонтальных шарнирах (напри-
мер, звена руки 11) иллюстрирует рис. 1.3, в. Звено руки 11
имеет две цапфы 12, на которых установлены подшипники 10,
закрепленные в кронштейнах 9.
На рис. 1.3, г показана конструкция базирования поворотной
ила;.рормы 13 в специальном радиально-упорном подшипнике 14.
Его дорожки, выполненные в виде разрезных колец, базируются
в рас точках платтрормы 13. Компенсатор 16, устанавливаемый
между корпусом 17 и крышкой 15, служит для устранения за-
зоров.
Широко распространенная конструкция неподвижного стыка
представлена на рис. 1.3, д. Неподвижное звено 18 закреплено
на основании >• помощью болтов и шпонки 19, разгружающей
болты в плоскости стыка.
Для уменьшения мощности привода, обеспечивающего движе-
ние в вертикальной плоскости, применяются устройства вывеши-
вания. Например, на рис. 1.2, ж показана система вывешивания
ПР «Универсал-5». Вывешивание пантографа 1 НМС подъема
руки обеспечивается пружинами 2.
В системе вывешивания ПР «Kuka Famulus», показанной на
рис. 1.4, а, пневмоцилиндры 1, 2 связаны с механизмом качания
и радиального перемещения руки. Статически не уравновешенная
масса воспринимается и нейтрализуется сопротивлением воздуш-
ной подушки, имеющейся в полости пневмоцилиндров 1, 2, кото-
рая соединена с ресивером 3. За счет того, что объем ресивера во
много раз больше объема цилиндра, усилие вывешивания мало
изменяется даже при больших перемещениях поршня пневмо-
цилиндра. Недостатком такой схемы является фиксированное
усилие вывешивания, которое при увеличении хода руки может
оказаться недостаточным.
В системе вывешивания, характерной для УПР РА (рис. 1.4, б)
фирмы «Метода» («Motoda Electronics», Япония), НМС уравнове-
шивается с помощью цилиндра 1, между нагрузкой и рычажной
системой которого установлен пневмодатчик усилия 2, подающий
через усилитель сигнал на заслонку редукционного клапана 3,
поддерживающего в пневмоцилиндре 1 давление, необходимое
для уравновешивания несущей системы робота в зависимости от
приложенной нагрузки к датчику 2.
Анализ конструкций основных типов ИМС роботов (рис. 1.5)
позволяет выделить следующие особенности этих систем:
в передающих механизмах используются различные механиче-
ские зубчатые передачи: цилиндрические, конические, реечные,
цепные, зубчатые ременные, типа винт-гайка, типа байонет,
рычажные;
выбор свободных ходов осуществляется или автономно в каж-
дом элементе (рис. 1.5, а, г, е, ж), или с помощью дополнительной
кинематической цепи (рис. 1.5, в);
автономный выбор свободного хода выполняется «жестко» —
сближением элементов или сближением с помощью пружины;
19
Рис. 1.5. Основные типы исполнительных механических систем (ИМС) ПР:
а - механизм поворота ПР «Unimate»', б — механизм привода кисти ПР «Versafran»;
в — механизм поворота ПР «Уииверсал-15»; г — механизм вращения кисти ПР «Kuka»;
д — механизм подъема руки ПР «Libherr»; е — механизм поворота ПР «Универсал-5»;
ж~ механизм привода кисти ПР «Unimate»- 1, 4, 5, 33, 42 — гидроцилиндры; 2, 6 —
рейки; 3, 7, 10, 11, 12, 14, 15, 17, 23, 24, 31, 32 — цилиндрические зубчатые колеса;
8, 45, 53 — валы (ПС); 9, 22 — кисть; 13, 18, 25, 28 — двигатели; 19, 20 — зубчато-
ременная передача; 21 — волновой редуктор; 26 — шариковиитовая передача; 2 9 — чер-
вячная передача; 16, 30 — пружины выбора зазора; 36—39, 46—52 — конические зубча-
тые колеса; 44, 54 — шариковые муфты передачи крутящего момента; 27 — рука; 34,
41 — цепи; 35, 40, 43, 55 — звездочки
в качестве передающих связей используются валы (рис. 1.5, б,
г) или шлицевые валы совместно с шариковой муфтой передачи
крутящего момента (рис. 1.5, ж).
Основные типы исполнительных кистевых механизмов пока-
заны на рис. 1.6. Кисть УПР «Kawasaki Unimate-» мод. 5030
(рис. 1.6, а) обеспечивает движение относительно трех осей /,
II и III. Движение относительно оси I—I происходит за счет
цилиндрических зубатых колес 3, 2, 5 и дифференциала 7. Дви-
жение относительно оси II—II обеспечивается с помощью цилин-
дрических зубчатых колес 4, 6, конических зубчатых колес 8—10.
Движение относительно оси III—III задается валом 1.
Кисть УПР «Kawasaki Unimate» мод. ЗОЮ обеспечивает также
движение относительно трех осей (рис. 1.6,6): движение отно-
сительно оси I—I происходит за счет конического дифферен-
те
24	25
36 35 36 37
Рис. 1.6. Основные типы исполнительных кистевых механизмов
циала 11; относительно оси II—II — за счет конических зубча-
тых колес 16, 15 и относительно оси III—III — за счет кониче-
ских зубчатых колес 18, 17, 12, 13, 14.
Устранение зазоров в передачах осуществляется путем сбли-
жения зубчатых колес.
Кисть ПР «Универсал-60.03», которая показана на рис. 1.6, в,
обеспечивает движение относительно двух осей 1-^1 и II—II.
21
Отличительной особенностью механизма трехстепенной кисти
ПР «Kuka Famulus» (ФРГ) является наличие волновых редукто-
ров на конечных элементах кинематических цепей (рис. 1.6, г).
Движение относительно оси /—/ обеспечивается от вала 19 через
волновой редуктор 20, на выходном звене которого установлен
корпус 21. Движение относительно оси II—II происходит от
вала 33 через конические зубчатые колеса 31, 28, волновой ре-
дуктор 27, который связан с корпусом 26. Движение относительно
оси III—III задается от вала 32 через зубчатые конические ко-
леса 30, 29, 22, 23, волновой редуктор 24, на выходном звене
которого установлен привод захватного устройства 25.
Особенностью трехстепенной кисти (рис. 1.6, д), характерной
для ПР «Robitus RC» (Япония), является установка непосред-
ственно в шарнирах гидроквадрантов 34, 35, 37, обеспечивающих
движение соответственно относительно осей I—I, II—II, III—III.
На выходном валу квадранта 37, установленного на скобе 36,
крепится привод захватного устройства.
Трехстепенная кисть ПР «Cincinnati Milacron 6СН» (рис. 1.6,е)
обеспечивает движение относительно осей /—I, II—II и III—III,
причем ось II—II имеет наклон 45° к оси I—I.
Движение кисти относительно оси /—I осуществляется от
вала 38, относительно оси II—II — от зубчатых конических
колес 40, 41. Движение относительно оси III—III происходит
через зубчатые конические колеса 39, 42, 43. На оси зубчатого
колеса 43 установлен привод захватного устройства 44.
Механизм смены захватного устройства ПР «Unimate 5030»
(Япония) показан на рис. 1.6, ж. Замене подлежит блок, который
представляет собой привод, выполненный в виде пневмоцилин-
дра 48, и связанная с ним рычажная система захватного устрой-
ства 49. При смене блока обеспечивается его фиксация в осевом
и радиальном направлениях, а также герметичность подвода
сжатого воздуха.
Для фиксации блока в радиальном положении служит шпон-
ка 47, входящая в паз корпуса 46. В осевом положении фикса-
ция обеспечивается за счет захвата грибовидного винта 45 шари-
ками 50. Привод осуществляется от пневмоцилиндра 51.
Герметичность достигается с помощью резиновых колец,
установленных на поверхности блока привода захватного устрой-
ства.
Более простая и надежная конструкция механизма смены
захватного устройства реализована в ПР «Универсал-60»
(А. с. 621572 СССР, МКН 23J). В этом случае (рис. 1.6, и) смене
подлежит только рычажная система захватного устройства. На
выходном фланце кисти имеются два пальца 58, которые входят
по посадке в отверстие корпуса 56 захватного устройства и фикси-
руют это устройство в радиальном направлении. Фланец 59 кисти
выполнен со шлицеобразными выступами. При фиксации корпуса
захватного устройства выступы фланца 59 проходят через впадины
22
Рис. 1.7. Основные компоновки манипуляторов
ПР РГШ-40 и их модули:
а — РГШ-40.01; б — РГШ-40.02; в — РГШ-40.03; г —
РГШ-40.04; д — РГШ-40.05; 1 — рука; 2 — модуль
подъема; 3 — неподвижное основание; 4 — тележка
с ходом 400 мм; <5 — модуль поворота; 6 — модуль те-
лежки с ходом 10 000 мм
9)
планшайбы 57 и устанавливаются в ее проточке. Планшайба
с помощью штифта 53 фиксируется в таре для захватных устройств.
После окончания процесса стыковки кисти и захватного устрой-
ства кисть поворачивают на 45° и выступы фланца 59 заходят за
выступы планшайбы. Таким образом захватное устройство фикси-
руется и в осевом направлении. Зажим захватного устройства
происходит за счет нажима штока гидроцилиндра 52, толка-
теля 55, который воздействует на рычажную систему 54 захват-
ного устройства. Разжим захватного устройства осуществляется
пружиной.
К рабочим органам ПР относятся различного типа захватные
устройства, сварочные пистолеты для контактной сварки, сбороч-
ные головки и т. д., т. е. механизмы, которые выполняют как
операции захватывания заготовки, так и некоторые технологиче-
ские операции. В качестве приводов рабочих органов применяют
пневмоцилиндры, гидроцилиндры, электродвигатели.
Примеры универсальных роботов. Анализ технических харак-
теристик серийно выпускаемых роботов и областей их приме-
нения позволяет к УПР отнести следующие роботы: РМ-1,
ТУР-ЮК, РГШ-40, «Универсал-60», РПКСМ, РПМ-25, «Unimate»,
«Kawasaki Unimate», «Versatran», «Cincinnati Milacron 6СН»,
«Asea», «IRB-б», «Kuka Famulus», «Robitus RA, RB, RC».
Технические характеристики указанных роботов приведены
в табл. 1.1.
Робот РГШ-40. ПР для горячей штамповки РГШ-40 (рис. 1.7,
1.8) предназначен для автоматизации камерных, карусельных или
индукционных печей, процессов загрузки и выгрузки заготовок
из кривошипных горячештамповочных прессов, горизонтально-
ковочных машин, паровоздушных штамповочных молотов, транс-
23
Таблица 1.1
Наименование показателя	РМ-01	ТУР-ЮК	РГШ-40	«Универсал- 60.02»	РПМ-25	«Уиивер- сал-60.04»	РПКСМ	СУР-МС
Линейные перемещения, руки, мм: вертикальное радиальное горизонтальное Угловое перемещение (по- ворот), рад Диапазон перемещений кисти, рад: поворот изгиб вращение захватного устройства Погрешность позициони- рования, мм Максимальная скорость, м/с Система управления	864 864 864 5,59 2,85 2,85 2,85 ±0,1 0,8	883 883 883 5,23 2,8 2,8 2,8 ±0,1 0,5	800 1500 (испол. 1)	1700 1040 400 5,9 3,4 3,4 6,28 ±1,0 1,2	800 1000 5,8 3,2 3,4 6,28 ±1,0 1,3	1400 1000 5,6 6,7 6,7 6,7 ±0,5 1,6	1200 3000 2500 (пор- тальный)	800 1000 10 000 5,63 5,23 3,14 5,23 ±1,0 1,3
			2000 (испол. II) 5,23 4,7 4,7 4,7 ±0,8 0,8					
							1200 (боковой) 3,4 6,28 ±1,0 1,0	
	Цифро- вая «Сфе- ра-36»	Цифро- вая У КМ-772	АПС-1М (аналого-пози- ционная), МПСУ-П	Цифровая УПМ-772		Цифровая МПСУ-П микропроцессорная		
Продолжение табл. 1.1
Наименование показателя	РМ-01	ТУР-ЮК	РГШ-40	«Уииверсал- 60.02»	РПМ-25	«Универ- сал-60.04»	РПКСМ	СУР-МС
Вид привода	Электрический		Электромеха- нический	Гидравлический		Электромеханический		
Число кадров	1000	1000	3200	3200	3200	800	1280	1280
Число программ	—	—	1,15	4	4	15	15	15
Грузоподъемность, кг	2,5	10	40	60	25	63	160	25
’’абаритные размеры, м площадь основания, м2)	0.790Х Х0.48Х Х0,92	0,99Х Х0,8Х Х1,28	3,10Х2,4Х XI ,05 (4.1Х2.4Х X 1,05)	1.26Х1.44Х XI ,67	0,8Х0,8Х Х1,9	1,0Х X 1,27Х Х1,7	—	12,40Х XI 480Х X 2,060
Операционные механизмы				Устройство замены захватных устройств или писто- лет для контактной сварки	Устройство замены захватных устройств			
Примечания: 1. Связь с ЭВМ есть у роботов всех марок, кроме РГШ-40.
2. Максимально допустимая температура окружающей среды не более 50 °C.
3. Значения горизонтальных перемещений робота РПКСМ даны для поперечного движения.
Продолжение табл. 1.1
А и 3 *© *	О О	т)< Г- О _, о ю 2	— ю — „ 2 210 со ~ со ф| —	Цифровая	Электрический	1 1
«Ku/га Famulus»	О О —	00 00 ©. 1П О in I ° I 04 04 , ' 04 К 2 1 " 1 <о'<о-+|-	Цифровая (мини-ЭВМ)	Гидравлический	600 14 60 1X2X1,56X1,7 Пистолет для контактной сварки
а’ * Ujcq с-ОйГ м *	<->	_ 00 00 ’«f О — О rZ I °104 04 —- . , 04 СО СП	CD СП СО -|'1	Цифровая	Электрический	250 4 60 0,3X0,3X1,15
^Cincinnati Milacron 6СН»	§ § , сч сч сч сч о о 1	Цифровая (мини-ЭВМ)		400 24 136 0,8 Устройство замены захватных устройств
*Versatran», <AMF>	04 04 , 04	. СО 00 СП СП	- . .	11 - ь. ь. 1 со со 1 +1 о	Аналого- позиционная		30 2 45 1,8X1,1X0,7 Рука с ходом 1006 мм
а’ а ^cq is •!о V	О	00 © см о 5*	00 оо 00 04	* —< —	СО СО СО СП -|-	Цифровая	Гидравлический	512 16 35 1,6Х1,2Х 1,4 Устройство замены захватных устройств
26
портирования заготовки из ориентирующего устройства к ручью
штампа, переноса заготовки между его ручьями, удержания
заготовки при осадке, при одновременном управлении рабочим
циклом и режимом работы прессов, машин, молотов и вспомога-
тельного оборудования.
В зависимости от требуемой зоны обслуживания и характера
ориентирующего движения выбираются левое или правое распо-
ложение руки относительно вертикальной оси вращения, ориен-
тирующее движение (вращение или качание кисти) и максималь-
ный радиус зоны обслуживания 2990 ... 3590 мм).
Робот «Универсал-60.02'». ПР предназначен для контактной
точечной сварки (рис. 1.9).
В состав робота входит манипулятор, система программного
управления УПМ-772, блок усилителей привода, блок включения
питания, сварочное оборудование. Сварочное оборудование со-
стоит из шкафа управления, трансформатора, кабелей, клещей.
Технические характеристики роботов «Универсал-60.02» при-
ведены в табл. 1.1.
Требуемая жесткость механической системы и высокая на-
дежность его узлов были обеспечены тем, что робот создан на базе
робота «Универсал-60.01» [45].
Основные узлы манипулятора —гидростанция, механизм по-
ворота, механизм поперечного сдвига, проставок, рука, механизм
выдвижения кисти аналогичны узлам робота «Универсал-60.01».
К приводу робота для контактной сварки предъявляют повы-
шенные требования в отношении точности и быстродействия. Это
связано с особенностями технологического процесса точечной
сварки — с пошаговым перемещением и точным позиционирова-
нием сварочных клещей вдоль свариваемого контура: требуется
осуществлять до 60 перемещений в минуту рабочих органов ма-
нипулятора при погрешности позиционирования не более ± 1 мм.
Основной задачей привода является обеспечение малых пере-
мещений с высоким быстродействием. Среднее значение этих
перемещений 40 ... 50 мм. Время отработки одного перемещения не
должно превышать 0,3 ... 0,5 с. Этими величинами определяются
требования к динамическим характеристикам следящего привода
и к качеству переходных процессов отработки перемещений.
Задача создания привода с требуемыми характеристиками ре-
шена на основе использования цифрового устройства управления
УПМ-772, кодовых датчиков положения с разрешающей способ-
ностью 218 и следящих гидрораспределителей в качестве управля-
ющих элементов для гидродвигателей манипулятора.
Силовой привод координат робота, кроме третьей степени —
кисти (вращение клещей), состоит из гидромотора и следящего
гидрораспределителя типа сопло-заслонка. Следящие гидрорас-
пределители присоединяются к гидродвигателям через панели,
в которых имеются сдвоенные клапаны, предохраняющие гидро-
мотор от перегрузок при резком закрытии гидрораспределителя.
27
Рис. 1.8. Общий вид ПР РГШ-40.02
Рис. 1.^- Общий вид ПР «Универсал-мц02»
28
Для связи устройства программного управления с сервозолот-
никами служит блок усилителей привода. Этот блок осуществ-
ляет усиление сигнала управления по мощности, нелинейную кор-
рекцию сигнала управления, подачу осцилляции на гидрораспре-
делитель, стабилизацию по скорости, световую индикацию от-
работки управляющей программы по координатам.
Блок усилителей включает источник питания, усилитель, схему
дешифрации признаков, схему стабилизации ползучей скорости,
генератор опорной частоты.
В режиме обучения блок усилителей выполняет функцию уси-
ления сигнала управления и подачи осцилляции на гидрораспре-
делитель. В автоматическом режиме вследствие- недостаточной
чувствительности гидромеханической системы рабочий орган не
отрабатывает малых сигналов управления, поэтому применяют
нелинейную коррекцию сигнала, для чего используют признаки
движения и направления, выдаваемые СПУ.
Анализ работы ПР «Универсал-60.02» на участках сварки
автомобиля «Иж-комби» позволил выявить недостаточные объем
памяти, показатели надежности устройства управления УПМ-772,
нестабильность работы гидропривода. Кроме того, наличие встроен-
ной гидростанции не дает возможности устанавливать робот на
вертикальной стенке и на потолке. Эти недостатки устранены
в конструкции ПР «Универсал-60.04».
Робот «Универсал-60.04у>. ПР состоит из манипулятора, уст-
ройства управления типа МПСУ-П и гидростанции (гидроси-
стемы питания). Технические характеристики ПР приведены
в табл. 1.1.
Компоновка ПР представлена на рис. 1.10. На основании 1
установлен механизм поворота 2, который идентичен механизму
поворота ПР «Универсал-60.02». Зубчатый венец механизма по-
ворота связан с двумя выходными зубчатыми колесами привода
поворота 3, идентичного приводу поворота «Универсал-60.02». При-
вод поворота также размещен на основании 1. На поворотной
платформе механизма поворота 2 имеется проставок 4, на верх-
нем конце которого укреплены кронштейны качания корпуса 5
руки. Между корпусом руки и поворотной платформой установлен
гидропривод 6 качания руки. В корпусе руки на опорах качания
перемещается каретка 7, на переднем корпусе которой закреп-
лена кисть 8. Внутри каретки расположены три гидромотора
привода кисти, которые связаны с ней валами. На заднем торце
каретки установлены дросселирующие распределители для при-
водов кисти. Радиальное перемещение кисти происходит от ли-
нейного привода, связанного с кареткой и корпусом руки.
Такая конструкция ПР обеспечивает необходимые жесткость
и зону обслуживания. Применение линейных следящих приводов
для качания и выдвижения руки позволило упростить их кине-
матику. Использование для вращательных движений приводов на
базе гидромоторов типа 2МГ18 обеспечило высокие динамические
'380'
Рис, 1.10. Компоновка и рабочая зона ПР «Универсал-60.04»
качества с одновременной высокой безотказностью, так как они
были отработаны в процессе создания ПР «Универсал-60.02».
Кинематическая схема трехстепенной кисти показана на
рис. 1.11. Отличительной особенностью рассматриваемой кисти
является применение волновых зубчатых передач и наклон ее
оси под углом 52° к оси руки. Это позволяет резко уменьшить
массу руки и трудоемкость ее изготовления, повысить надежность
работы, уменьшить размеры кисти. Кинематическая схема обе-
спечивает следующие движения: повороты кисти относительно
осей /—/ и II—II, поворот выходного фланца кисти относи-
тельно оси ///—III.
30
Рис. 1.11. Кинематическая схема трехстепенной кисти
Поворот кисти относительно оси /—/ осуществляется следу-
ющим образом. Движение от вала 1 через зубчатые колеса 2, 3
передается на генератор 4 волновой передачи и снимается с гиб-
кого колеса 5, с которым связан корпус 7. Поворот кисти относи-
тельно оси II—II происходит следующим образом. Движение
от вала 6 через зубчатые колеса <?, 9 передается на генератор 10
волновой передачи, а снимается с гибкого колеса 11, с которым
связан корпус 12, базирующийся на специальном подшипнике
в корпусе 7. При повороте выходного фланца кисти относительно
оси III—III движение от вала 17 через зубчатые колеса 18—21
и 13, 14 передается на генератор 15 волнового редуктора. Съем
движения происходит с гибкого колеса 16.
Анализ технических характеристик ПР и его конструкции
показывает, что по основным параметрам ПР не уступает лучшим
зарубежным образцам, а по сравнению с ПР «Универсал-60.02»
имеет следующие преимущества: существенно расширены возмож-
ности СПУ (память со 100 кадров доведена до 800); погрешность
позиционирования снижена в 1,5 ... 2 раза; производительность
стала выше в 1,5 раза; наличие трехстепенной кисти упростило
конструкцию сварочной оснастки; безотказность (наработка на
отказ) возросла в 3 раза; за счет применения встроенного транс-
форматора потери мощности уменьшены в 2,5 раза.
Робот РПКСМ. ПР предназначен для контактной сварки и
выполнен в виде многоуровневой агрегатно-модульной системы
(рис. 1.12).
Основным несущим узлом ПР (рис. 1.12, а) является портал 4,
на котором с помощью двух модулей 2 горизонтального перемеще-
ния установлен модуль 3 поперечного перемещения. На нем
закреплена рука 1, ось которой направлена вертикально. На бо-
ковых поверхностях колонок, с двух сторон портала, размещены
модели 5 продольного перемещения двух рук 7 (до 3000 мм),
.3!
Рис. 1.12. Основные компоновочные схемы руки робота РПКСМ
оси которых горизонтальны. На модулях 5 продольного переме-
щения установлены модули 6 подъема рук 7.
На базе разработанных модулей созданы компоновки робота
с одной горизонтальной рукой (рис. 1.12, б) и двумя вертикаль-
ными руками (рис. 1.12, в).
Работу ПР поясняют кинематические схемы, представленные
на рис. 1.13, 1.14. Поперечное перемещение робота по порталу
(рис. 1.13) осуществляется от электродвигателя Ml, движение
от которого передается на шкивы 5, 6 зубчатой ременной пере-
дачи, зубчатые колеса 7, 8, 18. Колеса 18 входят в зацепление
с рейкой 17, укрепленной неподвижно на направляющей. Меха-
низм привода установлен на перемещающейся каретке.
Продольное перемещение по порталу осуществляется от двух
двигателей М2, М3 по двум идентичным кинематическим цепям.
Первая цепь: двигатель М2, шкив 26, ремень, шкив 25, зубчатые
колеса 24, 23, 21. Зубчатые колеса 21 связаны с рейкой 20. Вторая
кинематическая цепь: двигатель М3, шкив 10, ремень, шкив И,
зубчатые колеса 12, 13, 15. Зубчатые колеса 15 связаны с рейкой 16.
Устранение свободных ходов (люфтов) в зубчатых колесах осу-
ществляется закруткой торсионов 14, 19, 22, а в зубчатых ре-
менных передачах — натяжением ремней. Рейки 16, 17, 20 уста-
новлены неподвижно, а приводы — на перемещающихся карет-
ках. Датчики положения Д/7 связаны с валами двигателей через
зубчато-ременные передачи со шкивами 3, 4, 8, 9 и редукторы
с зубчатыми колесами 1, 2, 6, 7. Кинематические схемы механиз-
мов продольного перемещения и механизмов подъема боковых
рук идентичны кинематическим схемам механизмов поперечного
перемещения.
Прямолинейное движение руки (рис. 1.14) осуществляется от
двигателя Ml. Движение от двигателя Ml через шкив 5 зубчато-
ременной передачи, зубчатый ремень сообщает шкиву 8, с кото-
рого передается на зубчатые колеса 7, 9, 11. Зубчатые колеса 11
связаны с рейкой 6. Рейка размещается на подвижной направля-
ющей, на одном торце которой установлена кисть, а на другом —
приводы кисти, что обеспечивает им прямолинейное движение.
Вращение кисти относительно оси II—II обеспечивается дви-
гателем М2 через шкив 16, зубчатый ремень, шкив 17, волновой
Рис. 1.13. Кинематическая схема портала робота РПКСМ
Рис. 1.14, Кинематическая схема руки робота РПКСМ
редуктор 19, выход которого соединен с корпусом 26 кисти.
Качание кисти относительно оси /—/ осуществляется от двига-
теля М3 через шкивы 20, 18, зубчатые колеса 28, 29, волновой
редуктор 27, выход которого соединен с выходным фланцем кисти.
На этот фланец устанавливаются сварочные клещи. С валами
двигателей через шкивы 3, 4, 14, 15, 21, 22 зубчато-ременных
передач соединены редукторы с зубчатыми колесами 1, 2, 12,
13, 23, 24, выходы которых соединены с кодовыми датчиками по-
ложения ДП. С валами всех двигателей связаны тахогенера-
торы ДС.
Таким образом, ПР РПКСМ:
3 Шр Я. А- Шифрина	33
позволяет создавать автономные сварочные посты с концентра-
цией исполнительных органов и возможностью изменения их
количества;
обеспечивает транспортирование деталей между сварочными
постами как с помощью шагового конвейера, так и с помощью
автоматических транспортных тележек;
может быть использован в составе сварочного оборудования,
позволяющего проводить сварку листовых материалов различных
толщин;
оснащен современными средствами управления и диагности-
рования, что приводит к резкому повышению надежности и гиб-
кости сварочных производственных модулей.
Робот модульного типа РПМ-25. Типичным роботом модуль-
ной конструкции является робот РПМ-25, представляющий собой
совокупность или систему конструктивных модулей. Под модулем
авторы понимают функционально и конструктивно независимую
единицу, которую можно использовать как самостоятельную,
а также в различных комбинациях с другими модулями. Каждый
модуль данной конструкции — это законченный машинный агре-
гат, содержащий как обычные приводные средства и механизмы,
так и энергетические и информационные коммуникации, обеспе-
чивающие одну или несколько степеней подвижности робота.
Система модулей робота РПМ-25 (рис. 1.15) включает три
модуля межпозиционных перемещений (подвижные основания),
шесть модулей, осуществляющих движения переноса, и ряд мо-
дулей ориентирующих движений (руки).
К числу модулей межпозиционных перемещений относятся
подвижные основания в напольном Т и в подвесном Тм (на мо-
норельсе) и двухкоординатном портальном Т2 исполнениях.
Модули движений переноса включают три однокоординатных
модуля прямолинейных перемещений, два однокоординатных мо-
дуля вращательных перемещений и один двухкоординатный мо-
дуль — модуль двойного качания. Модули прямолинейных пере-
мещений представлены модулем С поперечного сдвига, который
устанавливается либо на модуль поворота, либо на модуль не-
подвижного основания; модулем П подъема, размещаемым на
модулях неподвижного и подвижного (напольный вариант) осно-
ваний, на модулях поперечного сдвига и поворота; модулем
радиального хода РХ, служащим для прямолинейного перемеще-
ния руки робота, который может быть установлен на всех упомя-
нутых ранее модулях.
Комбинация из трех модулей прямолинейного перемещения
позволяет получить компоновку робота РПМ-25, работающего
в декартовых координатах.
Однокоординатные модули вращательных движений включают
модуль В поворота, осуществляющий поворот относительно вер-
тикальной оси и устанавливаемый на модулях неподвижного
и подвижного оснований, и модуль С, а также модуль К качания,
34
Рис. 1.15. Система модулей робота РПМ-25
2*
Рнс. 1.16. Схема робота РПМ-25 компоноаки — РХ — Р— 3
осуществляющий поворот относительно горизонтальной оси (он
может быть установлен на модулях неподвижного и подвижного
оснований, на модулях С и В).
Двухкоординатный модуль Д двойного качания предназначен
для создания компоновок робота с антропоморфной шарнирной
структурой. Он может устанавливаться на модули неподвижного
и подвижного оснований, модули С и В.
Модули ориентирующих движений представлены тремя ви-
дами рук: Pi — с одной, Р2 — с двумя и Р3 — с тремя степенями
подвижности. Эти модули имеют посадочные места, которые
стыкуются с модулями Д и РХ. Кроме того, посредством специаль-
ных переходников они могут быть установлены на модулях К
В, П, С, Т и 7V
36
Таблица 1.2
	Вариант компоновки						
Наименование параметра	Т,—РХ		-Р,	T.-PX-P,		T.-PX-P,	
	31	ЗС		31	зс	31	зс
Грузоподъемность, кг Число программируемых степеней подвижности (без захватного устрой- ства):	25	20		25	20	100	
произвольно программируемых	6			5		4	
по упорам					1		1
Тип привода Система управления Погрешность позиционирования, мм, не более Линейные перемещения, мм: X (при средней скорости 700 мм/с) Y (при средней скорости 700 мм/с) Z (при средней скорости 300 мм/с)	Электромеханический Числовая ±1,0 3990; 10 020; 16 050 3000 1000						
Поперечный сдвиг захватного устрой- ства, мм	—	90		—	90	—	90
Угловые перемещения, °: а (при средней скорости 100°/с)	300					300	
Р (при средней скорости 75%)	180						
у (при средней скорости 150 %)	300			300			
Масса, кг	5000						
Примечания: 1. Допускается применение нескольких (ие более
трех) манипуляторов, расположенных на собственных траверсах и работающих
автономно.
2. В конструкциях кисти руки ПР возможна автоматическая смена захват-
ных устройств.
Рука с тремя степенями подвижности имеет ряд дополнитель-
ных исполнений, например Рв0 с повышенной грузоподъемностью
(до 60 кг), что достигнуто за счет снижения ее скоростных харак-
теристик. Исполнения Рвпв и Рзъ наряду с одним ориентиру-
ющим движением производят дополнительные движения переноса
(в сферической и угловой системах координат).
Кроме перечисленных выше основных модулей, система вклю-
чает вспомогательные модули, к которым относятся модуль Н
неподвижного основания с системой подготовки воздуха и ряд
модулей операционных механизмов, включающих одинарное Зг
и двойное 32 захватные устройства, захватное устройство ЗС
с поперечным сдвигом, а также электромагнитное адаптивное
захватное устройство З3 для выбора из тары неориентированных
заготовок.
37
Модули операционных механизмов стыкуются непосредственно
с конечными звеньями модулей рук.
Привод основных движений робота РПМ-25 электрический по-
стоянного тока следящий с обратной связью по положению и по
скорости. В качестве исполнительных двигателей используют
электродвигатели постоянного тока МИ2 мощностью 2 кВт и
4МИ12 мощностью 980 Вт. Привод операционных механизмов
пневматический. Подвод воздуха под давлением осуществляется
через стыковочные поверхности модулей.
Технические характеристики портальной компоновки Т2—
РХ—Р—3 (рис. 1.16) приведены в табл. 1.2.
В табл. 1.1 приведена техническая характеристика РПМ-25
компоновки Н—В—Д—Р3 —Зх. С учетом возможности примене-
ния разных модулей рук число вариантов компоновок составляет
— 150.
1.3. Сварочные роботы
Особенности применения сварочных ПР. Сварочные
роботы являются наиболее характерным - примером успешного
применения средств адаптации в робототехнике. С другой сто-
роны, увеличение объемов выпуска ПР за рубежом (ФРГ, Франция,
Япония и др.) [60] происходит за счет расширения номенклатуры
и производства сварочных ПР. Применение сварочных роботов
позволит не только резко увеличить производительность труда,
но и существенно улучшить качество и надежность сварных со-
единений за счет постоянного контроля за состоянием сварочного
шва и соблюдения режимов и параметров сварки в течение всего
технологического процесса. Применение сварочных ПР позво-
ляет повысить коэффициент использования сваоочного ГПМ до
0,95.
До недавних пор в основном сварочные роботы применялись
при контактной точечной сварке и сварке в защитном газе при
изготовлении приводов автомобилей. В ФРГ в 1982 г. 13 % всех
действующих ПР применялись для указанных видов сварки.
При точечной сварке горячекатаных листов без покрытий
допустимой является погрешность (повторяемость) позициони-
рования не более ±2 мм, при сварке в защитной среде газа ма-
ксимальная повторяемость Л не должна, как правило, превы-
шать ±1 мм. При этом следует иметь в виду, что указанные зна-
чения Л лимитируются не только точностью (повторяемостью)
собственно ПР, но и точностью устройств, транспортирующих
заготовки для сварки, зажимных механизмов, сварочных инстру-
ментов. Поэтому ГПМ для точечной сварки, созданные на базе
сварочных ПР, могут удовлетворительно выполнять соответ-
ствующие операции при достаточной точности штамповочных
заготовок деталей, высокой точности стыковки (без щели), ши-
рине сварочных фланцев не менее 12 мм, максимально независи-
38
мом от транспортных устройств позиционировании зажимных
механизмов, наличии зажимных механизмов в необходимом ко-
личестве в достаточно доступных местах, применении сварочных
инструментов, движущихся на уровне листа.
При сварке крупных узлов, состоящих из нескольких отдель-
ных деталей, производится прихватка вручную и устанавливаются
дополнительные зажимные механизмы для получения заданной
точности и необходимого доступа сварочного инструмента ПР.
Качество точечной сварки определяется: глубинной точностью
(расстоянием точек от края), которая задается системой програм-
много управления ГПМ (в крайнем случае она обеспечивается
путем установки дополнительного зажима); ориентацией по глу-
бине инструмента по кромке свариваемого узла; типом свароч-
ной установки.
Применяемые обычно трансформаторные клещи выгодны ввиду
экономного расходования электроэнергии и из-за малых затрат
на техническое обслуживание, но по сравнению с подвесными
сварочными установками они имеют большую массу и достаточно
громоздки. При сварке листов с покрытием или из легких метал-
лов, а также при наличии большого хода инструмента нашли
применение подвесные сварочные установки.
При сварке в защитной среде инертного газа точность пози-
ционирования имеет решающее значение, так как для обеспечения
необходимого проплавления шва наконечник горелки в зависи-
мости от качества подготовки кромок соединяемых деталей, по-
ложения места сварки и размера сварочной ванны должен быть
установлен на шов в пределах жесткого допуска. К этому необ-
ходимо добавить требования к повышенной точности позициониро-
вания собственно ПР. Поэтому сварку в защитной газовой среде
на ГПМ с помощью ПР можно проводить, или используя очень
точные заготовки, что связано с большими затратами, или приме-
няя системы поиска начала и ориентации шва, включающие спе-
циальные датчики для бесконтактного или контактного измере-
ния параметров для автоматического управления сварочной го-
ловкой, скоростью ее перемещения, а также скоростью подачи
сварочной проволоки.
Фирма «Еке энжинирс» («.Eke Engineers», ФРГ) [27] рекомен-
дует следующие системы:
снабженные датчиками с позиционным отключением при поиске
начала шва;
имеющие концентрические направляющие ролики в середине
горелки с координатным выключателем и адаптивным управле-
нием ПР;
снабженные индукционным выключателем приближения (одно-
координатным) с интерфейсом и адаптивным управлением ПР
для поиска начала шва;
имеющие двухкоординатные индукционные чувствительные
элементы, передающие информацию в микропроцессор, и адап-
39
тивное управление ПР для поиска стыка или слежения за швом
с помощью управляющих импульсов высокочастотного магнит-
ного поля, изменяющегося в зависимости от конфигурации стыка
свариваемых узлов. Асимметрия краев шва вызывает асимме-
трию этого поля, что используется при горизонтальном выравни-
вании горелки; изменение индукции поля используется для вер-
тикального выравнивания горелки;
снабженные механическими маятниковыми и электромагнит-
ными (внешние магниты) устройствами управления дуги (сварочной
головкой) для слежеиия шва путем сравнения заданных и фак-
тических значений сварочного тока при реализующейся дли-
не дуги;
имеющие однокоординатные оптико-электроиные чувствитель-
ные элементы, передающие информацию в микропроцессор и адап-
тивное управление сварочной головкой для поиска стыка последо-
вательно во всех плоскостях путем замера расстояния инфракрас-
ным лазерным лучом.
Таким образом, качество работы всех рекомендуемых систем,
кроме последней, зависит от геометрии сварочного стыка.
Кроме точности позиционирования и положения сварочного
шва на качество сварки существенно влияют параметры ее ре-
жима, присадочных материалов и самих сварочных устройств.
Считается, что для обеспечения высокого качества сварки не
целесообразно выполнение вертикальных швов во избежание
опасности уменьшения проплавления.
Последовательность выполнения сварочных переходов и опе-
раций должна обеспечивать минимальную погрешность. Для
этого необходимо:
использовать сварочные горелки с небольшими допусками
по погрешности (повторяемости) позиционирования, хорошим
охлаждением и целесообразными устройствами очистки элек-
тродов;
применять автоматические устройства очистки сопл для ме-
ханического удаления брызг расплавленного металла и распыле-
ния антиадгезионного состава;
устанавливать легкие, гибкие и быстрозаменяемые пакеты
шлангов,
подающий механизм сварочной проволоки устанавливать таким
образом, чтобы обеспечить необходимую рабочую зону и надеж-
ную подачу проволоки;
применять программированные источники питания с транзи-
сторным силовым блоком для управляемого перехода капель
металла в шов и импульсную технику для сварки с минимальным
брызгообразованием. Как показал опыт, эти источники питания
удобны при сварке в диапазоне длинной дуги в среде углекислого
газа (брызгообразование минимально при толщине свариваемых
листов не более 3 мм) и при сварке аустенитных сталей из-за
экономии расходов при больших диаметрах проволоки.
40
Контроль за основными параметрами обычно ведут на инди-
каторных приборах с пульта управления, и при необходимости
их значения отпечатывают для документирования. Качество шва
контролируется путем визуального осмотра, рентгеновской или
ультразвуковой дефектоскопии или по результатам разрушения
образцов, свариваемых одновременно с серийно выпускаемой про-
дукцией, через определенные интервалы времени. Кроме того,
возможен контроль путем измерения расплавленного количества
сварочной проволоки.
По мнению фирмы «Еке энжинирс», средняя наработка на
отказ у ПР для точечной сварки не превышает 500 ч, у ПР для
дуговой сварки в среде защитного газа — значительно меньше;
ресурс до капитального ремонта 8000 ч; сильно изнашиваемые
детали рекомендуют заменять через каждые 1000 ч.
В п. 1, 2 описаи ПР «Универсал-60.02» для контактной точеч-
ной сварки. Ниже дано краткое описание ПР для дуговой сварки.
Робот СУР-МС. Робот предназначен для автоматической сварки
плавящимся электродом в среде инертных газов изделий из
конструкционных сталей толщиной 6	3 мм с произвольным
пространственным расположением швов (кроме потолочного).
Манипулятор робота создан на базе модульного ПР РПМ-25
и включает четыре модуля: поворота 5и, двойного качания Dlt
руку с тремя степенями подвижности Р3 и подвижное основа-
ние Тп.
Устройство управления микропроцессорное типа МПСУ (мик-
ропроцессорная система управления).
Техническая характеристика СУР-МС
Потребляемая мощность вместе со сварочным оборудованием,
кВт, не более................................................... 40
Число двоичных разрядов представления сварочного тока и на-
пряжения ................................................. 8
Диапазон регулирования:
сварочного тока, А .....................................   60	.. 400
напряжения сварки, В ....................................  16	... 36
Несовпадение конца электрода с осью вращения кисти, мм,
не более . .................................................... 0,2
Амплитуда колебания горелки по координатам «вращение ки-
сти» и «сгибание кисти», °, не более..........................  1,5
Средние показатели надежности:
наработка иа отказ, ч, не менее............................. 320
время восстановления, ч, не более............................ 4
ресурс, лет, не менее......................................   6
Питание от трехфазной четырехпроводной сети переменного
тока:	'10 о,
напряжением, В........................................   380/220
частотой, Гц ...........................................  50±1
Время непрерывной работы ПР, ч, не более (с. последующим
перерывом не менее i ч).....................................   16
Общий вид ПР показан на рис. 1.17.
'Методы программирования работы ПР описаны в гл. 5.
41
Рис. 1.17. Общий вид робота СУР-МС
Основные технологические режимы работы ПР: обучение,
ввод данных, автоматический покадровый, автоматический одно-
кратный и цикловый.
В процессе сварки не реже чем через 2 ч непрерывной работы
проводится очищение сопла горелки.
Сварочная часть ПР включает: сварочный выпрямитель; сва-
рочную горелку, кронштейны крепления; механизм подачи сва-
рочной проволоки; датчик касания заготовки для сварки; уст-
ройство управлением датчика касания; необходимое количество
кабелей; баллон с инертным газом, редуктор с расходомером и
подогревателем газа; шланги и рукава.
Глава
2 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ ПР
С РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ ПРИВОДОВ
И СИСТЕМАМИ ПРОГРАММНОГО
УПРАВЛЕНИЯ
2.1.	Основные стадии проектирования ПР
Как известно, исходными данными для проектирова-
ния ПР являются: назначение ПР; требуемый тип; грузоподъем-
ность; сроки (начало разработки, поставок в эксплуатацию);
ожидаемые затраты; объем выпуска; показатели надежности;
предприятие-изготовитель.
На стадии разработки технических требований (ТТ) к ПР
исходят из анализа технологического оборудования и оснастки
модулей, а также технологических процессов, которые должны
быть реализованы в модулях ГПС с ПР данного типа.
При этом определяют:
кинематику движения деталей или инструмента в производ-
ственном процессе, т. е. характерное положение деталей (инстру-
мента) при установке их роботом;
номенклатуру технологических процессов, на обслуживании
которых предполагается использовать ПР;
габаритные размеры оборудования, обслуживаемого ПР, вклю-
чая высоту установки деталей, глубину установки от внешнего
фронта оборудования и т. п.;
циклограммы работы модулей ГПС и после их проработки —
скорости, ускорения объектов манипулирования и быстродей-
ствия ПР;
изменение базовых размеров деталей, происходящее в про-
цессе обработки;
свойства технологических процессов, регламентирующих точ-
ность работы ПР, включая значения зазоров в приспособлениях,
требования по соосности установки деталей, установке инстру-
мента, электродов и т. д.;
расположение ПР относительно технологического оборудова-
ния или объекта производства (для производственных ПР);
параметры среды, в которой должен работать ПР.
После анализа сформулированных и определенных ТТ про-
водят расчеты основных параметров НМС и ИМС робота, привода
системы программного управления, структуры ПР, которые в даль-
нейшем кладутся в основу технических заданий (ТЗ) на эти си-
стемы.
Расчет НМС ведут в следующем порядке:
43
Рис. 2.1. Основные стадии проектирования ПР и их взаимосвязь:
НМС — несущая механическая система; ИМС — исполнительная механическая система;
ТЗ — техническое задание; ТП — технический проект; РП — рабочий проект; ЭО —
экспериментальный образец; ТД — техническая документация; 00 — опытный образец
1.	Исходя из технических требований по кинематике движе-
ния деталей, габаритных размеров оборудования и оснастки, опре-
деляют кинематическую структуру и длину звеньев НМС манипу-
лятора.
2.	На основании требований по точности (повторяемости)
позиционирования и грузоподъемности руки (рук) определяют
допустимое значение нижнего предела 1-й гармоники собственной
частоты колебаний НМС.
3.	В зависимости от допустимого значения нижнего предела
1-й гармоники собственной частоты НМС определяют размеры и
конструкцию звеньев манипулятора и узлов.
Расчет НМС выполняется в следующем порядке:
1.	Выбор структуры ИМС, т. е. состава ИМС и связи ее эле-
ментов между собой (передающего механизма, передающих свя-
зей, мест связи этих механизмов с датчиками положения и дат-
чиками скорости), из условий реализации заданной грузоподъ-
44
Рис. 2.2. Структурная схема типо-
вого модуля ПР
Рис. 2.3. Модуль поворота
емкости, необходимой точности, максимальных скоростей пере-
мещения исполнительного органа и выбранного типа и схемы
привода.
2.	Расчет передаточного числа и выбор типа передающего и
исполнительного механизмов и передающих связей.
3.	Определение размеров передающих связей и жесткости
остальных элементов ИМС.
Структура ПР зависит от кинематики движений деталей
(объектов манипулирования) в процессе производства и состава
модулей ГПС.
Наиболее прогрессивной является многоуровневая модуль-
ная система построения манипулятора, представляющая собой
развитие концепции одноуровневой системы, которая на осно-
ве модульного (см. п. 2.7) принципа позволяет создавать из
модулей, в зависимости от технологических требований, ком-
поновки манипуляторов с различными степенями подвижности.
Основные стадии проектирования ПР и их взаимную связь
иллюстрирует рис. 2.1.
Классификацию по функциональному признаку (рис. 2.2)
устройств, входящих в модуль, рассмотрим на примере модуля
поворота руки (рис. 2.3). В модуле поворота ПР функцию НМС
выполняет поворотный стол 4 (см. рис. 2.3), информационной
системы ИС — датчик положения 2, исполнительного элемента
привода П — электродвигатель 6 со встроенным тахогенератором,
устройств связи — кабель 3, механизмов преобразования движе-
ния МП — редуктор 5, механизма преобразования исполни-
тельной связи МП ИС — редуктор /, устройства защиты УЗ
от воздействия внешней среды — кожух 7.
При проектировании может быть выбрана также многоуров-
невая структура схемно-компоновочного решения ПР, которая
предусматривает создание модулей первого уровня, выполняющих
одну из функций модуля второго уровня; модули второго уровня
являются устройствами, создаваемыми путем компоновки из
модулей первого уровня, реализующих функцию не менее одной
координаты робота; устройства связи относят к модулям второго
уровня.
Такая структура по сравнению с одноуровневой позволяет:
максимально унифицировать устройства, входящие в модули
второго уровня;
45
обеспечить создание с наименьшими затратами модулей вто-
рого уровня с различными приводами, несущими, исполнитель-
ными и информационными системами;
ликвидировать избыточность по устройствам связи, так как
потребность в них зависит от компоновки ПР.
2.2.	Требования к системам программного управления.
Алгоритмы управления
Объектом управления систем программного управления
ПР (СПУ ПР), работающего в составе РТК, является манипуля-
тор. В связи с этим к СПУ ПР предъявляется ряд специфических
требований, отличных от требований к широко распространен-
ным системам программного управления металлорежущими стан-
ками (СПУ МС). В частности, для СПУ МС характерно, что си-
стемы координат объекта управления (станка) и объекта обслужи-
вания (заготовки) имеют жесткую взаимную ориентацию, которая
обеспечивается соответствующим выбором и сопряжением баз.
Подготовка необходимых данных программы осуществляется
расчетным путем с помощью различных методов программиро-
вания. Первоначально система координат манипулятора не ориен-
тирована относительно обслуживаемых объектов, к которым
относится различное технологическое оборудование, установлен-
ное в зоне его работы. СПУ ПР реализует алгоритмы измерения
и запоминания положения указанных объектов в системе коорди-
нат манипулятора. Эту операцию принято называть «обучением»
робота.
Операция обучения является характерным методом программи-
рования ПР, позволяющим оператору осуществить подготовку
программы непосредственно на технологическом участке, про-
контролировать ее и ввести коррекцию. Трудоемкость этой опе-
рации зависит от уровня СПУ ПР. В адаптивных СПУ ПР про-
цесс обучения частично или полностью автоматизирован. СПУ ПР
содержит более развитую информационную систему по сравне-
нию с СПУ МС, которая позволяет осуществлять двустороннее
взаимодействие ПР с обслуживаемым оборудованием.
Анализируя сигналы, поступающие с датчиков, установлен-
ных на обслуживаемых объектах и манипуляторе, СПУ ПР имеет
возможность изменять алгоритмы функционирования и адапти-
роваться к изменениям обстановки путем поиска соответствующих
подпрограмм, их повторения, блокировки и т. д. Это одно из
важнейших качеств СПУ ПР, развитие которого приводит к соз-
данию адаптивных и высокоорганизованных роботов. Сигналы
информационной системы используются в СПУ ПР также для
организации асинхронного режима работы манипулятора по
отношению к обслуживаемому оборудованию.
Особые требования предъявляются к следящим приводам
степеней подвижности манипулятора, рассматриваемого как объект
46
управления, содержащий упругие нелинейные звенья, с помощью
которых учитываются люфт механических соединений, переменные
статическая и динамическая нагрузки, взаимосвязь движений.
Конструкция манипулятора должна обеспечивать плавное
ускорение и замедление его подвижных органов. С технологиче-
ской точки зрения не допускается перерегулирование в точке
позиционирования, выходящее за пределы заданной погрешности.
Для обеспечения указанных требований в состав следящих при-
водов СПУ ПР включаются нелинейные корректирующие звенья,
имеющие сложную характеристику.
Для управления универсальными роботами типа «Универсал»
и РПМ используются позиционные СПУ, к которым, кроме ука-
занных выше общих требований, предъявляется ряд дополни-
тельных. К классу позиционных СПУ ПР относят устройства
управления, которые реализуют алгоритмы перемещения его
захватного устройства от «точки к точке» с автоматическим раз-
гоном (торможением) подвижных органов без контроля траекто-
рии движения и контурной скорости. Можно считать, что пози-
ционные системы являются развитием цикловых систем в кон-
структивном отношении и по технологическим возможностям.
Существенным их отличием является возможность программиро-
вания значения перемещения по координатам манипулятора, что
обеспечивается наличием в позиционных системах датчиков по-
ложения координат или дискретного привода. В первом случае
их классифицируют как замкнутые по положению, во втором —
как разомкнутые.
К числу характерных конструктивных задач, возникающих
при разработке позиционных СПУ ПР, относятся задачи проекти-
рования устройств ввода программы и устройств формирования
характеристики разгона (торможения), выбора датчиков поло-
жения.
Анализ работы РТК позволяет сформулировать основные
требования к позиционной СПУ. Система должна обеспечивать:
возможность подготовки оператором программы путем «обуче-
ния» робота по первому технологическому циклу; возможность
программирования в кадре положения подвижных органов ма-
нипулятора, скоростей их перемещения, точности позициониро-
вания захватного устройства, команд управления электроавто-
матикой манипулятора и обслуживаемого оборудования с кон-
тролем исполнения последних, выдержки времени между отдель-
ными технологическими переходами; циклическую отработку
программы по кадрам в автоматическом режиме; регулирование
характеристики разгона-замедления по каждой координате; не-
зависимое позиционирование каждой степени подвижности много-
координатного манипулятора; логический выбор подпрограмм по
сигналам датчиков внешних устройств; логический выбор после-
довательности Отработки информации, запрограммированной
в кадре; блокировку приводов подвижных органов ПР в аварий-
47
ных случаях, связанных с отсутствием контрольных сигналов
выполнения команд, неисправностями отдельных узлов системы
управления и выходом захватного устройства из предельной
зоны обслуживания.
Как правило, в позиционной СПУ предусматриваются три ре-
жима работы: обучения робота, ручной и автоматический. В каж-
дом режиме работы система реализует характерные алгоритмы
управления.
В режиме обучения алгоритм управления описывается сле-
дующим образом: по индикатору номера кадра оператор с пульта
управления устанавливает необходимый кадр программы (обычно
начиная с первого) для записи в него информации; с помощью
пульта обучения, связанного с приводами степеней подвижности
манипулятора, оператор перемещает захватное устройство в тре-
буемую точку пространства и ориентирует его относительно
приспособления или детали, если это необходимо; оператор про-
водит запись в указанный кадр информации о положении захват-
ного устройства в координатах манипулятора, пользуясь пультом
обучения или пультом управления системы; запись технологи-
ческих команд, команд на манипулятор и вспомогательных команд,
указанных в кадре программы, выполняется оператором с пульта
управления системы. Все последующие кадры программы запи-
сываются аналогичным образом,
В ручном режиме манипулятором управляют от пульта управ-
ления системы и приводят оперативную коррекцию записанной
программы.
При автоматическом режиме алгоритм управления обеспечи-
вает реализацию следующих функций: позиционирование захват-
ного устройства манипулятора с заданной точностью и последова-
тельностью; выполнение команд управления электроавтоматикой
манипулятора (зажим-разжим захватного устройства, его смена
и т. д.) и технологических команд в заданном порядке по отноше-
нию к позиционированию; контроль выполнения указанных команд
по кадрам с блокировкой системы или сменой программы; син-
хронизацию технологических переходов в цикле по сигналам
информационных датчиков и по времени; индикацию режимов
работы робота и сигнализацию аварийных состояний.
Указанные требования к позиционным СПУ ПР могут быть
удовлетворены при условии наличия достаточного разнообразия
структурных схем построения этих систем. Критериями их оценки,
безусловно, являются надежность, стоимость, сложность, габа-
ритные размеры и целый ряд других эксплуатационных и техни-
ческих параметров. В целом структуру ПСПУ можно рассматри-
вать как конечный автомат с микропрограммным управлением.
Спецификой позиционной СПУ ПР как цифрового автомата яв-
ляется то, что она — часть РТК, состоящего из ПР и обслуживае-
мого оборудования, с которыми она связана посредством датчиков
положения и информационных датчиков.
48
2.3.	Аналого-позиционные системы
программного управления.
Описание, характеристики
Для управления роботами типа «Универсал», снаб-
женными потенциометрическими датчиками положения, исполь-
зуется аналоговая СПУ типа АПС-1. В отечественной робото-
технике эта система не имеет аналогов, за рубежом ближайшим
аналогом является СПУ ПР «Versatran-500P» (Великобритания)
[52]. Однако можно отметить целый ряд существенных различий
в конструкциях вводного устройства, накопителя, устройства
формирования характеристики разгон-замедление, привода ука-
занных СПУ.
Техническая характеристика АПС-1
Тип управления ................................
Число управляемых по программе степеней подвиж-
ности .........................................
Число программируемых точек по степеням подвиж-
ности:
1—3........................................
4—6........................................
Программоноситель..............................
Емкость программоносителя, бит.................
Число кадров в' программе......................
Метод программирования.........................
Тип датчиков положения.........................
Число команд, одновременно выдаваемых на мани-
пулятор и технологическое оборудование, . . . .
Выход команд на манипулятор и технологическое
оборудование ..................................
Число программируемых выдержек времени. . . .
Диапазон регулирования, с .....................
Электропитание ................................
Потребляемая мощность, В А ......................
Габаритные размеры, мм...........................
Масса без упаковки и запасных частей, кг . . . .
Элементно-конструктивная база....................
Аналого-позиционный
6
14
7
Штекерный барабан
1920
60
Обучение
Многооборотные потен-
циометры ППМЛ-М20
1
Релейный
3
0 ... 25
От однофазной сети пе-
ременного тока напряже-
нием 220 В с допустимым
напряжением (50±1) Гц
900
535X650X 1205
160
Интегральные микросхе-
мы серин К-155 в сочета-
нии с дискретными эле-
ментами
В рассматриваемой системе программирование точек позицио-
нирования, команд на манипулятор и технологических команд
осуществляется в двоичном коде, программирование вспомога-
тельных команд — в унитарном коде. Диапазон выбора выдержки
времени составляет 0 ... 25 с (плавное регулирование), диапазон
выбора точности позиционирования 20 и 200 мВ (фиксированное
значение).
49
Последовательность отработки информации, программируе-
мой в кадре, включает позиционирование по координатам, команды
на манипулятор, технологические команды, выдержку времени
с обеспечением контроля выполнения отдельных переходов.
Тип накопителя потенциометрический одноадресный шести-
координатный с индикацией номера потенциометра по каждой
координате. Емкость накопителя: по степеням подвижности 1—
3 составляет 14 потенциометров, по степеням подвижности 4—
6—семь потенциометров. Предусмотрен режим обучения и авто-
матический режим АПС-1 при автономном управлении и от ЭВМ.
При автономном управленйи в режиме обучения обеспечи-
ваются: подача технологических команд с пульта системы, под-
ключение измерительного прибора к датчику положения; управле-
ние электроприводом от пульта обучения; подача команд на
манипулятор от пульта обучения; блокировка следящего режима
степеней подвижности по положению, контроль установки движ-
ков задатчиков с погрешностью не более ±5 мВ при отключенной
цепи нагрузки; старт-стопный и ускоренный перевод барабана
с пульта системы; блокировка электропривода, аварийная подача
команды на блокировку выходных цепей электропривода от пульта
обучения.
Пульт обучения соединяется с системой посредством кабеля
длиной до 6 м и обеспечивает плавное регулирование скорости
перемещения по всем степеням подвижности. Включение степеней
подвижности раздельное с помощью трехпозиционных переклю-
чателей. Диапазон регулирования скорости 0 ... 0,25.
При автономном управлении в автоматическом режиме обеспе-
чиваются блокировки подачи технологических команд с пульта
системы и управления от пульта обучения, а также индикация
автоматического режима. В режимах обучения и автоматическом
предусмотрено включение-выключение гидростанции от кнопок,
расположенных на пульте системы.
При управлении от ЭВМ в режиме обучения обеспечиваются
обучение системы, запись программы в накопитель ЭВМ и по-
кадровый ввод программы в буферный регистр системы с пульта
оператора, контроль правильности ввода кадров программы.
При управлении от ЭВМ в автоматическом режиме обеспечиваются
требования автоматического режима: блокировка устройства пе-
ревода барабана и устройства считывания системы; покадровый
автоматический ввод программы в буферный регистр системы
по сигналу окончания отработки очередного кадра; покадровая
автоматическая отработка программы, записанной в буферный
регистр системы; автоматический контроль правильности ввода
кадра программы в систему; блокировка системы при ошибках
ввода программы с индикацией сбоя. Длина кабеля,связывающего
систему с ЭВМ, не превышает 50 м.
Параметры выходного сигнала для управления электропри-
водом: вид сигнала — знакопеременный уровень напряжения;
50
Таблица 2.1
Информация	Номер точки позиционирования захватного устройства по степеням подвижности												
	1		2		3		4		5			6	
Разряды	1—4		5-8		9—12		13—15		16—18			19—21	
Код	Двоичный												
Информация	Номер-* вспомога- тельных команд			Номер команды						Сброс команд ма- нипулятора	Контроль освети- теля		Уско- ренный переход
	ско- ро- сти	точ- ности		на мани- пулятор		техноло- гической		задерж- ки цик- ла					
Разряды	22	23		24—26		27—30		31, 32		33	34		35
Код	Унитарный			Двоичный						Унитарный			
число независимых каналов управления 6; пульсация выходных
сигналов не должна превышать 10 мВ; дрейф выходного сигнала
не более ±5 мВ; допустимый уровень наводок на нагрузке 5 кОм
не более 5 мВ (измеряется на выходном разъеме АПС-1).
Элементно-конструктивная база — интегральные микросхемы
серии 140 и 155, полупроводниковые элементы и реле. Время
непрерывной работы системы 16 ч.
Выходная характеристика системы нелинейная и должна
допускать регулирование коэффициента передачи по отношению
к сигналу датчика в пределах 1 ... 5 при входном сигнале не
менее 0,1 В, а при входном сигнале 1,5 ... 10 В выходное напря-
жение должно составлять 4,5 ... 5,5 В на активной нагрузке
5,1 кОм.
Конструктивно система выполнена в виде напольного шкафа
и связана с роботом и электроприводом ЭПТ гибкими кабелями.
Состав кадра приведен в табл. 2.1. Номер точки позиционирования
захватного устройства по каждой степени подвижности програм-
мируется раздельно. Введены вспомогательные команды програм-
мирования скорости, точности, ускоренного перевода барабана.
Команда программирования скорости используется при не-
обходимости понизить скорость движения захватного устройства,
которая регулируется в широких пределах оператором с помощью
потенциометра, установленного на плате формирователей харак-
теристики разгона-замедления.
Команда программирования точности используется для уве-
личения быстродействия процесса позиционирования в проме-
жуточных положениях захватного устройства, когда не требуется
51
высокой точности его установки. Быстродействие увеличивается
за счет увеличения зоны нечувствительности измерительной цепи
системы. Ускоренный перевод барабана необходим для увеличе-
ния быстродействия вводного устройства. Кадры программы,
в которых задана указанная команда, не считываются, а перевод
барабана осуществляется в непрерывном режиме с повышенной
скоростью. Команда применяется для пропуска не заполненных
программой строк барабана.
Команды на манипулятор двухпозиционные, т. е. обеспечи-
вается их включение и выключение по программе. Программирова-
ние включения любой из семи команд предусмотрено в 24, 25
и 26-м разрядах кадра. Выключение указанной команды проис-
ходит при наборе команды «Сброс команд манипулятора» в 33-м
разряде кадра.
Система может работать в трех режимах: ручном, автомати-
ческом и от ЭВМ.
2.4.	Контурные и контурно-позиционные системы
программного управления
В качестве примера подобной СПУ приведем микро-
процессорную СПУ, предназначенную для управления сварочным
ПР СУР-МС при автоматизации дуговой сварки плавящимся
электродом в среде защитного газа. Система выполнена в виде
автономного устройства, отвечающего современным требованиям
к изделиям подобного класса.
Техническая характеристика МПСУ
Тяп управления.............................. Позяцяонно-контур ное
числовое
Тяп датчиков положения...................... 15-разрядные кодовые
датчики мод. ФЭП-15
с дискретностью задания
по степеням подвижности
±1 ед.
Число одновременно управляемых по программе
степенен подвижности:
в контурном режиме..................................... 6
• в позиционном ......................................... 1
Время хранения программы пользователя при от-
ключения пятаняя, ч, не менее............................. 120
Число дискретных команд:
на технологическое оборудование........................ 15
на манипулятор ПР ...................................... 6
на сварочное оборудование............................... 8
Команды выдаются нормально открытыми н нормально
замкнутыми контактами реле РЭН-34................
Число ответных сигналов, прием которых обеспечи-
вает устройство:
от технологического оборудования...................... 15
от манипулятора ПР..................................... 4
от сварочного оборудования ............................ 8
Диапазон регулирования приводов, обеспечиваемый
52
устройством, не менее .................................... 2000
Показатели надежности:
наработка на отказ, ч, не менее ....................... 3000
Габаритные размеры, мм, не более ...................... 756X620X	1650
Масса, кг, не более ....................................... 300
Устройство выполнено в виде комплекта модулей и включает
следующие модули: ввода и вывода (ВВ/ВЫВ), пять централь-
ных процессорных устройств (ЦПУ-1—ЦПУ-4 и пульт обучения),
модуль памяти, пульт оператора, дисплей, модуль интерфейса,
накопитель на магнитной ленте (НМЛ).
Задание программы в устройство осуществляется путем про-
граммирования положения захватного устройства манипулятора
ПР методом обучения и аналитического программирования команд
управления. МПСУ обеспечивает управление двигателями по-
стоянного тока при уровне максимального напряжения на якоре
ПО В, на обмотке возбуждения 27 В. Мощность двигателей по
степеням подвижности 1, 2, 3, 7 — не более 2 кВт, по степеням
подвижности 4, 5, 6 — до 1 кВт. Питание осуществляется от трех-
фазной сети переменного тока 380/220 В % частотой 50 Гц.
Потребляемая мощность — не более 12 кВт. Пульт устройства
встроен в стойку и является его неотъемлемой частью. Пульт
обучения выполнен в виде конструктивно законченного узла
и подсоединяется к МПСУ через разъем посредством экранирован-
ного кабеля длиной по 15 м.
Элементно-конструктивная база МПСУ — интегральные ми-
кросхемы серий 140, 155, 537 , 541, 561, 580 , 589 в сочетании
с дискретными элементами.
МПСУ обеспечивает выполнение следующих режимов работы:
задание параметров; формирование и редактирование управля-
ющей программы; покадровое выполнение управляющей про-
граммы; автоматическое выполнение управляющей программы;
тестовый режим.
С пульта МПСУ вводятся в программу следующие параметры
манипулятора ПР: значение смещения исходного положения
манипулятора относительно положения, в котором кодовые дат-
чики имеют нулевые показания; пределы допустимых изменений
положения отдельных степеней подвижности ПР; максимальные
значения скоростей перемещения по отдельным степеням подвиж-
ности и скорости контурного движения; передаточные отношения
(угол поворота конечного вала на один импульс сварочной головки);
длина сварочной головки.
При определении условий сварки задаются следующие пара-
метры: ток, напряжение и скорость сварки, ток и напряжение
заварки кратера, время предварительной подачи защитного газа,
время на формирование дуги, время заварки кратера, время
заключительной подачи газа.
53
При формировании и редактировании управляющей программы
реализуются переходы к следующему и предыдущему кадрам,
переход к кадру с заданным номером, вставка и удаление кадра
из заданного места управляющей программы, ввод и изменение
заданного кадра.
Управляющая программа включает до 1280 кадров и до 200
меток, определяющих кадр, на который передается управление.
Ввод кадров управляющей программы производится с исполь-
зованием экранных пультов индикации и подсказок, реализован-
ных программно на экране дисплея.
МПСУ обеспечивает следующие типы и режимы движения
манипулятора ПР: по отдельным степеням подвижности (до
трех одновременно); в декартовых координатах с сохранением
ориентации рабочего органа; движение с высокой скоростью;
движение с низкой скоростью; движение с приращением.
Обучение ПР с помощью МПСУ осуществляется в ручном
режиме и методом аналитического программирования.
МПСУ обеспечивает задание скоростей движения манипуля-
тора следующим образом: при движении без выполнения сварки
программируемых скоростей; при движении в режиме «сварка»
скорость определяется номером условий сварки, который можно
изменять в процессе сварки.
МПСУ позволяет реализовать следующие условия окончания
движения: с выполнением точного позиционирования в заданной
точке; с проходом к выполнению следующей команды программы
после начала движения. Во всех случаях отработка перемещений
по всем степеням подвижности манипулятора ПР оканчивается
одновременно.
При работе с НМЛ происходит формирование магнитной ленты,
запись содержимого ОЗУ по одному из девяти каналов, считывание
в ОЗУ содержимого одного из девяти каналов по команде опера-
тора, автоматическое чтение содержимого одного из девяти ка-
налов перед выполнением первой команды управляющей про-
граммы в зависимости от состояния соответствующих внешних
входов.
МПСУ обеспечивает:
движение манипулятора ПР в позиционном режиме, по прямой
с интерполяцией в реальном масштабе времени (частота интер-
поляции 2 Гц), по окружности с интерполяцией в реальном мас-
штабе времени (частота интерполяции 2 Гц);
условную передачу управления на заданный кадр в зависи-
мости от состояния входных сигналов, содержимого счетчиков
и таймеров устройства, а также условий окончания позициони-
рования манипулятора ПР;
передачу управления одной из 15 подпрограмм, находящихся
в оперативной памяти, в зависимости от состояния соответству-
ющих внешних входов;
возврат после выполнения подпрограммы;
54
установку значения десяти счетчиков в диапазоне 0 ... 255;
установку значений четырех таймеров в диапазоне 0 ... 99,9
с дискретностью 0,1 с;
установку и сброс любой комбинации выходных сигналов на
технологическое оборудование;
остановку движения манипулятора ПР в текущем положении;
подготовку начала сварки с выбором одного из условий сварки,
завершения сварки с заваркой кратера.
В процессе работы МПСУ на дисплее осуществляется индика-
ция текущего положения манипулятора ПР (положение отдельных
звеньев в градусах, миллиметрах и декартовы координаты рабо-
чего органа в миллиметрах), текущих значений переменных со-
стояния процесса (содержимого счетчиков и таймеров, состояний
входов и выходов технологического оборудования).
МПСУ обеспечивает обнаружение, диагностирование и об-
работку следующих аварийных состояний и ошибочных действий
оператора:
аварийной остановки (при нажатии соответствующих клавиш
на пульте оператора и пульте обучения);
срабатывания защиты привода, конечных выключателей, ли-
митирующих диапазон движения отдельных степеней подвиж-
ности манипулятора ПР;
выход манипулятора за программно установленные пределы
изменения значений координат в процессе интерполяции;
ошибок выполнения программы, связанных с неверной после-
довательностью команд вызова и возврата из подпрограмм и
отсутствием меток;
ошибок неправильной работы НМЛ;
аварийных ситуаций, возникающих в процессе выполнения
вследствие сварки ввода оператором неверных данных, отсутствия
связи между пультом обучения и МПСУ.
Тестовые программы включают тесты отдельных процессорных
плат, микропроцессорных связей, платы ввода-вывода, платы
управления дисплеем, НМЛ. При работе в этом режиме на экране
дисплея должна воспроизводиться индикация, отражающая со-
стояние и результаты выполнения тестов.
Схемно-конструктивные решения позволяют сохранить рабо-
тоспособность при действии в электрической сети питания им-
пульсных помех длительностью 10 мкс амплитудой до 600 В.
2.5.	Выбор приводов
Структура, классификация, особенности применения.
Привод робота можно определить как устройство для преобразо-
вания сигналов, поступающих от системы управления, в механи-
ческое перемещение исполнительных звеньев.
Структурно это устройство содержит ряд преобразователей
энергии (рис. 2.4).
55
Рис. 2.4. Структура привода ПР:
СУ — система управления; МС — механическая система
Ниже будут рассмотрены управляющие элементы привода.
Привод в значительной степени определяет структуру и пара-
метры как системы управления, так и механической системы.
Прежде чем приступить к конструированию ПР, необходимо
выбрать тип привода его основных движений.
Для решения задачи выбора типа привода представляются
существенными следующие признаки классификации приводов:
по виду энергоносителя, виду исполнительных двигателей, способу
регулирования поступающей и отводимой от механической системы
энергии.
По виду энергоносителя различают следующие типы приводов:
электрический,' пневматический, гидравлический и их комбина-
ции. Не вдаваясь в подробный анализ преимуществ того или иного
типа привода, которому посвящено большое количество публика-
ций, рассмотрим только некоторые основные особенности, суще-
ст иные для использования в роботах. При наличии централи-
зованной пневмосети на первое место выступают такие преиму-
щества пневмопривода, как дешевизна, конструктивная простота,
высокая надежность, пожаробезопасность. Основной недостаток
пневмопривода — трудность реализации следящего привода из-за
высокой сжимаемости энергоносителя. Поэтому пневмопривод
используется главным образом в ПР с цикловым управлением
(с позиционированием исполнительных звеньев по жестким регу-
лируемым упорам). Другой недостаток пневмопривода связан
с ограничением давления энергоносителя, которое не должно пре-
56
вышать (39 ... 49) 10* Па, что приводит к большим, чем у ПР
с гидроприводом, габаритным размерам исполнительных дви-
гателей.
Осуществление следящего привода для ПР с программиру-
емыми перемещениями возможно как на базе электрического, так
и гидравлического приводов. Однозначного решения о преиму-
ществе того или другого типа привода в настоящее время не суще-
ствует.
Основные преимущества электропривода перед гидроприво-
дом — это простота обслуживания, отсутствие утечек масла,
высокий КПД, отсутствие дополнительных преобразователей энер-
гии в виде гидростанции, более низкий уровень шума. Преимуще-
ствами гидропривода являются компактность и малая масса
исполнительных двигателей, низкая постоянная времени и более
простое управление маломощными электрогидравлическими пре-
образователями по сравнению с управлением мощными электро-
моторами постоянного тока.
По виду исполнительных двигателей можно выделить следу-
ющие приводы: с двигателями поступательного прямолинейного
перемещения (гидроцилиндры, пневмоцилиндры, линейные
электродвигатели); с вращательными малооборотными двигате-
лями (роторные гидро- и пневмоцилиндры, радиально-поршневые
гидромоторы); с высокоскоростными вращательными двигателями
(электродвигателями, аксиально-поршневые гидромоторы, пнев-
модвигатели). Приводы первых двух типов в некоторых случаях
могут соединяться с исполнительными звеньями без передаточных
механизмов, т. е. непосредственно или с помощью компенсиру-
ющих муфт. При этом конструкция механической системы значи-
тельно упрощается. Для приводов третьего типа редукторы
необходимы для согласования скоростей движения и силовых
характеристик ведущих валов двигателей и исполнительных
звеньев.
По типу управления можно различать: 1) разомкнутые при-
воды с позиционированием по жестким механическим или элек-
трическим упорам; для этих приводов характерно использование
цикловых систем управления, так как в этом случае значение
перемещения не программируется, а устанавливается заранее
регулировкой упоров; 2) разомкнутые приводы с цифровым управ-
лением, в которых в качестве двигателей могут быть использованы
шаговые электромоторы или составные цилиндры (позиционеры);
3) следящие приводы, замкнутые с обратной связью по положению,
а также по некоторым другим параметрам (скорости, силе и др.).
В настоящее время в ПР чаще всего используют следящие
гидропривод и электропривод постоянного тока. Эти приводы
пригодны как для позиционных, так и для контурных систем
управления.
По- способу регулирования энергии, подводимой к механи-
ческой системе и отводимой от нее, приводы делят на активные
57
и пассивные [42]. В активном приводе регулируются активные
силы, задаваемые двигателем, в пассивном приводе — силы,
отбираемые от механической системы (тормозные силы). Боль-
шинство используемых в настоящее время в ПР приводов являются
активными. К пассивным можно отнести приводы цикловых ПР,
в которых для отбора мощности из системы используются демп-
феры различных конструкций. Примером регулируемого пассив-
ного привода является привод робота РМ-12 фирмы РАТ-12
(ФРГ) [54], где отбор мощности от системы осуществляется регу-
лируемым электромагнитным тормозом, который через передачи
связан со штоком пневмоцилиндра, являющегося двигателем
привода. Применение пассивного привода может служить спосо-
бом увеличения его жесткости, так как регулируемые тормозы
могут быть установлены непосредственно на звеньях исполнитель-
ной кинематической цепи, жестко связывая их между собой
и устраняя влияние податливости элементов привода на общую
жесткость манипулятора. Однако это улучшение характеристик
достигается за счет усложнения конструкции механической си-
стемы.
При выборе типа привода совместному рассмотрению должен
быть подвергнут ряд факторов, связанных с предполагаемым
функционированием ПР. К ним относятся назначение ПР, его
технические характеристики, условия эксплуатации, характе-
ристики объектов, с которыми ПР должен взаимодействовать,
факторы технико-экономического характера, такие, как про-
стота и технологичность конструкции, стоимость комплектующих
материалов, простота и периодичность обслуживания и ремонта,
энергоемкость и др. Немаловажную роль при выборе типа при-
вода играет также наличие тех или иных комплектующих изделий
и их качество. Наконец, выбор типа привода должен происходить
одновременно с определением типа и структуры системы управ-
ления.
Применение пневматического привода для ПР с программиру-
емыми перемещениями в настоящее время очень ограниченно.
В качестве примера можно привести робот РС-3, в котором исполь-
зуются составные дискретные пневмоцилиндры, робот РМ-12
с позиционным управлением на основе пневмопривода с управля-
емым электрическим тормозом и робот ?ЛП-8, где торможение
осуществляется подачей противодавления в выхлопную полость
пневмоцилиндра, а удержание двигателя в запрограммированных
позициях обеспечивается специальным пневматическим тор-
мозом [54].
Как правило, для универсальных ПР применяются гидро- или
электроприводы. При этом возможны два варианта: разомкнутый
дискретный привод и замкнутый следящий привод. Дискретный
привод может быть либо чисто электрическим, как это имеет место
в роботе «Sundstrand* (США), либо электрогидравлическим, когда
маломощные электрические шаговые двигатели вращают золотник
58
Рис. 2.5. Схема манипулятора, ра-
ботающего в сферической системе
координат
гидроусилителей крутящих момен-
тов, например в ПР СМ-40, УМ160
[1] и ИЭС-1 [22]. Вопрос о выборе
разомкнутого или замкнутого при-
вода решается разработчиком системы
управления. Эксплуатационные ка-
чества приводов обоих типов равно-
ценны. Оба типа позволяют создавать
как позиционные, так и контурные
системы управления. Отметим, что
при использовании разомкнутого при-
вода могут накапливаться ошибки
позиционирования вследствие слу-
чайных пропусков импульсов, а ор-
ганизация обучения ПР по первому
циклу сложнее, чем у ПР со следя-
щим приводом. В большинстве уни-
версальных ПР применяется следя-
щий привод, замкнутый по положе-
нию. В отечественных ПР используются как электропривод
постоянного тока («Универсал-5», РПМ-25), так и следящий
гидропривод («Универсал-15.06») и комбинированный электро-
гидропривод («Универсал-15.01», «Универсал-60»).
Энергетические характеристики привода. После выбора типа
привода ПР и, следовательно, вида исполнительных двигателей
важной задачей является нахождение мощности двигателя и после-
дующий выбор его конкретной модели. Точно определить мощность
привода на стадии проектирования не представляется возможным
ввиду отсутствия истинных значений массы звеньев и координат
их центров масс. Поэтому на стадии проектирования необходимо
сделать ряд допущений и приближений, которые тем не менее
позволяют вполне удовлетворительно оценить значение мощ-
ности привода.
Рассмотрим в качестве примера манипулятор, работающий
в сферической системе координат (рис. 2.5). В техническом зада-
нии на проектирование обычно задаются следующие параметры:
т — грузоподъемность манипулятора или масса переносимого
груза, кг; г — максимальный радиус действия, м; <p1>a, S — макси-
мальные перемещения груза по координатам, рад, м; <oJi2, v —
номинальная скорость перемещения груза по координате, рад/с
(м/с).
Мощность двигателя вращательной степени подвижности
Ns = (<о/т)) (Л4Н4-Л4И),
(2-1)
где т) — КПД передач, связывающих двигатель с исполнитель-
ным звеном; Л4Н — момент неуравновешенности, возникающий
от неуравновешенных масс (включая переносимый груз) относи-
59
тельно оси вращения, Н.м; Ми —динамический (инерционный)
момент, возникающий в периоды разгона и торможения, Н.м.
Динамический момент
Ми = /и8,	(2.2)
где JB — момент инерции вращающихся частей манипулятора,
кг.м2; е — угловое ускорение, рад/с2.
Для оценки динамического момента сделаем следующие допу-
щения: закон изменения скорости по координате — трапеце-
идальный, т. е. разгон и замедление происходят с постоянным
ускорением; длина пути разгона <рр (Sp) равна длине пути за-
медления (торможения) <pT (ST) и составляет некоторую часть
общего пути перемещения <p (S) : фр = фт = Кхф.
Коэффициент Ki определим исходя из следующего. При за-
данной скорости (со, v) перемещений по степени подвижности
быстродействие будет тем больше, чем меньше Ki- Но слишком
малое значение Ki вызовет большие динамические перегрузки
на механизмы привода, что приведет к преждевременному выходу
из строя ПР. Зададимся допустимым значением перегрузок,
равным 1,5. При этом максимальное ускорение переносимого
груза и элементов конструкции ПР не превысит g/2, или 5 м/с2.
Для привода ПР с линейным перемещением на 1 м со скоростью
1 м/с длина пути разгона Sp = (а/2) (v/a)2 = 0,1 м, а Ki = Sp/S =
= 0,1. Этим значением Ki будем пользоваться в дальнейшем при
ориентировочных расчетах мощности.
Ускорение, выраженное через параметры, заданные в техни-
ческом задании, имеет вид
е = <о2/(2/Схф).	(2.3)
Момент инерции
4 = + =	(2.4)
где Jr = тг2 — момент инерции от массы полезного груза на
максимальном радиусе вращения; JM — момент инерции враща-
ющихся частей манипулятора при максимальном радиусе пере-
носа; К2 — коэффициент конструкции.
По результатам расчетов для существующих конструкций
роботов «.Ultimate», «Универсал-50», «Универсал-15.01» коэффи-
циент К2 = 1,8 ... 2,3.
Примем Кг — 2. Подставляя значения величин из формул (2.3)
и (2.4) в формулу (2.2), получим выражение для динамического
момента
Л4И = K2mrW/(2K^).	(2.5)
Момент неуравновешенности
/WH = K^nigr sin а,	(2.6)
где Кз = M.uKtngr) — коэффициент конструкции, учитывающий
момент неуравновешенности подвижных частей относительно оси
60
вращения; а — угол накло-
на плоскости вращения к
горизонтальной плоскости
Подставляя формулы
(2.5), (2.6) в формулу (2 1),
получим выражение для
расчета мощности привода
вращательных степеней по-
движности
Лг _ arm ( К2 г<о» .
в ~ г) ( 2*1 Ф +
+ X8gsina). (2.7)
Рис. 2.6. Расчетная схема механизма радиаль-
ного хода
Для механизма враще-
ния руки относительно
вертикальной оси угол а = 0. При значениях Ki = 0,1 и /С2 = 2
получим мощность, Вт,
Мвх = 10/пг2(о8/(г1ф).
(2-8)
Для координаты с прямолинейным поступательным движением
мощность привода
ЛГи = (*Л1)(Ри + Рн),	(2.9)
где Ри — инерционная сила, действующая на привод в период
разгона и замедления, Н; Рв — сила, действующая на привод
от неуравновешенных масс (в том числе переносимого груза), Н.
Для механизма радиального выдвижения руки робота, схема
которого дана на рис. 2.6,
Ри = Ktfna,	(2.10)
где Kt — коэффициент конструкции, учитывающий массу подвиж-
ных частей манипулятора; Kt = тв1т (здесь — общая масса
перемещающихся частей).
Рассуждая, как в случае с вращательной координатой, найдем
выражение для линейного ускорения а и инерционной силы Рв:
а = ^/(2^5); Ри = KttmPI^KiS).	(2.11)
Сила Рв возникает от массы перемещающихся частей манипу-
лятора. Наихудший вариант нагружения привода возникает при
максимальном угле наклона а:
Рн = m^g sin а = Kt>ng sin а.
Мощность прямолинейного движения
=	(2.12)
61
Для приводов с горизонтальным перемещением а = 0, на-
пример для манипуляторов, работающих в цилиндрической си-
стеме координат. Тогда при = 0,1 и = 2
7Vnx — lOmo’/foS).	(2.13)
Для приводов с вертикальным перемещением а ~ 1,57 рад и
^ = l^L(-g-+l).	(2.14)
Если для привода используется высокоскоростной двигатель,
то возникает проблема выбора передаточного числа механизма,
связывающего двигатель с исполнительным звеном. В том случае,
если в приводе преобладают неуравновешенные нагрузки, пере-
даточное число
i = Л4н/(Л4дП),
где Л1д —момент на валу двигателя.
В том случае, если в приводе значительную роль играют дина-
мические нагрузки, появляется возможность варьировать пере-
даточное число в широких пределах. При этом с увеличением i
быстро уменьшается приведенный к валу двигателя момент инер-
ции нагрузки и, следовательно, уменьшается время разгона до
номинальной частоты вращения и торможения до нуля. Вместе
с этим уменьшается номинальная скорость установившегося
движения исполнительного звена. При уменьшении i скорость
установившегося движения растет, но время разгона и торможения
увеличивается. В связи с этим возникает задача выбора оптималь-
ного I, при котором время перемещения груза по степени подвиж-
ности было бы минимальным. Для решения этой задачи необхо-
димо знать полное время перемещения груза.
Рассмотрим сначала вращательную степень подвижности.
Время поворота исполнительного звена на некоторый угол
/Ф = (0% 4- Л) ®д + «pi3Л1дИИт]]/(Л1динШд12'п),	(2.15)
где /д — момент инерции вращающихся частей двигателя с учетом
приведенного к валу двигателя момента инерции редуктора;
JH — момент инерции нагрузки, т. е. момент инерции исполни-
тельного звена плюс момент инерции полезной нагрузки; <од —
угловая скорость вала двигателя; Л4ДЯН — динамическая состав-
ляющая момента на валу двигателя.
Принимая в формуле (2.15) в качестве переменной величину i,
можно найти такое его значение, при котором /ф будет минималь-
ным. Оптимальное по быстродействию передаточное число редук-
тора, связывающего двигатель с исполнительным звеном,
iopt ~ 2йд7н/((рЛ1дИнг|) .	(2.16)
Формула (2.16) справедлива только для трапецеидального
закона перемещения, характерного для приводов, в котор’ых
62
приведенный момент инерции нагрузки превышает собственный
момент инерции двигателя. Поэтому при расчете по формуле
(2.16) следует проверять отношение /н. пр//ц> где7н. пр— момент
инерции привода. В том случае, если оно меньше единицы, под-
считывать передаточное число следует по формуле
» =	(2.17)
Так как в процессе работы ПР выполняют разнообразные
циклы, то передаточное число необходимо рассчитывать не по
конкретному значению перемещения, а по среднему арифметиче-
скому всех перемещений, составляющих цикл. Моменты инерции
в каждом из этих перемещений также могут различаться. Если
известен некоторый типовой цикл работы ПР, то оптимальное
передаточное число
i = 1/ 2<0д S /Ик / ( S ФлМдиитЛ	(2.18)
г	fe=l / \fe=l	/
где Jhk> Фь — соответственно момент инерции нагрузки и угол
поворота k-ro перемещения в типовом цикле, состоящем из п
последовательных перемещений. Ясно, что специализация ПР
может влиять на конструкцию передаточного механизма. Так,
ПР, предназначенный для точечной сварки, характеризующейся
множественным позиционированием в точках, находящихся на
близком расстоянии друг от друга, должен иметь другое переда-
точное число, чем, например, ПР, работающий на загрузке-раз-
грузке станков.
Для поступательных прямолинейных механизмов задача сво-
дится к подбору скорости v перемещения исполнительного звена.
В этом случае время перемещения руки ПР по прямолинейным
координатам в случае трапецеидального закона перемещения,
если JH. Пр > Уд,
is = 1(/д72+/Пн)<Од + 5/3Л1д„„п]/(Л1дИн <Од/2п).	(2.19)
Оптимальное по быстродействию / = <од/о найдем, дифферен-
цируя по / (2.19) и приравнивая производную нулю. Тогда
/ = 2шдт/(5Л1дииГ1)	(2.20)
или
V = к ^МдинИдлДг/Пн).	(2.21)
По формуле (2.21) можно подсчитать оптимальную линейную
скорость исполнительного звена, что позволит выбрать нужные
параметры передаточного механизма: диаметр зубчатого колеса
в реечной передаче, ход винта в винтовой передаче и т. д.
Краткая методическая схема расчета энергетических пара-
метров привода следующая.
63
1.	Ориентировочный расчет по данным технического задания
мощности двигателя [формулы (2.7)—(2.9), (2.12)—(2.14)1.
2.	Выбор по каталогам подходящих по мощности двигателей
с различными юд и Л4Д.
3.	Расчет оптимальных по быстродействию передаточных чисел
для каждого двигателя [формулы (2.16)—(2.18), (2.20) и
(2.21)1.
4.	Выбор двигателя, обеспечивающего наименьшее время от-
работки типового цикла перемещений и наиболее компактную
конструкцию.
Формулы (2.15) и (2.19) могут быть использованы для прибли-
женных расчетов циклограмм работы ПР.
2.6. Агрегатно-модульный принцип построения ПР
Методы создания конструкций ПР. Универсальные ПР
вследствие их сложности имеют относительно высокую стоимость,
а число их степеней подвижности во многих случаях превышает
потребности конкретного применения. Специализированные ПР
характеризуются большой номенклатурой и малыми объемами
выпуска. Одним из путей, способствующих разрешению указан-
ных противоречий, является построение ПР на агрегатной основе.
Разновидностью агрегатного построения ПР является так назы-
ваемый модульный принцип построения. Под этим обычно под-
разумевается создание ПР на базе функциональных модулей
(узлов), имеющих все необходимые элементы, включая приводы,
датчики обратной связи и другие, необходимые для обеспечения
работы модуля. Для построения ПР модули соединяют между
собой в требуемом порядке; производится подсоединение силовых
и управляющих коммуникаций.
Модульный принцип построения ПР по сравнению с агрегат-
ным обеспечивает большие удобства при создании и перестройке
ПР и позволяет сократить число узлов, входящих в конкретный
ПР. К числу недостатков этого принципа построения следует
отнести увеличение номенклатуры модулей за счет включения
в модуль привода и датчиков обратной связи; сложность и в ряде
случаев «избыточность» модулей; сложность использования одних
и тех же модулей при различных системах управления.
Таким образом, становится очевидным, что ни один из рассмо-
тренных методов нс может быть признан оптимальным для созда-
ния ПР различного назначения.
Классификация агрегатно-модульных ПР и основные требо-
вания к ним. Приемы и принципы, используемые отдельными
проектировщиками при создании агрегатно-модульных конструк-
ций ПР, различны. Еще не разработаны агрегатные системы,
обеспечивающие создание ПР с большим разнообразием функций,
компоновок, с широким диапазоном основных характеристик
(по грузоподъемности, скорости, размерам и форме зон обслужи-
64
вания), с возможностью использования различных систем управ-
ления и приводов.
Классификация агрегатно-модульных конструкций ПР может
быть осуществлена по следующим основным признакам, важным
при разработке агрегатных гамм и систем: по компоновке, воз-
можности изменения технических характеристик ПР в пределах
одной агрегатной гаммы, по применению систем управления.
Указанные признаки могут встречаться в различных сочетаниях.
По компоновке агрегатно-модульные конструкции ПР условно
могут быть разделены на две группы:
ПР на базе одной принципиальной компоновочной схемы
(однотипные роботы). Конкретные исполнения ПР, относящиеся
к этой группе, различаются характером комплектации (систе-
мами управления, дополнительными кинематическими модулями,
расширяющими подвижность базовой модели, типами приводов,
изменяющих энергетические показатели конструкции, и т. п.);
агрегатные ПР, обеспечивающие получение нескольких прин-
ципиально различных компоновочных схем (разнотипные роботы)
и разнообразных зон обслуживания.
По возможности изменения технических характеристик ПР
агрегатные гаммы могут быть разделены на следующие группы:
гамма ПР с постоянными значениями основных технических
показателей;
гамма ПР широкого назначения, обеспечивающая получение
их модификаций с большим диапазоном основных характеристик.
По применяемым системам управления различают агрегатные
гаммы:
комплектуемые системой управления одного типа;
обеспечивающие построение мидификаций ПР, комплектуемых
системами управления различных типов;
допускающие комбинированное комплектование модифика-
ций механических систем различными типами систем управления,
входящих в свой унифицированный ряд.
Основные конструктивные требования. Одним из важных тре-
бований при агрегатно-модульном построении ПР является кон-
структивное формирование отдельных его составляющих по функ-
циональному признаку. В этой связи агрегатные узлы должны
быть по возможности законченными и конструктивно самосто-
ятельными механизмами.
В составе гаммы агрегатных узлов механической системы
должен быть предусмотрен унифицированный ряд базовых кине-
матических модулей. В данном случае под кинематическим моду-
лем понимается агрегатный узел, включающий привод, аппаратуру
управления и клеммные разъемы для подсоединения к устройству
управления. Конструкции узлов должны удовлетворять требо-
ваниям динамики, прочности, жесткости в пределах отдельных
типоразмеров', установленных соответствующими проектными нор-
мативами. Агрегатные узлы механической системы ПР должны
3 П/р Я. А. Шифрина
65
обеспечивать взаимную компоновку в различных сочетаниях
и положениях, а их монтаж должен быть простым и надежным.
Для систем управления и автоматики должна быть предусмо-
трена возможность укрепления на элементах механической си-
стемы ПР или раздельной установки.
Стыковочные элементы узлов однотипного назначения должны
быть унифицированы. Унификацию следует предусматривать
в пределах отдельных типоразмеров, смежных типоразмеров
и между отдельными типами узлов с установлением конкретной
номенклатуры типов таких узлов, деталей, принадлежностей
и приспособлений.
При создании агрегатно-модульных конструкций необходимо
минимизировать номенклатуру узлов и устройств, входящих
в их состав.
Конкретные модификации ПР, построенные из агрегатных
узлов, должны удовлетворять следующим требованиям:
конструктивно-технологические параметры ПР (грузо-
подъемность, скорости перемещений, погрешность позициони-
рования, размеры рабочей зоны, тип СПУ, степень защищенности
от влияния окружающей среды и т. п.) должны соответствовать
его функциональному назначению и требованиям конкретного
технологического процесса;
структурная схема ПР, его компоновка должны обеспечивать
минимальный объем манипуляционных действий, необходимых
для обслуживания конкретной модели основного технологического
оборудования или для выполнения определенной технологической
операции;
число степеней подвижности ПР не должно превышать мини-
мально необходимое для выполнения требуемых манипуляционных
действий, а технические показатели СПУ должны максимально (но
без избыточности) соответствовать требованиям конкретных техно-
логических задач (принцип минимизации конструктивного реше-
ния);
объем операций, выполняемых ПР, и темп их исполнения
в сочетании с суммой затрат на внедрение ПР должны обеспечивать
технико-экономическую эффективность применения ПР (нижняя
граница целесообразности применения ПР); верхняя граница
темпа работы робота устанавливается требованиями технологии
и (вместе с объемом возлагаемых на него операций) экономически
целесообразным техническим уровнем конструкции ПР.
Унификация и нормализация основных параметров ПР и узлов
является одной из основных задач при разработке агрегатно-
модульных конструкций.
С переходом к агрегатному построению ПР следование какому-
либо ряду грузоподъемности становится затруднительным, так как
номинальная грузоподъемность ПР определяется массой его
узлов и может значительно меняться при замене одного, узла
другим. Кроме того, грузоподъемность зависит от значений
66
ходов, типа выбранного привода. Необходимо учитывать также
возможности применения конструкций с исключением отдельных
движений и установки узлов в разных положениях, что также
оказывает влияние на грузоподъемность.
Таким образом, номинальная грузоподъемность, характери-
зующая гамму, может относиться лишь к ее наиболее характер-
ным модификациям или базовым моделям. Эта величина, приня-
тая за основу, служит исходной для задания энергетических
показателей приводных узлов гаммы.
Энергетические показатели агрегатных узлов и кинемати-
ческих модулей, такие как развиваемая мощность, сила или крутя-
щий момент, устанавливаются при разработке параметрических
рядов агрегатных систем.
Скорости и перемещения исполнительных органов агрегатных
узлов и кинематических модулей в настоящее время регламенти-
руются в пределах отдельных агрегатных гамм, построенных,
как правило, на основе какой-либо базовой модели ПР. Труд-
ности, возникающие при решении этой задачи, связаны с разнооб-
разием компоновок ПР и изменениями динамических показателей
конструкции при различных комбинациях стыкуемых модулей.
Проведенный анализ значений перемещений узлов существу-
ющих конструкций агрегатных ПР показывает, что они стре-
мятся к геометрическим рядам и, как правило, кратны 50 и 100.
Выбор конструкции и размеров стыковочных элементов узлов и
их нормализация являются основой для агрегатного построения ПР.
В существующих конструкциях агрегатных ПР применяются
два вида соединений узлов — клеммное и на винтах. Клеммы,
надетые на цилиндрические скалки, используют в основном в лег-
ких манипуляторах. Они позволяют достаточно просто регулиро-
вать линейное и угловое взаимное расположение узлов. При
соединении винтами на узлах предусматривают базовые плоскости
и крепежные отверстия. В ответственных случаях, когда предъ-
являются высокие требования к точности, используют базиру-
ющие отверстия. В узлах упрощенных манипуляторов выпол-
няется несколько стыковочных элементов, позволяющих уста-
навливать узлы в различных положениях. Перезакрепление
данных узлов позволяет изменять форму и расположение рабочей
зоны манипулятора.
Захватные устройства агрегатных ПР подвергают нормализа-
ции по грузоподъемности, наибольшему размеру захватываемой
поверхности объекта манипулирования, по конструкции и раз-
мерам элементов (мест) крепления к манипулятору.
Системы управления, комплектующие агрегатную гамму ПР,
должны быть унифицированы по внешним связям с оборудованием
и механической системой ПР. Задача унификации СПУ сводится
к созданию модификаций устройств управления из унифициро-
ванных функциональных блоков с комплектованием таких уст-
ройств в условиях завода-изготовителя.
3*
67
Глава
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИВОДОВ
И ПЕРЕДАТОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПР
3.1. Основы расчета гидравлических
и электрогидравлических приводов
Гидравлические и электрогидравлические приводы
находят применение в подъемно-транспортных ПР грузоподъем-
ностью 10 кг и выше с цикловой, позиционной и контурной СПУ.
В технологических ПР гидроприводы и электрогидравлические
приводы применяют при меньшей грузоподъемности. Например,
окрасочный ПР «Колер» грузоподъемностью 3 кг снабжен гидро-
приводом.
В [3, 22, 52, 54] подробно рассмотрены различные типы оте-
чественных гидроприводов. В настоящее время наиболее широко
применяются электрогидравлические следящие приводы следу-
ющих типов: ПЭГС с линейными гидроцилиндрами; СП с поворот-
ными гидродвигателями; Э32Г18-2 дискретные вращательного
движения; Г28-2 линейные дискретные.
В гидроприводах ПР с цикловыми СПУ в качестве исполни-
тельных двигателей используют линейные гидроцилиндры ЦРГ
с поступательным движением штока, поворотные гидродвигатели
ДПГ с ограниченным углом поворота выходного вала, гидро-
моторы Г15-2Н.
Т ехн ическая характеристика гидродвигателей ПР
Диаметр поршня, мм.................
Диаметр штока, мм .................
Максимальный угол поворота, °. . . .
Максимальная скорость, м/с ........
Максимальное давление, МПа.........
Номинальное давление, МПа.........
Рабочий объем, см3 ...............
Частота вращения, мин-1............
Максимальный крутящий момент, Н-м
Номинальный крутящий момент, Н-м
Масса, кг .........................
Гидро- Гидромоторы Поворотные
цилиндры типа	гидро-
типа ЦРГ Г15-2Н двигатели
ДПГ
40,	50,	60	—	—
28,	32,	40	—	—
250	... 800	—	—
1,5	—	—
16	12,5	—
—	—	16
—	10 ... 160	—
—	1,2... 400	—
—	19 ... 270
—	—	160 ... 6300
—	4,5 ... 40	3,5 ... 100
68
Техническая характеристика комплектных электроприводов
Линейные	Вращатель- Поворотные
типа	иые типа типа СП
ПЭГС	Г28-2	Э32Г18-2
Погрешность позициониро-
вания, мм...............±0,6 ... 1,5	±0,1	—	—
Ход, мм................. 500 ... 1000	220 ... 710	—	—
Максимальный угол пово-
рота, °....................... —	—	—	270
Рабочий объем, см3 на один
оборот........................ —	—	20... 160	—
Максимальная частота вра-
щения, мин-1 ................. —	—	1000 ... 2000	—
Максимальный крутящий
момент, Н-м................... —	—	11 ... 92	—
Номинальный крутящий
момент, Н-м................... —	—	—	500 ... 6300
Максимальное давление,
МПа..................... 12,5... 162	6,3	6,3	—
Номинальное давление,
МПа........................... —	—	—	6,3 ... 16
Масса, кг..................... —	—	15,5 ... 57 56 ... 133
Тип управляющего устрой-
ства ....................... ЭМП	ШД или ШД или ЭМП
ДП ДП
Примечание. ЭМП — электромагнитный преобразователь; ШД — шаговый
двигатель; ДП — электродвигатель постоянного тока.
В гидроцилиндрах ЦРГ и поворотных гидродвигателях ДПГ
предусмотрено регулирование режимов торможения в конце
рабочего хода. Применяемая рабочая жидкость — минеральные
масла вязкостью 12—250 мма/с со степенью очистки не грубее
14-го класса. Рабочие температуры 0 ... + 60 °C, тонкость очистки
обычно 15 мкм.
Скорости перемещений исполнительных гидродвигателей
регулируются дросселями. Для запирания полостей при выключе-
нии гидропривода применяют гидрозамки клапанного типа или
блокирующие золотники с электро- или гидроуправлением.
Электроприводы ПЭГС и СП комплектуются электрогидравли-
ческими усилителями УЭТ-8 или УЭТ-85 и встроенными датчи-
ками обратной связи по положению. Рабочая жидкость — мине-
ральные масла вязкостью не более 40 мма/с при температуре
10 ... 60 °C, тонкость фильтрации 10 мкм.
Дискретные электрогидроприводы работают по разомкнутой
схеме, вследствие чего возникает возможность потери информации
о положении выходного звена. Это вызывает необходимость при-
менения дополнительных датчиков положения, например типа
ПГШ. Линейные электрогидроприводы Г28-2 обычно комплек-
туются датчиками положения штока цилиндра. Электрогидро-
приводы Э32Г18-2 применяются при необходимости осуществления
значительных (2 м и более) перемещений исполнительных органов
(захватных устройств) в сочетании с винтовыми или реечными
механическими передачами.
69
Все гидроприводы оснащаются распределительной и контроль-
но-регулирующей аппаратурой, в основном малогабаритной,
с условным диаметром до 6 мм.
Подача рабочего тела в гидросистемах осуществляется насос-
ными установками как с непрерывным, так и со ступенчатым
изменением подачи. Для компенсации влияния значительных
изменений расходов и давлений рабочего тела применяются
пневмогидроаккумуляторы поршневого типа и с эластичным
разделителем.
Проектирование гидросистемы ПР с цикловой СПУ. В гидро-
системах ПР с цикловой СПУ применяют релейные гидроприводы,
снабженные золотниковыми распределителями для подачи потока
жидкости в необходимом направлении. Скорость движения испол-
нительных двигателей регулируется с помощью дросселей, управ-
ляемых как в ручном, так и в автоматическом режимах работы
от управляющего устройства. В ПР с цикловыми СПУ позици-
онирование обеспечивается упорами с одновременным переключе-
нием на режим торможения посредством гидродемпфера.
Последовательность проектирования [541:
1.	Определение начальных значений параметров гидросистемы
для заданных выходных параметров ПР (по каждой степени
подвижности): максимальной скорости, максимальной нагрузки.
2.	Расчет необходимого рабочего давления р в гидросистеме
по заданным параметрам привода и конструктивно принятом зна-
чении полезной площади Q:
Р — Fщах (Л4шах)/^,
где fmax — нагрузка для гидроцилиндра, Н; Л4гаах — момент
для гидромотора, Н-м.
3.	Выбор длины гидроцилиндра I с учетом, что отношение
1/D < 18 ... 20, где D — диаметр цилиндра. Увеличение отноше-
ния UD способствует возникновению вибраций и автоколебаний.
В случае необходимости реализации 1/D	20 (при возвратно-
поступательных движениях) применяют гидромотор совместно
с винтовой или реечной передачей. При использовании гидро-
моторов
Р = (2л/^) Л4щах»
где q — удельная производительность гидромотора; для неполно-
поворотных двигателей
р = 8Л4тах/ [zb (D2 — d2) ],
где z — число пластин; b — ширина пластины; d — диаметр вала,
несущего пластину; D — внутренний диаметр цилиндра двига-
теля.
Если значения максимальной скорости исполнительного дви-
гателя заданы, потребные расходы жидкости определяют по сле-
дующим формулам:
70
для гидроцилиндра Q = umaxQ;
для гидромотора Q = (1/р) Л4тахсотах;
для неполноповоротного двигателя Q = (х/8) <отахй (D2 — d2).
Для ПР с совмещенными движениями требуемый расход
в гидросистеме определится суммой расходов совмещенных сте-
пеней подвижности.
4.	Выбор по каталогам распределительной и контрольной
аппаратуры и трубопроводов по найденным значениям давлений
и расхода рабочей жидкости. Как известно, внутренний диаметр
трубопроводов определяется допустимой скоростью течения
жидкости. Так, для трубопроводов высокого давления (более
20,0 МПа) допускаемая скорость 5 ... 6 м/с, при давлении не
более 10,0 МПа — 2,5 ... 3 м/с.
5.	Проектирование гидросистемы. Насосную станцию либо
выбирают, либо проектируют. Требуемая ее мощность NB =
= РнСн-
Значения рн и QH выбирают с запасом на 25 % и выше по отно-
шению к требуемым значениям давления р и расхода Q гидро-
системы ПР, что позволяет предварительно учесть влияние сил
инерции и возможных утечек для гидросистемы.
Для проектируемой насосной станции выбор насоса играет
определяющую роль. Для насосов с мощностью Л/Пот < 3 ...
7 кВт целесообразно использовать лопастные (шиберные) насосы
одинарного или сдвоенного действия, типоразмерный ряд которых
составит 5 ... 200 л/мин.
Основное влияние на выбор типа насоса оказывает способ
регулирования скорости. Более подробные указания по проекти-
рованию насосных станций с холодильными устройствами
изложены в [49].
При проектировании гидросистемы ПР следует также предусмо-
треть устройства выпуска воздуха, предохранить трубопроводы,
особенно длинные, от вибрации, обеспечить высокую ремонто-
пригодность, включая легкость монтажа, возможность замены
трубопроводов, вентиляторов и радиаторов, используемых для
охлаждения рабочей жидкости уплотнений.
6.	Исследование (расчет) переходных процессов в гидроси-
стеме для уточнения выбранных параметров приводной части.
В результате этого исследования (расчета) определяются время
перемещения исполнительного двигателя, т. е. быстродействие
ПР, а также вероятность возникновения и параметры гидроудара
при подаче потока жидкости в полость гидродвигателя в момент
переключения распределительных золотников. Подробно расчет
приведен в [521.
Проектирование гидросистемы ПР с позиционной и контур-
ной СПУ. В этих гидросистемах используется или следящий
электрогидравлический привод, или гидропривод с шаговым
электродвигателем. В отечественных ПР, например УМ-1 [31,
применяются однокоординатные следящие приводы, каждый
71
из которых перемещает манипулятор по одной из степеней по-
движности. Управление скоростью перемещения гидродвигателя
осуществляется по дроссельному, объемному или объемно-дрос-
сельным методам. В последнем случае объемы жидкости, которая
поступает в исполнительные гидродвигатели, изменяются за счет
дросселирования в рабочих щелях гидроусилителя, а рабочий
объем насоса автоматически регулируется в зависимости от дав-
ления.
Последовательность проектирования:
1.	Определение давления р и расхода рабочей жидкости Q
привода на основании предварительных статических расчетов,
аналогичных расчету гидропривода ПР с цикловой СПУ.
2.	Определение (предварительное) конструктивных пара-
метров гидродвигателей и трубопроводов.
3.	Выбор распределительного элемента — дросселирующего
золотникового распределителя (электрогидроусилителя).
4.	Выбор датчиков обратной связи.
В следящих гидроприводах ПР погрешности датчиков обрат-
ной связи не должны быть больше 20 ... 30 % допустимой стати-
ческой ошибки следящей системы.
5.	Построение статических Характеристик привода: нагрузоч-
ной, представляющей собой зависимость скорости от нагрузки
(например, зависимость расхода жидкости через щель дроссели-
рующего золотника от изменения давления на выходе), и регули-
ровочной, т. е. зависимости скорости от регулирующей величины
или зависимость мощности и КПД от условий работы.
6.	Определение передаточной функции привода.
7.	Исследование динамических характеристик привода (точ-
ности, быстродействия).
8.	Анализ устойчивости привода (определение запаса устой-
чивости, выбор корректирующих устройств).
9.	Исследование качества переходных процессов.
3.2. Расчет электрогидравлических
усилителей типа РДЭ
Основная трудность при создании электрогидравли-
ческих следящих приводов для ПР заключается в разработке
и освоении промышленностью серийного производства электро-
гидравлических усилителей — устройств, преобразующих мало-
мощный электрический сигнал управления в энергию потока
рабочей жидкости большой мощности, поступающего в гидравли-
ческий исполнительный механизм.
Отличительными особенностями электрогидравлических уси-
лителей РДЭ для ПР являются:
отсутствие в электромеханическом преобразователе постоян-
ных магнитов;
дифференциальная схема включения обмоток управления;
72
Рис. 3.1. Конструкция РДЭ
Рис. 3.2. Схема, поясняющая принцип действия РДЭ
нейтральное положение РДЭ может быть выставлено в пре-
делах ±200 % максимального хода распределительного золот-
ника;
наличие жесткой неединичной отрицательной обратной связи
по положению распределительного золотника;.
высокая (92 %) степень унификации типоразмерного ряда
до 100 л/мин.
Принцип действия РДЭ. Конструкцию и принцип действия РДЭ
поясняют рис. 3.1, 3.2. РДЭ работает следующим образом. Рабочая
жидкость подводится к каналу 17, часть ее проходит через диаф-
рагмы 2 или 7 и сопла 15 и 16 на слив в канал 14, часть — в один
из каналов 3 или 6 к исполнительному механизму. При отсутствии
электрического сигнала на катушках 10 или И электромехани-
ческого преобразователя (ЭМП) 9 гидравлические сопротивления
правой и левой частей управляющего каскада равны, распредели-
тельный золотник 8 находится в нейтральном положении и расход
жидкости в каналах 3 или 6 отсутствует.
При подаче управляющего сигнала на катушки 10 и 11 якорь 12
сместит заслонку 13 относительно рабочих торцов сопл 15 и 16
в срответствующую сторону на расстояние h'y, изменяя гидравли-
73
веские сопротивления в управляющем каскаде. Давление в одной
из рабочих камер 4 или 5 увеличится, в другой — уменьшится,
и распределительный золотник 8 под действием перепада давлений
начнет перемещаться в сторону камеры с меньшим давлением.
Одновременно с этим зазор между заслонкой 13 и соплом, соеди-
ненным с камерой меньшего давления, будет уменьшаться. Зазор
между заслонкой и соплом, соединенным с камерой большего
давления, будет увеличиваться, а разность давлений в торцовых
камерах 4 или 5 уменьшаться. Распределительный золотник 8
переместится в расточке корпуса 1 на расстояние х3, зависящее
от хода заслонки h'y, угла Yi наклона плоскостей заслонки к оси
золотника и от угла у2 между плоскостями заслонки и направле-
нием ее перемещения, т. е.
х3 = hy sin Y2/sln Ti.	(3.1)
Выражение (3.1) выведено на основе рассмотрения соотношений
для треугольников ЛОВ и АОС на рис. 3.2. Путем решения (3.1)
были установлены следующие соотношения:
Ya	0	Ух	л/2	Yi + п/2
	0	hy	hy/sin Vi	hy ctg Yi
Перемещение распределительного золотника 8 (см. рис. 3.1)
на величину х3 приведет к открытию круглых рабочих окон кана-
лов 3 и 6 и расходу через них [28]
Q = пц3Да J/ Дрок [ arccos (1 -	—
~ (1----7Г”) sin arccos (1-’
где п — число круглых рабочих окон; р3 — коэффициент расхода
золотника; R — радиус рабочего окна; р — плотность рабочей
жидкости; Дрок — перепад давлений на рабочих окнах.
При предварительных расчетах можно пользоваться следу-
ющей упрощенной формулой:
Q = пр3]/-|-Дрок [fl]/ х3(27? + -f-)-
- (R - х3) /2x3R - х2з ] .	(3.2)
Жидкость под давлением из канала 17 поступит в один из
каналов 3 или 6, а из другого — на слив, в канал 14. Для защиты
заслонки 13 от реакции струи рабочей жидкости и удержания
золотника от поворота установлен кожух 18.
74
Подставив в уравнение (3.2) значения х3 из соотношения (3.1),
получим в общем виде связь расхода через РДЭ с перемещением
заслонки:
«- пн,+4-ж?) -
- («-«^)  <3-3>
Расчет магнитной системы ЭМП. Магнитная система ЭМП
представляет собой Ш-образный электромагнит с обмотками на
крайних сердечниках и якорь, центрируемый плоскими пружи-
нами и перемещающийся вдоль магнитных силовых линий
(рис. 3.3, а). Для обеспечения линейного режима работы ЭМП
необходимо включение его обмоток по дифференциальной схеме
и наличие предвключенного электромагнитного усилителя с ба-
лансным выходом.
Электромагнитная сила, приложенная к якорю, описывается
формулой Максвелла (рис. 3.3, б)
F3 = (ф? _ Ф1)/(2р05с),
где Фх — магнитный поток, создаваемый 1-й обмоткой; Ф2—
магнитный поток, создаваемый 2-й обмоткой; р0 — коэффициент
магнитной проницаемости; So — площадь сечения магнитного
потока.
Максимальная сила при среднем положении якоря [10]
F30 = 20oPoSc/[6o (1 + 2р)],	(3.4)
где 90 — намагничивающая сила обмотки управления; б0 — рабо-
чий зазор при нейтральном положении якоря; 0 = R'/Ro — отно-
сительная величина; R' — магнитное сопротивление нерабочего
зазора б2; Ro — магнитное сопротивление рабочего зазора при
среднем положении якоря.
Если считать известной максимальную силу ЭМП, определя-
емую значением преодолеваемой нагрузки, то можно определить
конструктивные парамет-
ры магнитопровода 5П,
якоря 5Я, обмоток управ-
ления w, dnp, Нок, рабочие
зазоры бх.
Из конструктивных со-
ображений выбираем
So = Sn =	= ab, (3.5)
где Sn — площадь сечения
полюса; 5Я — площадь се-
Рис. 3.3. Конструктивная и принципиальная
схемы ЭМП
75
Рис. 3.4. Конструкция и парамет-
ры катушки управления РДЭ
чения якоря; а, b — длина и ширина
полюса (якоря). Исходя из конструк-
тивной схемы на рис. 3.3, а и зада-
ваясь магнитной индукцией Ва в ра-
бочем зазоре 6Х, найдем удельное чи-
сло ампер-витков на единицу длины
магнитопровода отуа = 0,8Ва.
Необходимое число ампер-витков
для создания магнитной индукции
Ва в рабочем зазоре 6Х выразится
соотношением
Aw& = aw6l&.	(3.6)
Так как сечение якоря и магнитопровода везде одно и то же,
можно найти необходимое количество ампер-витков Aw для соз-
дания магнитной индукции в теле магнитопровода и якоря.
По кривой намагничивания находим удельное число ампер-
витков для создания индукции в магнитопроводе aw = Aw/l,
где I — длина средней линии магнитопровода.
Суммируя число ампер-витков на всех участках магнитопро-
вода, определяем магнитодвижущую силу, необходимую для
создания требуемой магнитной индукции.
Расчет параметров катушки управления. Правильно рассчи-
танная катушка должна обеспечивать магнитодвижущую силу
Aw, необходимую для создания максимального момента на управ-
ляющем элементе. При выбранных размерах магнитопровода
расчет катушки сводится к определению диаметра dnp намоточного
провода, сопротивления 7?™ и числа витков w [10].
Катушка управления РДЭ представляет собой прямоугольной
формы каркас из пресс-материала с обмоткой из тонкого медного
провода с удельным сопротивлением р = 0,0175 Ом-мма/м
(рис. 3.4).
Площадь сечения окна намотки
*^ОК =
где НОк, L0K — ширина и длина окна соответственно.
Для прямоугольной катушки
Но« — 0,5 (Лк — ак) = 0,5 (Вк — 5К)>
где Лк, ак, Вк, Ьк — параметры каркаса.
Длина среднего витка обмотки /ср = 2 (ак + Ьк) + пН0К.
Число витков
ну = S0K/dH3-	(3.7)
Здесь dH3 — диаметр провода с изоляцией; da3 = &xdnp, где kr =
= 1,1 ... 1,6 — для рядовой намотки; dnp — диаметр медной жилы.
Сопротивление обмотки
Rnp = [лс!пр/4] 1 р/cptiy.
76
Магнитодвижущая сила обмотки
iw = (и/₽Пр) w,	(3.8)
где i —сила тока в обмотке; и — напряжение на выводах обмотки.
Подставив в уравнение (3.8) значение сопротивления 7?Пр>
получим
iw = млс!пр/(4р/ср).
Диаметр намоточного провода
dnp=]/^iwplCP'	(3.9)
При условии полного заполнения окна обмотки
4р = (1/М/(^Г).	(З.Ю)
По значению dnp из таблиц обмоточных проводов находим
ближайший диаметр d„3- и уточняем число витков w согласно
уравнению (3.7). По уточненным значениям w определим /?пр.
Проверку выбранного провода на допустимую плотность тока
проводят по формуле
/ = (4/л) (t'max/^np),	(3-11)
где / — плотность тока; imax — максимальная сила тока в об-
мотке. Найденная плотность тока не должна превышать значений,
ориентировочно определяемых режимом работы ЭМП. При им-
пульсном режиме / <: (8 ... 12) 10е А/ма.
Затем проводят проверку обмоток по предельно допустимому
нагреву. Допустимый нагрев обмоток определяется теплостой-
костью изоляции. Предельная температура нагрева проводов
при эмалевой изоляции составляет 378 ... 388 К-
Установившаяся температура обмотки определяется, с одной
стороны, количеством выделяемой в обмотке теплоты, т. е. по-
требляемой ею энергией, а с другой стороны, отдачей теплоты
окружающей среде, т. е. коэффициентом теплоотдачи апр и по-
верхностью охлаждения. При этом
опр > (8 ... 14) 10-4 м2/Вт.	(3.12)
Из условия (3.12) определяется максимальная допустимая
мощность Рм, потребляемая обмоткой:
Рм = 5П. 0/<тПр,	(3.13)
где 5П. 0 — площадь поверхности охлаждения.
С другой стороны, Рм = imaxRnp. Из уравнений (3.12) и (3.13)
можно определить площадь охлаждения на 1 Вт поглощаемой
обмоткой энергии и сравнить с допустимым значением <тпр, най-
денным из уравнения (3.11):
	® — 5п. o/Gmax'Rnp)	®пр-	(3.14)
77
Рис. 3.5. Расчетная схема уп-
равляющего каскада РДЭ
Рис. З.в. Расчетная схема Плотниковой пары РК
Индуктивность обмотки
L = 10,lu>2D (D/p)" 10—9,
где D = 0,5 (ch + d2); dj = (2/л) (ак + bK); d2 = (2/л) (Ак + Вк);
р = 2 (Нок + L0K); при р < D < Зр п — 0,5; при D < р п =
= 0,667.
После подстановки значений D и р получим значение индук-
тивности обмотки, выраженной через ее конструктивные пара-
метры и обмоточные данные:
L = 10, 1W А- (а, + 6. + А. + В.) [	10-. (3.15)
Индуктивность обмоток управления со стальным сердечни-
ком, имеющим воздушные зазоры,
Le = w2/(ReT -J- RB),
где RCT — магнитное сопротивление сердечника и якоря; RB —
магнитное сопротивление воздушного зазора.
Расчет параметров управляющего каскада. Расчетная схема
показана на рис. 3.5. Исходя из условия непрерывности потока
рабочей жидкости в каналах управляющего каскада для ней-
трального положения заслонки, можно записать
И др/др =	(3.16)
где р,др — коэффициент расхода постоянного дросселя, цдр =
= 0,75 ... 0,80; /др— площадь поперечного сечения постоян-
ного дросселя; р,с — коэффициент расхода сопла, цс = 0,65	0,7;
dc — диаметр сопла; h0 — расстояние между соплом и заслонкой
в нейтральном положении, h0 — 0,07.
78
Из соотношения (3.16) можно определить диаметр постоянного
дросселя
dnp = 0,53dc /Нс/Ндр •	(3.17)
Расход через два сопла в нейтральном положении распредели-
тельного золотника
Qac = 2р cndcho Y (2/р) Лрс,	(3.18)
где Дрс — перепад давления на соплах.
Расчет параметров распределительного каскада. Расчетная
схема показана на рис. 3.6. Расчет ведется исходя из требуемого
расхода Qmax и с учетом рекомендуемых значений идоп и идоп —
допустимых скоростей течения жидкости в каналах и на рабочих
кромках распределительного золотника РДЭ [581. При этом
вследствие малой протяженности каналов в корпусе РДЭ (/к <
2d0K) можно принять
^ДОП — ^доп 30 м/с.	(3.19)
Диаметр распределительного золотника определяют по следу-
ющей формуле [56 ]
d3 = 1,4 y’Qmax/Одоп >	(3-20)
где d3 — диаметр распределительного золотника.
Отсюда, учитывая условие с!ш = (2/3) d3, можно найти диаметр
шейки золотника
dm = 0,9}/Qmax/^доп •	(3-21)
Диаметр каналов рабочих окон в РДЭ
<м2>
Наибольшая площадь поперечного сечения рабочего окна
/max = Qmax/^^доп»	(3.23)
где п — число рабочих окон.
Наибольшее значение смещения распределительного золот-
ника, поперечное сечение рабочих окон которого имеет форму
сегмента, можно определить из выражения (3.2).
Диаметр плунжеров находят из конструктивных соображений
по соотношению
с!пЛ = 0,726с?ш.	(3.24)
Расчет РДЭ для ПР «Универсал-60.02», проведенный по
формулам и соотношениям (3.1)—(3.24), позволил получить сле-
дующие значения параметров: d3 = 1,6 см; dm = 1,1 см; dnn =
— 0,8 см; d0K = 0,8 см, da = 0,1 см; dnp — 0,05 см; hQ = 0,007 см;
Рпр = 20 Ом; itnax = 0,4 A; dnp = 0,02 см; S0K = 0,55 см2; hmsx =
79
= 0,01 см; 60 = 0,02 см; F30 = 13,7 Н; w = 925 витков; L =
= 0,025 Гн; Qac = 3 л/мин.
Экспериментальные образцы РДЭ были подвергнуты статиче-
ским и динамическим стендовым испытаниям, которые дали
удовлетворительные результаты.
3.3. Основы расчета пневмоприводов
Общие сведения о пневмоприводах. Свыше четверти
общего количества ПР первых поколений выполнены с пневмо-
приводом (ПП), который отличается высоким быстродействием,
хорошими, несмотря на относительно низкое давление сжатого
воздуха в заводских сетях, массогабаритными показателями.
ПП дешевле приводов других типов; он способен надежно рабо-
тать в тяжелых внешних условиях, прост в обслуживании.
Основная часть привода любого типа — это двигатель.
В табл. 3.1 представлены сравнительные характеристики гидрав-
лических, пневматических и электрических двигателей.
При использовании данных табл. 3.1 следует иметь в виду, что
они характеризуют работу двигателей в установившихся режимах
и при номинальных нагрузках. Недогрузка или перегрузка
двигателя сопровождается падением эффективности привода. По-
казатели эффективности могут также изменяться, если двигатель
большую часть времени работает в переходных режимах.
Из недостатков ПП следует отметить, во-первых, то, что он
трудно управляем вследствие сжимаемости воздуха и высо-
Таблица 3.1
Тип двигателя	Удельная мощность, кВт/кг	Отноше- ние удель- ных мощ- ностей *	кпд		Примечания
Гидравличе- ский	0,6 ... 0,7 (для крупных двигателей до 3,0)	1,0	0,7	... 0,8	Без учета насосной станции
Пневматиче- ский	До 0,3	0,5	0,05	... 0,2	Без учета компрессо- ра и трубопроводной сети
Электрический	0,015 ... 0,125	До 0,1	0,7	... 0,9	Лучшие показатели относятся к электро- двигателям новых кон- струкций с использо- ванием новых магнит- ных материалов
* Единица удельной мощности —• кВт/ед. объема.
80
Рис. 3.7. Основные типы пневматических
двигателей
совершающим движения с крат-
ких (до 10 ... 20 %) потерь
на трение. По указанным
причинам до настоящего вре-
мени ПП использовались в
основном в простых ПР, ра-
бочие органы которых со-
вершают повторяющиеся в
заданной последовательности
движения от одного жест-
кого упора до другого. Зна-
чения перемещаемых масс в
серийных конструкциях та-
ких ПР обычно не превыша-
ют 10 кг, хотя известны от-
дельные устройства большей
грузоподъемности (до 30 кг).
Другим существенным не-
достатком ПП является вы-
сокая стоимость сжатого воз-
духа. Пневматическая энер-
гия обходится в среднем в
4 ... 5 раз дороже электри-
ческой энергии, что приво-
дит к высоким эксплуата-
ционным расходам в тех
случаях, когда используется,
например, пневмоцилиндр с
поршнем большого диаметра,
ковременными выстоями.
Известно множество конструкций пневматических двигателей
с линейным, поворотным и вращательным движением рабочего
органа. Наиболее широкое распространение получили двусторон-
ние поршневые пневматические двигатели простейшего типа
с односторонним (рис. 3.7, а) и двусторонним (рис. 3.7, б) штоками.
В последнем случае поршень остается в равновесии при подаче
в обе полости цилиндра одинакового давления. Эксцентричным
расположением штока (рис. 3.7, в) предотвращается проворачива-
ние со штоком поршня, а следовательно, и ведомого узла. Если
масса перемещаемых частей относительно невелика, то плавный
останов поршня в конце хода легко обеспечивается встроенными
в крышки тормозными устройствами (рис. 3.7, а). В конце хода
утолщенная часть штока входит в центральный канал крышки
и запирает воздух в кольцевом пространстве. Продолжая движе-
ние, поршень сжимает воздух, за счет чего создается тормозная
сила. Настраивается тормозное устройство с помощью перемен-
ного дросселя, через который воздух вытекает из тормозной
полости после остановки поршня. Обратный клапан необходим
для.свободного пропуска воздуха из магистрали в полость при
81
В)
г)
Рис. 3.8. Схемы основных поворотных двигателей
3)
обратном ходе. Односторонний пневмоцилиндр с возвратной пру-
жиной показан на рис. 3.7, д. Возвратное усилие может быть
также создано сжатым воздухом рабочего давления, действую-
щим на уменьшенную эффективную площадь поршня (дифферен-
циальный цилиндр, рис. 3.7, е).
В качестве двигателя с линейным перемещением рабочего
органа получили широкое распространение также мембранные
устройства, которые обычно имеют малый ход. Их целесообразно
использовать в зажимных, прижимных, стопорных устройствах
(схемы одно- и двустороннего мембранного двигателя показаны
на рис. 3.7, ж, з). С помощью мембранного двигателя, показан-
ного на рис. 3.7, и, можно переместить рабочий орган на относи-
тельно большой ход. Такой двигатель имеет специальную мемб-
рану с глубоким гофром, который при движении поршня пере-
катывается по стенке цилиндра.
В качестве короткоходовых двигателей линейного перемещения
могут также применяться сильфонные (рис. 3.7, к) и камерные
(рис. 3.7, л) двигатели. Шланговый двигатель (рис. 3.7, м) целе-
сообразно применять там, где требуется длинный ход, причем
траектория может быть и криволинейной.
Схемы поворотных двигателей представлены на рис. 3.8.
Двигатель с одной лопастью (рис. 3.8, а) — аналог двустороннего
пневмоцилиндра. При его конструктивной реализации основной
проблемой являются технология изготовления корпуса и уплот-
нения лопасти, которая имеет в сечении прямоугольник с закруг-
ленными углами. В остальных схемах, показанных на рис. 3.8,
поворотное движение выходного вала обеспечивается комбинацией
пневмоцилиндра и передаточного механизма, преобразующего
линейное перемещение штока во вращательное движение выход-
ного вала: зубчато-реечного (рис. 3.8, б), винтового (рис. 3.8, в),
с гибким звеном (рис. 3.8, а, б).
В последнее время находят применение новые типы пневмо-
двигателей: со встроенным механическим усилителем и бесштоко-
вые. Первый предназначен для получения больших рабочих уси-
82
Рис. 3.9. Типичная схема
управления пневмоприво-
дом с перемещением по фик-
сированным упорам и закон
движения поршня с миии-
мальи ым в ремеи ем
лий (при малых размерах и малом потреблении Воздуха) на не-
большом участке движения в конце рабочего хода. На остальной,
большей части хода, рабочий орган двигателя развивает усилие,
определяемое площадью поршня, как в обычном пневмоцилиндре
(усилитель не работает). В конце хода, когда внешние ролики
рычагов западают в проточку крышки, усилие от поршня на шток
начинает передаваться через двойной клиновый механизм, чем
достигается увеличение рабочего усилия примерно в 10 раз.
Бесштоковые пневмоцилиндры имеют две модификации. В пер-
вой поршень снабжен хвостовиком, скользящим в узкой щели
гильзы. Щель уплотняется снаружи и изнутри металлическими
лентами, которые пропущены сквозь прорези поршня. Внутренняя
лента прижимается к гильзе давлением воздуха и магнитной
силой, внешняя — только магнитной силой (она служит для
предохранения от попадания в щель грязи и пыли).
В бесштоковом цилиндре другой модификации усилие от
поршня передается ведомому механизму магнитными силами.
Здесь поршень несет постоянный магнит, который заставляет
двигаться вместе с ним каретку, скользящую по направляющим
снаружи гильзы, выполненной из немагнитного материала. Ис-
пользование новых магнитных материалов позволяет передавать
достаточно большие силы (по некоторым данным до 500 Н).
Пневмоприводы с перемещением по фиксированным упорам.
Этот тип привода получил наибольшее распространение. Типичная
схема управления таким приводом показана на рис. 3.9, а. В схеме
использован двухпозиционный распределитель. До его переклю-
чения рабочая полость сообщена с атмосферой, выхлопная —
с магистралью. После переключения распределителя начинается
наполнение первой полости и опорожнение второй. Этот процесс
сохраняется до конца движения поршня.
Закон движения можно приближенно определить с помощью
графиков на рис. 3.10, б, рассчитав предварительно характерный
параметр [8]
6 = пср у/ m/(Ps) ,
где Цзр — средняя скорость поршня, м/с; т — масса подвижных
частей, кг; Р — полная сила сопротивления, приложенная
к поршню, Н; s — ход поршня, м. В области / (6	0,25) находятся
83
Рис. 3.10. Законы движения поршня в зависимости от критерия б при различных дав-
лениях в полостях:
а — Рг = ра; р8 = рм; б — р — р* = ра; I — режимы движения, близкие к равномер-
ным; II — область режимов переходного типа; III — режимы движения, близкие к рав-
ноускоренным; IV — область колебательных режимов
режимы движения, близкие к установившимся, для которых
характерно асимптотическое (с небольшими колебаниями) при-
ближение v к установившейся скорости vy. Область III — это
режимы движения, близкие к равноускоренному, область II —
область переходных режимов.
84
Для условий работы ПР
интерес представляют в пер-
вую очередь два вида движе-
ния поршня: с квазипосто-
янной скоростью на большей
части хода; с минимальным
временем, т. е. с разгоном на
первой части хода и с тор-
можением на второй части
(см. рис. 3.9, б). Чтобы по-
лучить движение, близкое к
равномерному, необходимо,
во-первых, выбрать отноше-
ние ft/F эффективной пло-
щади канала на входе в ци-
линдр к эффективной площа-
ди поршня из условия реа-
лизации заданной скорости V.
Во-вторых, площадь F пор-
шня должна быть достаточно
на установившуюся скорость
условия имеют вид [36]:
Рис. 3.11. Зависимость параметра В от коэф-
фициента b
большой, чтобы процесс выхода
был непродолжителен. Указанные
ft/F = 5,1 • 10-3v/Q, F>Fmin; 1
Fmin = Луп2т/(рм5), Q < 0,5, J
(3.25)
где Q = ft/fsi fa — эффективная площадь сечения выхлопного
канала; Av — коэффициент, принимавший значения в диапа-
зоне 200 ... 300; рм — давление в магистрали, Па; s —
ход поршня, м.
Действительные (геометрические) площади f+ канала на входе
в цилиндр и f~ — выхлопного канала определяют по соотноше-
ниям f+ = ft/p+ и f~ = /э/р", где р+ и — коэффициенты рас-
хода. Значения последних находят по известной структуре под-
водящей и выхлопной линий с использованием методики, изло-
женной в [8]. Для простой схемы (один распределитель и короткие
трубопроводы) в качестве первого приближения можно принять
р+ = 0,35 ... 0,4 и ц' = 0,2 ... 0,25.
Безударный останов ПП в конце хода при значениях пара-
метров, удовлетворяющих условиям (3.25), обеспечивается встро-
енным тормозным устройством стандартного типа (см.
рис. 3.7, г). Необходимый тормозной путь хт можно ориентиро-
вочно оценить по соотношениям
хт > xt; xt = (bFT)-1 (1 — b) Уот,
где Ft — эффективная площадь поршня, ограничивающая тормоз-
ную полость, м2; Уот — объем тормозной полости (при положении
85
Рис. 3.12. Схемы торможения ПП:
а — внешним тормозным устройством с тормозным золотником; б — с автоматическим
образованием воздушной подушки в конце хода
поршня на упоре в крышку), м8; b — коэффициент, определяемый
по графику на рис. 3.11 в функции параметра
В = 62PsFT/[(pMFT - Р) V0T]-
Закон движения поршня с перемещением из одной крайней
позиции в другую за минимальное время (см. рис. 3.9, б) можно
получить с помощью дополнительного управляющего клапана
(рис. 3.12, а) — тормозного золотника (на рис. 3.12, а ограничен
штриховой линией), уменьшающего сечение выхлопного канала
в некоторой точке хода с координатой Хнт. Для выбора параметров
ПП, воспроизводящего рассматриваемый режим и нагруженного
малыми силами сопротивления (Р < 0,125рмР), что характерно
для механизмов ПР с инерционной нагрузкой (например, гори-
зонтального выдвижения руки, поворота корпуса около вер-
тикальной оси и др.), можно пользоваться соотношениями [26]:
F = 4f-^;	(3.26)
1$Ры	1sPm
где ts — заданное время движения поршня, с. Для схемы с тор-
мозным золотником	= 12, At = 0,049 при Q = 3 и Af =
= 0,112 при Q = 1.
Этими данными можно пользоваться, если площадь штока
в цилиндре с односторонним штоком (см. рис. 3.7, а) составляет
не более 0,1Р, начальный объем полости наполнения Vo = (0,05 ...
0,25) Fs; для схемы с тормозным золотником Уо = (0,05 ... 0,15) Fs,
Рм ~ (3 ... 7) 105 Па. Значения Q для схемы с тормозным золот-
ником определяют в период до срабатывания тормозного золот-
ника.
Тормозной золотник должен переключаться в середине хода
(хт = 0,5s, см. рис. 3.9, б) [8].
86
Таблица 3.2
№	т,	РМ>	С	S, см	F,	D,	ft		4+	
п/п	кг	Па			см*	см	СМ1		СМ	
1	25		4	100	9,4	3,5	0,040	0,012	0,41	0,23
2 3	2500 25	5-Ю6	1	25 100	300 6,0	20,0 2,8	0,47 0,037	0,94 0,074	1,4 0,4	2,0 0,56
В табл. 3.2 приведены результаты расчетов: № 1 — по соот-
ношениям (3.25), №2, 3 — по соотношениям (3.26), выполненных
для схемы с тормозным золотником при Q = 2. Во всех случаях
принято условно р+ =	= 0,3; другие обозначения: D —диа-
метр поршня, определенный в результате расчета; d+ и d~ — най-
денные значения диаметров проходных сечений каналов питания
и выхлопного соответственно.
Возможность перенастройки ПП на другие (нерасчетные) пара-
метры оценивается также по соотношениям (3.25), (3.26) в зави-
симости от требований к закону движения. Из (3.25), в частности,
следует, что если предполагается увеличить скорость v равномер-
ного движения поршня, то его площадь F следует выбирать с соот-
ветствующим запасом, поскольку Еш1п растет пропорционально V2.
Аналогичное замечание может быть сделано и для случаев, когда
требуется сохранить приблизительно постоянную скорость на
всей длине хода в условиях ожидаемого увеличения массы т
или уменьшения хода s.
Если реализуется закон движения, показанный на рис. 3.9, б,
то согласно соотношениям (3.26), с учетом того, что площадь F
поршня при перенастройке ПП не должна изменяться, получаем
ms/(t2spM) = Idem или ffiiSi/(isipMi) = /ПгвгД&Риг).
Так, при изменении (увеличении) массы от тт до т2, когда пре-
дыдущее условие представляется в виде pu2t22 =	,
приходим к выводу, что с ростом т для сохранения характера
закона движения необходимо увеличить либо давление питания рм,
либо время движения ts, либо обе величины одновременно. Если
будет увеличено <s,to согласно (3.26) следует уменьшить ft и соот-
ветственно ft, поскольку отношение Q должно остаться неиз-
менным.
В случае использования ПП с передаточным механизмом, на-
пример цилиндра с зубчато-реечной передачей (см. рис. 3.8, б),
подлежит выбору параметр i — значение передаточного отноше-
ния. В рассматриваемом примере i = co/и = <ps/s, где ю — угловая
скорость выходного вала; <ps — его угол поворота, соответству-
ющий ходу s. Поскольку с ростом i (уменьшением диаметра зуб-
чатого колеса) приведенная к штоку масса т = тар возрастает
пропорционально i2 (/гапр = Л2, где J — момент инерции меха-
87
низма, связанного с выходным валом), то ход s будет уменьшаться
пропорционально i.
Таким образом, можно заключить, что для закона движения
с постоянной угловой скоростью со согласно соотношениям
(3.25) с ростом i скорость поршня v уменьшится в i раз, что при-
ведет к такому же уменьшению отношения ft!F, но одновременно
пропорционально i увеличится Fmln, т. е. ft останется неизменным.
Следовательно, выбором i можно изменять только F и s. Аналогич-
ная картина будет и во втором случае для закона движения, опре-
деляемого соотношениями (3.26), с ростом i при фиксированном ts
площадь поршня F возрастет в i раз, ход уменьшится в i раз,
a ft и fs останутся без изменений.
При выборе параметров ПП в общем случае, когда рабочий
орган нагружен относительно большими внешними силами, следует
пользоваться методами, изложенными в [8]. Там же приведены
необходимые справочные кривые и графики.
При выборе параметров ПП механизмов, нагруженных силами
веса, возникает проблема согласования подчас противоречивых
условий для хода рабочего органа вверх и вниз по времени цикла
(средней скорости), полезной нагрузке (она может быть для хода
вверх и вниз различной) и другим параметрам, что затрудняет
создание единой и простой методики расчета. В первом приближе-
нии можно рассматривать вначале только ход рабочего органа
вверх и выбирать параметры ПП согласно [8] из условия получе-
ния требуемого закона движения (времени цикла), а время дви-
жения ПП вниз оценивать далее приближенно, исходя из пред-
положения, что оно определяется установившейся скоростью
и«2-102 (fs/F), где f^ характеризует нижнюю полость ПП.
j ; В дальнейшем до окончательного выбора параметров следует вы-
|Р',! полнить проверочный расчет с использованием полной исходной
V	системы уравнений [8].
Безударный останов при ходе вверх можно получить как при
использовании тормозного золотника, так и настройкой на режим
автоторможения (рис. 3.12, б). Безударное торможение при ходе
вниз более надежно обеспечивает первый способ, поскольку
схема с автоторможением в условиях отрицательных (способ-
ствующих движению) нагрузок работает хуже.
Задачу выбора параметров одновременно работающих ПП
приближенно можно решить, сведя ее к задачам, рассмотренным
выше. Для учета взаимного влияния ПП друг на друга, которое
может проявиться в виде взаимных инерционных или силовых
нагрузок, следует задаться более высокими значениями m или р,
чем их номинальные значения, т. е. выбирать F и f* с запасом,
учитывающим возможность взаимного нагружения ПП.
Многопозиционные пневмоприводы с выдвижными упорами.
Существует ряд конструкций ПП, рабочий орган которых оста-
навливается упорами в нескольких промежуточных точках хода.
Схема одной из них представлена на рис. 3.13. Здесь кроме двух
88
крайних упоров имеется три выдвижных упора, управляемых
в данном случае вспомогательными цилиндрами. Все упоры рас-
положены на подвижной базе, смещение которой ограничено,
причем между корпусом и базой установлены демпферы (на
рис. 3.13 показаны механические демпферы). При относительно
небольших подвижных массах эффективными могут оказаться
простейшие пассивные пневматические демпферы. Такой демпфер
представляет собой односторонний пневмоцилиндр, рабочая по-
лость которого всегда сообщается с атмосферой через дроссель.
Давление в полости при движении поршня определяется площадью
проходного сечения дросселя, начальным и конечным объемами
полости, а также перемещаемой массой и ее начальной скоростью.
Энергоемкость пневматического демпфера может быть увеличена
путем сообщения его полости через регулятор давления и обрат-
ный клапан с магистралью. В этом случае обеспечивается также
автоматический возврат поршня демпфера в исходное положение
под действием давления в полости. Однако чем выше начальное
давление в полости демпфера, тем сильнее удар при подходе тор-
мозной массы к штоку демпфера.
За последнее время определилась тенденция к использованию
в ПП, в том числе и для ПР, пассивных гидравлических демпфе-
ров, выполняемых в виде унифицированных узлов. Универсаль-
ность гидродемпферов определяется широкими возможностями их
настройки путем независимого регулирования площади началь-
ного проходного сечения перепускного дросселя, закона закрытия
последнего в функции перемещения рабочего органа ПП, а также
длины тормозного пути. При равных с пневмодемпфером размерах
гидродемпфер обладает большей энергоемкостью. Однако в кон-
струкцию гидродемпфера входит резервуар с запасом рабочей
жидкости для компенсации неизбежных утечек через уплотнения
штока. Параметры гидродемпфера выбирают исходя из условий
безударного останова рабочего органа ПП, минимального времени
торможения, ограничения на ускорение в период торможения
и требований постоянства настройки демпфера при изменении т
и других параметров.
В качестве выдвижных упоров могут служить сами рабочие
органы ПП, как это имеет место в
многоступенчатых (телескопических)
ду	пневмоцилиндрах. Например, на
г~тх71	рис. 3.14 показана конструктивная
CZ1- |ЛГД	схема такого ПП, состоящего из двух
Рис. 3.13. Принципиальная схема ПП с тремя
выдвижными упорами, управляемыми вспомога-
тел ьн ымн ц ил нидра мн
89
Рис. 3.14. Принципиальная схема ПП из двух пиевмоцилиидров
пневмоцилиндров. Один из них (левый) играет роль выдвижного
упора, останавливающего рабочий орган ПП в фиксированном
промежуточном положении.
В многопозиционном цифровом ПП, схема которого показана
на рис. 3.15, ход поршня каждого последующего пневмоцилиндра
увеличен в 2 раза по сравнению с ходом предыдущего. Это дает
возможность получить 2" позиций, где п — число пневмоцилин-
дров с дискретностью перемещения выходного звена, определя-
емой длиной хода пневмоцилиндра младшего разряда, в данном
случае крайнего левого. Положение поршней, показанное на
схеме, соответствует случаю, когда к магистрали подключены
пневмоцилиндры 1 и 3, а полость пневмоцилиндра 2 сообщается
с атмосферой. Полость 4 постоянно связана с магистралью для
создания возвращающего усилия.
Опыт использования цифровых ПП такого типа показал, что
главными проблемами здесь являются большие потери на трение,
переключение поршней с ударами (в принципе имеется возмож-
ность снабдить все цилиндры демпферами, но конструкция ПП
получается сложной), а также возможные нарушения в отработке
команд, выражающиеся в том, что в процессе движения выходное
звено может кратковременно двигаться в обратную сторону.
Многопозиционные пневмоприводы, работающие без упоров.
Наиболее простой конструкцией ПП, обеспечивающей останов
поршня без упора в некотором числе фиксированных позиций,
является конструкция так называемого ПП с проточными поло-
стями (рис. 3.16, а). Его рабочие полости постоянно через дроссели
связаны с магистралью. Они также могут быть связаны с атмо-
сферой через один из каналов, расположенных вдоль пневмо-
цилиндра в местах, соответствующих заданным точкам останова.
При открытии канала на поршне образуется перепад давлений,
в сторону открытого канала,
давления в полостях выравни-
ваются и движение поршня пре-
кращается, когда он перекры-
вает открытый канал. Точность
останова поршня в таком ПП
зависит от геометрии сечения
канала управления,сил трения
(т. е. типа и материала уплот-
нений), скорости поршня при
подходе к заданной позиции.
вызывающий движение поршня
Рис. 3.15. Принципиальная схема много-
позиционного цифрового ПП
90
Рис. 3.16. Принципиальная схема многопозицнониого ПП, работающего без упоров:
а — с проточными полостями (мостовой пневмопозициоиер); б — с повышенной устой-
чивостью к автоколебаниям
Основными недостатками ПП такого типа являются относи-
тельно невысокое быстродействие и возможность возникновения
автоколебаний поршня около положения равновесия. Схема,
представленная на рис. 3.16, б, отличается повышенной устойчи-
востью и допускает поэтому более высокие скорости позициони-
рования. Здесь поршень имеет проточки, связанные друг с другом
и с полостями через отверстия. При подходе к заданной позиции
(каналу, сообщенному с атмосферой) последний перекрывается
сначала крайним пояском, ширина которого несколько меньше
ширины канала, что снижает интенсивность опорожнения полости
управления. Перепад давлений на поршне начинает уменьшаться,
и поршень тормозится. При подходе каждого следующего пояска
процесс идет в том же направлении, т. е. реализуется плавное
торможение выходного звена.
Останов пневмопривода в произвольной точке хода с помощью
тормоза. Наиболее простым способом останова поршня в произ-
вольной точке хода является включение в заранее определенный
момент времени пневматического или электрического тормоза.
В частном случае роль тормоза может выполнять сам ПП, если,
например, его выхлопную полость отключить от атмосферы и
подключить к магистрали. Для этого можно использовать главный
распределитель, который в этом случае должен быть трехпози-
ционным (рис. 3.17, а), или установить вместо него два двух-
позиционных распределителя. Точность останова поршня про-
тиводавлением невелика: при начальной скорости около 1 м/с
(для цилиндра с поршнем диаметром 32 мм и ходом 250 мм) выбег
поршня после срабатывания распределителя составляет несколько
сантиметров. Точность останова при многократной отработке
(повторяемость) определяется разбросом, который может дости-
гать 10 мм.
Поскольку точность останова такого ПП зависит главным
образом от скорости подхода поршня к заданной позиции, для ее
91
Рис. 3.17. Принципиальные схемы пневмопри-
вода с остановкой в произвольной точке хода
с помощью тормоза:
а — с использованием трехпозиционного глав-
ного распределителя; б — с введением двух вспо-
могательных двухпозицнонных распределителей
с параллельным включением регулируемых дрос-
селей
повышения целесообразно предварительно, применив пневмати-
ческий тормоз, уменьшить рабочую скорость до минимальной
(ползучей), составляющей для ПП около 0,05 м/с. Система с таким
тормозом (рис. 3.17, б) обеспечивает разброс точек останова
в пределах 1 мм, что можно считать приемлемым для многих
технологических операций.
Тот же тормоз можно использовать не только для фиксации ПП
в момент останова, но и для снижения его скорости от рабочей
до ползучей. Последнее достигается включением тормоза не в пол-
ную силу, причем состояние пневматической системы управления
ПП в период перехода на ползучую скорость может оставаться без
изменений. На окончательном этапе торможения обе полости
ПП сообщаются с атмосферой или с магистралью одновременно
с включением полного усилия торможения. Тормозной путь при
таком способе торможения составляет 10 ... 30 мм, разброс точек
останова не более 2 мм. Относительно большая длина тормозного
пути явилась в данном случае следствием запаздывания в системе
управления (здесь в качестве датчиков исходных команд исполь-
зовались пневматические струйные конечные переключатели с по-
следующим усилением этих сигналов пневмосхемой) и в срабаты-
вании тормоза.
Конструктивно пневматический тормоз может быть выполнен
в виде отдельного узла или встроен в поршень пневмоцилиндра.
Для примера на рис. 3.18 показан модуль выдвижения руки
ПР, состоящий из пневмоцилиндра 2, управляемого распредели-
телем 1 и связанного траверсой с направляющей гильзой 3, кото-
рая несет захватное устройство и зубчатую рейку 7. С последней
92
Рис. 3.18. Модуль выдвижения руки ПР
Рис. 3.19. Различные алгоритмы функ-
ционирования системы с тормозом и
дополнительной обратной связью
находится в зацеплении зубчатое колесо, сидящее на валу элек-
трического тормоза 4. Через дополнительную зубчатую передачу
вращение от вала тормоза передается на потенциометрический
датчик положения 6 и тахогенератор 5, используемый как датчик
скорости. Система управления работает следующим образом.
На этапе быстрого (с рабочей скоростью) подвода к заданной
точке позиционирования тормоз выключен. В некоторый момент,
когда ПП находится вблизи заданной точки, происходит включе-
ние тормоза, который переводит ПП на режим движения с ползу-
чей скоростью. При приходе в заданную точку тормоз включается
на полное усилие, достаточное для останова ПП. Во избежание
автоколебаний систему обратной связи по положению отключают
вместе с включением тормоза. Тахогенератор можно использовать
также в качестве дополнительной обратной связи в основном
контуре или в системе регулирования ползучей скорости.
Алгоритм функционирования системы с тормозом и дополни-
тельной обратной связью по скорости задается уравнением линии
переключения в координатах положение — скорость (т. е. на
фазовой плоскости), например, в виде
х + kjV + k2v2 — х* = О,	(3.27)
где х и х# — соответственно текущая и заданная (точка позици-
онирования) координаты поршня; и — постоянные коэффи-
циенты. На рис. 3.19 сплошной линией показана линия 1 пере-
ключения, получаемая при наличии в системе обратной связи
по скорости только вида k±v. Чем круче наклон этой линии, тем
выше быстродействие привода, однако предельный угол наклона
ограничен условиями устойчивости (линия 2 с подштриховкой).
Движение привода происходит в так называемом скользящем
режйме, когда изображаемая точка на фазовой плоскости (см.
93
Рис. 3.20. Схема клапанного сервораспределителя с электропиевматической системой
управления, состоящей из трех каскадов
подробнее на рис. 3.19) попеременно попадает то по одну, то по
другую сторону линии переключения 1, причем каждый переход
через линию сопровождается переключением тормоза (включе-
ние-выключение или переключение с одного режима торможения
на другой).	'
Введение дополнительной обратной связи по квадрату ско-
рости улучшает динамические свойства системы управления.
Поскольку в этом случае линия 3 переключения имеет переменную
крутизну, удается обеспечить более высокое быстродействие ПП
без потери устойчивости системы.
Пневматический следящий привод. Следящий ПП наиболее
удобен для использования в механизмах ПР, поскольку он обес-
печивает не только останов рабочего органа в произвольной
точке без упоров, но и воспроизведение заданного закона движе-
ния. Использование следящего ПП в промышленности и в робото-
технике до последнего времени сдерживалось следующими при-
чинами.
Требуемая для устойчивости работы следящего ПП достаточно
развитая система управления оказывалась слишком дорогосто-
ящей, громоздкой и ненадежной. Развитие микроэлектронной
техники открыло по существу неограниченные возможности
для решения этой проблемы.
Вторая причина — влияние на динамику ПП сил трения и тех-
нологических нагрузок. Это влияние может быть в определенной
94
степени нейтрализовано соответствующим выбором параметров
и структуры системы управления, а также двигателя. В этих целях
могут быть использованы также новые разработки в области
антифрикционных материалов, уплотнительных элементов и ра-
циональное конструирование пар трения и т. п.
Применению следящего ПП мешает также отсутствие готовых
элементов привода — сервораспределителя, датчиков, блоков
управления. Наконец, необходима методика для обоснованного
выбора структуры и параметров следящего ПП.
Следящий пневмопривод с непрерывной системой управления.
Клапанный сервораспределитель с электропневматической систе-
мой управления, состоящей из трех каскадов, показан на
рис. 3.20. При изменении электрического входного сигнала ме-
няется положение катушки 1 электромагнита и соответственно
угол поворота рычага 2, являющегося заслонкой для сопл 3
второго каскада управления. Это приводит к изменению давления
в проточной камере А, нарушению равновесия мембранного
центра 4 и его смещению в зависимости от знака рассогласования
влево или вправо. В первом случае открывается левый затвор,
соединяющий полость пневмоцилиндра с магистралью, во вто-
ром — мембранный центр отходит от правого затвора, соединяя
полость двигателя через каналы в мембранном центре и камеру Б
с атмосферой. Здесь также предусмотрена отрицательная обратная
связь по давлению в полости, а с учетом двух блоков распредели-
теля — обратная связь по перепаду давлений в рабочих полостях
двигателя, которая повышает устойчивость системы управления,
но может привести к появлению статической ошибки положения
рабочего органа ПП при действии на него переменных внешних
сил.
Как уже указывалось выше, следящий ПП без развитых
обратных связей не обеспечивает удовлетворяющих практику
динамических и точностных показателей. Кроме того, для реали-
зации системы обратных связей требуются дополнительные дат-
чики механических параметров — скорости, ускорения, давления
и др. Эти датчики часто оказываются неудовлетворительными по
размерам, надежности, точности и другим критериям. Однако
учитывая возможности микроэлектроники, целесообразен
другой подход, достаточно универсальный и основанный на хо-
рошо разработанной теории. Здесь имеется в виду электронная
модель-наблюдатель, «копирующая» поведение реального при-
вода и дающая возможность получать сигналы точно так же, как
с датчиков. При этом для работы модели достаточно минимума
обратных связей. Например, установив только датчик положения,
с модели можно получить сигналы скорости и ускорения или
давления.
Процедура построения структуры и выбора параметров мо-
дели-наблюдателя хорошо разработана применительно к объек-
там, -динамика которых описывается линейными дифференциаль-
95
ними уравнениями [67]. В реальных условиях динамика привода
чаще всего описывается нелинейными системами уравнения,
однако правильно спроектированная система управления обеспе-
чивает высокое качество режима слежения или отработки позиции
рабочим органом именно за счет удержания процесса в пределах,
не выходящих за допустимые границы линейных соотношений.
Это позволяет пользоваться известными методами и при создании
моделей-наблюдателей для следящего ПП, хотя динамика послед-
него описывается в общем случае существенно нелинейными
соотношениями.
Высокая сжимаемость воздуха и его относительно низкое
давление приводят к необходимости тщательного выбора как
структуры, так и параметров ПП. Применительно к решению
задачи создания позиционного ПП в основу методики расчета
может быть положено качество переходных процессов ПП на
этапах разгона и торможения, если считать, что основной участок
пути соответствует полному открытию каналов полостей. При
таком подходе для выбора основных параметров привода можно
воспользоваться приведенными ранее соотношениями (3.25). За-
даваясь (исходя из требований технологического процесса) уста-
новившейся скоростью v и зная массу перемещаемых приводом
частей, по соотношениям (3.25) определяем площадь поршня,
площадь проходных сечений каналов на входе и выходе. Тем самым
обеспечивается как достижение требуемой скорости, так и бы-
стрый выход на установившийся режим (разгон).
Для выбора структуры и параметров системы управления вос-
пользуемся линейной моделью динамики пневмопривода, полагая,
что если ПП находится вблизи заданной позиции, то в режиме
торможения система управления работает как обычная линейная
система. Для структурной схемы привода, показанной на
рис. 3.21, а, система линеаризованных уравнений динамики может
быть сведена к виду
тх Д- А3х + А2х — А3х = А3х3 Л4РС, (3.28)
где
Ai = Кс 4“ cK^tTi -|- сКх',
Л2 = с(адс + ^ + 1);	(3.29)
А3 = сК\ А4 = сКя',
Кл — коэффициент жидкостного трения в приводе, определяемый
по экспериментальным данным, Н/(м-с-1); с — «жесткость» дви-
гателя, Н/м; /<д — коэффициент внутреннего демпфирования при-
вода, м/(Н-с); Кх — коэффициент усиления по положению, с-1;
96
Рис. 3.21. Расчетная структурная схема пневмопривода
Ki и Ki — коэффициенты усиления по скорости и ускорению, с;
х3 — задающий сигнал; Рс — сила сопротивления, Н;
„__2P„F . is __ Kf+ . !( f+ iCrr^1
c----Kx-—Kax,
К» = -^К<& Кг = -^гК<£.
Здесь
ts_ 200p*pM e s____ s ,
Д-----------> ^x — ССстССуССд;,
Po
s s
a* = aCTaya*;
f+ — эффективная площадь сечения канала на входе при полном
его открытии; 0О — степень открытия этого канала в состоянии
равновесия; р0 — установившееся давление в полости двигателя
в состоянии равновесия; ах, а;, ах —коэффициенты усиления
в контурах обратной связи; аст — коэффициент наклона статиче-
ской характеристики, м-1 (рис. 3.21, б) сервораспределителя,
выражающий степень открытия канала в функции сигнала рас-
согласования, измеряемого в единицах перемещения; ау — коэф-
фициент усиления усилителя. Приведенные выражения относятся
к случаю, когда режим истечения в каналах двигателя надкри-
тический.
Для выбора структуры и параметров ПП воспользуемся спра-
вочными материалами, приведенными в [431, которые получены
на основе анализа типовых безразмерных характеристических
уравнений. Согласно этим данным можно, задавшись видом пере-
ходного процесса при торможении ПП в зоне точки позициони-
рования, определить: безразмерные значения коэффициентов урав-
4 П/р я. А. Шифрииа	97
нения (3.28) Aj. и Д2 Из = О, безразмерное время торможения т
и безразмерное максимальное ускорение (замедление) в процессе
торможения £тах. По этим величинам определяют коэффициент
нормирования /Св = т/£т (имеющий размерность с-1), где tT —
время торможения, и действительные значения коэффициентов
уравнения (3.28) по формулам
Ai = mAiKB; А2 = тА2К1', А3 = тК1- (3.30)
При выборе параметров ПП значения с, Кл, Кх, Ki, К'х должны
быть такими, чтобы Л1 А2 и А3, связанные с ними соотношениями
(3.29), совпадали с вычисленными по формулам (3.30). При этом
необходима проверка правильности выбора площади поршня F
с точки' зрения реализации требуемого тормозного процесса. Она
должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить требуемое
в процессе торможения максимальное ускорение. Это условие
описывается неравенством
\ гшах, птах тхтКв£ max	/о оа\
G>FT , FT = 0 35рм ,	(3.31)
где хТ — длина тормозного пути, определяемая рассогласованием,
при котором Ро = 1, т. е. канал на входе открывают полностью.
Если условие (3.31) не выполняется, то значение F необходимо
увеличить (или уменьшить /Св, что равносильно увеличению вре-
мени торможения). Выбор F может быть также ограничен усло-
вием податливости ПП под воздействием статической нагрузки,
т. е. его смещением от заданного положения при приложении
единичной силы к поршню. Податливость определяется соотно-
шением П= 1/(2роЕах).
Найденные значения параметров требуют проверки численным
решением исходной нелинейной системы уравнений и при необ-
ходимости — корректирования.
Следящий пневмопривод с дискретной системой управления.
Такие системы управления используют для улучшения точност-
ных и динамических показателей следящего ПП, работающего
в условиях действия силы типа кулонова трения, упрощения кон-
струкций элементов системы управления, уменьшения мощности
и числа каскадов в контурах. Это относится, в частности, и к рас-
сматриваемой ниже системе ШИМ (широтно-импульсной модуля-
ции). Принцип действия системы ШИП следующий. В состоянии
равновесия затвор распределителя совершает непрерывное воз-
вратно-поступательное движение от одного крайнего положения
до другого с одинаковым временем выстоя в каждом из них.
Частота переключений такова, что давления в полостях колеб-
лются незначительно около своих установившихся значений,
а поршень или стоит на месте (перепад давления недостаточен
для преодоления силы трения) или совершает небольшие коле-
98
бания, когда перепад давлений несколько превышает этот предел.
При подаче сигнала управления на перемещение поршня в не-
которую точку хода режим движения затвора изменяется. Если
рассогласование велико, то затвор останавливается в одном
из крайних положений в соответствии со знаком рассогласования,
в результате чего ПП работает как обычный пневмоцилиндр и
его рабочий орган движется в сторону заданной позиции. Когда
рассогласование становится меньше определенного критического
значения, затвор распределителя снова переходит в режим не-
прерывного возвратно-поступательного движения, но соотноше-
ние между длительностями выстоя в крайних положениях (так
называемая скважность импульсов) меняется пропорционально
рассогласованию, и в состоянии нулевого рассогласования скваж-
ность снова принимает единичное значение.
Требования к структуре и параметрам привода и системы уп-
равления в этом случае такие же, как и для ПП с непрерывной
системой управления. Во-первых, должен быть обеспечен режим
движения с установившейся скоростью на этапе быстрого подвода
к заданной позиции. Для его реализации значения F и ft выби-
рают по соотношениям (3.25). Во-вторых, система управления
должна быть в состоянии «захватить» и затормозить рабочий орган
в пределах заданного тормозного пути. Если принять, что частота
колебаний затвора распределителя достаточно велика, то в пер-
вом приближении можно пренебречь колебаниями давления в по-
лостях и считать, что каждому значению скважности импульсов
соответствует определенное постоянное установившееся давление
в полости двигателя.
При таком допущении задача выбора структуры и параметров
системы управления сводится к уже рассмотренной выше в раз-
деле ПП с непрерывной системой управления. Что касается сил
сухого трения, то в расчет вводятся заменяющие их силы жидко-
стного трения с параметрами, определяемыми методами гармо-
нической линеаризации.
3.4. Выбор передаточных механизмов ПР
На структуру и конструктивное исполнение передаточ-
ных механизмов ПР влияют тип двигателя и вид перемещения,
обеспечиваемого исполнительным звеном, а также способ их со-
четания (табл. 3.4). В сочетаниях 2-В и 1-П передаточные меха-
низмы могут вообще отсутствовать, так как ведущие элементы
двигателей могут быть непосредственно связаны с исполнитель-
ным звеном, а в некоторых случаях сами выполняют его функции.
Этот вариант предельный.
В некоторых случаях по соображениям компоновки, техноло-
гичности или удобства обслуживания двигатель не располагают
соосно с исполнительным звеном, а для согласования осей приме-
няют передачи, которые при необходимости могут быть использо-
4*	99
Таблица 3.4
Тип двигателя	Назначение передаточных механизмов ПР при перемещении исполнительного звена	
	вращательном (В)	поступательном линейном (П)
1. Двигатели поступа- тельные линейные (гидро- и пневмоци- лиидры)	Преобразование поступа- тельного движения во вращательное	Передача отсутствует или служит для согласования осей двигателя и испол- нительного звена
2. Двигатели вращатель- ные высокомоментные (роторные гидро- и пневмоцилиндры, ги- дромоторы радиально- поршневые)	Передача отсутствует или служит для согла- сования осей двигателя и исполнительного звена	Преобразование враща - тельного движения в по- ступательное
3. Двигатели вращатель- ные высокоскорост- ные (гидромоторы ак- сиально-поршневые, пневмомоторы, элек- тродвигатели)	Для согласования скоро- стей и крутящих момен- тов двигателя и испол- нительного звена при большом передаточном числе	Преобразование враща- тельного движения в по- ступательное с большими передаточными числами
ваны также для согласования скоростей и силовых характеристик
двигателя и исполнительного звена. В качестве примера можно
привести конструкцию механизма вертикального хода робота
«Versatran» [31, в котором исполнительный гидроцилиндр, хотя
и расположен соосно с исполнительным звеном, но связан с ним
через ускоряющую дифференциальную реечную передачу.
Сочетания 1-В и 2-П характеризуются необходимостью при-
менения передач, преобразующих поступательное движение во
вращательное и наоборот. Наиболее часто в робототехнике исполь-
зуют передачи для преобразования поступательного движения
гидро- или пневмоцилиндров во вращательное движение испол-
нительных звеньев. Здесь чаще всего применяются реечные, цеп-
ные и рычажные передачи, а также передачи с помощью зубчатых
ремней. Реечные передачи используются в роботах «Универ-
сал-15.02», цепные передачи — в роботах «Versatran» и «Unimate».
Сочетание 3-В обусловливает применение редукторов скорости
с большим передаточным числом. В механизмах ПР используются
зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные,
а также волновые редукторы. В качестве конкретных примеров
применений зубчатых и червячных редукторов и их сочетаний
можно указать механизмы поворота роботов «Универсал» и
РПМ-25.
юо
Возможность получения большого передаточного числа в одной
ступени волнового редуктора позволяет устанавливать двигатель
соосно с исполнительным звеном, что предельно упрощает кон-
струкцию механической системы и делает ее компактной.
Тип редуктора выбирают на основе оценки по ряду параметров,
из которых наиболее важными являются мертвый ход в передаче,
жесткость, КПД, свойства самоторможения или обратимости,
сложность (число составляющих элементов, необходимое для по-
лучения заданного передаточного числа), габаритные размеры и
масса передачи, удобство компоновки, уровень шума при работе,
долговечность, технологичность изготовления и стоимость пере-
дачи.
Коротко охарактеризуем основные виды редукторов, приме-
няемых в ПР.
Зубчатые цилиндрические редукторы имеют хорошие показа-
тели по КПД, жесткости, долговечности и технологичности. Вы-
сокий КПД передачи позволяет без больших потерь применять
специальные методы устранения боковых зазоров, которые в зуб-
чатых редукторах могут достигать значительных значений, что
повышает устойчивость и точность работы привода. Один из мето-
дов устранения зазоров с помощью введения предварительного
натяга в замкнутой передаче применен в конструкции роботов
«Универсал-15.01» и РПМ-25.
Уровень шума зубчатых редукторов можно считать приемле-
мым при достаточно высокой (не ниже 7-й) степени точности
изготовления передач, особенно входных ступеней.
К недостаткам зубчатых цилиндрических редукторов по сравне-
нию с передачами других видов следует отнести высокую инер-
ционность вследствие больших диаметров колес, сложность и свя-
занные с этим значительные габаритные размеры передачи. Отме-
тим, что наиболее компактная конструкция получается при исполь-
зовании планетарных передач. К коническим зубчатым передачам
можно отнести все сказанное выше, однако к недостаткам надо •
добавить сложность их регулирования при сборке, а также
повышенный шум при работе, поэтому прямозубые кониче-
ские колеса не следует использовать во входных ступенях
редуктора.
Червячные редукторы отличаются высокой жесткостью, малой
инерционностью (благодаря малому диаметру червяка и большому
передаточному числу), малым уровнем шума, относительно про-
стой конструкции (передаточные числа достигают до 80 ... 100
на одну ступень), возможностью самоторможения, что важно для
реализации позиционного следящего привода. К основным недо-
статкам червячных передач следует отнести низкий КПД, кото-
рый у однозахватных передач не превышает 0,4 ... 0,5, и связан-
ную с этим сложность устранения зазоров в силовых передачах,
поэтому передачу рекомендуется применять только в первых
ступенях редукторов, так как в этом случае зазоры, приве-
101
денные к исполнительному звену, могут оказаться незначи-
тельными.
Главные преимущества волновых редукторов — простота кон-
струкции (вследствие возможности получения больших переда-
точных чисел на одну ступень), малые габаритные размеры, прак-
тическая безлюфтовость (многопарное зацепление при малых мо-
дулях зубьев), высокий КПД, не ниже 0,8. Эти преимущества
обусловливают достаточно широкое распространение волновых
редукторов. Относительными недостатками этих передач являются
пониженная жесткость, а также сложность изготовления и обес-
печения приемлемой долговечности.
Сочетание 3-П (см. табл. 3.4) в ПР обычно осуществляется
с помощью передач двух типов: зубчатой передачи колесо—рейка
в сочетании с каким-либо из редукторов, рассмотренных выше,
и винтовых передач.
В качестве примеров передач первого типа можно привести
сочетание цилиндрического зубчатого редуктора с реечной пере-
дачей, сочетание конического редуктора с реечной передачей,
червячного редуктора с реечной передачей и червячно-цилиндри-
ческого редуктора с реечной передачей (модуль подвижного осно-
вания робота РПМ-25).
Более простыми по числу элементов являются винтовые пере-
дачи. В ПР используют винтовые передачи скольжения, шарико-
винтовые передачи качения планетарного типа. Винтовые пере-
дачи скольжения по своим параметрам в целом равноценны ранее
рассмотренным нами червячным передачам. Низкий КПД и труд-
ность выбора люфта ограничивают их применение, однако в не-
которых случаях привлекательным качеством является свойство
самоторможения, благодаря чему эти передачи находят примене-
ние в статически неуравновешенных механизмах (например, меха-
низм подъема ПР «Универсал-5»). В противоположность этому
шариковинтовые передачи имеют высокий КПД и могут быть без-
люфтовыми благодаря предварительному натягу в сдвоенных
гайках, однако они не имеют свойства самоторможения. Приме-
ром применения шариковинтовой передачи является механизм
поперечного сдвига робота «Универсал-15.01». К недостаткам ша-
риковинтовых передач следует отнести более низкую жесткость
и технологическую сложность обеспечения перекатывания шари-
ков в замкнутых каналах. Поэтому частота вращения винта
ограничена (обычно 1000 ... 1200 об/мин).
Указанные недостатки устранены в так называемых роликовых
планетарных винтовых передачах качения, относящихся к классу
несоосных винтовых передач. Такие передачи обладают по-
вышенной жесткостью вследствие множественности точек кон-
такта между винтом и резьбовыми роликами, не требуют значи-
тельного усложнения конструкции для организации непрерывной
циркуляции тел вращения, а частоты вращения винта в них
могут достигать 3000 ... 4000 мин-1. Передача используется
102
в конструкциях модулей поступательного перемещения робота
РПМ-25.
Следует отметить также, что винтовые передачи различных
типов находят применение не только в механизмах прямолиней-
ного перемещения, но и в механизмах качания (сочетания 3-В,
см. табл. 3.4) в тех случаях, когда угол качания невелик и не
превышает л/2. При этом винт шарнирно сочленяется с качаю-
щимся рычагом исполнительного звена.
Влияние на структуру и конструкцию передаточных механиз-
мов манипуляторов способа взаимного расположения двигателей
и приводимых ими в движение исполнительных звеньев рас-
смотрено в [45].
Глава
4 МЕТОДЫ РАСЧЕТА
И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПР
4.1. Определение кинематических
и динамических характеристик ПР .
Излагаемая методика определения кинематических и
динамических характеристик ПР основана на результатах реше-
ния обратных задач о положениях. Обратная задача о положении
механизмов ПР состоит в определении значений обобщенных
координат их исполнительных механизмов по заданным положе-
ниям перемещаемых объектов. С решения этой задачи обычно
начинается расчет исполнительного механизма ПР.
Необходимыми предпосылками применения данного метода
определения кинематических и динамических характеристик яв-
ляется наличие данных о размещении технологического оборудо-
вания, о законах и значениях перемещений заготовок и деталей
в технологическом процессе.
Определение кинематических и динамических характеристик
ПР проведем на примере робота «Универсал-60.02», кинематиче-
ская схема которого представлена на рис. 4.1. Исполнительный
механизм этого робота содержит пять вращательных и две по-
ступательные кинематические пары. Общее число степеней по-
движности равно семи. Рассмотрим вопросы определения основ-
ных кинематических и динамических характеристик этого робота
по заданному движению объекта в технологическом процессе.
Определение относительных положений звеньев по заданному
положению объекта. Со звеньями механизма свяжем декартовы
системы координат следующим образом (см. рис. 4.1):
с основанием — неподвижную систему 0XYZ, направив ось X
параллельно поступательному движению основания, а ось Z па-
раллельно оси пары А;
со звеном 1 — систему координат	направив ось Хх
так же, как ось X, а ось Zx по оси вращательной пары А;
со звеном 2 — систему координат Bx,ysz,< направив ось Za
так же, как ось Zx, а ось Ха по оси вращательной пары В;
со звеном 3 — систему координат BXtYtZt, направив ось Х3
так же, как ось Ха, а ось Z3 параллельно оси поступательной
пары С;
со звеном 4 — систему координат DKiYiZi, направив ось Х4
по оси вращательной пары D, а ось Z4 так же, как ось Z3;
104
Рис. 4.1.
Кинематическая схема ПР
< Универсал-60.02»
со звеном 5 — систему координат	направив ось Х5
так же, как ось Х4, а ось Z6 по оси вращательной пары £;
со звеном 6 — сясгему координат FXtYtZt, направив ось Ze
так же, как ось Z6, а ось Хв по оси вращательной пары £;
со звеном 7 — систему координат Fx,y,z7> направив ось X?
так же, как ось Хв, а ось Z7 вдоль оси захватного устройства.
Относительные положения звеньев и связанных с ними осей
координат определяются следующими матрицами четвертого по-
рядка:
105
Мв =	-Сфв	— 5фв	0	0~ 5фв	Ссрв	0	0 0	0	1	ze _ 0	0	0	1-	; м7 =	-1	0	0	0- 0	Сф7	— 5ф7	0 0	Scp7	Сф7	0 0	0	0	1_	
здесь Si, ф2, Фз, St, <р6, фв, <р7 — переменные параметры, опреде-
ляющие относительное положение звеньев механизма; Z2, Ze —
— DF — постоянные параметры; Сф, = созф,; S<p( = зШф,.
Положение объекта и связанного с ним жестко захватного
устройства считаем заданным матрицей М07, элементы первых трех
столбцов которой суть косинусы углов между осями системы OXYZ
и Px,y,z,> а элементы четвертого столбца — координаты точки F
в системе OAyz. В данном случае определению подлежат пере-
менные параметры фг (i = 2, 3, 4, 5, 7) и Sj (j = 1,4).
Для решения задачи используем комбинированный матрично-
векторный метод. Составим матричное уравнение, устанавлива-
ющее связь между обобщенными координатами механизма и эле-
ментами матрицы Л407 (a,;) (i, j — 1, 2, 3), определяющей поло-
жение объекта:
Л41Л42Л43Л14Л15Л1вЛ17 = Л4О7.	(4.1)
Представим это уравнение следующим образом:
ЛДМгМзМзМз =	Ale >	(4.2)
где Alf1, — матрицы, обратные по отношению к матрицам
М, и Мв.
Перемножив матрицы в левой части уравнения (4.2), получим
М1Л12Л13Л14Л16 =
_Сф2 Зф2С (фз-j-ф&)	5ф23 (фз -|- ф5) 51 + 545ф35ф2-
_ Зф2	С<р2С(фз + ф6) — С<ра5(фз + ф6) — 545ф3Сф2
О	5(фз + ф6)	С (фз + ф6) S4C<p3
0	0	О	1
(4-3)
Перемножим матрицы в правой части уравнения (4.2):
0
Зф7
Сф7
о
0ц
о
о
X
и
106
	- Сфв	Зфв	0	0-		- Сфв	5фв	0 -
	— Зфв	Сфв	0	0		Сф75в	Сф2Св	5ф,
X	0	0	1	/в	— Л407	5ф?5в	5ф7Св	Сф7
	_ 0	0	0	1_		_ 0	0	0 _
-аиСфв ®1гСф35 фв+^и^Фз^Фв аи$ Фв4~ о^и^ФтСфв—а13 S Ф?Сф3
®21^Фв ®ггС ф?5фв -f“ а235ф75 фв ot2i S фв -J-ajjCcpvCcpe—а2з£ф7Сфв
а31^Фв-----а32^ф7"5фв4"а33,^ф7,5фв а31’^Фв4~а83^ф7Сфв а335ф7Сфв
О	О
а123ф, -I- “иСф, «1 — ("5ф1а12 И- <5ф7а1з)~
а22£ф, -|- а23Сф2 <х2 — 1в (Зф7а22 -|- Сф7<Х2з)
а32Зф7 + а33Сфв а3 — /в (5ф7а32 + С^а^)
О	О
Приравняв соответствующие элементы матриц-произведений,
получим систему 12 уравнений с семью неизвестными. Эту си-
стему связи не приводим ввиду ее громоздкости.
Для решения задачи целесообразно использовать некоторые
дополнительные уравнения.
Запишем координаты точки F:
xF = Sx + [Ze sin (ф3 + ф6) + S4 sin ф351п] ф2; '
Ур = — Ue sin (ф3 + ф6) + St sin ф3] cos ф2;
zF = 1в cos (ф3 + ф6) + Si cos ф3.
Из последних уравнений, считая Sx заданным, найдем
tg фг = — (Хр — Si)/yp.
Далее рассмотрим скалярное произведение векторов i7 и i6,
из которого определим cos фв, считая известным угол ф2: и t6 =
— cos фв. Проекция вектора i7 {au, a21, a31} задается матри-
цей Л1о7- В развернутом виде
i7x cos ф2 -|- ily sin ф2 = cos фв;
au cos ф2 -|- a21 sin ф2 = cos фв.
Далее определим орт k6, для этого используем условие его
ортогональности векторам г5 и i7:
i^kg — 0; iikg = 0.	(4.4)
В развернутом виде эти условия выражаются так:
kex cos ф2 + kgy sin ф2 = 0; 1
?	(4 5)
^exan "h ^eya2i "h ^eza3i = 0- J
107
Кроме того, используем соотношение
^6* -|-	^6z = 1.	(4-6)
Из уравнений (4.5) и (4.6) определяем проекции орта ke.
Далее выразим координаты точки D следующим образом:
= Хр	lei-exi
Ув~ Уе	leitn't
%D —	— Ц^вг-
Используя значения этих координат, найдем S4 из соотно-
шений
(хв — Хд)2 -|- (ув — Уо)2 + (zb — Zd)2 = S4.
Далее на основании теоремы косинусов найдем cos <р3 и cos ф5
> из выражений:
h -|- S4+2/iS4 cos <рз — (xd — Ха) -|- (уо — У а) ~Ь (zd — 2л) ;
^6 + <S4 + 2/б54 cos фз = (хр — Хв)2 + (ye — У в)2 + (zp — г в)2- ,
Следует отметить, что одна тригонометрическая функция угла
не определяет однозначно значение угла в пределах 0 ... 2л,
поэтому для окончательного нахождения углов следует использо-
вать все уравнения связи, полученные приравниванием матриц
левой и правой части уравнения (4.2).
Определение абсолютных положений звеньев манипулятора.
Знание абсолютных положений звеньев манипулятора в каждый
момент времени, т. е. положений его звеньев относительно не-
подвижной системы координат, необходимо для того, чтобы исклю-
чить их столкновение при выполнении заданных операций, а также
устранить возможность задеть объекты, расположенные в ра-
бочей зоне.
При известных обобщенных координатах механизма эта задача
сводится к перемножению матриц четвертого порядка, опреде-
ляющих относительное положение звеньев.
Положение звена 3 (см. рис. 4.1) определяется матрицей
	С фа	Зф2Сф3	5ф25ф3	S2n
	5 ф2	Сф2Сфз	Сф25ф3	0
Л1оз —	—	0	Зфз	Сф3	0
	- 0	0	0	1 -
положение звена 4 — матрицей
С Фа 5<р2С<рз ScpjScpj	-|- S4S<p2S<pg-
£ф2 Сф3Сф2 Сф2£ф3	Зф4Сф25ф3
Moi = О	О	С<Рз	54С<Рз
_ 0	0	0	1
108
положение звена 5 — матрицей
А4д8 = ^04-^05 =
“Сфа — Зф2С (фз4~ф8) <$ф2>$ (фз+фз) 51 4“ 545ф25фз~
<$ф2	5<р2С (фз + ф5) Сф2<$ (фз + ф5) — 54Сф25фз
О	S (фз -|- <р5) С (фз 4- ф5)	$4Сфз
_ 0	0	0	1
положение звена 6 — матрицей
Л4ов ~ MojAfe =
“С<р2Сфв—Зф2С (фз+ф5) —ЗфвСф2—5фвС (фз+фз) 5ф25 (ф3+ф5)
5фаС<рв—С<р2С (фз+ф5) —<$ф2Зфв+Сф2С (фз+ф5) 5ф25 (фз+ф5)
5 (фз + фз) 5фв S (фз Ч- фз) £фв С (фз 4~ Фз)
О	0	0
Si Ч- <$4<$ф25фз 4~ /в5ф25 (фз 4~ Фе) ~
54Сф25ф3 4~ /вСф25 (фз 4- ф5)
54Сфз 4- 1ес (фз 4- ф5)
о
Положение звена 7 и связанного с ним объекта определяется
матрицей М07 = Л40вЛ47. Элементы этой матрицы не приводим
ввиду их громоздкости.
Линейные и угловые скорости манипулятора. Определим абсо-
лютные угловые скорости манипулятора (см. рис. 4.1) при задан-
ных обобщенных скоростях <SX, ф2, ф3, S4, ф8, фв, ф7. Эти вели-
чины можно найти путем решения линейной системы уравнений
связей, полученной дифференцированием уравнений связей. Абсо-
лютная угловая скорость звена 2 й2 = ф2&.
Угловая скорость звена 3
Й3 = Ю2 4- ®8 = фз& + Фз*3 = ф2^ 4- фз COS ф21 4- фз Sin ф2/,
где ю2, а>з — относительные угловые скорости звеньев 2 и 3.
Угловая скорость зв<гна 4
Й4 = Й3 = фз cos ф31 4- фз sin ф2/ 4~ фг&-
Угловая скорость звена 5
Й5 = ю2 4- ю3 4- ю5; й5 = (фз 4- <р5) cos ф31 4- (ф3 4- <р8) sin q>aJ4- ф2&.
Угловая скорость звена 6 йв =	4- ®з 4- ю8 4- ®в-
109
Запишем проекции вектора &в на неподвижные оси:
1
О
О
II Шб II = L2L3L5 ||(0б || =
о
с (ф3 + Фз) — s (фз + Фз)
$ (фз + Фз)
С<р2
3<р2
_ о
1Г° “
о
с (<Рз + фз) J |_Фв_
— 8ф2 0“
С <р2 О X
О
фв8ф28 (фз + Фз)“
= ФвЗ(фз + ф5)Сф2
. ФвС (фз + фз) .
О
1
где L2, L3, L3 — матрицы поворота звеньев 2, 3, 5.
Таким образом, вектор йв можно записать в виде
= й [(фз + фз) Сфз — фв5ф28 (фз + Фз)) +
+ J [(фз + Фз) 5фа + фвСф28 (фз + Фз)] + k [фа + <рвС (ф8 + ф5)].
Угловая скорость звена 7 Q; =	+ w7.
Запишем проекции вектора ю7 на неподвижные оси:
|| ш7 II = A2L3L5Z.6 || ш?6) || =
-ф7 [Сф2Сфв — 8ф28фвС (фз + ф5)Г
= ф?[5ф2Сфв— Сф2Зф6С(фз+ ф5)1 .
Ф75фв8 (фз + Фз)
Таким образом, проекции абсолютной угловой скорости звена 7
на неподвижные оси будут:
Qx = <р7Сф2Сфв — ф78ф28фвС (фз + Фз) +
+ (Фз + Фз) Сфз — ФвЗфгЗ (Фз + Фз);
= ф7СфвЗф2 + <р7Сф2Зф6С (ф3 + Фз) +
+ (Фз + Фз) Зф2 + ФвСф23 (фз + фз);
йг = ф78фв8 (фз 4- Фз) ~Ь Фз + Ф(,С (фз + Фз).
(4-8)
Система (4.8) при заданных проекциях угловой скорости Й7
представляет собой систему трех линейных уравнений, содержа-
щую пять неизвестных ф2, ф3, ф5, фв, ф7.
Другие уравнения получим, рассматривая абсолютную линей-
ную скорость.
Линейные скорости центров масс звеньев манипулятора.
Линейная скорость движения захватного устройства является
одним из основных проектных параметров манипулятора. Этот
параметр необходим также для определения кинематической
энергии звеньев манипулятора.
Линейные скорости центров масс манипулятора будем искать,
считая известными обобщенные скорости механизма.
110
1
Предположим, что центры масс звеньев лежат на их осях.
Для определения линейных скоростей центров масс звеньев
используем формулу
Vi = S йк,
k=i
где vh (k = 1, i) — вектор скорости точки звена, обуслов-
ленной движением только в &-м шарнире.
Кроме того, для определения скорости Уг удобно использовать
метод приведения векторов угловых скоростей к заданной точке.
Согласно этому методу линейная скорость звена равна моменту
вектора c6fe (k = 1, ..., п) относительно выбранной точки Ск:
vk = r'kX &к = Wk'rk,	(4.9)
где f'k — вектор, определяющий положение некоторой точки оси
вращения относительно выбранной точки Ск; гк — вектор, опре-
деляющий положение точки Ск относительно точки оси вращения,
очевидно, f'k — —fk-
Использование формулы (4.9) позволяет исключить операцию
дифференцирования координат по времени, которая часто при-
водит к громоздким выражениям.
С помощью (4.9) найдем скорость точки С3 — центра масс
звена 3 (см. рис. 4.1):
vc, = »1 + ®гАС3 + (о3ВС3 =	— <рх sin cp3Z3i3 — ф3/3/3.
Скорость центра звена 4
Vct = Vi Д- -|- co3BCj -|-
где и4 — скорость точки С4, обусловленная движением в при-
воде С;
СО2ДС4 == (о2 (ХВ -)- ВС4) = со2 (S4 — /4)
где = CJ).
Скорость центра масс звена 5 (точки С5)
ос, = 01 -|- со2ЛС5 -I- ®зВС$ -|- о* -|- (о5ОС5,
где ю2ДС5 = <p2fe2 (ЛВ + BD +ОС5) = <p2S4i3_sin <р3 + ф2/6 sinj(<p3+
+ Фе)	= (о3 (BD + DC$) = —<р38^3 — Фз^/з» w5DC5 =
= —фа^а/з-
Скорость центра масс звена 6 определяют также заменой пара-
метра /5 на (/б — /б); /е = DF, U = FC6.
Скорость центра масс звена 7 (точки С7)
ve, — Ox "h -|- (о3ВС7 04 -}-	-I- ®3ЕС7 -I- m7FC7. (4.10)
111
Векторные произведения, входящие в последнюю формулу,
раскрываются аналогично. Следует иметь в виду, что проекции
скоростей орт получены при решении задачи об абсолютных по-
ложениях механизма.
Раскладывая (4.10) по осям, получим еще систему трех ли-
нейных уравнений относительно обобщенных скоростей, которая
совместно с системой (4.8) дает систему шести уравнений с семью
неизвестными. Решение задачи возможно при выборе одного
неизвестного.
4.2.	Расчет деформаций механической системы ПР
Деформация механической системы ПР складывается
из деформации НМС и ИМС. Причем деформация НМС состав-
ляет 85 ... 90 % суммарной деформации. Это обусловлено сле-
дующими причинами:
НМС, как правило, содержит не менее трех звеньев, имеющих
большую длину и закрепленных консольно;
звенья НМС соединяются между собой за счет элементов каче-
ния с незначительной площадью контакта сопрягаемых тел, кон-
тактная деформация которых в совокупности с консольным креп-
лением звеньев приводит к большим смещениям захватного
устройства ПР при действии инерционных нагрузок;
звенья НМС (из условия работы) нельзя охватить обратными
связями;
требования создания ПР с минимальными энергетическими
характеристиками накладывают на НМС требования минимиза-
ции весовых характеристик и, следовательно, минимально допу-
стимой жесткости НМС;
так как у большинства современных ПР погрешность пози-
ционирования составляет 0,1 ... 0,5 мм при ускорениях (0,5 ... 2) g,
то механические колебания, превышающие погрешность пози-
ционирования, недопустимы или они должны быстро затухать.
Деформация ИМС зависит от типа применяемого передаточ-
ного механизма: для передаточных механизмов на базе шарико-
винтовых передач она составляет 3...5%, зубчатых передач
5 ... 10 %, волновых зубчатых передач и зубчато-ременных пере-
дач 10—14 %. Исключение составляют ИМС ориентирующих
(кистевых) движений, у которых деформация исполнительной си-
стемы составляет 85 ... 90 % общей деформации. Это связано
с наличием нежестких связей приводов с ориентирующим меха-
низмом кисти и высокой жесткостью НМС, состоящей из корпуса
и опор валов кисти.
При расчете деформаций механической системы ПР необходимо
в первую очередь учитывать инерционные нагрузки от перемеще-
ния масс объектов манипулирования и узлов ИМС (передаточных
механизмов, кистевых механизмов и т. п.).
112
Статической деформацией от массы перемещаемых звеньев и
массы груза пренебрегают, так как ее учитывают при записи
программ ПР.
Деформация от инерционных нагрузок возникает в точках
движения, в которых имеются изменения ускорения, а именно
в начале разгона, характеризуемого увеличением ускорения от
нуля до максимального значения; в конце разгона, где ускорение
уменьшается от максимального значения до нуля; в начале тор-
можения, для которого характерно нарастание ускорения от нуля
до своего отрицательного максимального значения; в конце тор-
можения или позиционирования, когда ускорение уменьшается
до нуля.
Таким образом, деформация механической системы ПР проис-
ходит под действием кинематического возбуждения, т. е. колеба-
ния вызываются не внешними силами, а возникают вследствие
движения по заданному закону одной или нескольких точек си-
стемы. Задачу о кинематическом возбуждении, пользуясь прин-
ципом Даламбера, сводят к задаче о силовом возбуждении путем
прикладывания инерционных сил в местах сосредоточения масс
захватного устройства. Как показывают экспериментальные ис-
следования, при расчете колебательного процесса НМС доста-
точно учитывать частоту основного тона, а также кинематическое
возбуждение, возникающее в начале и конце торможения.
Исходными данными для расчета деформаций и колебательного
процесса НМС являются: структурная схема НМС; значения и
законы изменения ускорений звеньев НМС; масса переносимого
груза; длина звеньев НМС; требования по времени цикла ПР
и погрешности позиционирования. Эти данные определяют при
проведении предпроектных работ, исходя из анализа технологиче-
ских процессов.
Расчет деформаций НМС целесообразно проводить в следующей
последов атель ности:
1.	Определить массы исполнительного механизма (захватного
устройства), механизма кисти, расстояние от центра масс испол-
нительного механизма до выходного фланца механизма кисти.
2.	Выполнить приближенный расчет на жесткость НМС, учи-
тывая инерционные нагрузки от перемещения массы исполнитель-
ного механизма и механизма кисти.
3.	Рассчитать ориентировочную массу передаточных меха-
низмов.
4.	Найти массу звеньев и провести дискретизацию распреде-
ленных масс звеньев.
5.	Выбрать длину заделок звеньев и размеры тел качения
узлов соединения звеньев.
6.	Разработать расчетную схему НМС.
7.	Определить перемещения в трех взаимно перпендикуляр-
ных направлениях Дж, Ду, Дг исполнительного механизма (за-
хватного устройства) от деформации звеньев НМС. под воздей-
113
ствием инерционных сил при условии, что узлы соединения
звеньев являются абсолютно жесткими.
8.	Найти перемещения в трех взаимно перпендикулярных на-
правлениях Джй, Дгй исполнительного механизма (захват-
ного устройства) от контактной деформации узлов соединения
звеньев под воздействием инерционных сил при условии, что
эти узлы абсолютно жесткие.
9.	Рассчитать относительный коэффициент контактной дефор-
мации = &ik/At, где i = х, у, z.
10.	Найти собственную частоту основного тона колебаний.
11.	Построить график (Дгй + А,) = f (0 при движении к точке
позиционирования и сравнить амплитуду колебаний при оконча-
нии движения с допускаемой деформацией или погрешностью
позиционирования и оценить время движения в точке.
При неудовлетворительных результатах необходимо или изме-
нйть жесткость элементов НМС (звеньев, узлов соединения звень-
ев), или закон движения, после чего расчет повторить.
Определение масс исполнительных кистевых передаточных
z механизмов. Для транспортирующих ПР массу исполнительного
механизма вместе с грузом определяют по формуле
'	= ^з^пр^гр,
где ka — коэффициент увеличения массы груза за счет захват-
ного устройства; fenp — коэффициент увеличения массы захват-
ного устройства, учитывающий тип его привода; /пгр — масса
груза.
Коэффициент k3 зависит от массы груза и типа обслуживае-
мого оборудования, и его выбирают из табл. 4.1.
Значения knp принимают равными: для захватного устройства
с пневматическим приводом 1,32, с гидравлическим приводом 1,1,
с вакуумным 1,05 и магнитным 1,15.
Таблица 4.1
Масса груза, кг	Значения коэффициентов и в зависимости от типа оборудования							
	станки		кузнечно- прессовое		термическое		литейное	
	&3	<4	^3	«=1	^3		&3	kl
о,1	1,35	1,5		2,5		2,5		2,3
0,1 ... 0,5	1,32	1,5	1,4	2,5	1,42	2,5	1,4	2,3
0,5 ... 1	1,3	1,7	1,4	2,8	1,42	2,7	1,4	2,4
1 ... 5	1,3	1,85	1,4	3,0	1,42	2,8	1,4	2,6
5 ... 15	1,25	1,9	1,35	3,2	1,40	3,0	1,35	2,8
15 ... 40	1,2	2,0	1,30	3,5	1,35	3,2	1,30	3,0
40 ... 60	1,15	2,0	1,25	4,5	1,30	3,5	1,25	3,3
60	1,10	2,0	1,20	5,0	1,25	4,0	1,20	3,5
114
Средние значение масс сварочных клещей ПР для контактной
сварки со встроенным трансформатором составляют 30 кг — при
толщине свариваемых деталей (мм) 1 + 1; 50 кг — при толщине
2 + 2 и 80 кг — при толщине 3 + 3. Значения масс для клещей
с вынесенным трансформатором принимают в 2 раза меньшими.
Ориентировочный расчет масс передаточных механизмов.
Массу передаточного механизма, кг, можно рассчитать по эмпи-
рической формуле, полученной из статистического анализа меха-
низмов ПР:
3/4._____
/Ппм ~ 27fenfeCTfepfen у Л4в/250,
где kn — коэффициент, учитывающий тип передачи; &ст — коэф-
фициент, характеризующий число ступеней передаточного меха-
низма; — коэффициент, учитывающий свойства материала кор-
пуса передаточного механизма; ka — коэффициент, учитывающий
тип люфтовыбирающего устройства; Мв — вращающий момент на
выходном валу, Н-м.
Значения коэффициентов в формуле для тпм выбирают, поль-
зуясь данными, полученными опытным путем.
Коэффициент kn = 1 для цилиндрической или конической
зубчатой передачи; kn = 0,7 ... 0,8 для червячной передачи и
kn = 0,5 ... 0,6 для волновой или циклопередачи.
Коэффициент kp имеет следующие значения: для корпуса
стального сварного kp — 0,9; чугунного литого kp — 1,0; сталь-
ного литого kp = 1,05; алюминиевого kp = 0,7.
Коэффициент kn = 1,2 ... 1,3 для люфтовыбирающего устрой-
ства в виде дополнительной кинематической цепи и — 1,1 ••• 1,2
для устройства автономного типа. Меньшие значения коэффи-
циентов относятся к передаточным механизмам, имеющим модуль
не более I.
Значения коэффициента fcCT рассчитывают по формуле /гст =
= Кгб”-1, где п — число ступеней передач.
Расстояния от центра масс исполнительного механизма (за-
хватного устройства) до выходного фланца кисти определяют
из выражения lB = kid, где kt — коэффициент, значения кото-
рого даны в табл. 4.1; d — диаметр детали в направлении выход-
ного фланца кисти.
Средние значения расстояний от центра масс клещей до фланца
кисти зависят от их вылета 2КЛ; для клещей со встроенным транс-
форматором 1а — 0,75/кл, а для клещей с вынесенным трансформа-
тором /й = 0,6/кл.
Расчет жесткости НМС. Приближенный расчет на жест-
кость НМС проводят для предварительного выбора площадей
сечений звеньев и определения их масс. При этом НМС пред-
ставляют в виде рамы, состоящей из невесомых стержней с жест-
костями EJilli, задаваясь размерами звеньев и учитывая инер-
ционные силы от массы исполнительного механизма и ориенти-
рующего механизма кисти. В процессе расчета определяют дефор-
115
мацию НМС, приведенную к исполнительному механизму, в трех
взаимно перпендикулярных направлениях Дж, &v, Az и сравни-
вают ее с допускаемой. Допускаемая деформация для ПР, обслу-
живающих станки [ДД (2 ... 3) &ИД; для ПР, обслуживающих
прессы, [ДД (1,1 ... 1,3) ЛиД; для ПР контактной сварки
[ДД = (0,8 ... 1) ЛиД; здесь = 0,85 ... 0,95 — коэффициент,
учитывающий деформацию ИМС; Д — погрешность позицио-
нирования.
Если выбранные сечения удовлетворяют этим требованиям,
определяют массы звеньев и корпусов тк базирования звеньев:
mi = Ai (k + h) Ро «J* = (1, 2... \,3)Ailipi,
где At — площадь поперечного сечения звена; lt —длина звена;
l't — длина заделки звена.
Расчетная схема НМС состоит из двух расчетных схем: пер-
вая схема служит для определения перемещений захватного
устройства от деформации собственно звеньев; вторая — для
определения перемещений захватного устройства от контактной
деформации узлов соединения звеньев и неподвижных стыков.
Расчетная схема для определения деформации звеньев состав-
ляется следующим образом. Звенья ПР заменяются стержнями
с сосредоточенными массами в соответствии с дискретизацией рас-
пределенных масс звеньев. Длины и взаимное положение стерж-
ней те же, что и у реальных звеньев. Места соединения стержней
считаются абсолютно жесткими. Массы передаточных механизмов,
приводов сосредотачиваются на стержнях в соответствии с их
реальным расположением. При дискретизации распределенных
масс звеньев необходимо обеспечить получение с достаточной точ-
ностью действительной собственной частоты колебаний. Для
звеньев постоянного сечения хорошие результаты дает распреде-
ление половин масс звеньев по их концам [161 и представление
звена в виде невесомого стержня с жесткостью Е^Ц. Звенья,
у которых момент инерции сечения существенно изменяется по
длине, представляют в виде невесомого стержня, состоящего
из определенного числа участков с дискретной жесткостью и со-
средоточением масс участка по его концам. Длину участка выби-
рают из условия, что момент инерции сечения изменяется не более
чем в 1,5 раза от исходного сечения. Принимают, что момент
инерции участка равен 0,5 (Jz + Ji+1), где Jt — момент инерции
i-ro сечения; Ji+1 ~ 1,5J{ —момент инерции (i + 1)-го сечения.
При этом масса участка распределяется по концам в соотноше-
нии mt = т/3; mi+1 = 2т/3, где mt —масса, помещаемая в (i + 1)-е
сечение; mi+1 —масса, помещаемая в (i + 1)-е сечение.
Расчетная схема для определения контактных деформаций
НМС составляется следующим образом. Звенья ПР заменяются
абсолютно жесткими стержнями с сосредоточенными массами
в соответствии с проведенной дискретизацией. Стыки заменяются
опорами, имеющими реальную жесткость. Смещение захватного
116
Рис. 4.2. Расчетные схемы для определения смещения захватного устройства от деформа-
ции опор
устройства от деформации звеньев находят, пользуясь методами
сопротивления материалов, приложив инерционные силы
в местах нахождения масс.
При расчете контактной деформации стыков определяют инер-
ционные моменты, воздействующие на стык от инерционных сил:
л.	п	п
Atjx = 2	Mjy — 2 ГЩСЦуЦ, M jz = Zj
f=l	. »=1	i=l
где lt — расстояние от точки действия инерционной силы до стыка.
Находят упругие углы деформации Фе стыка и смещения Лк =
= фг/г захватного устройства.
Наибольшую деформацию дают подвижные стыки (направля-
ющие опоры вращения рук и т. п.); Расчетные схемы для опре-
деления смещения Aft захватного устройства от деформации опор
прямолинейно перемещающихся звеньев на катках показаны на
117
рис. 4.2. Как следует из этого рисунка, смещение захватного
устройства
Ак =	[АЛ +	Ав (bi +	/JJ/Li — ЛА	(рис. 4.2,	а);
Лк =	[Дв -	ДА (lt + L^/L, + ДА	(рис. 4.2,	б);
А« =	(Аа +	Ав) IJLi	для мостового робота	(рис.	4.2,	в,	г);
Ак =	(Аа +	Ав) LJLi,	Д = (ДА +	Дв) IJL^ для	ПР на моно-
рельсе (рис. 4.2, д, е).
Упругие смещения ДА и Дв определяются из выражения
Az = Az + Az + Az + Az ,
где Д; — деформация катка и направляющей; Д? — деформация
колец подшипника; Д^ —деформация тел качения подшипника;
Д?—деформация вала.
Указанные деформации рассчитывают по методикам, изложен-
ным в [48].
При базировании непосредственно на телах качения (роликах
или шариках) выражения для определения упругих углов имеют
вид
<Pz =
где Mt — момент, действующий на опору; ct — жесткость опоры
в i-м направлении; t—шаг между телами качения; £г— коэф-
фициент, характеризующий число тел качения и их расположение
в опоре; Jt — приведенные моменты инерции направляющих.
Значения с;, Zi, Jt для опор различных конструкций приво-
дятся в ряде работ, например в [48].
Собственную частоту основного тона колебаний НМС наиболее
рационально искать методом спектральной функции Бернштейна,
позволяющим найти нижний и верхний ее пределы, рассчитать
точность ее определения.
Собственная частота основного тона лежит в пределах
__р <_____________ 2
в1 + ]/' 2В2-В*
п	п п
где Bi — т{дц; В2 = J] тгт/6?/; mi, т/ — массы в i-й
i=i	i=i i=i
и /-й точке; 6П — перемещения в i-й точке от инерционной силы
в i-м направлении; 6i;- — перемещения в i-й точке от инерцион-
ных сил в /-м направлении; 6;/ = 6z/ (1 + &z/)’.	= 8'ц (1 + fczz);
fez/ = Аг/^/Дг/; ktt = Azzfe/Azz; ^Uk — перемещение захватного
устройства в i-м направлении, связанное с контактной деформа-
цией заделки i-ro звена, от инерционной силы в i-м направлении;
\ijk — то же, от инерционной силы в j-м направлении; кц —
перемещения захватного устройства в i-м направлении, связанные
с деформациями звеньев от сил в i-м и /-м направлениях.
118
Коэффициенты влияния 6'гг и &'ц определяют перемножением
эпюр от единичных сил, приложенных в местах действия инер-
ционных сил.
При построении графика амплитуды колебаний захватного
устройства на участке начала торможения, когда ускорение уве-
личивается от нуля до своего максимального значения, исполь-
зуют следующие выражения:
при синусоидальном изменении ускорения
4*i(T-*i) ,
(О.бТ)2	'
р (О.бТ)2 \ -|-cos/fi Sin/fiJ J ,
при линейном изменении ускорения
Лх = Лст[1+ (!///) sin/М,
где Лст — смещение захватного устройства при статическом при-
ложении инерционных сил, Лст = Дг + Aih.
Колебательный процесс НМС при движении на участке с по-
стоянным ускорением описывается уравнением свободных коле-
баний с затуханием
Л2 = Лст 4-е-"'* ^-jLsinff24- Лх [cos ft2 + (n/f) sin ft2] J,
где At — ближайший знак амплитуды вынужденных колебаний;
п = 0,4 ... 0,6 —декремент затухания.
Колебательный процесс на участке позиционирования, когда
ускорение от максимального значения уменьшается до нуля,
описывается следующими выражениями:
при синусоидальном изменении ускорения
А = A fl 4(0,25Л-<8)	8
3 ст [	(O.ST’J2 РФ&Ггр
х (1 + cos ft3) 4- sin fts];
при линейном изменении ускорения
Л3 — —Лст (1//0 sin ft.
Колебательный' процесс в точке позиционирования опреде-
ляется уравнением свободных колебаний
Л4 = Лз — е nt*
-р- sin fti 4* Л3 cos fit 4* -j- sin fti ,
где A3 — амплитуда колебаний в конце предыдущего периода
движения.
При неудовлетворительных результатах, т. е. в случае, когда
после окончания движения амплитуда колебаний НМС превышает
допустимую, необходимо увеличить жесткость элементов НМС,
даюгДих наибольшие смещения захватного устройства.
119
Рис. 4.3. Графики, полученные при расчете НМС:
1 — ускорение; 2 — деформации НМС; 3 — деформации НМС с измененными парамет-
рами
Методика определения деформаций НМС была опробована
в процессе проектирования и испытаний ПР РГШ-40, РПКСМ-01
и других и показала хорошие результаты. Отклонение амплитуды
и собственной частоты составило в среднем 7 %.
График колебаний представлен на рис. 4.3. Анализ графика
показывает, что колебания НМС с амплитудой, превышающей
погрешность позиционирования А, происходят в течение 0,4 с,
что не удовлетворяет требованиям, так как разжим заготовки
происходит через 0,2 с после окончания движения. Поэтому было
принято решение об увеличении жесткости заделки второго звена,
что привело к уменьшению амплитуды в 1,6 раза, а времени
колебаний после окончания движений до 0,1 с.
Расчет ИМС. По сравнению с расчетом НМС он имеет ряд
особенностей, что необходимо учитывать при их проектировании.
ИМС кистевых движений, передаточные механизмы и привод
которых располагаются на корпусе руки или в задней части ее
направляющей, передают момент ориентирующему механизму
кисти через трансмиссионные валы с большой податливостью,
обусловленной их большой длиной и малой площадью попереч-
ного сечения.
В ИМС других степеней
с малой жесткостью. Их осо-
бенностью является то, что
они имеют устройства выбора
зазоров при помощи пружин-
ного элемента. Исходя из
этого, при расчете деформа-
ций ИМС кистевых движений
используют расчетную схе-
му, показанную на рис. 4,4.
Так как жесткости пере-
даточного механизма и ориен-
тирующего механизма ки-
сти, как минимум, на по-
рядок выше жесткости транс-
подвижности отсутствуют элементы
Рис. 4.4. Схемы для расчета трансмиссионных
валов:
а — эквивалентная; б — расчетная
120
миссионных валов, то в расчетной схеме массы вращающихся
частей двигателя, передаточного механизма, ориентирующего ме-
ханизма кисти приводят к трансмиссионным валам. Массу валов
также суммируют с этими массами при условии обеспечения ра-
венства кинетической энергии реальной конструкции:
Ji==2^£p1 + (1/3)Jib;
*ом
Ji — «/ов^им-)-	+(1/3)Лв>
«=1
где тгр — масса перемещаемого груза; 1К — радиус оси качания
до центра масс исполнительного механизма с грузом; ioM — пере-
даточное отношение ориентирующего механизма кисти; JTB —
массовый момент инерции трансмиссионного вала; J0B — массо-
вый момент инерции ротора двигателя; Jt, iiHM—массовые мо-
менты инерции t-го элемента передающего механизма и переда-
точное отношение от них к трансмиссионным валам.
По аналогии с расчетом НМС найдем собственную частоту ко-
лебаний f ИМС, учитывая, что жесткость привода намного больше
жесткости трансмиссионного вала. Приложив инерционную на-
грузку J2e, получим
/ =	-/6Jp(l +^Ф)//Л;	= Фко/Фво,
где I — длина трансмиссионного вала; фк — угол поворота мас-
сы от контактной деформации под воздействием нагрузки
Jz^max, Фв — Угол поворота массы от деформации трансмис-
сионного вала под действием нагрузки J2emax-
Колебательный процесс в начале торможения, когда ускорение
возрастает от нуля до максимального значения, описывается
выражением:
при синусоидальном законе изменения ускорения
фх = Фо
Г 4/ (0,5Т — /1)
(О.бТ)3
8	4
f (0,5Г)3 (1 + C0S f'2 Sin
при линейном изменении ускорения
Фх — Фо
Колебательный процесс при движении с постоянным ускоре-
нием:
' । nt.
ф2 = Ф1 + е
sin ft2 -|- ф'1 (cos ft2 -|- -у- sin fti
121
Колебательный процесс на участке уменьшения ускорения
до нуля описывается выражениями:
при синусоидальном изменении ускорения
Фз = Фо 1 —
4/3 (0,2574 - t„)
(0.5Т1)2
Р (0,574)» Х
х (1+ cos//3) + ^5-sin^3] ; .
при линейном изменении ускорения
Фз = — Фоу^51П^3.
Колебательный процесс на участке позиционирования
ф4 = фз — e~nt* [-у- sin/74 <p3cos^4 +.-у sin fti] •
В этих формулах ф0 = фй0 + фЬо; Т — период вынужденных
колебаний, равный 0,25 с; t\—время увеличения ускорения;
cp'i — амплитуда ближайшего пика колебаний при увеличении
ускорения; 7\ — период уменьшения ускорения, равный 0,25f2;
t2 — время уменьшения ускорения до нуля; ф3 — амплитуда бли-
жайшего пика колебаний при уменьшении ускорения.
Последовательно построив кривые <р1( <р2, Фз и определив ли-
нейное смещение захватного устройства А = <р (t) = ZK/tOM, про-
водят его сравнение с допускаемым смещением [А].
При проектировании передаточных механизмов с устройствами
выбора зазора на базе пружин и торсионных валов их расчет
необходимо вести на нагрузку, обеспечивающую отсутствие рас-
крытия стыка действия максимальной нагрузки.
При автономном выборе люфта с помощью пружин их рассчи-
тывают на усилие
Ft = 2,5- 103AfH/Z>n4,
где Ms — максимальный момент нагрузки; Da — диаметр пру-
жины; it — передаточное отношение от i-ro кинематического
элемента до выходного звена.
При выборе люфта с помощью дополнительной кинематической
цепи с торсионом его диаметр
d = p/5,5.103AlB/(iT [т]),
где iT — передаточное отношение от элемента, с которым связан
торсион до выходного звена механизма; [т]—допускаемое на-
пряжение кручения [т] = 450 ... 500 МПа.
Длина торсионного вала выбирается из условия его закрутки
на угол <р3 = 0,09, что обусловлено особенностями конструкции
устройств его фиксации:
I = 10-3<p36JpiT/( 1,1М в).
122
4.3.	Расчет и проектирование захватных устройств
Классификация захватных устройств. Одним из основ-
ных конструктивных элементов ПР и манипуляторов, определя-
ющих возможности их применения в том или ином производствен-
ном процессе, является захватное устройство. Требования, предъ-
являемые к захватным устройствам, различны и зависят от боль-
шого числа факторов, обусловленных областью использования
робота или манипулятора и кругом решаемых задач. Так, для
сложного сборочного робота необходимо универсальное захватное
устройство, обладающее технологической гибкостью, способностью
выполнять большое количество движений, позволяющее манипу-
лировать деталями различной массы, геометрии, жесткости и т. п.
Естественно стремление создать для этих целей захватное устрой-
ство, приближающееся по богатству своих возможностей к чело-
веческой кисти, обладающей 27 степенями подвижности, наделен-
ной способностью различать форму предмета, качество его по-
верхности, массу, температуру, твердость. Совершенно иные тре-
бования предъявляют к роботам с позиционной и тем более цикло-
вой системой управления, которые служат для передачи одно-
номенклатурных деталей с одной технологической операции на
другую, и совсем нецелесообразно создавать захватное устройство
сложной конструкции для погрузочных и сбалансированных
манипуляторов, применяемых для механизации тяжелых ручных
работ.
Условия применения захватного устройства и выполняемые
им функции обусловливают ряд специфических требований к его
конструкции. Захватное устройство должно удерживать объекты
как с сухими, так и со смоченными поверхностями, детали твер-
дые и мягкие, жесткие и хрупкие, простой и сложной формы,
в виде тонких листов, длинных и узких валиков и т. д. Для одних
роботов требуется быстросменность захватного устройства, для
других применяются специальные, стационарно установленные
на конце руки рабочие инструменты и приспособления.
Все это определяет многообразие конструктивных исполнений
захватного устройства, зависящих также от способа удержания
им объектов манипулирования (зажим изделия жесткими паль-
цами, использование электромагнитных сил или сил атмосфер-
ного давления при создании вакуума в чашке захватного устрой-
ства) и приводных устройств, в качестве которых могут высту-
пать электромеханические, пневмо- или гидроприводы.
Собственно захватное устройство включает корпус, передаточ-
ный механизм, взаимодействующий с исполнительным элементом
привода пальцев (если они подвижны), и пальцев, вступающих
в непосредственный контакт с объектом манипулирования.
Общепринято деление захватных устройств на механические,
вакуумные и магнитные. Критерий, положенный в основу этой
классификации, — способ взаимодействия захватного устройства
123
с объектом манипулирования. Таких способов три: объект можно
удерживать силами трения, силами атмосферного давления при
создании разрежения в контактирующем с объектом звене за-
хватного устройства и магнитными силами в электромагнитном
поле, создаваемом захватным устройством. Возможны захватные
устройства, являющиеся комбинацией указанных выше.
Таким образом, определен первый уровень многоуровневой
функционально-конструктивной классификации, в основе кото-
рой лежат принцип взаимодействия'с объектом манипулирования
и схемно-конструктивные особенности его элементов — переда-
точного механизма и пальцев.
Следующий уровень касается исполнительного элемента за-
хватного устройства — пальца, непосредственно контактирующего
с объектом, и характеризует его способность адаптироваться
к форме предмета. Механическими захватными устройствами
с жесткими пальцами оснащено подавляющее большинство совре-
менных ПР и манипуляторов. Несмотря на то, что в современных
роботах захватные устройства с адаптивными пальцами встре-
чаются достаточно редко, уже разработано большое количество
конструкций такого типа.
Третий уровень классификации определяет подвижность паль-
цев в процессе захватывания детали. Подвижные пальцы могут
совершать плоскопараллельное, поступательное или прямолиней-
ное движение.	,
Четвертый уровень классификации определяет наличие или
отсутствие передаточного механизма, в задачу которого входит
преобразование энергии привода в усилие зажима детали, т. е.
перемещение пальцев. Передаточные механизмы в захватных
устройствах могут отсутствовать. Таково большинство вакуум-
ных и магнитных захватных, устройств. Подвижность пальцев
не обязательно предопределяет наличие передаточного механизма.
Например, отсутствует передаточный механизм у захватного
устройства, в которой пальцы, установленные на поршнях, пере-
мещаются, зажимая деталь, при подаче давления непосредственно
в цилиндр. Возможно исполнение захватных устройств с подвиж-
ными пальцами без привода. Таковы все самозажимные захватные
устройства, у которых источником энергии служит сила веса
детали, преобразуемая передаточным механизмом в силу зажатия
детали пальцами.
Пятый и шестой уровни характеризуют тип передаточного
механизма, который может быть рычажным или с гибкими эле-
ментами, т. е. содержать тросовую, ременную, цепную пере-
дачу и пр.
Очевидно, что возможно выделение дальнейших уровней, т. е.
создание еще более узких групп с общими признаками.
Наиболее широко в конструкциях современных ПР и мани-
пуляторов представлены механические захватные устройства
с двумя жесткими пальцами, совершающими движение в одной
124
плоскости: плоскопараллельное, поступательное, прямолинейное.
Тот или иной вид движения пальцев полностью определяется
конструктивной схемой передаточного механизма, который может
содержать гибкие элементы (тросы, цепи, ленты, ремни) либо
быть выполнен рычажным, содержащим вращательные и посту-
пательные пары.
Шарнирная установка выходного звена передаточного меха-
низма в корпусе захватного устройства и жесткая фиксация на
нем пальцев обеспечивает пальцам плоскопараллельное движение.
Простота и надежность этих конструкций, обусловленная нали-
чием в них только вращательных пар, включая шарнирное соеди-
нение исполнительного элемента привода с входным звеном пере-
даточного механизма, определила их широкое использование в ПР.
Достаточно широко в современных ПР и манипуляторах ис-
пользуются механические захватные устройства с плоскопарал-
лельным движением жестких пальцев на базе рычажно-ползунных
передаточных механизмов.
Ряд схем позволяет получить прямолинейное движение паль-
цев, что делает такие захватные устройства универсальными.
В одних случаях выходное звено устанавливается на прямолиней-
ной направляющей. В других случаях для получения прямоли-
нейного движения используются некоторые виды рычажных ме-
ханизмов, в частности прямила, в том числе прямило Чебышева,
и механизмы пантографов.
Ниже приведены сравнительные характеристики электрома-
гнитных и вакуумных захватных устройств:
Электромагнитные захватные
устройства
Пригодны только для магнитных ма-
териалов
Возможна большая сила притяжения
на единицу поверхности
Высокая точность базирования бла-
годаря жесткости сердечника
Сопутствует остаточный магнетизм,
вызывающий опасность загрязнения
и повреждения поверхностей детали
и захватного устройства
Быстрота захватывания детали
Катушки нагреваются, ио конструк-
ция долговечна
Вакуумные захватные
устройства
Пригодны для всех материалов, ио
только для плоских и ровных поверх-
ностей
Обеспечивают ограниченную силу при-
тяжения для данной площади
Пониженная точность базирования,
вызванная эластичностью присосок
Недопустимо присутствие каких-либо
частиц между присосками и поверх-
ностью детали
Требуется некоторое время для со-
здания необходимого разрежения, за-
висящее от объема патрубков, кла-
панов и т. п.
Срок работы конструкции ограничен
Из сопоставления приведенных характеристик можно заклю-
чить, что вакуумные захватные устройства более универсальны.
Основными элементами вакуумных захватных устройств яв-
ляются присоски и устройства для создания вакуума. Простой и
распространенный способ создания вакуума — применение эжек-
125
торов. В этом случае разрежение получается без специальной
установки за счет энергии сжатого воздуха, поступающего из за-
водской сети. Одна из известных конструкций эжектора представ-
лена на рис. 4.5, а. Основой эжектора является тройник, в кото-
рый вклеены или впаяны пробки с отверстиями малого диаметра.
Разрежение может быть создано одним эжектором для нескольких
присосок одновременно, или для каждой присоски может быть
предусмотрен отдельный эжектор.
Электромагнитные захватные устройства часто компонуются
из небольших электромагнитов, устанавливаемых на общей раме.
Такие устройства обычно применяют для переноса предметов
с фасонными, круглыми, ребристыми и решетчатыми поверхно-
стями, захватить которые вакуумными захватными устройствами
затруднительно или невозможно. Иногда применяются захватные
устройства с постоянными магнитами, однако для их работы тре-
буются устройства для удержания детали на позиции разгрузки
или их оснащают специальными сбрасывателями.
Подъемные электромагниты (рис. 4.5, б) состоят из корпуса 3,
выполненного из малоуглеродистой стали, внутри которого раз-
мещены катушки 2 магнита, защищенные от повреждений ли-
стом 1 из марганцовистой стали или латуни.
Присоски изготовляют из резины или пластика. Конструкция
присоски с шаровой опорой, которую можно закреплять на па-
трубке в любом нужном положении, показана на рис. 4.5, в.
Обычно для захватывания детали используют несколько при-
сосок.
Захватные устройства с эластичными камерами применяют для
переноса хрупких изделий небольшой массы, неправильной формы
или со значительными отклонениями формы и размеров. Их дей-
ствие основано на деформации эластичной камеры от давления
воздуха или жидкости. Захватные устройства с эластичными ка-
мерами могут удерживать детали как за наружную, так и за вну-
треннюю поверхность.
В ряде случаев требуется ПР с адаптивными захватными
устройствами, т. е. оснащенные датчиками внешней информации
126
о наличии объекта манипулирования, его форме, размерах, массе,
состоянии поверхности, усилии его удержания, степени возмож-
ного проскальзывания и т. п. Часто наилучшим местом установки
датчиков являются сами захватные устройства. В зависимости
от сложности и характера решаемых задач адаптивные захватные
устройства могут быть самыми различными по конструкции.
Расчет механических захватных устройств. Расчет сил, дей-
ствующих в местах контакта захватного устройства с объектами
манипулирования, ведется по формулам табл. 4.2. Различают сле-
дующие схемы удержания объектов в механическом захватном
устройстве:
деталь поддерживается пальцем захватного устройства, силы
трения мало влияют на механизм удержания детали (схемы 1 и 4
табл. 4.2);
деталь удерживается за счет запирающего действия пальцев
при ограниченном влиянии сил трения (схемы 2 и 5 табл. 4.2);
деталь удерживается силами трения (схемы 3 и 6 табл. 4.2).
На практике обычно встречается сложное нагружение захват-
ного устройства, при котором имеет место комбинация описанных
случаев (см. схему 2 в табл. 4.2), при этом в процессе манипули-
рования объектом характер нагрузки захватного устройства и
схемы удержания детали могут изменяться, поэтому расчет дол-
жен вестись для критических нагрузок.
Расчет усилий привода ведется по формулам табл. 4.3, где
рассмотрены примеры применения клиновых, рычажных и рееч-
ных передаточных механизмов.
Определение напряжений на поверхности контакта захватного
устройства с объектом манипулирования может потребоваться
как при расчете захватного устройства, так и для установления
возможности повреждения объекта при его захватывании и удер-
жании.
В ряде случаев, особенно при удержании детали за счет сил
трения, усилия, действующие в местах контакта с захватными
устр'ойствами, весьма значительны. Это может привести к повре-
ждению поверхности деталей, что недопустимо при их чистовой
обработке, или к повреждению зажимных пальцев захватных
устройств. Контактные напряжения а должны быть меньше до-
пускаемых [о]. Допускаемые контактные напряжения для сталей:
450 ... 850 МПа —для линейного контакта; 1100 ... 2200 МПа —«
для точечного контакта. Допускаемые контактные напряжения
для чугуна 260 ... 350 МПа —для линейного контакта.
Формулы, определяющие напряжения на поверхностях кон-
такта заготовки с захватным устройством, приведены в табл. 4.4.
Приведенный модуль упругости материалов Ещ, подсчитывают
по формуле
£пр = 2Е1Е./(Е1 + EJ,
где Ег — модуль упругости материала объекта манипулирования;
127
Таблица 4.2
№
п/п
Расчетная схема
Формулы для определения
контактных сил
1
К = Q;
K=~Q;
R2 = -^-Q
sin 0 [sin ф^—sintpfc—p (cos фу—
COS0.,
— cos<pfc)J------— (1 —
r
N,-D	—P2) sin (Ф/ — Фь) ,
*	"	(1 — p2) [Sin (ф! — ф2) +
+ sin (ф8 — ф3) + sin (фз — фз)]
где i, j, k = 1, 2, 3; i =£ j k
0=0;
N = _	sin (Ф/ — Фь)
1 p sin (ф! — ф2) + sin (фз —
— Фз) + sin (фз — Ф1)
где i, j, k = 1, 2, 3; i j k
N p	sin ф,- — p cos ф j	f
‘ n sin (фз + фз) — 2p cos (фз -+- фз)
i, i= 1, 2; i j
128
Продолжение т а б л. 4.2
Обозначения: Q — расчетная нагрузка; I — размер захватного устройства;
с — расстояние от точки приложения нагрузки до рассматриваемого пальца
захватного устройства; Rn — реакция на ц-ю губку захватного устройства;
О — угол между осью заготовки и силой Цп\ Nг — сила контакта между заго-
товкой и пальцем; <рг — угол между проекцией силы Rn на плоскость и силой Nг;
и — коэффициент трения пальца захватного устройства с заготовкой (для неза-
каленных пальцев без насечки из стали 45, 50 и = 0,12	0,15; для закален-
ных пальцев в виде гребенки z острой насечкой из стали 65Г, 60С2, У8А, У10А
при твердости HRC 55 р =- 0,3 ... 0,35).
Таблица 4.3
5 fl/p я» А. Шифрина
Формулы для определения
усилия Р привода
т
S^-tg (Н р)
для симметричных паль-
цев
р 2Л! tg (Р 
"Пр
т — 2; т]р 0,9; (3 =
4 ... 8°; р = 1° 10' для
н о Д!ш! п пиков скольже-
ния; р - 3' для подшип-
ников качения
129
Продолжение табл. 4.3
т
Р^. —^—!----;
тс’сЛр
для симметричных паль-
цев
Обозначения: т — число пальцев захватного устройства: М ,— удерж ива-
ft "	'
ющий момент для /-го пальца, AIj--- У N} cos грг [a, tg ф,-± cf- -ц (</г-
i=i
+ Ci tg ф;)], где Ni — сила контакта, определяемая по формуле из табл. 4.2, Н;
k — число точек контакта; аг, су — расстояния от точки поворота пальца до
i-й точки контакта, м; <рг — угол контакта °; и -- коэффициент трения между
пальцем и заготовкой; р — приведенный xic'i rpii .-н считывающий сопро-
тивление осей рычагов, °; р — угол клина, i|P — М’Д №'ечтмп; b — размер
рычага, м; а — угол рычага, с; тс ~ модули сектой? м:	-• полное число
зубьев сектора.
130
Таблица 4.4
Обозначения: N — сила, действующая в месте контакта захватного устрой-
ства с заготовкой и определяемая по формулам табл. 4.2, Н; £пр — приведе:!-
ный модуль упругости материалов пальца захватного устройства и заготовки,
?ЛПа; I — ширина пальца захватного устройства, см; d — диаметр заготовки,см;
г — радиус пальца захватного устройства, см; т — коэффициент, зависящий
о» отношения наименьшего радиуса к наибольшему для двух соприкасающихся
поверхностей [18]:
2r/d 1 1.0 i i	0,9	। 0:3	0,7	0,6	!	1 0,5 I 0,4 । I	i	0,3	0,2
т | 0,383	0.4	! 0.42 i	0.44	0,468	1 0.49 0,536 |	0,6	0,716
5*
13!
•2r/d	0,15	0,10	0,05
т	0,8	0,97	1,28
Е2 — модуль упругости материала пальцев захватного устрой-
ства.
Значения приведенного модуля упругости Епр
сталь—материал приведены ниже:
для
пары
Материал объекта манипулирования	ЕП$, МПа
Сталь ........................................ 0,21
Чугун
серый....................................... 0,125
модифицированный............................ 0,160
Бронза ......................................... 0,125
Алюминий...................................... 0,105
Латунь ....................................... 0,120
Построение профиля поворотных губок центрирующих клеще-
вых захватных устройств для деталей типа тел вращения. К меха-
ническим захватным устройствам клещевого типа, предназначен-
ным для манипулирования ступенчатыми валами и фланцами,
часто предъявляют требования обеспечения центрирования дета-
лей при изменении их диаметров в процессе обработки. Такие
захватные устройства оснащаются поворотными пальцами криво-
линейной формы. Пальцы должны быть спрофилированы таким
образом, чтобы обеспечить в определенном диапазоне центриро-
вание шеек валов (или фланца) различного диаметра. При этом
верхние части пальцев выполняются одинаковой ширины, а ниж-
ние — срезаны и способны заходить одна за другую, что позво-
ляет надежно центрировать вал даже в том случае, когда в зоне
действия пальцев оказывается ступень с перепадом диаметров.
Для точного центрирования заготов-
ки профиль пальца аппроксимируют ду-
гами окружности. При этом погреш-
ность центрирования
А _ ! C^max -D ml n )4	о
' —	4096^3 ё Р’
Рнс. 4.6. Построение профиля
поворотных пальиев


где Dmax, Dmln — возможный перепад
диаметров зажимных деталей, мм; R —
радиус поворота пальцев, мм; |3 —
угол, получаемый построением (рис.
4.6).
Исходными величинами для построе-
ния профиля пальцев являются диапа-
зон диаметров зажимаемых деталей




132
Рнс. 4.7. Расчетная схема захватного устройства с рычажно-шарнирным передаточным
механизмом
(£)тах И Отт) и центральный угол 2а между точками контакта паль-
цев с деталью. Рекомендуется выбирать Oraax/Dmln = 2,5 и 2а =
= 40 ... 50°. Размер R между центром О зажимаемого вала и осью
поворота пальца выбирается конструктивно и должен быть больше
Оср = (Отах + От1п)/2. Из точек В и С очерчиваются дуги профиля
радиусами гг и г2. Эти точки лежат на расстоянии R/2 от оси по-
ворота пальца. Горизонтальная координата а расположения
точек В и С определяется по формуле
а = (RI2) ctg а.
Радиусы дуг профиля пальцев:
1\ = R sin а — Оср/2; r2 = R2 sin а + DCVI2.
Профили пальцев симметричны.
Если оба пальца поворачиваются вокруг общей оси (точка Л),
то точки контакта пальцев с деталью располагаются симметрично.
Если пальцы имеют разные оси поворота, то точки контакта
детали с профилями радиуса удаляются, а с профилями ра-
диуса г2 сближаются. Центральный угол <р между осями поворота
пальцев и центром детали О рекомендуется выбирать в пределах
0 < <р < (2а ... 40°).
Определение КПД захватного устройства. Существенное влия-
ние на КПД захватного устройства с рычажно-шарнирным меха-
низмом оказывает конфигурация механизма. Особенно заметно
это влияние для одной из наиболее распространенных кинемати-
ческих схем с плоскопараллельным движением жестких пальцев.
В предположении абсолютной жесткости звеньев рычажного
механизма, постоянства угла трения р и равенства диаметров
осей d шарниров, а также с учетом того, что наибольшее уси-
лие Р2 на пальце при зажатии детали обеспечивается при малых
(2 ... 5°) углах а (а — угол между вертикалью и прямой, прове-
денной через оси шарниров В и С), из условия равновесия звеньев
133
ВС и BD можно записать (рис. 4.7, а) с учетом моментов потерь 1
трения МА, Мв, Мс в шарнирах А, В, С (рис. 4.7, б):
Р	1	1_______1
2	а	J+Atgp	1+2Ttgp	’
г3а	щ
где Pi — усилие на исполнительном элементе привода.
Как следует из рис. 4.7,
У в = хс ctg a; 6yD = (Z2//x) Ьув,
(4.11) 1
где 6yD, 6ув — элементарные перемещения шарниров D и В |
вдоль оси у соответственно.	1
При указанных допущениях, когда угол а мал и tg а = а, 1
кинематическое передаточное отношение рычажного механизма 1
= 6yD/6xc ==	(4.12) I
где бхс — элементарное перемещение шарнира С вдоль оси X. 1
Поскольку из соотношения работ (P-J2) бхст] = P$yD, a J
Ьув!Ьхс = aljl-i, то	1
П = 2а (Р2/Рх) (IJIJ.	(4.13) j
Из уравнений (4.11) и (4.13)	1
Ч-------3----------3-----•	(4.14)1
1+5Лр 1+2Г11гр
Обозначив силовое передаточное отношение Ps/(Px/2) че- 1
рез ip, можно записать ip = 2Р21РХ. Тогда с учетом (4.12) i
П = ipta-	(4.15) j
Из (4.12) и (4.15) силовое передаточное отношение	1
> /1 1________________1
р , d . d
Семейства графиков зависимости КПД т] рычажно-шарнирного
передаточного механизма захватного устройства с плоскопарал-
лельным движением пальцев от угла а приведены на рис. 4.8.
В каждом из семейств графики построены для дискретных значе-
ний угла трения р = 1 ... 20° при d!lx = 0,05.
На рис. 4.9 приведено семейство зависимостей силового пере-
даточного отношения ip от угла а при d/Z8 = 0,3.
Достоинством этого механизма является способность к само-
торможению при малых углах а, что очень важно в аварийных
ситуациях, например при отсутствии питания в сети захватное
устройство ПР надежно удерживает деталь. Угол самоторможе-
ния ас определяют по формуле а0 (d/Z3) tg р.
Более высоким КПД отличается рычажно-ползунный переда-
точный механизм (рис. 4.10, а), уступающий рычажно-шарнир-
134
ному по значению силового
передаточного отношения;
хотя само силовое передаточ-
ное отношение невелико.
КПД этого механизма доста-
точно высок. С принятыми,
как и для предыдущего ме-
ханизма, предположениями
об абсолютной жесткости
звеньев, постоянстве угла
трения р и равенстве диамет-
ров d осей шарниров, а также
постоянстве коэффициента
трения kTp в поступательной
паре из условия равенства ра-
бот (см. рис. 4.10, б) можно
записать (с учетом моментов
МА и Мв и силы FB, обуслов-
ленных потерями трения в
поступательных и вращатель-
ных парах механизма):
т] == 1 —
^TPtg« +
+ tg р cos3 а
где /j — расстояние от оси
шарнира А до оси исполни-
тельного элемента линейного
привода;- /2 — расстояние от
оси шарнира А до линии дей-
ствия силы Р2; а — угол
между вертикалью и прямой
через оси шарниров А и В.
Кинематическое и силовое
передаточные отношения со-
ответственно равны:
h = Oi) cos2 a; ip = т]//б.
Графики зависимости
КПД т], кинематического i6
Рис. 4.8. Графики зависимости КПД л ры-
чажно-шарнирного передаточного механизма
от угла а •
13S
Рис.
4.9. Графики зависимости силового передаточного отношения от угла а для
захватных устройств с рычажно-шарнириым передаточным механизмом
и силового ip передаточных отношений от угла а для захватного
устройства с рычажно-ползунным передаточным механизмом при-
ведены на рис. 4.11.
Из графиков на рис. 4.11 видно, что КПД рычажно-ползун-
ного захватного устройства значительно выше, чем у рычажно-
136
Рис. 4.10. Расчетная схема захватного устройства с рычажно-ползуииым передаточным
механизмом
шарнирного (см. рис. 4.8), и не столь сильно зависит от угла а,
что позволяет применять эту кинематическую схему для деталей
более широкого диапазона типоразмеров. Захватные устройства,
построенные по рассматриваемой кинематической схеме, доста-
точно просты в изготовлении, так как не требуют высокого ка-
чества выполнения кинематических пар. Даже при значительных
потерях в этих парах (йтр = 0,2; р = 14°) КПД захватного устрой-
ства при углах а < 15° весьма высок — более 0,9. Не столь
существенно и влияние изгиба рычагов. Однако эта схема не
позволяет получить большого силового передаточного отношения,
что ограничивает применение таких захватных устройств. Их
используют в основном для работы с легкими деталями.
При проектировочном расчете силовое передаточное отноше-
ние можно определить по формуле
ip = cos2 а);
значение т] для а° = 1 ... 30 выби-
рают в пределах 0,945 ... 0,875.
Практически для всех захват-
ных устройств с плоскопарал-
лельным движением пальцев сила
их сжатия обратно пропорцио-
нальна длине замыкающего рычага
передаточного механизма. Так,
для захватных устройств с ры-
чажно-зубчатым передаточным ме-
ханизмом силовое передаточное
отношение
ip — 0,94dK/(2/a cos <р),
гдес?к — диаметр зубчатого колеса
по делительной окружности; <р —
угол наклона замыкающего ры-
чага к горизонтали, а для за-
Рис. 4.11. Графики зависимости Т|,
ip от угла а для захватного устройства
с рычажно-ползуиным передаточным
механизмом при	~ 5, р — 14°,
137
хватных устройств с рычажно-кулачковым передаточным ме-
ханизмом
ip = 0,9Zt/(Z2 tg <р),
где ф — угол клина.
Итак, КПД захватных устройств с рычажно-ползунным пере-
даточным механизмом — один из самых высоких, а захватные
устройства с рычажно-кулачковым передаточным механизмом
дают возможность получить достаточно большое силовое переда-
точное отношение. Однако следует иметь в виду, что КПД захват-
ных устройств с рычажно-кулачковым механизмом высок (0,9 ...
0,95) только при углах ср не менее 14°. При уменьшении угла ф
КПД начинает резко падать и при ср < 5° требуется высокое ка-
чество исполнения кинематических пар. В противном случае
эффективность захватных устройств значительно снижается. В за-
хватных устройствах такой конструкции также возможен эффект
самоторможения, что повышает их надежность.
Механические захватные устройства с поступательным пере-
мещением пальцев дают возможность получить силовое переда-
точное отношение ip, незначительно меняющееся при изменении
длины выходного звена. Достоинством таких захватных устройств
является также незначительная зависимость их технических ха-
рактеристик от жесткости конструкции и точности установки
пальцев.
Расчет вакуумных и магнитных захватных устройств. Удер-
живающее усилие вакуумного захватного устройства, Н, рас-
считывают по формуле
Рвп ~ ^р^зу (Ра Рв)>
где kp — коэффициент, учитывающий возможное изменение атмо-
сферного давления и свойств уплотнителя (принимается рав-
ным 0,85); Ду — эффективная площадь действия захватного
устройства, м2; ра — атмосферное давление, МПа; рЕ — оста-
точное давление в камере присосок, МПа.
Для вакуумных захватных устройств с уплотнительным коль-
цом, соединенных с вакуумным насосом, давление внутри полости
присосок принимают равным значению вакуума, создаваемого
насосом. Для вакуумных захватных устройств без уплотнитель-
ного кольца и для неуправляемых с уплотнительным кольцом
разность давлений ра — ра (0,3 ... 0,35) 10'1 МПа.
Для круглых захватных устройств с уплотнительным кольцом
F.,y = (0,6 ... 0,7) /н, где /н — площадь поверхности, ограничен-
ная наружной линией контакта захватного устройства с объектом
манипулирования.
138
Таблица 4.5
Расчетная схема
Расчетные формулы
— g cos 0O + a cos 0 у
:> g sin фо sin 0O + a sin ip sin 0;
P	\
——r-----g cos 0O + a cos 0 )
J
g cos cp0 sin 0O + a cos cp sin 0
ср = ср0 = 90°;
, -г-----g cos 0О + a cos
mkfy
^> | g sin 90 + a sin 0 |
Фо = <P = 90°; 0o — 0й;
P	\
—r-r----g + a cos 0 I >- a sin 6
cp0 = cp = 90°; 0O = 90°;
P	a\
---;------О COS 0 Si g + a
1Т1К}К2---J
139
Продолжение табл. 4.5
Расчетная схема
Расчетные формулы
ср0 = ср = 90°; 0О = 0 = 0°;
Р
—г”!— /--- ё I а
mk^ki —
Обозначения: Р — сила вакуумного или магнитного притяжения, Н; т —
масса заготовки, кг; g — ускорение свободного падения, м/с2; а — ускорение
захватного устройства, м/с2; 0 — угол между вектором ускорения и осью Z,
совпадающей с осью захватного устройства, °; ср — угол между проекцией уско-
рения на плоскость, перпендикулярную оси Z, и осью У, °; [X — коэффициент
трения между заготовкой и захватным устройством (для металлических захват-
ных устройств и стальных заготовок [х = 0,17;. для резиновых манжет и сталь-
ных заготовок pi = 0,3); k] — коэффициент запаса, =2; k2 — коэффициент,
учитывающий смещение точки приложения подъемной силы и центра масс за-
готовки (для круглых захватных устройств k2 = г!(г Дх), где г — средний
радиус уплотнительной поверхности захватного устройства; Дх — смещение
оси захватного устройства и центра масс заготовки.
Сила притяжения электромагнита магнитных захватных уст-

ройств определяется формулой Максвелла:
Р	(^)2
э 25F (/?в + /?м)2 ’
где in — число ампер-витков обмотки; F — площадь поверхности
соприкосновения груза с полюсами электромагнита; Rn, RM —
магнитное сопротивление на участках пути магнитного потока
(воздушном и металлическом).
Наличие примесей (марганца, серы, фосфора, никеля и т. п.)
в материале объекта манипулирования снижает подъемную силу
электромагнита.
Формулы для проверки возможности удержания объектов ва-
куумными и магнитными захватными устройствами приведены
в табл. 4.5.
Глава
5 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ПР
5.1. Программное обеспечение ПР
Общие положения. Бурное развитие микропроцессорной тех-
ники, происходящее в настоящее время, создает широкие возмож-
ности для разработки разнообразных устройств управления сред-
ствами технологического оснащения производства, включая ПР.
Создаваемые устройства позволяют обеспечивать более высокие
требования к сервисным, вычислительным и другим технико-
экономическим показателям систем автоматизации производствен-
ных процессов.
Использование микропроцессорной техники, включающей схе-
мы большой степени интеграции (БИС), приводит к существенному
перераспределению трудоемкости создания отдельных компонен-
тов устройств управления. При этом большая часть функций
реализуется программно, что определяет наибольшую трудоем-
кость разработки устройств в области создания программного
обеспечения. Одновременно трудоемкость и стоимость изготовле-
ния устройств управления, как правило, заметно снижается по
сравнению с чисто аппаратурными реализациями. Это является
следствием невысокой стоимости БИС микропроцессорных набо-
ров, высокой степени унификации устройств управления и низкой
стоимости изготовления программного обеспечения (ПО), что сво-
дится при современных системах разработки ПО к записи подго-
товленных программ и таблиц в постоянных или перепрограмми-
руемых запоминающих устройствах (ПЗУ/ППЗУ).
Технические требования к ПО главным образом определяются
назначением устройства управления. Классификация ПР по ти-
пам выполняемых движений определяет цикловые, позиционные и
позиционно-контурные устройства управления ПР. В том же
порядке возрастают общие для каждого из этих типов ПР требо-
вания к ПО.
Кроме того, в отдельных случаях добавляются специальные
требования, связанные с конкретным применением ПР и опреде-
ляющие взаимодействие с внешним оборудованием, разнообраз-
ными датчиками и т. д.
Дополнительно имеется ряд внутренних требований, опреде-
ляемых структурой и составом аппаратурной части устройства и
соответствующих протоколам обмена информацией как отдельных
141
компонентов устройства, так и устройства в целом со связанны»™
с ним оборудованием.	Л
Разработке алгоритмов управления и программного обеспече-Я
ния ПР посвящен большой объем литературы [13, 19, 24, 23, 40,
41], в которой детально рассматриваются вопросы, связанные®
с механикой манипуляторов и управлением их движением. В этой®
главе описаны основные этапы создания ПО ПР, включая основ-!
ные требования к ПО и его структуре, алгоритмы и особенности»
реализации, а также технологию разработки.	Я
Вследствие ограниченности объема здесь нет возможности!
рассмотреть программное обеспечение разнообразных по типам!
и назначению ПР. Поэтому в качестве примера рассматривается 1
ПО мультипроцессорного позиционно-контурного устройства]
управления ПР антропоморфного типа для дуговой сварки [33,1
531.	I
Требования к программному обеспечению ПР для дуговой I
сварки. Требования к ПО можно разделить на два класса: вну- I
тренние и функциональные.	1
К внутренним относятся все дополнительные требования, |
не связанные с нормальным функционированием ПР. Следует 1
отметить, что роль этих требований до последнего времени недо- I
оценивалась. Одним из важнейших внутренних требований яв- 1
ляется необходимость унификации ПО.	]
Наличие унификации означает переход в программировании |
от искусства написания программ к производству программного I
продукта. Следствием унификации является ряд частных требо- |
ваний, которые будут рассмотрены в разделе, посвященном тех- |
нологии разработки ПО.	1
Следующим внутренним требованием является включение в со- |
став ПО средств контроля и диагностирования устройства управ- |
ления. Эта часть ПО может функционировать как в обычных, так |
и в специальных режимах работы устройства, что позволяет J
своевременно обнаружить и локализовать неисправности в работе |
устройства. Необходимость в этом возникает практически на всех I
стадиях жизненного Цикла устройства управления ПР, начиная 1
от изготовления и кончая эксплуатацией в заводских условиях. 1
Состав функций диагностики может быть разнообразным и должен 1
давать возможность проверки функционирования всех компонен- |
тов устройства, включая кабельные соединения. В ряде случаев |
могут потребоваться дополнительные соединения (заглушки, пе- j
ремычки).	]
Функциональные требования к ПО, например, современных 1
ПР для дуговой сварки в основном сводятся к обеспечению:	з
удобной для оператора формы диалога, сочетающей в себе J
простоту, наглядность и развитость	средств	программирова-	I
ния ПР;	j
необходимого набора функций ПР,	позволяющего	создавать	1
гибкие и компактные управляющие программы;	1
142	I
необходимого набора режимов работы ПР для выполнения
управляющей программы в автоматическом и покадровом режи-
мах, ввода, редактирования и передачи управляющих программ,
задания и модификации параметров робота и технологических
параметров;
возможности планирования движения ПР и функции серво-
системы в реальном масштабе времени;
требуемых временных диаграмм при управлении сварочным
оборудованием;
необходимых операций ввода-вывода на логическом и физиче-
ском уровнях;
наглядного представления информации о работе устройства
в различных режимах, включая сообщения об ошибочных и ава-
рийных ситуациях;
средств включения ПР в состав ГПС.
Кроме того, к ПО могут предъявляться специальные требова-
ния, определяемые особенностями его применения. К роботам,
выполняющим функции обслуживания обрабатывающего обору-
дования, обычно предъявляются требования удобного програм-
мирования работы с многоячеистой тарой, к сборочным роботам —
ввода и обработки информации от датчиков силомоментного или
зрительного очувствления; к роботам для дуговой сварки нередко
предъявляются требования проведения многопроходной сварки
без программирования каждого прохода, выполнения колебаний
в процессе сварки, обработки показаний датчиков положения сва-
риваемого изделия или сварочного шва.
Структура программного обеспечения. При описании струк-
туры ПО мультипроцессорного устройства управления ПР воз-
можны две точки зрения — конструктивная и функциональная.
С конструктивной точки зрения, укрупненная структура ПО
совпадает с аппаратурной структурой устройства. Так, для много-
процессорной системы программного управления ПР, включающей
пять микропроцессоров серии К 580 (рис. 5.1), каждый из кото-
рых имеет собственное ПО, записанное в индивидуальных ППЗУ,
укрупненная структура ПО представлена на рис. 5.2. Как видно
из этого рисунка, все процессоры объединены в пары по прин-
ципу ведущий-ведомый. Сплошными линиями изображена пере-
дача команд и необходимых для их выполнения данных, а штри-
ховыми — информация о выполнении команд или данные для
индикации.
Более подробно структуру ПО отдельных процессоров можно
изобразить в виде схемы, представленной на рис. 5.3. Здесь
инициализация, выполняемая при включении  питания, обеспе-
чивает установку начальных значений рабочих массивов, задание
режимов работы активных микросхем и т. д.
Программы обработки прерываний осуществляют операции
ввода-вывода на физическом уровне, межпроцессорного обмена,
а также служебные операции, необходимые для выполнения про-
143
Рис. 5.1. Аппаратурная структура микропроцессорной системы программного управления
ПР:
ЦПУ — центральное процессорное устройство: КН МЛ — кассетный накопитель на
магнитной ленте; ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; ППЗУ ~~ перепрограм-
мируемое запоминающее устройство
цессором требуемых функций. Программы главного цикла обес-'
печивают реализацию функций каждого из процессоров, включая
операции ввода-вывода на логическом уровне.
Работа отдельных процессоров синхронизируется путем меж-
процессорного обмена. В рассматриваемом варианте ПР для ду-
говой сварки процессоры 1—4 (см. рис. 5.1) обмениваются инфор-
мацией через общую область памяти, к которой каждый из про-
цессоров последовательно получает доступ. Связь между процес-
сорами 1 к 5 осуществляется посредством последовательного
канала обмена.
144
Работа всего устройства организована по принципу функ-
ционального параллелизма [17].
Основные функции устройства распределены следующим об-
разом. Как уже указывалось в гл. 2, процессор 1 решает задачи
организации работы с устройствами ввода-вывода (включая кас-
сетный накопитель на магнитной ленте, пульт обучения, пульт
оператора и дисплей), реализуя функции диалога с оператором.
Этот же процессор выполняет функции монитора всего устройства.
Процессор 2 осуществляет функции управления движениями
робота: считывание показаний датчиков положения отдельных
координат робота и конечных выключателей, формирование ха-
рактеристик разгона-торможения, организацию сервосистем,
включая формирование управляющих сигналов на приводы ПР.
Процессор 3 реализует вычислительные функции, необходи-
мые для планирования движения ПР и выполнения координатных
преобразований.
Процессор 4 выполняет функции управления сварочным обо-
рудованием, включая выдачу релейных и аналоговых сигналов и
обнаружение аварийных ситуаций, связанных со сваркой.
Процессор 5 реализует опрос и кодирование состояния кла-
виатуры пульта обучения, обмен с процессором 1 по последова-
тельному каналу и индикацию информации от процессора 1 на
семисегментных дисплеях и светодиодах.
В соответствии с приведенным выше описанием структуру ПО
с функциональной точки зрения можно представить так, как по-
казано на рис. 5.4, где каждый из блоков содержит название
функции, а цифры — номера процессоров, выполняющих эту
функцию.
Особый интерес представляет организация работы ПО. Дей-
ствительно, структура аппаратурной части и состав решаемых за-
дач определяют рассматриваемую систему как мультипроцессор-
ную и мультизадачную. Причем понятие мультизадачное™ от-
носится к каждому отдельному процессору. Так, процессор 1
должен одновременно решать задачи выполнения управляющей
программы, индикации информации о текущем состоянии процесса
выполнения, анализа и обработки возникающих аварийных си-
туаций, обработки состояний клавиш пультов устройства и обу-
чения и некоторые другие. Для обеспечения нормальной работы
всего устройства необходимо, чтобы каждая из задач выполня-
лась достаточно часто, чтобы обеспечить приемлемое время от-
клика. Однако уменьшение времени выполнения каждой из за-
дач ведет к росту накладных расходов и потере производитель-
ности вычислительной системы.
В зависимости от назначения системы применяются различные
методы организации мультизадачной работы [29]. В рассматривае-
мом нами случае была реализована последовательная организация
выполнения задач с ограничением времени непрерывного выпол-
145
Рис. 5.4. Структура ПО с функциональной точки зрения
нения. Ограничение времени выполнения отдельных задач выби-
ралось из условия, что полный цикл решения задач должен соот-
ветствовать циклу межпроцессорного обмена, который с учетом
производительности процессоров К 580 был выбран равным 20 мс.
За это время каждый из процессоров 1—4 последовательно на про-
тяжении 5 мс получает доступ к общей области памяти и произ-
водит необходимый обмен данными.
Ограничение времени выполнения задачи и ее продолжение
реализовано путем организации последовательности выполнения
задачи, что используется в тех случаях, когда время непрерыв-
ного выполнения задачи больше допустимого либо когда в про-
цессе ее выполнения необходимо часть функций распределить
между другими процессорами.
Функциональные возможности. Система управления может
работать в следующих функциональных режимах: ввод параме-
тров; ввод и редактирование управляющих программ; автоматиче-
ское выполнение программ; покадровое выполнение программ;
тестовый режим.
В режиме ввода параметров обеспечивается возможность зада-
ния параметров манипулятора и условий сварки. Параметры ма-
нипулятора включают следующие данные: значения смещения ис-
ходного положения манипулятора относительно положения, в ко-
тором датчики положения имеют нулевые показания; пределы
допустимых изменений положения отдельных координат ПР; мак-
симальные значения скоростей осей и рабочего органа;
146
передаточные отношения от исполнительного звена к датчику
положения; длину сварочной горелки.
Параметры условий сварки представляют собой данные, необ-
ходимые для задания технологии процесса сварки, а именно: ток
и напряжение в процессе сварки; скорость сварки; ток и напряже-
ние в процессе заварки кратера; временные задержки на предва-
рительную и заключительную подачу защитного газа, зажигание
дуги и заварку кратера.
Имеется возможность задания 32 различных режимов сварки,
выбираемых при выполнении управляющей программы.
Возможность оперативного изменения такого набора параме-
тров посредством пульта оператора обеспечивает удобные сред-
ства как для программирования технологических операций, так
и для настройки устройства на управление манипулятором.
В режиме ввода и редактирования управляющих программ
обеспечены достаточно удобные сервисные средства для общения
оператора с устройством.
В оперативной памяти с сохранением информации при выклю-
чении питания может формироваться и редактироваться програм-
ма, включающая до 1280 кадров. Каждый кадр может иметь одну
из 200 меток, на которые при выполнении программы передается
управление.
При формировании управляющей программы оператор имеет
возможность выполнять: переход к следующему, предыдущему или
любому заданному кадру программы; вставку или удаление те-
кущего кадра; ввод или изменение заданного кадра, включая как
выполняемую функцию, так и ее параметры.
Ввод функций и параметров осуществляется с использованием
«подсказок» и экранных пультов индикации, реализованных про-
граммно на экране дисплея.
Движение ПР может программироваться двумя методами:
обучением, при котором информация о положении ПР форми-
руется по текущим показаниям датчиков положения ПР;
путем аналитического программирования, при котором поло-
жение рабочего органа определяется цифровым вводом с пульта
оператора.
При программировании движения ПР методом обучения име-
ются следующие возможности перемещения ПР в ручном режиме;
по отдельным координатам ПР (до трех одновременно); в декар-
товых координатах с сохранением ориентации рабочего органа;
перемещение с высокой или низкой скоростью либо по прира-
щению.
Эти же возможности по перемещению манипулятора имеются
в режиме ввода параметров.
Данные о положении ПР, записанные в управляющей програм-
ме, содержат декартовы координаты х, у, г и эйлеровы углы <р,
ф, 0, определяющие положение рабочего органа ПР. Этот фор-
мат данных о положении ПР обеспечивает независимость управ-
147
ляющей программы от его кинематической схемы и параметров,,
что создает возможность использовать одну и ту же программу
для различных роботов.
Программирование скорости движения ПР можно выполнять
двумя способами. При движении без выполнения сварки скорость
может иметь одно из восьми значений, связанных со значением
максимальной скорости. При движении со сваркой скорость за-
дается номером условий сварки, который может изменяться без
ее прекращения. Значение скорости при этом может изменяться
от нуля до максимальной контурной скорости, задаваемой в ре-
жиме ввода параметров, с дискретностью 0,1 мм/с.
При программировании движения имеется возможность зада-
ния различных условий его окончания, а именно с позициониро-
ванием в заданной точке; с проходом заданной точки без останов-
ки; с переходом к выполнению следующего кадра программы после
начала движения. Последнее условие окончания удобно исполь-
зовать в тех случаях, когда точка окончания движения точно не
определена, например при укладке листов в стопу.
При выполнении ПР разнообразных программ большой ем-
кости целесообразно использовать внешнее запоминающее устрой-
ство. Наиболее распространенным устройством такого типа яв-
ляется кассетный накопитель на магнитной ленте. Предусмотрены
возможности форматирования (разметки) магнитной ленты, за-
писи управляющей программы в один из девяти файлов на маг-
нитной ленте, а также чтение управляющей программы из задан-
ного файла по команде оператора или автоматически перед вы-
полнением первого кадра управляющей программы в зависимости
от внешних сигналов.'
В режимах автоматического и покадрового выполнения про-
граммы реализованы удобные функциональные и сервисные воз-
можности для выполнения и отладки управляющих программ.
Функциональные возможности ПР определяются в основном со-
ставом выполняемых им функций, связанных с управлением дви-
жением ПР и технологическим оборудованием, а также служебных
функций, необходимых для гибкой организации управления про-
грамм.
В описываемом ПО реализованы следующие функции: переме-
щение ПР в позиционном режиме; движение ПР по прямой или
по окружности с интерполяцией в реальном масштабе времени;
условная передача управления на заданный кадр в зависимости от
состояния входных сигналов, значений содержимого счетчиков
и таймеров системы, а также условий окончания позиционирова-
ния ПР; условный вызов подпрограммы с аналогичными усло-
виями; передача управления одной из 15 программ, находящихся
в оперативной памяти в зависимости от состояния соответствую-
щих внешних входов; возврат после выполнения подпрограммы;
установка значения одного из 10 счетчиков в диапазоне 0 ... 255;
увеличение значения содержимого счетчика; уменьшение значе-
148
ния содержимого счетчика; установка значения одного из четырех
таймеров в диапазоне 0 ... 99,9 с дискретностью 0,1 с; установка и
сброс любой комбинации из 15 выходных сигналов общего на-
значения; останов движения ПР в текущем положении; подго-
товка начала сварки с выбором одного из 32 условий сварки;
завершение выполнения сварки с заваркой кратера.
Если необходимо остановить автоматическое выполнение про-
граммы, то это можно сделать после очередного завершения вы-
полнения программы и кадра программы, а также немедленно.
Во всех случаях обеспечена возможность нормального продол-
жения выполнения управляющей программы.
Для отладки программы, включающей сварку, имеется воз-
можность изменения параметров сварки в процессе ее выполнения,
а также отказа от выполнения сварки перед ее началом. Это позво-
ляет проверить программирование движений ПР и подобрать
нужные значения параметров технологического процесса для обес-
печения требуемого качества сварочного шва.
Для упрощения работ по отладке ПО в связи с переходом
к различным кинематическим схемам ПР в ПО реализован режим
имитации выполнения управляющей программы при отсутствии
подключенного к устройству управления манипулятора.
В процессе выполнения управляющей программы обеспечена
индикация на дисплее текущего положения ПР (положение отдель-
ных звеньев в градусах и миллиметрах и декартовы координаты
рабочего органа в миллиметрах), текущих состояний процесса
(значения счетчиков и таймеров, состояния входов и-выходов об-
щего назначения) и другой служебной информации.
При этом обеспечивается обнаружение, диагностирование и
обработка следующих аварийных состояний системы и ошибочных
действий оператора: аварийный останов системы при нажатии
соответствующих клавиш на пульте оператора и пульте обучения;
срабатывание защиты привода; срабатывание конечных выключа-
телей, определяющих диапазон движения отдельных координат
робота; выход ПР за программно-установленные пределы измене-
ния значений координат робота в процессе интерполяции; ошибки
в выполнении программы, связанные с неверной последователь-
ностью команд вызова и возврата из подпрограмм и отсутствием
меток; ошибки, возникающие в процессе работы магнитофона
(отсутствие готовности устройства, ошибки чтения и записи);
аварийные ситуации, возникающие в процессе сварки; ввод опе-
ратором неверных данных; отсутствие связи между стойкой ус-
тройства управления и пультом обучения.
Сообщения о диагностируемой ошибке или аварийной ситуации
выдаются на экран дисплея в виде соответствующего текста. Сооб-
щение об отсутствии связи между стойкой устройства управления
и пультом обучения появляется на семисегментной индикации
пульТа обучения.
149
При работе в тестовом режиме имеется возможность проверки
работоспособности устройства управления и диагностирования
неисправностей. Для облегчения локализации неисправности про-
граммы тестового режима разделены в соответствии с выделенными
комплектами аппаратурных средств.
Минимальный (базовый) комплект включает следующие блоки:
ЦПУ 1 (см. рис. 5.1); памяти, содержащую ППЗУ и ОЗУ для
ЦПУ 1; пульта устройства с установленными на нем клавишами;
управления дисплеем и дисплей.
К базовому комплекту при необходимости проверки должны
быть подключены: плата ввода-вывода, платы ЦПУ 2, ЦПУ 3
и ЦПУ 4, пульт обучения и накопитель на магнитной ленте.
Для каждого из этих комплектов имеются группы тестов,
позволяющие обнаружить и локализовать неисправности, имею-
щиеся в отдельных платах.
При работе в тестовом режиме есть удобные возможности для
задания посредством клавиатуры пульта оператора требуемых
тестов, их запуска и останова. Одновременно производится инди-
кация о состоянии выполнения теста и возникающих ошибках.
Организация диалога. Форма и организация взаимодействия
оператора с ПР существенным образом определяют время его про-
граммирования и обучения персонала, удобство использования
ПР и ряд других важных эксплуатационных характеристик. Ор-
ганизация диалога оператора с ПР предъявляет ряд противоре-
чивых требований к ПО. Сюда относятся: обеспечение развитых
возможностей программирования ПР и невысокие требования
к квалификации оператора; универсальность входного языка и
его специализация в области применения ПР; большое число вво-
димых параметров и ограниченность набора функциональнах
клавиш.
До настоящего времени широко проводится разработка языков
программирования ПР, имеющих различную организацию и воз-
можности. Здесь следует отметить языки VAL для робота PUMA
[71]; SIGLA для системы OLIVETTI SIGMA [69]; HELP для
робота PRAGMA фирмы DEA [63]; TEACH для системы «ВепсИх
pacs-» [68], а также возможности программирования роботов
Cuncinnati Milacron [70] и ASEA [64]. В этой категории языков
внимание составителя программ сосредоточено на уровне испол-
нительного органа. Эти языки содержат примитивы выполнения
движения, передачи управления, конструкции подпрограмм.
В рассматриваемой системе реализован язык программирова-
ния, достаточно хорошо удовлетворяющий отмеченным выше тре-
бованиям. Он представляет собой технологический язык форми-
рования управляющей программы ПР для операций дуговой
сварки, реализованный на базе экранных пультов индикации и
подсказок.
В процессе диалога на экране дисплея высвечивается специ-
фическое изображение, соответствующее задаваемой функции или
150
КАДР НОМ ФУНКЦИЯ УСЛ 1 : 2 ; 3 :	1 МЕТКА [ДВИЖ ] СЛЕД -	9.332 88.000 88.218	СКОР. 4	: 5	: 6	:	3	ОБУЧЕНИЕ 7.000 1.101 10.003
КАДР НОМ ФУНКЦИЯ УСЛ	2 МЕТКА ПРЯМ СЛЕД	СКОР.	2	
X :	- 19.226	У» :		18.211
Y :	27.002			6.118
Z :	88.218	е :		17.557
0	1	2	3	4	5
ДВИЖ	ПРЯМ	ПРИР	ОКРЖ	ТРАН	ОЖИД
Рис. 5.5. Кадры программы для функций «Двнж» н «Прям» (пример индикации при
вводе наименования функции управляющей программы)
набору параметров. При этом текущее значение одного из пара-
метров индицируется на светлом поле (в курсоре). Размер кур-
сора (число позиций) определяется типом данных.
Переход к заданию другого параметра в пределах имеющегося
изображения осуществляется нажатием клавиш горизонтального
и вертикального перемещения курсора. При этом курсор пере-
мещается на место соседнего по горизонтали или вертикали пара-
метра, являясь световым указателем вводимого параметра.
При вводе параметра, индицируемого в виде текста, в нижней
части экрана появляется подсказка, определяющая соответствие
текстов и цифровых клавиш. Такая индикация производится,
например, при вводе наименования функции управляющей про-
граммы (рис. 5.5). При вводе цифровых значений, например для
задания параметров манипулятора и условий сварки, подсказка
не требуется (рис. 5.6).
Работа с экранными пультами индикации реализована на ос-
нове логических номеров данных. Каждый вводимый параметр
имеет свой номер, в соответствии с которым для него определены
место индикации на экране, расположение данных в памяти, раз-
мер поля индикации, пределы изменения и некоторые другие дан-
ные. Эти данные выбираются из таблиц при индикации каждого
параметра, определяя таким образом форму, содержание и место
индикации.
Перемещение курсора в пределах заданного изображения также
реализовано в табличной форме. Для каждого изображения име-
ются две таблицы, определяющие изменения логических номеров
данных при горизонтальном и вертикальном перемещениях кур-
151
?а										
КАДР СКОР. К 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 :	НОМ	1 СМЕЩЕНИЕ I : [	1.372]	1	: 2 : - 94.533	2 3:	0.324	3 4:	6.507	4 5:	10.174	5 6:	4.839	6 400	ГРАД/ИМП 90	1 : 180/16384 40	2:180/32747 40	3:180/32747 90	4 : 180/ 8193 90	5:180/12295 90	6 : 180/ 6456			МИН - ПРЕДЕЛЫ - : - 110.000 : - 127.000 :- 30.000 : - 200.000 : - 93.000 : - 444.000 ГОРЕЛКА ДЛ 454.00			ДАННЫЕ МАКС 110.000 47.000 35.000 115.000 97.000 440.000			
О')	!										
КАДР НОМ УСЛОВИЯ			1 СВАРКИ					ДАННЫЕ		
				—	КРАТЕР-					
н	ТОК	НАПР СКОР.		ТОК НАПР		НГ	УД	ЗК	кг	
1 2 3 4 5 6 7 8	106 150 130 150 270 275 280 280 А	16.0 24.0 20.4 30.2 30.4 36.0 20.0 22.8 В	7.0 10.0 10.0 10.0 80.0 10.0 10.0 12.1 ММ/С	140 120 120 120 120 130 120 130 А	22.0 20.0 20.0 20.0 24.2 22.0 22.6 30.6 В	0.5 1.0 1.0 1.0 1.1 1.5 1.5 1.2	0.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.8 0.8 0.3	1.5 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 с		0.5 1.0 10 1.0 0.5 1.0 1.0 0.5	
8)
Рис. 5,6. Пример задания параметров:
а — манипулятора; б — условий сварки
сора. При нажатии на соответствующую клавишу производится
выборка из таблицы нового логического номера данных по теку-
щему значению номера данных. После этого выполняются опера-
ции стирания курсора и индикации его на новом месте.
152
Диалог с использованием логических номеров данных позво-
ляет организовать ввод и индикацию данных различного типа
(целые, вещественные, битовые, текстовые) и формата, включая
данные, занимающие 2,5 байт, расположенные с заданными про-
пусками в памяти.
Алгоритмы планирования движения х. Среди вычислительных
алгоритмов устройств контурного управления ПР важнейшими
являются алгоритмы, связанные с планированием движения, так
как они оказывают существенное влияние на функциональные по-
казатели ПР и имеют сравнительно высокую вычислительную слож-
ность. Во всех алгоритмах такого типа в той или иной форме ис-
пользуется кинематическая модель ПР. В данном разделе рассмо-
трены три алгоритма, которые могут быть применены при управ-
лении ПР различного назначения.
Программирование контурного движения ПР. Среди исполь-
зуемых в настоящее время методов программирования движения
ПР можно выделить две группы: методы, связанные с ручным пе-
ремещением манипулятора (обучение); методы аналитического про-
граммирования. Первая группа методов применяется наиболее
широко, что объясняется их простотой, наглядностью и адекват-
ностью многим практическим применениям.
Большая часть методов этой группы использует кинематиче-
скую модель манипулятора, что позволяет программировать поло-
жения манипулятора в произвольных точках, задавать форму
контура между программируемыми точками, использовать широ-
кий набор устройств очувствления и обеспечивать нормальные
условия работы оператора. Возможности систем управления этой
группы неодинаковы. Некоторые из систем, например УКМ-772
и устройство управления робота PUMA, допускают задание дви-
жения рабочего инструмента в декартовой системе координат по
прямой. Другие системы, позволяют также задавать движение по
окружности (например, СУР-25 (37], KJJKA IR 601/60 СР и др).
Во многих системах информация о положении манипулятора
хранится в форме кодов обобщенных координат, однако в роботе
PUMA и описываемой в данной главе системе управления эта
информация представлена в форме декартовых координат и эйле-
ровых углов рабочего органа. Это обеспечивает возможность за-
мены роботов или перераспределения их функций посредством об-
мена программами.
Существо методов аналитического программирования состоит
в том, что программа работы робота, включая информацию о по-
ложении, составляется без манипулятора, аналогично програм-
мированию станков с ЧПУ. Достоинствами этих методов являются
наиболее эффективное использование времени оператора и робота,
возможность применения баз данных систем автоматизированного
проектирования для получения больших объемов информации
11 Материал данного раздела подготовлен совместно с В. И. Кавиновым.
153
FF	|
:	о положении и устранение ошибок, возникающих при ручном проИ
граммировании движений. Основными проблемами, характер-']
ними для методов аналитического программирования,являются!
обеспечение адекватности моделей манипулятора и рабочего про-1
странства, разработка соответствующих систем автоматизирован-]
ного проектирования, связь их баз данных с системами управле-1
ния ПР и некоторые другие. Более подробная информация об ис- ]
пользовании методов аналитического программирования содержит-1
ся в работах [65, 66]. В работе [19] приведен один из возможных |
алгоритмов аналитического программирования движений робота 1
по пространственным контурам.	I
Использование методов аналитического программирования, ви-1
димо, наиболее перспективно в тех отраслях промышленности, !
где для применения роботов характерно большое число програм- 1
мируемых точек и имеется определенный опыт создания систем!
автоматизированного проектирования.	]
Алгоритмические различия между методами двух групп неве-1
( г	лики и обусловлены в основном спецификой входных данных. I
' [	При программировании обучением в качестве входных данных слу-1
| ;	жат показания датчиков положения ПР, которые затем преобра-1
зуются в координаты положения рабочего органа. При аналитиче- ]
tji	ском программировании на входе используются либо координаты]
деталей во внешней системе координат, либо координаты положе-1
ния рабочего органа ПР. В первом случае необходимо выполнить I
дополнительное преобразование координат, а во втором случае!
,	алгоритм программирования движения является частью алгорит- 1
ма, используемого в методах, ориентированных на обучение. 1
; ,	Построение эквидистантных траекторий движения ПР. Под I
эквидистантными понимаются траектории, расстояние между ко-1
'	торыми на всем их протяжении постоянно. Необходимость раз-1
:	работки таких алгоритмов возникает при использовании ПР для ]
электродуговой сварки, нанесения покрытия, шлифования и т. п. I
Так, для обеспечения качественного шва при электродуговой свар- |
ке при большой ширине разделки на стык свариваемых деталей 1
помимо базового или корневого шва необходимо накладывать не-1
сколько швов, находящихся на одинаковом расстоянииЧуг корне- |
вого шва (сварка секциями) [38]. Программирование швов'по от- |
дельности приводит к увеличению времени обучения ПР и росту |
объема информации, вводимой оператором.	|
Предлагаемый ниже алгоритм требует от оператора задания |
только одной начальной точки для эквидистантных траекторий. I
Постановка задачи заключается в следующем. Имеется базо- 1
вая траектория, заданная как последовательность точек х] (где I
у = 1, г, г — число точек; i = 1, 2, 3 — индексы осей) в декарто-1
вой системе координат Ох{ и декартовы координаты начальной |
точки эквидистантной траектории х}. Необходимо определить де- 1
картовы координаты последовательности точек х1, характеризу- I
154	|
ющие эквидистантную тра-
екторию с началом в точ-
ке х\, что равнозначно
определению вектора сме-
щения б’, соединяющего
точки и хУ.
Решение задачи выпол-
няется путем введения по-
движной системы коорди-
нат A^Zt (где у — индекс
точки; i — индекс оси),
связанной с базовой траек-
торией, с началом в точках
Рис. 5.7. Связь подвижной системы координат с
базовой траекторией
xl (рис. 5.7). Матрица перехода от неподвижной системы коор-
динат 0xt к подвижной Afzt имеет следующий вид:

|zn? ml
\nl nl
Pl Pl
ml
nl
Pl
где направляющие косинусы осей pl, nl, ml вычисляются по фор-
мулам:
pl = (Xl+' _ xy) I у (хГ - xl) (4+1 - xj); (5.1)
nl-.= Nl/\Nl\-, Nl = elklplpl+l-,	(5.2)
ml = eiklnlpl,	(5.3)
где eihi — символ Леви—Чивита.
Вектор смещения &У в начальной точке базовой траектории
определяется известными координатами точек х) и х}:
6/ = х\ - х\.	(5.4)
После подстановки в приведенные формулы для определения
матрицы перехода alk значений декартовых координат трех пер-
вых точек базовой траектории х}, xf и х? вычисляются координаты г}
начальной точки эквидистантной траектории в системе коорди-
нат А%:
— Пц} (xk Xfe) = ctjfeSfe-	(5.5)
Вычисленные значения координат z) в соответствии с определе-
нием эквидистантной траектории должны быть постоянны в си-
стеме .координат Avzz. Таким образом, zl -=• г}.
155
Определив для первой точки вектор смещения 6'k и координаты


г\, можно последовательно найти декартовы координаты х| для
всех т точек базовой траектории:
xl = xl + ayikzli
(5-6)
где xl вычисляются в соответствии с предыдущим алгоритмом.
Алгоритм включает следующие этапы.
1. Формирование базовой траектории. На этом этапе опера-
тор в соответствии с реализованным методом программирования
движения ПР задает необходимую информацию для расчета траек-
тории движения, которая характеризуется набором иг точек. Каж-
дая точка определена значениями координат положения рабочего
инструмента ПР. Таким образом, в управляющей программе
имеется последовательность декартовых координат х\ и эйлеровых
углов <р; (/ =1, m\ i = 1,3).
2. Вычисление координат начальной точки эквидистантной
траектории в подвижной системе координат. Далее оператор
в соответствии с методом программирования должен ввести де-
картовы координаты Xi точки начала эквидистантной траектории.
Значения декартовых координат х}, х\, х}, х^ согласно формулам
(5.1) — (5.5) полностью определяют значения z}, характеризую-
щие положение начальной точки эквидистантной траектории
в подвижной системе координат A1zi.
3. Вычисление положения точки, лежащей на эквидистантной
траектории. На этом этапе генерируется вектор положения сле-
дующей точки эквидистантной траектории. Положение смещенной
точки определяется согласно (5.6), после чего решением обратной
кинематической задачи реализуется переход к обобщенным коор-
динатам ПР, аналогично предыдущему алгоритму. Этап 3 алго-
ритма повторяется до окончания построения эквидистантной тра-
ектории.
Адаптация ПР к положению детали. В настоящее время .в це-
лях расширения функциональных возможностей и областей приме-
нения ПР большое внимание уделяется разработке для них адап-
тивных систем управления.
Рассмотрим задачу адаптации ПР к изменению положения де-
тали относительно положения, заданного в управляющей про-
грамме. Попытки внедрения ПР на операциях, где детали не могут
быть точно установлены в заданное положение, при традиционном
подходе приводят к разработке специализированной высокоточ-
ной оснастки или к повторению обучения. Это вызывает увеличе-
ние стоимости РТК или снижение его быстродействия и эффек-
тивности.
Для определения реального положения детали необходимы
датчики, которые могут быть установлены как на самом манипуля-
торе, так и вне его. Применяемые в настоящее время датчики
156
классифицируются как по функциональному назначению их в си-
стеме управления (измерение положения детали, измерение откло-
нений контура), так и по принципу действия (тактильные, телеви-
зионные, электромагнитные и т. п.) [22].
По режиму функционирования датчиков по отношению к про-
цессу их можно разделить на датчики предварительного и синхрон-
ного измерения.
Высокие требования предъявляются к датчикам ПР для дуго-
вой сварки. Это обусловлено как тяжелыми условиями работы,
так и сложностью определения положения сварного шва. Одно
из удачных решений в области синхронного измерения (слежения
за швом) найдено при разработке ПР «Cincinnati Milacron». В этом
роботе используется информация о значениях тока и напряжения
сварки для определения расстояния от поверхности свари-
ваемого объекта до конца электрода. Однако эта система не
обеспечивает решения задачи поиска шва.
Названная задача может быть решена с помощью телевизион-
ных систем, однако их применение в ряде случаев оказывается
малоэффективным. Ниже рассмотрен алгоритм определения поло-
жения начала шва, основанный на применении тактильного дат-
чика и не требующий существенных затрат на разработку и изго-
товление аппаратуры. В данном случае в качестве чувствитель-
ного элемента датчика используется сварочная проволока, кото-
рая в режиме измерения находится под напряжением. В момент
касания между проволокой и свариваемым объектом происходит
падение напряжения, что фиксируется соответствующей схе-
мой. Текущее положение ПР, соответствующее этому моменту,
определяет декартовы координаты точки касания и заносится
в память.
Рассмотрим определение смещения детали от положения, за-
фиксированного в процессе обучения. Рассмотрим узел с тре-
мя плоскими гранями, не параллельными друг другу. Положим,
что смещение имеет характер параллельного сдвига. Тогда исход-
ное («обучаемое») и смещенное положения узла должны удов-
летворять приведенным ниже системам уравнений:
(^•h-^R.)n = Ьц,	(5-7)
(аьХй)ц - 5ц,	(5.8)
где ак — направляющие косинусы нормали к грани; хк, хк—де-
картовы координаты точек в исходном и смещенном положениях
узла соответственно; k ~ 1, 3 — индексы осей неподвижной си-
стемы координат 0хк, р, = 1, 2, 3 — индексы граней узла; Ь, 5 —
расстояния до грани в исходном и смещенном положениях узла
соответственно.
157
Вместо систем уравнений (5.7) и (5.8) можно использовать урав- |
нения, описывающие отклонение смещенного положения от исход- J
ного:
(«ftAxft)n = АЬЦ = - Ьц;
	«11	«12	«13
«ЦЙ =	«21	«22	«23
	1 «31	«32	«33
Переходя от координат Дхцй точек, лежащих на различных j
плоскостях, к координатам Дхь точки, лежащей на пересечении J
плоскостей, запишем Дхь = ДЬЦ.	!
Решая эту систему относительно Дхй, получим значения сме- ,
щения узла Дх* = а^ДЬц.	!
Для вычисления смещения узла необходимо определить j
направляющие косинусы а^нормалей к граням узла и расстояния j
Ьц, 5Ц. Выражения для вычисления ak и b вытекают из уравнения ]
плоскости, проходящей через три точки х? (у == 1, 3 — индексы
точек; i = 1, 3 — индексы осей декартовой системы координат): j
а,х; = b,	i
где at = Az/| At |; At = eiM Ax* Ax?2; b = а{х\; Ax21 = x* — x'k; 1
Ax?2 = x? — х2г, I, k, I = 1, 2, 3.
Таким образом, для вычисления смещения узла необходимо ]
определить декартовы координаты трех точек в исходном положе- |
нии Хць и декартовы координаты х^ одной точки на каждой грани ’
узла в смещенном положении. Значения хмй записываются опера- I
тором при составлении управляющей программы. Значения декар- '
товых координат точек xgft в смещенном положении узла опреде- \
ляются в автоматическом режиме работы путем движения мани- *
пулятора к измеряемой плоскости и фиксации момента касания j
датчиком поверхности узла.	I
Движение манипулятора от одной грани к другой задаётся^
оператором путем вывода манипулятора в промежуточную точку, г
выбранную из условия безопасного перехода от грани к грани. !
Размеры плоскостей узла могут быть соизмеримы с допусками ;
на смещение узла, что может привести к прохождению датчика
мимо грани. В этом случае необходима коррекция исходных дан- !
ных по результатам определения смещения измеренных плос- ;
костей в направлении нормали. Значение смещения плоскости J
вычисляют по следующим зависимостям:
ЙХ[Н	Сц — (а^Х^ц, Sfeyj ~ (CGi)y,.	J
Коррекция исходных данных о положении неизмеренных пло- •
скостей по результатам измеренной р-й плоскости проводится j
на основании следующих соотношений:	;
Xsi ~ xsi -j- 8kti,i: s — p 1,3.	з
158
Применение манипулятора в качестве средства измерения
упрощает структуру аппаратурной части системы управления.
Однако это накладывает дополнительные требования на точность
изготовления, поскольку его геометрические параметры исполь-
зуются при расчете положения узла. Следует отметить, что в алго-
ритме заложена частичная компенсация погрешностей модели ма-
нипулятора.
Описанный алгоритм имеет ограничения: в нем не учитываются
возможные перекосы и повороты деталей. Чтобы учесть эти фак-
торы, необходимо увеличить число измеряемых точек на гранях
до шести, что приводит к снижению производительности ПР.
Следует отметить, что рассмотренный класс деталей (имеющих
три плоские грани) и характер их смещения (параллельный сдвиг)
являются широко распространенными при автоматизации произ-
водственных процессов.
Технология разработки ПО. По мере развития устройств уп-
равления ПР и другого технологического оборудования важную
роль приобретает технология разработки ПО. Действительно,
объем ПО в зависимости от назначения устройства и языка про-
граммирования в типичных случаях составляет тысячи и десятки
тысяч команд. Ситуация осложняется тем, что использование язы-
ков высокого уровня часто не обеспечивает требований малых
систем реального времени вследствие недостаточной эффектив-
ности соответствующих трансляторов по памяти и быстродействию
генерируемых программ. Это приводит к необходимости широкого
использования языков низкого уровня типа ассемблера или макро-
ассемблера, что влечет за собой увеличение числа операторов
в исходной программе.
При средней производительности программистов около ты-
сячи отлаженных и документированных операторов в год трудоем-
кость разработки ПО по одному проекту составляет десятки и
сотни человеко-месяцев. Поэтому технология разработки ПО су-
щественно определяет сроки создания, область применения и на-
дежность программного изделия, трудоемкость сопровождения
и поддержки в процессе эксплуатации.
Вопросам технологии проектирования ПО в последнее время
уделяется значительное внимание [12, 29, 57], поэтому остано-
вимся лишь на специфических аспектах, связанных с разработ-
кой ПО для микропроцессорных устройств управления ПР.
Основными этапами разработки ПО являются составление
технического задания, выполнение технического проекта, выпол-
нение рабочего проекта,
Основное внимание на этапе составления технического зада-
ния уделяется области применения ПО, которая определяет воз-
можности использования ПР и класс управляемых объектов (ма-
нипуляторов). При этом следует стремиться к обеспечению мак-
симально возможной области применения с учетом всех возмож-
ностей, аппаратурной части устройства и перспективы его развития.
159
Кроме того, последующие затраты на переработку ПО должный
быть минимальными. Идеальным вариантом здесь могла бы быть-
разработка ПО сразу на всю область применения. В ряде случаев,
это удается сделать путем введения таблиц параметров, опреде-
ляющих управляемый объект и его технологическое применение,
использования директив условной трансляции, библиотек макро-
определений и т. п. Таким образом могут быть решены многие
проблемы, включая настройку ПО на различные варианты по-
строения аппаратурной части устройства управления.
На этапе технического проекта решаются вопросы организа-
ции структуры программ и данных, создания внешних специфика-
ций программ. Существенными факторами здесь являются выбор
структуры данных управляющей программы, детальная специфи-
кация аппаратурной части устройства, спецификация, взаимодей-
ствия процессоров и задач, внешние спецификации ключевых про-
грамм и предварительная оценка временных диаграмм решения
критических задач. Первые две стадии обычно выполняются не-
большим числом сотрудников высокой квалификации, так как
решения, принятые на этих стадиях, определяют качество проекта
в целом и сроки его выполнения.
На этапе рабочего проекта необходимо осуществить проекти-
рование, кодирование, отладку и испытания программ. Одним из
наиболее оправдавших себя на практике является принцип проек-
тирования сверху вниз. При этом все стадии рабочего проекта
осуществляются последовательно, начиная с наиболее важных, го-'
ловных программ, содержащих обращения к подпрограммам сле-
дующего уровня. Подпрограммы нижнего уровня в процессе отлад-.
ки вызывающих их модулей представляют собой «программные
заглушки».
В ряде случаев достаточно обеспечить обычный возврат управ-
ления после вызова подпрограммы с выполнением отладочной,
индикации.
Достоинствами этого принципа являются рациональная струк-
тура программы, отсутствие существенных ошибок в подпрограм-
мах высокого уровня, удобное согласование программных интер-
фейсов, возможность параллельного выполнения всех стадий ра-
бочего проекта и т. п.
В процессе проектирования необходимо с самого начала пре-
дусмотреть разработку диагностических программ, которые по-
требуются как при отладке ПО совместно с аппаратурой устройства
управления, так и в условиях эксплуатации.
Во время кодирования программисты используют различные
методы описания функционирования программ: логические схемы,
диаграммы HIPO, псевдокоды и т. д. Выбор формы описания опре-
деляется в основном разработчиком. По имеющемуся у автора опы-
ту, программы со сложной логикой удобно проектировать с ис-
пользованием схем, вычислительные программы — с использова-
нием формализованного описания алгоритма (типа приведенного;
160
в предыдущем разделе). Во многих промежуточных случаях до-
статочно подробного содержательного комментирования текста про-
граммы. Построение самодокументированных программ суще-
ственно облегчает сопровождение документации при внесении из-
менений в программу.
Важным моментом, определяющим качество и трудоемкость
создания программ, является квалификация разработчика. По
некоторым сведениям, объем и время выполнения программы мо-
гут изменяться в пределах 1 : 10 при заданных внешних спе-
цификациях программы. Кроме того, трудоемкость сопровож-
дения и модификации программы также существенно зависит
от того, как она вначале была закодирована на языке програм-
мирования.
Для правильно написанной программы характерно широкое ис-
пользование макрокоманд, выполняющих часто встречающиеся
примитивные операции, таблиц параметров и директив услов-
ной трансляции, упрощающих настройку ПО на заданное при-
менение.
Одним из наиболее трудоемких этапов рабочего проекта яв-
ляется отладка программ, которую можно разделить на две части:
автономную и комплексную. Первая часть выполняется на инстру-
ментальной ЭВМ, имеющей ту же систему команд, что и процес-
сор, используемый в устройстве управления, либо обладающей
необходимыми кросс-средствами. При этом проводятся синтакси-
ческий контроль программы и имитация работы комплекса про-
грамм при отсутствии на инструментальной ЭВМ устройств ввода-
вывода, имеющихся в устройстве управления ПР. Вместо реги-
стров внешних устройств могут быть использованы ячейки памяти
с соответствующей имитацией изменения их содержания и инди-
кацией результатов.
Вторая часть отладки реализуется в составе работающего
устройства управления ПР и состоит в совместной отладке аппа-
ратуры и ПО, включающей контроль работы устройства в реаль-
ном масштабе времени. Удобным средством комплексной отладки
является логический анализатор, позволяющий выполнять трас-
сировку программ, анализ цифровых сигналов и временных диа-
грамм.
На этапе тестирования выполняется окончательная доводка
ПО согласно спецификациям, сформулированным в техническом
задании. На этом этапе особое внимание обращается не столько
на то, чтобы ПО правильно функционировало в нормальных
ситуациях (это должно быть обеспечено на предыдущем этапе),
сколько на отсутствие неадекватных реакций в ненормальных ус-
ловиях (ошибки оператора, ошибки ввода, недопустимые входные
или промежуточные данные). Заметим, что все ненормальные си-
туации необходимо заранее разделить на обрабатываемые автома-
тически и требующие вмешательства оператора. В первом случае
следует определить процедуру обработки ситуации, а во втором —
6 П/р я. А. Шифрина	161
индикацию оператору, перевод устройства в соответствующее со-
стояние и обработку последующих действий оператора для про-
должения работы.
5.2.	Автоматизация проектирования ПР
Автоматизация проектирования — это одна из областей
наиболее перспективного использования вычислительной техники.
Она позволяет кардинальным образом сократить сроки проекти-
рования, сделать его более качественным, что в масштабах страны
сулит огромный экономический эффект.
Имитационная подсистема. По современному представлению,
в основе систем автоматизации проектирования (САПР) сложных
систем, в том числе робототехнических, должна лежать разветвлен-
ная имитационная система, включающая целый комплекс реали-
зованных в виде программ машинных моделей отдельных подси-
стем проектируемой системы. При наиболее общем представлении
применительно к робототехнике к таким подсистемам относятся:
исполнительная подсистема, т. е. совокупность механической си-
стемы робота с приводами; подсистема принятия решений, в ко-
нечном счете формирующая управление приводами робота в ре-
зультате обработки командной информации, задаваемой человеком,
и информации о внешней среде, доставляемой информационной
системой; информационная подсистема; подсистема общения че-
ловека и робота.
Желательно, чтобы модели этих подсистем были универсальны,
т. е. настройка на модель конкретной подсистемы могла быть
просто осуществлена оператором путем задания соответствующих
значений параметров, определяющих эту модель. Кроме того,
должна быть предусмотрена простая возможность компоновки из-
этих моделей подсистем того или иного варианта модели всей си-
стемы, а также возможность задания того или иного вида машин-
ного эксперимента с моделируемыми подсистемами и всей системой
в целом. При этом должна обеспечиваться возможность вывода на
печать или в виде, графического материала различных сочетаний
переменных по выбору, характеризующих поведение системы.
Поскольку автоматизированное проектирование в принципе
должно обеспечивать выбор оптимального варианта проектируемой
системы, эффективность функционирования которого определяется
десятками и сотнями различных параметров, то полностью уком-
плектованная имитационная система должна содержать и специаль-
ную систему правил, алгоритмов программ и других средств, ко-
торые позволяют осуществлять экономный поиск наилучшего ва-
рианта системы в пространстве этих параметров, причем поиск не-
формальный, так как размерность задачи оптимизации чрезвы-
чайно велика. Эти средства составляют основу технологии авто-
матизированного проектирования сложных объектов. Важным
инструментом имитационной системы являются банки данных,
162
содержащие разнообразные справочную и другую информацию,
которая должна облегчить работу проектировщика.
Рассмотрим более подробно некоторые машинные модели под-
систем и устройств робота, с помощью которых можно выполнить
начальные этапы проектирования его механической подсистемы,
осуществить выбор приводов, проверку и сравнение принципов
управления роботом в целях выявления наиболее перспективного
определения основных параметров сенсорной подсистемы, устрой-
ства управления робота, на котором реализуются выбранные прин-
ципы.
К рассматриваемым моделям относится машинная модель меха-
нической подсистемы робота, устанавливающая связь в виде си-
стемы дифференциальных уравнений между обобщенными коор-
динатами g и обобщенными силами Q робота:
a (g, м, е, х, х0, K)g +
т
+ S №D,(g, м, 8, X, Хо, /Qgks-
S=1
- Qbbc (g, M, e, x, x0, X) = Q + Qb, (5.9)
где А и D, — tn x /n-матрицы инерции и коэффициентов Кристо-
феля 1-го рода; М, 0, X, Хо и К — параметры, определяющие со-
ответственно массы, моменты инерции, длины, центры масс звеньев
манипулятора робота, его корпуса, и параметр, характеризующий
кинематическую схему механической конструкции; eg — единич-
ный вектор с s-й ненулевой компонентой; QBec и QB — m-мерные
векторы соответственно сил, определяемых весами звеньев кор-
пуса, переносимого роботом груза, и возмущающих сил.
Эта модель универсальна, так как зависит от многочисленных
параметров, характеризующих исполнительную механическую си-
стему робота, и может быть «настроена» на любой конкретный
робот вплоть до робота с произвольным числом степеней подвиж-
ности и произвольной кинематической схемой.
Это осуществляется за счет придания варьируемым параметрам
модели соответствующих значений.
Модификацией приведенной выше универсальной модели яв-
ляется модель робота, манипулирующего предметами со «свя-
зями», которые формализованы конечными равенствами:
A(g, М, 8, X, Хо, Ш +
+ S М, е, %, х0. K)g]*s-
s=H
-QBec(g. м, е, х, Хо, X) = Q + QB+(^)Tr;
/?&) = о,
6*
163
где {dR/dg^r— m-мерный вектор обобщенных сил реакций, обу-|
словленных связями; г — /-мерный вектор связей.	|
С помощью этих моделей можно решать прямую задачу меха-1
ники, т. е. по заданному закону движения в пространстве обоб-
щенных фазовых координат (/) = [g (/), g (t), g (t) ] определять
законы изменения обобщенных сил Q (i), обеспечивающих этот;
закон, а также обратную задачу, т. е. по заданному Q (i) находить
ёф U)-
К основным относится и универсальная модель электромеха-
нического привода, устанавливающая связи между вектором вы-
ходных координат привода gn, вектором обобщенных сил Q и век-
тором управления приводами Un:
0П + (0П + ёа + (*эдо + i ёа +
+ T-Q + T-Q + -Z- Mr(g) + -^-MT(g) = Un, (5.10)
«м «м «м	«м
где 0п, £эдс, — диагональные матрицы tn х т моментов инер-
ции роторов приводных двигателей, коэффициентов противоЭДС,
коэффициентов трения со смазочным материалом; Z,/AM, 7?/feM —
диагональные матрицы т х т отношений коэффициентов само-
индукции якорей и сопротивлений приводных двигателей к ко-
эффициентам пропорциональности между моментами F; привод-
ных двигателей и токами якорей /яг; Л4Т (g) — вектор моментов
трения без смазочного материала в редукторе.
Для описания реальных конструкций робота необходимо ис-
пользовать и универсальную модель редуктора, учитывающую
упругую деформацию и свободный ход, устанавливающую связь
между вектором обобщенных координат робота, векторов выход-
ных координат (переменных) привода и вектором передаваемого
через редуктор момента:
F = (Л, F2, .... Fra);
Здесь
Sin — gi — 6, если gin — gj > 6;
если gin - gz < 6;
(5.И)
Sin — St + 6, если gin — gi < - 6,
где Cud — коэффициенты влияния; gin, gt — приведенная к на-
грузке i-я координата привода и i-я обобщенная координата;
26 — зона свободного хода.
164
• Кроме того, следует учитывать модель трения без смазочного
материала в редукторе:
при gj 0 Мч} = f'H-XjgJ • + М}) sgn (g):
при gj=О
Qj-A(g, м, е, х, Хо, K)gb + QBec= S,
Л4Т; --
tj тах>
M^j щах sgn 2, если |	| шах>
где Мт}, Qj, Qj вес, А ( )g b — составляющие векторов трения,
обобщенных сил, веса и инерционных сил.
В состав имитационной подсистемы САПР робототехнических
устройств должен войти и набор моделей устройств управления
(регуляторов), связывающих вектор управления приводами, век-
тор заданных командных воздействий g3 (/) с векторами измеряе-
мых датчиками переменных, например обобщенных координат g (t),
скоростей g (0, усилий реакций G и т. д., с возможностью учета
дискретного во времени формирования вектора управлений, что
характерно для реальных устройств с конечным быстродействием:
Ua = f (g, g, G).
Необходимо иметь и набор моделей датчиков измерения обоб-
щенных координат, скоростей, усилий реакций и т. д. с учетом огра-
ниченной их точности, а в случае дискретных датчиков — разряд-
ности.
Обязательной принадлежностью имитационной системы яв-
ляется универсальная кинематическая модель, зависящая от пара-
метров Хи К, связывающая вектор X, характеризующий положе-
ние рабочего инструмента, закрепленного в захватном устройстве,
с вектором обобщенных координат g:
X = f(g,K,K),	(5.12)
а также производные этих векторов
X = (df/dg)g.	(5.13)
На основе этих моделей и различных их сочетаний можно
формировать модели конкретных робототехнических устройств,
ставить различные машинные эксперименты с проектируемыми
подсистемами и всем устройством в целом, например исследовать
движение несущей механической системы и исполнительной меха-
нической системы роботов с самыми различными кинематическими
схемами, конструкциями и параметрами, а также замкнутой си-
стемы управления робота со всевозможными видами законов уп-
равления, решать прямую задачу механики, т. е. находить силы,
необходимые для обеспечения заданного закона движения, и т. д.
При этом по мере необходимости можно дифференцированно изу-
165
чать влияние на движение различных параметров и факторов,
в том числе таких трудно поддающихся анализу, как трение без
смазочного материала, ограниченная точность (дискретность дат-
чиков), упругость сочленений, дискретность регулятора, различ-
ные виды возмущений и т. д.
Средства общения с САПР. Обеспечение возможностей, кото-
рые даст имитационная система САПР, предполагает эффективный
диалог с САПР, т. е. наличие технических и программных средств,
делающих процедуру постановки вопроса и анализа ответа отно-
сительно простой, а время между заданием вопроса и получением
ответа относительно небольшим.
В качестве технических средств обеспечения диалога исполь-
зуются алфавитно-цифровые и графические дисплеи. Для доку-
ментирования результатов машинного эксперимента с проекти-
руемыми системами, а также промежуточных и конечных этапов
проектирования используются графопостроители и печатающие
устройства.
Диалог с САПР осуществляется на специальном проблемно
ориентированном языке. Желательно, чтобы структура его была
достаточно проста и он мог без особого труда быть усвоен любым
пользователем, не являющимся программистом.
К основным относятся следующие операторы:
определяющие тип машинного эксперимента с проектируемым
устройством и его подсистемами;
обеспечивающие ввод параметров проектируемой механиче-
ской подсистемы робота, его приводов, типа и параметров меха-
нических связей, если робот перемещает объекты со связями, па-
раметры устройства управления и т. п.; эти операторы порождают
диалог с человеком-оператором, который построен таким образом/
чтобы оператор не забыл ввести весь многочисленный набор дан-
ных, необходимых для осуществления машинного экспери1йента,
определяемого одним из первой группы операторов;
задающие виды выводимых переменных и их число, а в случае
графического вывода — масштаб, аргументы и т. д.;
определяющие внешние устройства, на которые выводятся
результаты;
задающие форму выводимых результатов (текст, таблица, гра-
фик);
общения с банком данных;
пересылки массивов данных;
условных и безусловных переходов в зависимости от полу-
чаемых в процессе проектирования результатов, а также
цикла.
Заметим, что с помощью двух последних групп операторов
можно программировать конкретные задачи различных этапов про-
ектирования в принципе любой сложности.
Наряду с обычным диалоговым режимом взаимодействия с
САПР, целесообразно предусмотреть и пакетный режим в случае
166
весьма сложных задач проектирования с большим счетным вре-
менем, что затрудняет диалог. Желательно предусмотреть задание
пакетного режима с терминала.
Операторы языка выполняются с помощью языкового процессо-
ра или мониторной системы. В качестве языка, на котором про-
граммируется этот процессор, удобно применять макроязык боль-
шой ЭВМ, который используется для реализации САПР. В состав
указанных языков входят команды операционной системы. Таким
образом, языковый процессор как бы погружен в операционную си-
стему используемой ЭВМ. Языковый процессор активизируется
(вводится в оперативную память с дисковых носителей) после вы-
зова САПР. И в дальнейшем, все общение с оператором осуще-
ствляется через нее.
В функции САПР входят:
синтаксический и простейший семантический анализ конструк-
ций языка и выдача результатов диагностирования;
ввод с внешних носителей в операционную память машинных
моделей, которые необходимы для решения задачи, заданной ос-
новным оператором, с установлением каналов обмена информацией
между вызванными моделями;
, организация диалога с оператором, уточняющего характер
решаемой задачи и «заставляющего» его безошибочно вводить все
параметры проектируемой системы, необходимые для решения
задачи;
обеспечение возможности редактирования.
Методика проектирования ПР с помощью САПР. Процесс
автоматизации проектирования включает несколько этапов, соот-
ветствующих разным стадиям разработки проекта.
Первые этапы проектирования носят творческий характер,
их можно назвать исследовательскими этапами. Они должны по-
мочь главному конструктору осуществить проверку первоначаль-
ного замысла системы и принципов построения отдельных ее под-
систем, отобрать наиболее приемлемые варианты, выбрать основ-
ные параметры системы, оценить различные характеристики ее
эффективности.
Для реализации этих этапов используется описанная выше
имитационная система, т. е. машинные модели проектируемых
подсистем и системы в целом, а также средства организации поиска
оптимальных вариантов.
Последующие этапы имеют целью автоматизировать огромный
объем проектно-технической работы и, в первую очередь, работу
по созданию и отладке математического обеспечения по разра-
ботанным на первых этапах алгоритмам, многочисленные чертеж-
ные работы, стандартные инженерные расчеты. Если в состав си-
стемы входят нестандартные вычислительные средства, то в про-
ектно-технические работы входит разработка этих средств, для
чего используются достаточно развитые к настоящему времени
средства машинного проектирования цифровой аппаратуры.
167
Методика проектирования робота с помощью САПР зависит от
характера технического задания, т. е. от вида требований, кото-
рым должен удовлетворять проектируемый робот.
Наиболее целесообразно при составлении технического зада- J
ния исходить из перечня и описания основных (базовых) техноло- ;
гических операций, для которых предназначается робот.
В число операций следует включить наиболее сложные с точки
зрения обеспечения таких характеристик, как точность, быстро-
действие, грузоподъемность и т. д.	I
Базовые операции удобно описывать в виде зависимости от ;
времени вектора X (i), характеризующего положение рабочего
органа в инерциальной системе координат. Дополнительно к этому ‘
должна быть указана точность отработки этого вектора положе-
ния, массы предельных транспортируемых грузов или значения ;
сил реакций, которые могут действовать на рабочий орган.
Необходимо определить качество переходного процесса в от-
работке замкнутой системой управления приводов робота типо-
вых возмущений. Возможным способом оценки качества является
определение времени затухания переходного процесса, значений
перерегулирования, колебательности. Желательно задать харак-
терные возмущения, действующие на механическую часть робота
(возмущающие силы) или устройство управления (электрические
сигналы — помехи). Очень содержательной характеристикой за-
дания является зона обслуживания робота, т. е. объем трехмерного
пространства, в котором может находиться рабочий орган при
функционировании ПР и иметь возможность вращения в заданных
пределах по трем углам (зона 3-го порядка), двум углам (зона /
2-го порядка), одному углу (зона 1-го порядка). Наконец, в ряде
случаев целесообразно включать в задание ограничение на расход
энергии при осуществлении базовой операции.
В целом ряде практических случаев техническое задание может
накладывать более узкие рамки на проектируемый робот. Обычно
это имеет место, когда приходится ориентироваться на готовые
конструктивные решения отдельных узлов робота или на кон-
кретный тип комплектующих изделий, выпускаемых промышлен-
ностью, например, в случае модульного подхода к созданию меха-
нической части робота, когда конструкции типовых модулей, из
которых компонуется механическая часть робота, заданы. В этом
случае проектирование механической части робота существенно
упрощается и сводится к перебору возможных сочетаний модулей
с целью поиска наилучшего с точки зрения удовлетворения требо-
ваний технического задания. Возможно задание типа используе-
мого привода.
Начальные этапы проектирования робототехнического устрой-
ства, как уже упоминалось ранее, должны разрешить ряд прин-
ципиальных вопросов его создания. На этих этапах выясняется
корректность технического задания, уточняются, а иногда изме-
няются его требования, исходя из возможностей физической ре-
168
ализации их в совокупности, осуществляется проверка и сравне-
ние различных принципов построения отдельных подсистем робота
(подсистем управления, механической подсистемы, подсистемы
очувствления), выбор основных (базовых) параметров этих под-
систем, оценка эффективности функционирования проектируемого
ПР.
Наиболее целесообразно процесс проектирования начать с вы-
бора кинематической схемы робота, т. е. числа и длин звеньев
робота, а также типов и направления осей шарниров, их сочле-
няющих; в случае модульного подхода к созданию конструкции
на этом этапе осуществляется выбор типов стандартных модулей
и характера их соединения в конструкцию. Процесс выбора осно-
ван на проверке возможности решения обратной задачи кинема-
тики (нахождения вектора обобщенных координат робота по за-
данному вектору положения) для каждой выделенной точки в оп-
ределенной техническим заданием зоне обслуживания для задан-
ного диапазона углов вращения рабочего инструмента в этой
точке; точки выделяются так, чтобы они были равномерно распре-
делены по всей зоне обслуживания.
Для этой цели в качестве основного инструмента используется
универсальная кинематическая модель робота (5.12), связывающая
вектор его обобщенных координат с вектором положения рабочего
органа. Путем ввода конкретных значений параметров %, /С, от
которых зависит эта модель, ее настраивают на конкретный тип
кинематической схемы и для этого конкретного типа решают об-
ратные задачи кинематики для каждой выделенной точки в ана-
лизируемой зоне. При невозможности решения обратной задачи
осуществляется автоматическая или с помощью человека вариация
кинематической схемы в целях достижения решения.
Языковые и системные программные средства САПР должны
позволить сформулировать описанную процедуру выбора кине-
матической схемы. Выходом этой процедуры является кинемати-
ческая схема робота, при которой обратная задача имеет решение
во всех заданных зонах обслуживания для всего заданного диа-
пазона углов вращения рабочего органа в этих зонах.
Следующим этапом проектирования является выбор привода
и уточнение конструкции механической части робота. Задача
этого этапа — выбрать приводы каждой из степеней подвижности
возможно меньшей мощности.
Варьируемыми величинами являются конструктивные пара-
метры звеньев исполнительного устройства робота. Одними из ха-
рактерных являются площадь и форма поперечного сечения звень-
ев. Очевидно, при заданных длинах звеньев, определенных на
предыдущем этапе, чем меньше площадь сечения, тем меньше
масса и моменты инерции звеньев, а следовательно, для реализа-
ции заданного базового движения потребуются приводы меньшей
мощности. С другой стороны, уменьшение площади сечения при-
водит-к увеличению механических напряжений в звене и изгиб-
169
ных деформаций, допустимые значения которых определены тех-
ническим заданием.
Таким образом, возникает задача оптимизации. Она заклю-
чается в нахождении приводов минимальной мощности, являю-
щейся функцией площади сечения звеньев. При этом необходимо
учитывать ограничения на изгибные деформации звена и механи-
ческие напряжения в нем, которые также являются функциями
площади сечения. Если тип привода определен техническим за-
данием, то рационально при тех же ограничениях минимизировать
время выполнения базовой операции, что приводит к уточнению
технического задания. Решение этой задачи основано на исполь-
зовании процедуры нахождения обобщенных сил, обеспечивающих
выполнение базовых операций, определенных техническим зада-
нием в виде зависимости вектора положения рабочего инструмента
от времени с учетом того, что манипулятор должен транспортиро-
вать груз заданной массы, определенной техническим заданием.
Для этой цели в качестве основного инструмента используются
универсальные кинематические модели робота, связывающие со-
ответственно вектор положения с вектором обобщенных координат
робота (5.12) и производную по времени от вектора положения
с вектором обобщенных скоростей (5.13), а также динамическая
модель робота (5.9), связывающая вектор обобщенных сил робота Q
с вектором обобщенных координат g (t), скоростей g (i) и ускоре-
ний g (t).
Первые две модели после настройки их на конкретную кинема-
тическую схему робота для каждого момента времени позволяют
определить по заданным векторам X (t) и X (t) величины g.(i)
и g (0; вектор обобщенных ускорений определяется по прираще-
ниям Ag (t) на заданном интервале времени ЛЛ
Динамическая модель позволит для каждого момента времени
определить по заданным g (t), g (/), g(t) требуемое значение век-
тора обобщенных сил Q (t), которые должны обеспечивать выби-
раемые приводы.
Динамическая модель должна быть настроена на конкретный
тип кинематической схемы робота, для которого многократно ре-
шается прямая задача механики, т. е. находится зависимость от
времени вектора обобщенных сил Q (t) по заданным g (i), g(t),
g(t). Варьируемым параметром может быть площадь поперечного
сечения звеньев робота, которая определяет массы и моменты инер-
ции звеньев. Поэтому для каждого нового значения площади
сечения при решении прямой задачи необходимо использовать но-
вые значения масс и моментов инерции звеньев и вводить их в мо-
дель. Выходными переменными решения, помимо зависимости от
времени обобщенных сил, являются также зависимости от времени
изгибных сил в опасных сечениях и упругих деформаций, что
позволяет завершать процесс решения обратной задачи для пло-
щади сечения, при которой достигаются ограничения на механи-
170
ческие напряжения, пропорциональные изгибным силам, или на
изгибные деформации.
Таким образом, в процессе многократного решения прямой
задачи динамики каждый раз для меньшей площади сечения, чем
предыдущая, в конце концов определяется оптимальная зависи-
мость во времени обобщенных сил, удовлетворяющая ограниче-
ниям. Поскольку ранее получена зависимость g (/), легко вычис*-
лить требуемые зависимости во времени мощностей, которые дол-
жны развивать приводы каждой из степеней подвижности робота:
Зависимость Pt (i) для каждой степени подвижности позволяет
выбирать тип привода и тип редуктора. Языковые и программные
средства САПР должны позволить сформировать процедуру вы-
числения требуемых мощностей приводов робота для разных се-
чений звеньев.
Последующим этапом проектирования является выбор типа и
параметров регулятора, т. е. определения вида и параметров за-
висимости вектора управления приводами Ua от вектора обобщен-
ных фазовых координат робота g$ = (g, g, g) и задающих воздей-
ствий ga, а также других измеряемых датчиками величин, обеспе-
чивающих заданное качество переходного процесса.
Возможным способом выбора является выбор с помощью на-
правленного машинного эксперимента. Он основан на использо-
вании динамической модели исполнительной системы робота, свя-
зывающей вектор управления приводами и вектор обобщенных
фазовых координат робота и компонуемой из модели механической
подсистемы робота и модели приводов в сочетании с моделью ис-
следуемого регулятора:
Un = <P(g> g, g3, £з)-
С помощью этих моделей составляется модель замкнутой си-
стемы управления робота, которая связывает вектор задающих
воздействий ga с вектором обобщенных фазовых координат робота.
Модель замкнутой динамической системы робота позволяет нахо-
дить изменения во времени обобщенных координат робота, ошибки
в отработке задающих воздействий. По характеру изменения этих
переменных во времени оценивается качество переходного про-
цесса. Варьируя параметры закона управления, можно направ-
ленно изменять качества переходного процесса, добиваясь требуе-
мого.
В качестве примера рассмотрим выбор системы контурного
управления ПР с помощью САПР робототехнических устройств,
разработанной в Ленинградском НИИ ВЦ АН СССР.
Система должна обеспечивать независимость динамических
свойств объекта, охваченного обратной связью, от конфигурации
манипулятора (текущего значения вектора обобщенных коорди-
нат) -при заданном качестве переходного процесса по каждой
171
степени подвижности, исключать взаимовлияние степеней подвиж-
ности одна на другую и, наконец, не требовать слишком большого
объема вычислений для формирования закона управления, чтобы
допускалась возможность управления в реальном времени.
Чтобы выполнить перечисленные требования в случае объекта
управления, включающего манипулятор с идеальными неупругими
трансмиссиями, уравнение которого получается в результате ис-
ключения вектора Q из (5.9) и (5.10) при L = 0, QB = 0, g — gn:
т
М(я) + 0п]$+ S [gTDs(g)g]+
S=1
+ (*ЭДС + К,) g +	(g) - QBec (g) = t/n,
достаточно формировать управление в функции g, g таким, чтобы
управление объекта, охваченного обратной связью, превратилось
в
ё = К (g3 - g) + Y (g3 - g),
где g3 — вектор программного изменения обобщенных координат;
X и Y — диагональные матрицы с заданными постоянными коэф-
фициентами, обеспечивающие переходный процесс по каждой
степени подвижности, удовлетворяющий заданному критерию.
Это имеет место при выборе управления в форме
^п = #-И(§) + ен][Х(ёз-g) + ^(g3-g)) +	/
т
+ f S lgT£s (g) g] - f - QBeC (g) + (кэдс + f- ) ё +
s=l	\	«М /
+ y-MT(g)-	(5.14)
Однако такое управление, назовем его идеальным, весьма
трудно реализовывать в реальном времени. Поэтому желательно
было исследовать с помощью САПР влияние на эффективность
управления различных вариантов упрощения закона, а именно
влияние исключения из закона сложного для вычислений члена
m
[gTOs (g) g 1 es, зависящего от произведений обобщен-
S=1
ных скоростей члена (R/kM) МТ (g), определяемого трением без
смазочного материала. Чтобы избежать трудоемких вычислений
матрицы A (g) и вектора QBec (g), входящих в выражение закона
управления, необходимо было с помощью САПР проверить сле-
дующий способ формирования управления.
172
h
В соответствии с ним на всем пространстве векторов обобщен-
ных координат предлагалось выделить 1 дискретные точки gl (i =
= 1, 2,	п), заранее вычислить для них и ввести в память зна-
чения элементов матрицы A (g‘) и вектора QBec (g‘)> соответствую-
щие конкретному роботу, для которого делается система управ-
ления. Эти значения следует считать справедливыми в окрестно-
стях выделенных точек, заданных так, чтобы ими заполнялось без
взаимных пересечений все пространство векторов g. Для типичных
кинематических схем ПР достаточно выделить не более 100 точек '
на всем пространстве векторов g.
Тогда процесс формирования управления будет включать сле-
дующие процедуры:
определение принадлежности действительно измеренного век-
тора обобщенных координат к окрестности действия текущего
дискретного значения; это сводится к проверке неравенств вида
gj - (Д/2) < g, < gj + (Д/2), j = 2, 3, ... , т,
в случае нарушения неравенств
Si = gl — д или gj =gi + k,
где т — число степеней подвижности;
поиск в памяти по выбранному дискретному значению соот-
ветствующих значений матрицы A (g) и вектора QBec (g);
умножение матриц на векторы в соответствии с выражением
(5.14) для закона управления с учетом его упрощения.
Проверка описанного способа формирования управления за-
ключалась в выявлении влияния на переходный процесс эффекта
постоянства матрицы A (g) в выбранной окрестности изменения
составляющих вектора g и эффекта скачкообразного изменения
матрицы при переходе к новой окрестности.
Работа с САПР осуществлялась следующим образом. С помо-
щью специального кода, набираемого на дисплее, САПР вызыва-
лась к работе. Далее человек набирал оператор решения прямой
задачи динамики для замкнутой системы управления. В резуль-
тате действия этого оператора на основе моделей механической
подсистемы робота, электромеханических приводов при L — 0
и регулятора мониторной системы компоновалась модель замкну-
той системы управления и подготовлялся процесс интегрирова-
ния системы уравнений, представляющих эту замкнутую систему.
Если до этого не были заданы параметры системы, то в процессе
диалога между ЭВМ и человеком осуществлялся ввод структуры
кинематической схемы манипулятора, параметров конструкции,
приводов, закона управления. В данном случае использовался
1 Принцип выделения может быть, например, таким: на всем диапазоне
изменения каждой компоненты gj (j =2, 3.....т) вектора g выделяется г
значений через данный для каждой компоненты интервал Д. Общее число выде-
ленных значений равно гт~1.
173
классический антропоморф-и
ный манипулятор с шестью!
степенями подвижности, с!
звеньями длиной 0,3 м и мас-1
сой 3 кг, масса груза в за-1
хватном устройстве 10 кг|
(рис. 5.8), привод в виде дви-1
гателя ДПР-62. В качестве 1
закона управления при пер- |
вом машинном эксперименте |
был выбран идеальный пол- j
ный недискретный закон, |
причем задающие сигналы |
были постоянными, за исклю- I
локтевой обобщенной коорди- |
Рис. 5.8. Кинематическая схема антропоморф**
кого манипулятора с шестью степенями под*
внжности
чением сигнала, соответствующего
нате: он изменялся линейно во времени с максимально возможной 1
скоростью. Следует отметить, что для данного манипулятора это I
был весьма жесткий режим движения.	!
В случае ошибки ввода со стороны человека ему выдавали ]
результаты диагностирования, и он мог отредактировать ввод. I
После запроса САПР и задания человеком начальных условий и |
шага интегрирования человек давал команду начать решать за- |
дачу. Далее ЭВМ сообщала о конце решения и запрашивала, что 1
и куда выводить. При первом эксперименте запрашивался вывод ?
Рис. 5.9. Графики изменения обоб-
щенных координат плечевой и лок-
тевой степеней подвижности при
различных законах управления
174
на один график и таблицу обобщенных координат плечевой, локте-
вой и кистевой степеней подвижности.
Заметим, что при идеальном законе управления все компо-
ненты, для которых задающий сигнал не изменяется во времени,
кроме третьей, остаются постоянными. Это наглядно иллюстри-
рует отсутствие взаимовлияния степеней подвижности.
В дальнейшем мерой неидеальности процесса управления слу-
жило отклонение от постоянных значений координат, для которых
задающие сигналы постоянны, и эти отклонения выводились на
отдельный график.
Затем выполнялись новые решения этой же задачи с посте-
пенным упрощением закона управления. При этом задача каждый
раз не набиралась заново: достаточно было отредактировать закон
управления с помощью средств редактирования САПР и запускать
решения.
График изменения обобщенных координат плечевой и локтевой
степеней подвижности при исключении из закона управления
{ т	]
члена (R/kM) 1 У. [gTDs (g) gl еЛ, зависящего от производной ско-
(s=l	)
роста, показан на рис. 5.9, а. Возникающее отклонение этих ком-
понент от постоянных значений, как видно из рис. 5.9, а, мало
и не превышает 0 ... 22 °. Изменения тех же координат при исклю-
{т
Zj lgTHs (g) g] es +
+ MT (g)J, определяемого трением без смазочного материала,
иллюстрирует рис. 5.9, б. И в этом случае отклонения остаются
весьма малыми не более 0,185°.
Отклонения от постоянных значений этих обобщенных коор-
динат на порядок меньше соответствующих отклонений в случае
использования обычного пропорционального закона управления
U = X [g3 (i) — g] + Y [g3 (0 — g] с постоянными коэффи-
циентами усиления, равными диагональным членам матриц X
и Y (рис. 5.9, в), что говорит об эффективности предлагаемого
метода, по крайней мере в случае использования в законе матрицы
А в точном соответствии с текущим значением вектора g.
Далее был исследован эффект дискретного изменения матрицы;
языковые и системные средства САПР позволяют это осуществить.
Интервал изменения каждой из обобщенных координат, при кото-
ром матрица не изменяется, составляет 15°.
Оказалось, что максимальное отклонение исследуемых обоб-
щенных координат несколько увеличивается, но остается почти на
порядок меньше отклонений для случая с обычным пропорцио-
нальным регулятором.
Наконец, можно исследовать эффект дискретности формирова-
ния во времени сигнала управления (дискрета 10 мс) и ограничен-
ной точности (разрядности) датчиков (12 разрядов). В этом случае
исследуемые отклонения оказываются на порядок меньше, чем
175
отклонения при использовании пропорциональности регулятора с
тем же значением дискретности и при той же разрядности датчика.
САПР позволяет исследовать такой же подход к построенйю
регулятора при учете неидеальной трансмиссии (упругой), пере-
дающей движение от двигателей к звеньям манипулятора; урав-
нения объекта в данном случае описываются системами (5.9) и
(5.10) при L — 0, QB = 0 и замене Q = F его значением (5.11)
при А = 0:
-Г~ Оп£п 4- (&эдс + -г~	£п4~ т~ М? (Й) +
+ £ [С (gn ~g)+d(gn- g)J = t/n;
км
т
a te) й + S l£T£>s te) £1 es - Свес te) =
S = 1
=C(gn- g) + d(gn- g).
Было показано, что желаемое качество управления обеспечи-
вается при выборе управления в форме
t/n = #Ate)[X (ga - ё) + У (gs - g)] +
«М
т	/
+ -г~^пёп4-~ь~ S te)#1 es ~	7
«М	«М S—1	/
— ~Г~ Свес te) + (^эдс + ~Г~ k? ) Йп + ~Г~ AfT te).	/
КМ	X	«М /	«м
Таким образом, для формирования управления требуется из-
мерение не только векторов g, g обобщенных координат механи-
ческой части робота и их производных, как в предыдущем случае,
но и вектора выходных переменных двигателей gn, gn, gn и их
производных. Особеннее затруднения вызывает формирование
члена (R/kM) 9ngn.
Предлагается формировать его программно как приращение
вектора скорости gn = Agn/At, где Agn — значения приращения
выходной переменной двигателей на заданном интервале времени.
САПР позволяет выяснить эффективность этого приема.
Начальные этапы проектирования включают и выяснение ос-
новных параметров устройства управления (вычислительного
устройства), с помощью которого должна быть реализована про-
грамма формирования управлений приводами в соответствии с за-
коном управления, определенным на предыдущей стадии проекти-
рования. К таким параметрам можно отнести быстродействие вы-
числителя, разрядность слов, с которыми он оперируется, объем
оперативной памяти. Влияние этих параметров на процесс управ-
ления можно выяснить с помощью заложенных в модели регуля-
тора следующих ниже двух возможностей.
176
Первая — обеспечена варьированием времени запаздывания
в формировании вектора управления приводами по отношению
к моменту измерения сенсорами робота величин (вектора, обобщен-
ных координат, скоростей и т. д.), от которых зависит вектор уп-
равления, а также поддерживанием постоянным значения вектора
управления в течение времени запаздывания.
Вторая возможность состоит в том, что количество разрядов
слов, представляющих числа, с которыми производятся арифме-
тические действия для формирования вектора управления, варьи-
руется по желанию пользователя.
С помощью варьирования величиной запаздывания при осуще-
ствлении машинных экспериментов по изучению движения зам-
кнутой системы управления (для чего используется машинная мо-
дель замкнутой системы управления) можно выяснить влияние на
качество переходного процесса и точность обработки задающего
сигнала эффекта запаздывания в формировании вектора управле-
ния. В результате этого процесса можно выяснить предельное зна-
чение запаздывания, при котором качество переходного процесса
и точность отработки задания остаются в пределах, удовлетворяю-
щих техническому заданию. Величина допустимого запаздывания
определяет время, которое можно затратить на вычисление век-
тора управления, что в конечном счете определяет требуемое бы-
стродействие вычислительной машины, используемой в качестве
устройства управления. Аналогично, варьируя разрядностью
слов, можно определить допустимую минимальную разрядность
слов, представляющих числа в вышеупомянутом вычислительном
устройстве.
Этот этап проектирования, так же как и предыдущие, может
быть записан на проблемно-ориентированном языке общения
с САПР робототехнических устройств, что позволяет автоматизи-
ровать процесс реализации данного этапа.
На начальных этапах проектирования целесообразно опреде-
лить и основные параметры сенсорных устройств робота, в част-
ности датчиков положения, измеряющих обобщенные координаты
робота, датчиков скорости, датчиков измерения сил реакций, дей-
ствующих на захватные устройства, которые также могут исполь-
зоваться в законе управления в случае, когда робот манипулирует
с предметами, имеющими механические связи (стержень в направ-
ляющих, рычаг, гайка и т. д.).
Таким параметром является точность измерения, а если из-
меряемые величины нужно подвергнуть предварительному преоб-
разованию в целях подготовки к использованию в вычислителе,
формирующем вектор управления, то в число параметров входят
и основные параметры преобразующего вычислителя, а именно
его быстродействие и разрядность слов, представляющих числа.
Влияние точности измерения на качество переходного про-
цесса и точность отработки устройства управления задающих
воздействий может быть выяснено благодаря тому, что машинные
177
модели сенсорных устройств учитывают ограниченную точность
измерения, которой можно варьировать по желанию, в частности,.
если датчики дискретны, то моделируется число разрядов датчика.
Эффект запаздывания в преобразовании измеренных величин и
разрядности слов представляющего числа в преобразующем вы-
числителе также может быть исследован, так как в машинную мо-
дель преобразователя заложена возможность варьирования этими
параметрами.
В отличие от первых этапов проектирования робототехниче-
ского устройства, которые имеют резко выраженный проблемно-
ориентированный характер, последующие этапы: изготовление
чертежей, стандартные инженерные расчеты, проектирование
цифровой аппаратуры и т. д. — более универсальны. Поэтому со-
ответствующие технические и программные средства САПР робото-
технических устройств для реализации этих этапов могут быть
заимствованы из других САПР, что ускорит процесс создания
и внедрения.
Глава
0 ИСПЫТАНИЯ ПР
6.1. Особенности испытаний ПР
как машин нового класса
Промышленным роботам как новому классу машин
присущ ряд особенностей, отличающих их от традиционных
средств автоматизации производства.
Основные отличительные особенности ПР и обусловленные ими
дополнительные требования к их испытаниям приведены ниже
Отличительные особенности
ПР
1. Возможность быстрой переналадки
последовательности, скорости и со-
держания манипуляционных дей-
ствий при перемещении предметов
2. Возможность выполнения основных
операций производственного про-
цесса (производственные ПР), опе-
раций типа «взять—перенести—по-
ложить» (подъемно-транспортные
ПР) или тех и других операций
(универсальные ПР)
За. Сложность исполнительных уст-
ройств ПР, представляющих собой
пространственные механизмы со
многими степенями подвижности
и незамкнутой кинематической
цепью
36. Небольшая жесткость исполни-
тельных устройств (например, в
сравнении с обслуживаемым обо-
рудованием)
Дополнительные требования
к испытаниям ПР, обусловленные
их отличительными особенностями
Необходимость проверки дополнитель-
ных показателей: времени перепро-
граммирования; времени смены за-
хватного устройства; усилия захва-
тывания; шероховатости поверхности
детали после ее захватывания
Необходимость использования при ис-
пытании ПР указанных трех групп
разных методов при определении по-
грешности позиционирования, при
оценке их технологических и других
характеристик
Повышенные требования к проверке
и исследованию динамических свойств
ПР, в том числе учет влияния на
функциональные возможности ПР ви-
браций и колебаний исполнительных
органов и опорных конструкций *
Определение оптимальных соотноше-
ний между грузоподъемностью, по-
грешностью позиционирования и ско-
ростями перемещений и т. п.
* Например, амплитуда колебаний исполнительных органов определяет
возможность использования ПР для обслуживания прессов с малым штамповым
пространством.
В ПР, обслуживающих металлорежущие станки, от амплитуды и времени
затухания колебаний исполнительных органов зависит выдержка времени от
момента выведения заготовки на линию центров до подачи команды на уста-
новку ее в центры или патрон. Значения ускорений и плавность движений пред-
определяет возможность использования ПР для переноса открытых сосудов
с жидкостью (например, для роботов — заливщиков металла). .
179
Зв. Напряженные динамические ре-
жимы работы ПР (скорости до
3,5 м/с на относительно неболь-
ших перемещениях, интенсивные
процессы разгона и торможения)
4. Возможность одновременной отра-
ботки движений по нескольким
степеням подвижности, в том числе
при перемещении предметов по
пространственной траектории
5. ПР — источник повышенной опас-
ности
Необходимость разработки методов
проверки параметров ПР при одно-
временном выполнении нескольких
движений, в том числе проверки
погрешности отработки простран-
ственной траектории
Жесткие требования к проверкам
всех блокировок и устройств, обеспе-
чивающих безопасную и безаварий-
ную работу ПР, а также к выполне-
нию правил техники безопасности при
проведении испытаний
6.2. Виды испытаний промышленных роботов
ПР как один из видов общемашиностроительной про-
дукции могут быть подвергнуты всем видам испытаний по
ГОСТ 16504—81. «Испытания и контроль качества продукции.
Основные термины и определения» и ГОСТ 26053—84 «Роботы
промышленные. Правила приемки. Методы испытаний». /
Классификация основных видов испытаний ПР по различным
признакам приведена на рис. 6.1. Эти виды испытаний нашли
в настоящее время наибольшее распространение в практике при-
емки ПР и при экспериментальных исследованиях.
В зависимости от стадии разработки продукции и этапа ос-
воения серийного производства различные образцы ПР подвер-
гаются испытаниям, указанным в табл. 6.1. Каждый из образцов
ПР может подвергаться всем остальным видам испытаний, при-
веденным на рис. 6.1 (например, в зависимости от места проведе-
ния испытаний — лабораторным, стендовым, полигонным или
эксплуатационным).
В зависимости от поставленной цели все испытания ПР, ука-
занные в табл. 6.1, могут быть отнесены к одной из двух групп:
контрольным или исследовательским.
В группу контрольных испытаний ПР, которые проводятся
для контроля их качества, входят приемосдаточные, предваритель-
ные, приемочные, квалификационные, аттестационные, периодиче-
ские и типовые.
Исследовательские испытания ПР проводятся для эксперимен-
тального изучения определенных свойств конструкции. Наиболее
распространенными видами исследовательских испытаний ПР яв-
ляются статические, динамические и испытания на надежность.
К этой группе относятся также доводочные испытания.
Вид испытаний ПР обусловливает: совокупность определяемых
или исследуемых параметров и номенклатуру осуществляемых
180
Классиаика-	—————
ционные	Испытания ПР
признаки	।
Таблица 6.1
Виды испытаний
Вид образца
для
испытании
Опытный
+ + * +
Из установоч-
ной серии (пер-
вой промыш-
ленной партии)
Изделия серий-
ного производ-
ства
* Целесообразность проведения устанавливается разработчиком.
проверок; метод определения параметров и выполнения проверок;
используемые измерительные средства.
Например, объем контрольных испытаний должен быть мини-
мальным, но достаточным для оценки качества испытываемых об-
разцов. Они проводятся при наиболее неблагоприятном сочетании
проверяемых параметров (максимальные скорости и вылеты ис-
полнительных устройств, номинальная грузоподъемность и т. д.)
и, как правило, с использованием простых измерительных средств
[2, 15].
Объем и содержание исследовательских испытаний обычно оп-
ределяются теми задачами, которые ставятся при их проведении.
Они предусматривают более детальное исследование основных па-
раметров и технических характеристик ПР с целью уточнения их
паспортных значений, установления оптимальных соотношений
между ними и разработки рекомендаций по совершенствованию
конструкций.
Исследовательские испытания выполняются с помощью раз-
личных измерительных средств, включая измерительные преоб-
разователи и регистрирующую аппаратуру, а также измеритель-
ные системы и комплексы. Методика проведения динамических
испытаний ПР изложена в работах [46, 72].
Рассмотрим особенности проведения контрольных испыта-
ний ПР.
182
6.3. Контрольные испытания промышленных роботов
Параметры ПР, проверяемые при контрольных испы-
таниях. Эти параметры условно можно разделить на шесть групп;
1) параметры назначения и применения; 2) основные параметры
и размеры; 3) параметры безопасной и безаварийной работы;
4) эксплуатационные параметры; 5) параметры надежности;
6) технологические параметры.
К первой группе относятся такие параметры, как тип ПР,
выполняемые им операции, номенклатура и число единиц обслу-
живаемого оборудования, вид обслуживаемого производства по
серийности и .т. п.
Во вторую группу входят параметры, характеризующие как
ПР в целом, так и его основные составные части (номинальная
грузоподъемность, количество рук и захватов, число степеней
подвижности, величины и скорости перемещений по всем коор-
динатам, погрешность позиционирования, вид системы коорди-
нат, в которой работает ПР, тип привода и системы управления,
масса, габаритные размеры.
Параметрами, входящими в третью группу, являются: со-
противление заземления, сопротивление изоляции проводов сило-
вых цепей и цепей управления; электрическая прочность изоля-
ции силовых цепей; отключение ПР при выходе параметров
энергопитания за установленные пределы; ограничение макси-
мальных перемещений исполнительного устройства; наличие бло-
кировок автоматической работы ПР, исключающих проникнове-
ние человека в рабочее пространство; надежность захватывания
и удержания объекта манипулирования, в том числе при вне-
запном отключении источника энергии и при нажатии кнопки
«Аварийный стоп», и др.
В группу эксплуатационных параметров входят: нагрев узлов
и компонентов, потребляемая мощность, расход рабочего тела,
помехозащищенность, климатическая устойчивость и виброустой-
чивость и т. п.
Номенклатура параметров надежности, составляющих пятую
группу, определена ГОСТ 4.480—87 «Роботы промышленные.
Номенклатура основных показателей».
Номенклатура технологических параметров, входящих в ше-
стую группу, зависит от типа ПР. Примерами технологических
параметров могут служить для:
вспомогательных (подъемно-транспортных) ПР — правиль-
ность загрузки технологического оборудования (или его имита-
торов) и взаимодействия с ним;
сварочных ПР — формирование шва, глубина проплавления,
наличие пор и посторонних включений и т. п.;
окрасочных ПР — сплошность и толщина покрытия;
сборочных ПР — соответствие правильности сборки и работоспо-
собности собранного узла требованиям технической документации;
183
адаптивных ПР — точность и время определения требуемого
параметра.
Программа контрольных испытаний ПР. В общем случае эта
программа включает следующие основные этапы (табл. 6.2):
проверка подготовки к проведению испытаний; проверка техни-
ческой документации; испытание ПР при трех состояниях: а) при
неподвижных механизмах и отсутствии нагрузки на выходных
элементах (в дальнейшем проверка ПР в исходном состоянии);
б) при движении механизмов и отсутствии нагрузки на выходных
элементах (в дальнейшем испытание ПР на холостом ходу); в) при
движении механизмов и наличии нагрузки на выходных элемен-
тах (в дальнейшем испытание ПР под нагрузкой); составление
протокола по результатам испытаний.
В табл. 6.2 приведена также номенклатура проверок, выпол-
няемых на каждом из перечисленных этапов при различных
видах испытаний, и перечень определяемых на этих этапа/ па-
раметров.	/
Порядок проведения контрольных испытаний ПР. Порядок
проведения контрольных испытаний ПР определяется
ГОСТ 15.001—73 «Разработка и постановка продукции на производ-
ство. Основные положения», ГОСТ 26053—84, методическими доку-
ментами Госстандарта «Аттестация промышленной продукции по
двум категориям качества» и соответствующими отраслевыми нор-
мативно-техническими документами, которые регламентируют:
организацию (предприятие), которая проводит испытание;
место и сроки проведения испытаний;
количество образцов, подвергаемых испытаниям;
порядок разработки, согласования и утверждения программ
и методик испытаний;
перечень документов, представляемых на испытание;
оформление результатов испытаний.
Приемосдаточные испытания ПР имеют своей целью контроль
готовой продукции на соответствие ее техническим условиям,
по результатам которого принимается решение о ее пригодности
к поставке и (или) использованию. Проводятся службой техниче-
ского контроля предприятия-изготовителя. Испытаниям подвер-
гается каждый изготовленный ПР. Объем испытаний указывается
в технических условиях. Результаты испытаний отражаются
в сопроводительной документации на ПР в виде отметки о приемке
ПР. Фактические результаты испытаний приводятся при необ-
ходимости, например по требованию потребителя.
Предварительные испытания ПР проводятся для определе-
ния возможности предъявления опытных образцов на приемочные
испытания.
Приемочные испытания ПР служат для проверки соответ-
ствия опытных образцов техническому заданию и техническим
условиям, а также решения вопроса о целесообразности поста-
новки ПР на производство.
184

Таблица 6.2
Наименование этапа испытаний	Номенклатура проверок. Проверяемые параметры	Виды испытаний			
		приемо-сда- точные	1 приемочные	1 аттестацион- ные	периодиче- ские
Проверка подго-	Условия проведения испыта-	+	+	+	+
товки к проведе- нию испытаний	ннй Наличие необходимых изме-	+	+	+	
Проверка техни-	рительных приборов и при- способлений Комплектность, правильность	0	+	0	0
ческой документа- ции Проверка ПР в	оформления и содержание тех- нической документации Комплектность испытываемо-	+	+	+	+
ИСХОДНОМ состоя- нии	го образца Соответствие испытываемого	+	+	+	+
	образца технической докумен- тации Основные параметры и разме-		+		
	ры (число рук, тнп привода, размеры, масса и т. п.) Сопротивление заземления	+	+	+	+
	Сопротивление изоляции про-	+	+	+	+
	водов силовых цепей и цепей управления Электрическая прочность изо-	+	+	+	+
	ляцин силовых цепей Правильность подключения к	+	+	+	+
	электро-, гндро- н пневмосети Качество изготовления и точ-	+	+	+	+
	ность базовых деталей Качество сборочно-монтажных работ Качество отделки	+	+	+	+
		+	+	+	+
Испытание ПР на	Возможность работы мехаииз-	+	+	+	+
холостом ходу	мов ПР на холостом ходу Действие блокировок и уст-	+	+	+	+
	ройств, обеспечивающих без- опасную и безаварийную ра- боту Совместная работа ПР и си-	+	+	+	+
	стемы управления Максимальные перемещения	+	+	+	+
Испытание ПР	Номинальная грузоподьем-	+	+	+	+
под нагрузкой	НОСТЬ Время перемещений по степе-	+	+	+	+
	ням подвижности Максимальные скорости и ус-	—	+	+	+
	корения Погрешность позициоиирова-	+	+	+	+
	ння Погрешность отработки траек-	+	+	+	+
>	торин Усилие захватывания	—	+	+	+
185
Продолжение табл. 6.2
Наименование этапа испытаний	Номенклатура проверок. Проверяемые параметры	Виды испытаний			
		приемо-сда- точные	V 2 в V о 2 0) 5 сх с	аттестацион- ные	периодиче- ские
Испытание ПР под	Нагрев узлов и компонентов	0	+		
нагрузкой	Герметичность пневмо- и ги- дросистем	+	+	+	+
	Потребляемая мощность	——		+	+
	Расход рабочего тела		—	+	+
	Радиопомехи	—	- _	+	+
	Помехозащищенность	—	—	+	+
	Виброустойчивость *		—	+	+
	Климатическая устойчивость*	—	—	+	+
	Уровень шума	—		*4“	+
	Испытание ПР на безотказ- ность при работе под на- грузкой.	+	+	+	+
Составление про- токола по резуль- татам испытаний		+	+	+	+
* Испытания проводятся, если это предусмотрено техническими усло-
виями.
Обозначения: «+» — испытание проводится в полном объеме; «О» — испы-
тание проводится в сокращенном съеме (в сравнении с испытаниями, обозна-
ченными знаком «+»); «—» — испытание не проводится.
Предварительные и приемочные испытания ПР проводятся,
как правило, на предприятии — изготовителе опытных образцов.
Предварительные и приемочные испытания ПР проводятся
обычно по единым программам и методикам1.
Квалификационные испытания установочной серии (первой
промышленной партии) проводят в целях оценки готовности про-
изводства к выпуску серийной продукции на основе отработан-
ного производственного процесса.
Аттестационные испытания осуществляются по техническим
условиям. Рекомендуется совмещать проведение аттестационных
испытаний с приемочными испытаниями или с ближайшими по
сроку периодическими испытаниями.
1 В этой связи в дальнейшем материал излагается только применительно
к приемочным испытаниям.
186
Периодические испытания ПР проводятся в целях сравнения
качества серийных ПР, выпущенных в разное время. Необходи-
мость их проведения и число испытываемых образцов устана-
вливается в технических условиях. Испытаниям подвергаются
ПР, выдержавшие приемосдаточные испытания.
Испытания проводит изготовитель по техническим условиям.
Периодическим испытаниям ПР подвергаются не реже одного
раза в два года.
Типовые испытания ПР служат для оценки эффективности
изменений, внесенных в серийные изделия. Необходимость их
проведения устанавливается изготовителем по согласованию с раз-
работчиком.
Испытания проводит изготовитель по отдельной программе и
методике в объеме, необходимом для проверки функциональной
работоспособности измененной составной части ПР и оценки
влияния этой части на работу ПР в целом. Если внесенные изме-
нения не влияют на функциональные возможности ПР, то типо-
вые испытания не проводят (например, изменение конструкции
крышки, замена комплектующего изделия на равноценное и т. п.).
Требования к условиям проведения контрольных испытаний.
На месте проведения контрольных испытаний должна быть обес-
печена имитация реальных условий эксплуатации проверяемых
образцов ПР, включая:
состояние окружающей среды (запыленность, загазованность,
температура и т. п );
показатели энергопитания;
уровень вибраций и помех;
наличие объектов манипулирования, предусмотренных тех-
ническим заданием и техническими условиями (тип, форма, ха-
рактерные максимальные и минимальные размеры, температура,
чистота поверхности, наличие смазки на захватываемых поверх-
ностях и т. п.).
Особое внимание должно быть уделено выполнению требова-
ний безопасности при проведении испытаний:
участок для проведения испытаний должен быть огражден,
а в проходе установлены предупредительные надписи, запреща-
ющие вход на участок посторонним лицам;
в рабочем пространстве не должны находиться посторонние
предметы и оборудование, препятствующие или ограничивающие
движение ПР;
оборудование и приборы, применяемые при испытаниях,
должны быть заземлены (если это предусмотрено в сопроводи-
тельной документации на указанное оборудование и приборы);
должно быть обеспечено удобство визуального контроля за
работой ПР;
обслуживание и наладка ПР должны производиться только
лицами, прошедшими обучение и инструктаж по технике безо-
пасности;
187
при работе в автоматическом режиме у пульта управления
должен находиться оператор;
при первых же признаках неполадок и сбоев робот должен
быть немедленно выключен; повторное включение допускается
только после выявления причин неисправностей и их устранения;
запрещается входить в рабочее пространство робота при его
работе.
Требования к испытываемым образцам. ПР должны переда-
ваться для испытаний в окончательно пригодном для эксплуата-
ции состоянии с полным комплектом принадлежностей, перечень
которых оговорен в сопроводительной документации на ПР или
изготовление которых предусмотрено техническим заданием.
Испытываемые образцы должны быть заполнены эксплуата-
ционными жидкостями, подсоединены к источникам энергии,
отрегулированы в соответствии с руководством по эксплуатации
и обкатаны до той степени, которая исключала бы возможность
изменения их свойств во время испытанийх.
При проведении приемочных испытаний для проверки испол-
нения технологических команд, а также в целях контроля преду-
смотренных устройств, обеспечивающих безопасную и безаварий-
ную работу, вспомогательные (подъемно-транспортные) ПР должны
испытываться с технологическим и вспомогательным оборудова-
нием или со специальными стендами, имитирующими их работу
(центр токарного станка, штамп пресса, магазинные устрой-
ства и т. п.).
Технологические (производственные) ПР должны быть осна-
щены всеми необходимыми устройствами для осуществления тех-
нологического процесса (сварки, окраски, сборки и т. д.).
Для проведения испытаний ПР должен быть установлен
в помещении, отвечающем требованиям, изложенным в предыду-
щем подразделе. Установка должна производиться в соответ-
ствии с требованиями, изложенными в руководстве по эксплуата-
ции, включая выверку ПР относительно горизонтальной или
вертикальной плоскости, надежное крепление к фундаменту
и т. п.
Требования к средствам измерений. Средства измерения выби-
рают в соответствии с функциональным назначением ПР и тре-
буемой точностью определения отдельных параметров и указы-
ваются в методиках испытаний конкретных моделей ПР.
Средства измерения, применяемые для проверки ПР, должны
быть проверены и аттестованы в установленном порядке и иметь
соответствующий паспорт. При установлении результатов изме-
рения должны вноситься поправки, учитывающие погрешность
примененных средств измерения в соответствии с паспортными
данными.
1 Требования неизменности свойств образцов во время испытаний не рас-
пространяются на испытания на надежность.
188
Жесткость оправок, стоек и державок должна быть такой,
чтобы деформации их под действием измерительного усилия и
веса измерительного прибора были пренебрежимо малы по сравне-
нию с допуском на проверяемый параметр.
Методы определения параметров и осуществления проверок,
специфичных для ПР. Возможность работы механизмов ПР на
холостом ходу. В режиме ручного управления визуально про-
веряется возможность осуществления максимального перемеще-
ния по всем степеням подвижности в прямом и обратном напра-
влениях путем последовательного включения указанных движе-
ний не менее 3 раз. Все механизмы должны работать без рывков
и вибраций.
При данном испытании одновременно проверяются такие пара-
метры, как число степеней подвижности, вид системы коорди-
нат и т. п.
Действие блокировок и устройств, обеспечивающих безопасную
и безаварийную работу. Целью испытания является проверка
наличия, удобства пользования и надежности действия всех
предусмотренных в ПР блокировок и устройств, обеспечивающих
реализацию параметров безопасной и безаварийной работы (см.
п. 6.3).
Проверки осуществляются не менее чем трехкратным включе-
нием блокировок.
Все блокировочные устройства должны срабатывать в соот-
ветствии с положениями, предусмотренными гидравлической,
пневматической и электрическими схемами. При отказе любой
из блокировок ее проверка повторяется в полном объеме после
устранения причин, вызвавших отказ.
Отметим, что методики испытаний параметров безопасной и
безаварийной работы конкретных моделей ПР должны быть со-
ставлены с учетом ГОСТ 12.2.072—82 «ССБТ. Роботы промышлен-
ные, роботизированные технологические комплексы и участки.
Общие требования безопасности».
Совместная работа ПР и системы программного управления.
Целью проверки является определение возможности работы ПР
во всех режимах и на всех скоростях, обеспечиваемых системой
управления. Полный перечень проверок зависит от типа и модели
СПУ и приводится в методиках испытаний конкретных моделей
ПР.
Примерами выполняемых проверок являются:
1.	Проверка всех режимов: программирования разными мето-
дами (обучением, аналитически); ручного управления; покадро-
вой отработки программы; контроля программы; автоматической
работы; автоматической работы в течение одного цикла; линей-
ной и круговой интерполяции и др.
Программа работы в каждом из режимов должна предусма-
тривать движения с максимальной скоростью по всем степеням по-
движности и с максимальным перемещением.
189
В автоматическом режиме дополнительно проверяется воз-
можность одновременного движения по нескольким координатам
в различных сочетаниях этих движений, обеспечиваемых СПУ
(например, поворотное и линейное перемещение, два поворотных
движения, два линейных движения и т. п.), если такие сочетания
движений предусмотрены техническими условиями и руковод-
ством по эксплуатации.
Контролируются (визуально): четкое выполнение исполнитель-
ными механизмами задаваемых команд; соответствие выполняе-
мых движений расположению органов управления на пульте;
отработка всех движений, выполненных при обучении.
2.	Проверка в автоматическом режиме возможности движе-
ния на всех скоростях (от минимальной до максимальной), обес-
печиваемых СПУ. Программа должна предусматривать движения
по всем координатам на максимальную величину перемещения.
Контроль визуальный.
3.	Проверка выдержек времени, обеспечиваемых СПУ в конце
движения.
Проверка осуществляется путем отработки в автоматическом
режиме произвольной программы, в которой между выполнением
отдельных движений предусмотрены: минимальная выдержка
времени; выдержка, равная половине максимальной; максималь-
ная выдержка.
Контроль — с помощью секундомера.
4.	Проверка количества точек позиционирования по всем
координатам (для цикловых ПР). Проверка осуществляется
в автоматическом режиме путем позиционирования в соответ-
ствующих точках.
5.	Возможность программирования перемещений на произ-
вольную величину (для ПР с ЧПУ). Проверяется путем непосред-
ственного программирования и отработки каждого из движений.
Проверка номинальной грузоподъемности осуществляется сле-
дующими методами: выполнением испытаний по проверке скоро-
стей перемещений, погрешности позиционирования и погрешно-
сти отработки траектории (см. ниже); путем работы в автоматиче-
ском режиме на наибольших паспортных скоростях с заготовкой,
масса которой в сумме с массой захватного устройства на 10 %
превышает номинальную грузоподъемность. Время работы 15 мин.
Цикл работы должен включать максимальные перемещения по
всем координатам при наиболее неблагоприятном сочетании
переносных движений. Примеры циклов с подобными сочетаниями
движений для четырех видов систем координат и наиболее рас-
пространенных компоновок ПР приведены в табл. 6.3.
Следует отметить, что при разработке методик испытаний
конкретных моделей ПР указанные циклы движений должны
уточняться, исходя из ограничений, оговоренных в технической
документации ПР. Эти ограничения могут накладываться, в част-
ности, условиями работы конкретных моделей ПР, уменьшением
190
фактических размеров их рабочих зон, обусловленных условиями
работы (например, для компоновок ПР по п. 3—5 табл. 6.3 —
за счет поворота рук только во «втянутом» положении),
и т. п.
Визуально контролируются: осуществление всех движений,
отсутствие выпадания и проскальзывания заготовок, отсутствие
поломок и неисправностей исполнительного устройства.
При приемочных и приемосдаточных испытаниях проверка
осуществляется только первым методом.
Время перемещений. В автоматическом режиме определяется
время двойного хода (вперед-назад, по часовой стрелке-против
часовой стрелки) при максимальных перемещениях с заготовкой
номинальной массы без выдержек времени в конце ходов. Число
двойных ходов по каждой степени подвижности равно 5. Поло-
жение исполнительных органов при испытании следует выбирать
по табл. 6.3, 6.4 с учетом замечания в предыдущем разделе
относительно ограничений циклов работы ПР.
За среднее время перемещений принимается величина 0,17',
где Т — время пяти двойных ходов.
Максимальные скорости перемещений. Значения максималь-
ных скоростей приводятся в технической характеристике ПР
в качестве справочных данных в тех случаях, когда при иссле-
довательских испытаниях установлена возможность движения
с этими скоростями (например, путем осциллографирования).
При контрольных испытаниях проверка максимальных ско-
ростей осуществляется при работе в автоматическом режиме путем
определения времени перемещения на отрезке пути после окон-
чания разгона и перед началом торможения. Величины отрезков
указываются в конкретных методиках испытаний. Положения
исполнительных органов при испытании выбираются в соот-
ветствии с табл. 6.3, 6.4.
За время перемещения принимается среднее время из пяти
замеров. Исходя из среднего времени и величины отрезков опре-
деляется максимальная скорость перемещений.
Погрешность позиционирования. Проверяется для ПР с пози-
ционной СПУ.
При контрольных испытаниях для проверки погрешности по-
зиционирования следует применять один из следующих методов.
1. Установка вала, удерживаемого захватным устройством,
в неподвижную втулку с горизонтальной или вертикальной осью.
Разница в диаметрах вала и втулки должна соответствовать
паспортной погрешности позиционирования. На валу и втулке
не допускается наличие фасок.
Расположение оси втулки рекомендуется выбирать, исходя из
основного назначения ПР. Например, для ПР, предназначенных
для обслуживания металлорежущих станков с горизонтальной
осью шпинделя, предпочтительным является горизонтальное рас-
положение оси втулки. Для универсальных ПР погрешность
191
Вид системы координат	Номер компо- новкн	Схемы компоновок			Наиболее иеблаго-	a приятное сочетание 1 переносных движений | в цикле	i
Декартова	1			J 1 zt 41	Ход каретки по моио- рельсу вправо — опу-! сканне руки, ход ка- ретки по монорельсу ’ влево — подъем руки ]
	2			21 * II о Lpfot	Подъем руки — ход ру- ки вперед — перемеще- ние колоииы вправо — ход руки назад — пере- мещение колонны вле- во — опускание руки
	3	z	Ь </> x Ol?ol		
Цилиндрическая	4	sp. J3 НИ cL			Подъем руки — ход вперед — поворот ко- лонны вправо — ход на- зад поворот колонны влево — опускание ру- ки
	5	Ot	1	3	J	
192
Таблица 6.3
Положение руки при определении скоростей						 H Положение рукн при проверках погрешности позиционирования	. |-			
Опреде- , ляемая скорость	X	Y	Z	4>	X	У	Z	Ч>	' :
Vx	О^бХщах		2 max		0,5Хтах		2пзах	1, 1	' ;i ri
								1?
VX Vz	a a a> t»	OjSK max 0>5K max	И X го го E E NN		Хщах	гпах	2тах	1. i i
								I  ;l || 1
Vz <ov	Хщах Xmax		2max 2max	0»5фшах 0)5фтах	Хщах		2тах	3 »5(pmax	; . I ' ।
								; г
	T П/р Я. i	L. Шифрин	a					1 || 193	1 !! р Р1'
						
Вид системы коорди- нат	Номер ком- поновки	Схемы компоновок			Наиболее неблагоприят- ное сочетание перенос- ных движений в цикле	Полож Опреде- ляемая ' скорость
	1				Ход вперед — опуска- ние руки — поворот влево -- подъем руки — поворот вправо — ход назад	N X с? а й 3
Цилин- дриче- ская	2		йТ		Опускание руки — по- ворот вправо — ход ка- ретки по монорельсу вправо — поворот вле- во — подъем руки — ход каретки по моно- рельсу влево	 8 ы О’ О 3
Сфери- ческая	3				Поворот вверх — ход вперед — поворот впра- во — ход назад — по- ворот влево — поворот вниз	Vx “<?1 ш<2ф
Угловая	4		/ Г) —1!»х ж;		Поворот локтя вверх — поворот плеча вверх — ход каретки вправо — поворот плеча вниз — поворот локтя вниз — ход каретки влево	Vx “<?1 “<?2
194	5	5	<Q>p	ff2	Поворот плеча влево — «выпрямление локтя» — поворот руки вправо — поворот плеча вправо — «сгибание локтя» — по- ворот руки влево	8 о 8 •в о -С № ь-*
Таблица 6.4
	ние руки	при определении скоростей				Положение руки при проверках погрешности позиционирования				
	X	X	Q>	Q«	<p	X	X	Qi	Qi	<p
	Ящах ^тах	Zmax Zmax	0 >5Qimax 0>5Qmax			^тах	Z max	Qmax		
	^>5Хщах 0>5Хтах	Zmax Z max	Ql max Ql max			0>5Xnjax	^тах	Ql max		
	X X а а to to X X		0>5Qlmax Ql max		Офертах 0>5(fmax	^тах		Qimax		0>5(pmax
	СП СП >< >< 3 3 to to X X		Qimax Qimax	Qamax Qa max		0>5Хтах		0,5Qimax	O’^Qj max	
			Qimax Qimax	Qs mln Qa mtn	3>5(fniax 3,5(pmax			3,5Qimax	0»5Qzmax	0,5фтах
7*
195
позиционирования следует проверять при расположении втулок
и горизонтально, и вертикально,
2, Определение погрешности позиционирования в трех взаимно
перпендикулярных плоскостях с помощью индикаторов часового
типа, установленных в точках позиционирования. Погрешность
позиционирования в каждой из плоскостей, определяемая по
разности показаний индикаторов, не должна превышать пас-
портного значения.
По обоим из указанных методов погрешность позиционирова-
ния следует определять для одной из точек рабочей зоны, соот-
ветствующей, как правило, наиболее неблагоприятному (в отно-
шении погрешности позиционирования) положению руки ПР.
Эти положения для наиболее распространенных компоновок
приведены в табл. 6.3, 6.4. В методиках испытаний конкретных
моделей ПР их необходимо уточнять с учетом изложенного выше
замечания о возможных ограничениях реальных циклов работы
ПР.
Проверка осуществляется в автоматическом цикле при номи-
нальной нагрузке и при наибольших паспортных скоростях.
Программа должна включать движение по всем координатам
и остановку в конце цикла на время, необходимое для снятия
показаний (для второго метода). Проверка осуществляется на
10 циклах работы.
Погрешность отработки траектории. Проверяется для ПР
с контурной СПУ. Проверка осуществляется в автоматическом
режиме при номинальной нагрузке и при скоростях, предусмо-
тренных ТУ, при движении по прямой и по окружности. Число
циклов — 10.
При движении по прямой блок из двух индикаторов, укре-
пленный на руке ПР, перемещается вдоль измерительной ли-
нейки, при движении по окружности — вокруг цилиндрического
шаблона.
Разброс показаний индикаторов не должен превышать паспорт-
ных значений.
Усилие захватывания. Проверка осуществляется путем ви-
зуального контроля отсутствия выпадания и проскальзывания
заготовок: при проверке грузоподъемности; при испытании ПР
на безотказность при работе под нагрузкой (см. далее); при на-
жатии кнопки «Аварийный стоп» при работе ПР в автоматиче-
ском режиме на наибольших скоростях при номинальной наг-
рузке. Кнопка должна включаться при осуществлении движения,
наиболее неблагоприятного в отношении выпадания объектов
манипулирования. Например, для деталей типа тел вращения
это относится к движению, совпадающему по направлению с осью
переносимой детали. Численное значение усилия захватывания
определяется, например, с помощью специальных динамомет-
ров.
196
Испытание ПР на безотказность при работе под нагрузкой.
Для вспомогательных (подъемно-транспортных) ПР испытание
на безотказность осуществляется при непрерывной работе ПР
в автоматическом режиме по тест-программе, составленной с ма-
ксимальным учетом возможностей, включая движение по всем
координатам и взаимодействие с технологическим и вспомогатель-
ным оборудованием или их имитаторами.
Визуально проверяются: безотказная работа всех узлов и
механизмов, правильное выполнение цикла, четкое взаимодей-
ствие с технологическим и вспомогательным оборудованием и
их правильная загрузка, отсутствие утечек масла и сжатого воз-
духа (на слух), надежное удержание заготовки в захвате в про-
цессе перемещений.
Для технологических (производственных) ПР испытание про-
водится при выполнении основной технологической операции.
Визуально проверяется правильная работа всех узлов и меха-
низмов.
Методы контроля качества выполнения операций (сварного
шва, нанесенного лакокрасочного покрытия, собранного узла
и т. д.) и используемые для контроля средства приводятся в ме-
тодиках испытаний конкретных моделей ПР.
Универсальные ПР 50 % времени следует испытывать при
загрузке технологического оборудования или его имитаторов,
остальные 50 % — при выполнении основной технологической
операции.
В ходе испытаний проверяют соответствие требованиям стан-
дартов и технических условий значений показателей безотказ-
ности .
Показатели ремонтопригодности и долговечности проверяются
при подконтрольной эксплуатации или при ресурсных испы-
таниях.
На данном этапе испытаний одновременно проверяют техно-
логические параметры, перечисленные выше.
6.4. Ресурсные испытания ПР
Особенности ресурсных испытаний. Испытания ПР
этого вида представляют собой комплексные испытания, позво-
ляющие провести прямую оценку как надежности (безотказности,
ремонтопригодности, долговечности), так и основных характе-
ристик (динамических свойств, контролепригодности, степени
диагностируемости и стойкости к внешним воздействиям ПР)
в течение длительного периода времени. Ресурсные испытания
конкретных моделей ПР проводятся, как правило, на заводе-
изготовителе.
Цель ресурсных испытаний — определение фактических пока-
зателей надежности (безотказности, ремонтопригодности, долго-
вечности) и разработка рекомендаций по их повышению.
197
Эта цель достигается оценкой: основных показателей без-
отказности, ремонтопригодности, долговечности и законов рас-
пределения этих показателей для испытываемых выборок (образ-
цов) ПР; соответствия испытываемых выборок (образцов) ПР
паспортным характеристикам; стабильности показателей надеж-
ности, динамических свойств, контролепригодности, степени ди-
агностируемости, стойкости испытываемых выборок (образцов)
ПР к внешним воздействиям (климатическим условиям, вибра-
циям, изменениям напряжения питающей электросети и внутрен-
них источников электропитания, изменениям параметров внешней
и внутренней пневмо- и гидросети).
В соответствии с правилами задания показателей надежности
в стандартах и конструкторской документации устанавливается,
к какому классу систем, типу режимов эксплуатации, группе
надежности и принципу ограничения длительности использова-
ния относится испытываемая выборка (образцы) ПР. На основа-
нии установленной классификации выбираются показатели на-
дежности, по которым проводится оценка выборки (образцов)
ПР, прошедшей ресурсные испытания.
В качестве основного показателя безотказности целесообразно
использовать среднюю наработку на отказ (между отказами) I, ч.
В качестве основных показателей ремонтопригодности целе-
сообразно использовать средние значения:
времени восстановления ?в, ч;
оперативной трудоемкости текущего ремонта и межремонтного
обслуживания й>тм, чел.-ч;
оперативной трудоемкости среднего ремонта й>ср, чел.-ч;
оперативной трудоемкости капитального ремонта й>кп, чел.-ч.
В качестве основных показателей долговечности целесообразно
использовать средние значения:
ресурса lR, ч;
ресурса до капитального ремонта ?йкп, ч;
срока службы 1К, лет;
срока службы до капитального ремонта ?ftKn, лет.
Динамические свойства оцениваются по специальной под-
программе в зависимости от целей и задач испытаний. Контроле-
пригодность проверяется согласно ГОСТ 26656—85.
Конкретные показатели, указанные выше, принимаются со-
гласно ТУ на ПР; показатели долговечности также могут быть
рассчитаны на основании существующих норм.
Условия проведения ресурсных испытаний. Ресурсные испы-
тания подразделяются на испытания в нормальном режиме (HP)
и в ускоренном режиме (УР).
Расчет времени наработки в HP проводят по формуле
?дрР =
где lk — установленный ТУ срок службы до списания, лет;
р — средний коэффициент загрузки оборудования по отрасли;
198
— наибольшее время непрерывной работы в сутки, устано-
вленное ТУ, ч; Фдн — среднее расчетное число рабочих дней
в году, обычно Ф№ = 253 дня.
Средний ресурс до капитального ремонта обычно задается
в ТУ.
Среднее время наработки в течение суток ?ср = рТн.
Среднее значение коэффициента ускорения оценки ресурса
Дну с учетом ускорения оценки ресурса по значению и скорости
перемещения (движения) руки, грузоподъемности, числу изме-
нений режимов в единицу времени не должно быть меньше 2,5.
Коэффициент ускорения оценки ресурса
Дну = ДоДЛиДп.
Коэффициент ускорения оценки ресурса по скорости движе-
ния руки
Др = ^ур/^нр>
где уур — максимальная скорость движения руки при УР; онр—
максимальная скорость движения руки при HP.
Коэффициент ускорения оценки ресурса по значению пере-
мещения:
Д; = Дур/Днр>
где Lyp, Днр — максимальное значение перемещения руки при
УР и HP испытаний соответственно, м.
Коэффициент ускорения оценки ресурса по силе инерции
Ди = /ПурДур/(/ПнрДир) = ДтД/,
где Дт = Шур/Шир — коэффициент ускорения оценки ресурса по
грузоподъемности; /пур, тнр — грузоподъемность при УР и
ПР испытаний соответственно, кг.
Коэффициент ускорения оценки ресурса по числу изменений
режимов в единицу времени:
Дп = ^ур/^нр>
где Пур, пнр — число изменений режимов при УР и HP испы-
таний соответственно, с-1.
Значения пнр и пур подсчитываются на базе основных данных
расчетных циклограмм ресурсных йспытаний в HP и УР, полу-
ченных с помощью тест-программ испытаний в HP и УР в ТУ.
Время наработки в УР
/(УР) _ /<ИР)/jz
‘Др — ‘Др /Лиу
С учетом предельных значений температуры окружающей
среды, напряжения питающей электросети и вибрационных
(ударных) нагрузок величина Дну = ДсДгДиДпД/ДсДв >
>3,15 ...3,3.
199
Рис. 6.2. Графическая интер-
претация области реализации
ускоренных режимов испыта-
ний с заданным коэффициентом
ускорения оценки ресурса Л
Коэффициент ускорения оценки ре-
сурса по температуре окружающей
среды
max/ТнГ + Гн/т mln)2]»
где Тщах. тп, Тт[п— максимально до-
пустимая, номинальная и минимально
допустимая температуры окружающей
среды.
Среднее значение коэффициента
оценки ресурса по напряжению питаю-
щей электросети
Кс = ГО,5 [({/с шах/^сн)2 + (Ucn/Uc mln)2]>
где Uc тах, Ucn, Uc min — максимально допустимое, номинальное,
минимально допустимое значения напряжения питающей элек-
тросети.
Аналогично определяют среднее значение коэффициента оценки
ресурса по напряжению внутренних электроисточников.
Среднее значение коэффициента оценки ресурса по вибрации
Кв = ]/(l/2n) Д 1(/'ПП*р))2 + (А'Г’М <?р))2],
где п — число проведенных (проводимых) этапов испытаний
(i = 1, п); /ГЙР), —средние значения частот вибраций для
i-го этапа при УР и HP соответственно, Гц; AaV*’, Ав”р) —сред-
нее значение амплитуд вибраций (1-й гармонии) для i-ro этапа
при УР и HP испытаний соответственно, мм.
Графически интерпретация области реализации УР с задан-
ным коэффициентом ускорения оценки ресурса Кну приведена
на рис. 6.2.
Расчет среднего значения коэффициента ускорения оценки
ресурса ведется по формуле
Кну =	(Гai/^Яр)! S Xi/КнуО )
(i = ТГп; j = 1, kt),
где, кроме известных величин, Tai — длительность i-ro этапа
испытаний; — удельный вес /-го режима в течение i-ro этапа
испытаний; КНуи— коэффициент ускорения оценки ресурса
при /-м режиме в течение i-ro этапа испытаний; kt — число режи-
мов при i-м этапе испытаний; п — число этапов испытаний.
200
Если при РИ реализуется несколько программ, то Лну опре-
деляется для каждой программы.
Составные части ресурсных испытаний. К ним относятся
предварительная, основная, заключительная части ресурсных
испытаний.
Предварительная часть ресурсных испытаний включает функ-
циональный и расчетно-конструкторский анализы.
Функциональный анализ, проводится разработчиком и сво-
дится к определению, к какой из функциональных групп отно-
сится ПР (модуль, часть, блок). В зависимости от функциональ-
ного назначения модуля, части, блока ПР выбирается критерий
работоспособности и назначаются соответственно режим и нагру-
зочное воздействие при последующих испытаниях.
Расчетно-конструкторский анализ проводится после функцио-
нального анализа. Задача расчетно-конструкторского анализа —
определение (прогнозирование) наиболее слабых элементов, кото-
рые могут в значительной степени повлиять на ресурс в целом.
Основная часть РИ состоит из испытаний в HP и УР, включа-
ющих контрольно-определительные испытания (КОИ) и испыта-
ния слабых элементов (ИСЭ).
КОИ проводятся в целях подтверждения правильности вы-
бора слабых элементов, а также определения конструктивных
и технологических дефектов изготовления, которые проявляются
в первые 1,5 ... 2 мес. КОИ. Этому способствует ускорение (уже-
сточение) режимов РИ. КОИ дают возможность уточнить коэф-
фициенты ускорения оценки ресурса (испытаний слабых элемен-
тов). В результате КОИ определяются узлы, которые в основном
влияют на функционирование.
ИСЭ проводят, как правило, ускоренными методами. ИСЭ
подразделяются на испытания на функционирование, изнашива-
ние, усталость, а также на оценку внезапных и внезапно прояв-
ляющихся отказов, долговечность.
ИСЭ на функционирование с целью получения статистических
данных проводится во всех случаях, когда к ПР предъявляются
высокие требования по точности (повторяемости) позициониро-
вания.
Объем выборок ПР для ресурсных испытаний в HP и УР
можно установить, используя, например, методические реко-
мендации [34]. Минимальный объем выборки как для HP, так
и для УР — три ПР.
Порядок подготовки ПР к ресурсным испытаниям должен
соответствовать требованиям ТУ и программам испытаний.
Для испытаний по оценке динамических свойств должны
использоваться датчики ускорений (акселерометры), скорости,
малых и больших линейных перемещений, позволяющие фикси-
ровать мгновенные значения положений, скоростей и ускорений
схвата руки манипулятора с основной погрешностью измерений
не более 5,5 %.
201
Программы ресурсных испытаний г. Все ресурсные испытания
должны начинаться с проверки соответствия технических харак-
теристик и конструктивных параметров требованиям ТУ на дан-
ный тип ПР в объеме приемосдаточных испытаний (ПСИ) или
в объеме, обеспечивающем проверку правильности функциони-
рования ПР в нормальных условиях.
Составные части программы ресурсных испытаний в нормаль-
ном режиме (HP):
программа 1, представляющая КОИ с воздействием на ПР
различных факторов;
программа 2, представляющая ИСЭ с воздействием на ПР раз-
личных факторов.
Программа 1 должна состоять из следующих этапов испы-
таний:
этап 1 — испытания по определению фактических показате-
лей надежности ПР в нормальных условиях в соответствии с ТУ
на ПР при суммарной наработке = 500 ч + ТПСЯ, где
Гпси — продолжительность ПСИ;
этап 2 — испытания по определению фактических показа-
телей надежности ПР при различных комбинациях значений
воздействующих на ПР внешних факторов.
Выбор комбинаций значений воздействующих на ПР факто-
ров проводится на основе имеющейся априорной информации
о математической модели влияния факторов на ПР и его пока-
затели надежности. В качестве активно воздействующих факто-
ров при испытаниях ПР по программам 1 и 2 рекомендуется брать:
скорость руки манипулятора v, перемещения руки манипуля-
тора I, ср; грузоподъемность т\ число изменений режимов работы
в единицу времени (или число включений и выключений в еди-
ницу времени) низм; температуру окружающей среды Тя, напря-
жение питающей электросети t/c; напряжение внутренних источ-
ников электропитания давление р и расход Afs рабочего
тела во внешней и внутренней пневмо- и гидросети.
Наиболее активно воздействующими внешними факторами
следует считать: температуру окружающей среды, напряжение
питающей электросети; вибрационные нагрузки, давление рабо-
чего тела во внешней пневмосети (гидросети).
Значения перечисленных выше факторов при HP работы ПР
должны соответствовать значениям, реализуемым при эксплуата-
ции ПР на заводах-изготовителях. При отсутствии этих данных
в качестве нормальных режимов следует принять режимы, при
которых скорость перемещения и масса груза в захватном устрой-
стве составляют 80 % максимально допустимых значений, пре-
дусмотренных ТУ на соответствующие ПР.
1 Материал настоящего параграфа подготовлен совместно с С. Д. Косте-
ревой.
202
При отклонении температуры окружающей среды (воздуха)
и относительной влажности от значений, указанных в ТУ в каче-
стве нормальных условий, необходимо учитывать влияние этих
факторов на состояние ПР путем сокращения срока их испытаний
на соответствующем этапе по формуле /Дд = tRvIKny, где индекс
«д» означает действительное значение, а «р» — расчетное.
При отклонении значений частот и амплитуд вынужденных
колебаний (вибраций) при ресурсных испытаниях от значений
этих параметров, при которых проводится проверка ПР на вибро-
стойкость согласно ТУ, необходимо вводить соответствующую
поправку Кв.
Продолжительность этапа 2 без учета влияния температуры
и влажности окружающей среды и вынужденных колебаний опре-
деляется наработкой =='3000 ... 3200 ч.
При суммарной наработке 3500 ... 4000 ч проводится частич-
ная дефектация в целях определения необходимости в среднем
ремонте. После среднего ремонта проводится приработка в тече-
ние 200 ч (100 ч без груза, 100 ч с грузом массой m w 0,8mHOM).
Программа 2 должна состоять из следующих этапов РИ:
этап 3 — испытания по определению фактических показа-
телей надежности ПР при различных комбинациях воздейству-
ющих на ПР внешних факторов. Продолжительность этапа Т1зр) =
= 1150 ... 1350 ч. При суммарной наработке 5000 ... 6000 ч
проводится частичная дефектация с целью определения необхо-
димости в капитальном (среднем) ремонте;
этап 4 — испытания по определению фактических показа-
телей надежности ПР при различных комбинациях значений воз-
действующих на ПР внешних факторов. Режимы испытаний ана-
логичны режимам 2-го и 3-го этапов. Продолжительность этапа
Т'э”р) = 4500 ... 5000 ч. Если после 3-го этапа проводился капи-
тальный или средний ремонты, то в начале этапа в течение 200 ч
проводится приработка (из них 100 ч без груза, 100 ч с массой
груза т w 0,8/пном).
Разрешается выявленные на этапах 1—3 слабые элементы
испытывать не в составе ПР, а автономно. В последнем случае
этап 4 не проводится.
Составные части программы испытаний ПР в ускоренном
режиме:
программа 1 — ускорение КОИ с форсированием воздействия
различных факторов на ПР;
программа 2 — ускоренные ИСЭ с форсированием воздействия
различных факторов на ПР.
Программа 1 включает следующие этапы:
этап 1 — определение фактических показателей надежности
в HP в соответствии с ТУ на ПР. Коэффициент ускорения оценки
ресурса Л11р) = 1, суммарная наработка 71УР) = 350 чТпси.
где ТПСИ — продолжительность ПСИ, обычно Тпси 200 ... 300 ч;
203
этап 2 — определение фактических показателей надежности
при различных наиболее неблагоприятных комбинациях форси-
рованных значений воздействующих внешних факторов. Режим
испытаний ускоренный, для 50 % общего времени испытаний
7Сну 2,1 > 3,15. Для 50 % общего (остального) времени испыта-
ний Лну 2,2 > 4,2. В последнем случае испытания проводятся
при последовательной реализации режимов 1—12 (см. ниже).
Общая продолжительность каждого из режимов 1—3, 5—10,
12 составляет 40 ... 50 ч, режимов 4, 11—80 ... 100 ч. Общая
продолжительность этапа T^p) = 1000 ... 1200 ч.
Рекомендуется форсирование режимов проводить при следу-
ющих комбинациях внешних факторов:
Режимы
1)	6ТН =4-1, б1/с = + 1, 6fB = 6ЛВ = 0, бр = 0;
2)	6ТН = 4-1, б1/с = — 1, 6fB = 6ЛВ = 0, бр = 0;
3)	6ТН	= — 1,	6С7О =	+ 1, 6fB = 6ЛВ = 0,	бр =	0;
4)	6ТН.= — 1,	8UC =	— 1, 8fB = 6ЛВ = 0,	бр =	0;
5)	6ТН = 0, 8UC = 0, 6fB = 6ЛВ = 4- 1, бр = 0;
6)	6ТН	= — 1,	8UC =	0, б/в = бЛв = 4-1,	бр =	0;
7)	6ТН	= + 1,	8UC =	0, 6fB = 6ЛВ = 4-1,	бр =	0;
8)	6ТН = 0, 8UC = 0, 6fB = 6ЛВ = + 1, бр = 0;
9)	6ТН =	0,	8UC	= — 1,	6fB =	6ЛВ =	+	1, бр	=	0;
10)	6ТН =	0,	8UC	= 4-1,	8fB =	6ЛВ =	0,	бр =	+	1;
11)	6ТН =	0,	6t7c	= — 1,	8fB =	6ЛВ =	0,	бр =	—	Г,
12)	6ТН =	0,	&Ue	= + 1,	б/в =	6ЛВ =	+	1, бр	=	+ 1
Здесь 6ТН, 8Uct 6fB, 6ЛВ, бр — относительные отклонения (зна-
чения) соответствующих параметров. Если относительное откло-
нение равно 4-1, то имеет место верхнее максимально допустимое
по ТУ значение воздействующего фактора; если относительное
отклонение равно —1, то имеет место минимально допустимое
по ТУ значение воздействующего фактора.
Формула для расчета среднего значения коэффициента уско-
рения оценки ресурса (ускорения режимов работы) приведена
выше.
Программа 2 должна состоять из следующих этапов испытаний:
этап 3 — испытания в УР при различных комбинациях мак-
симально (минимально) допустимых по ТУ значений воздейству-
ющих внешних факторов. Для 50 % общего времени испытаний
2 > 4,2. При этом реализуются режимы 1—12. Общая
продолжительность каждого из режимов 1—3, 5—10 и 12 соста-
вляет 40 ... 60 ч, для режимов 4 и 11 — 80 ... 120 ч. Нижний
предел продолжительности этапа 71'зР) = 400 ч, верхний предел
204
Т'Г’ = 500 ч. Для остального времени испытаний на этом этапе
1 > 3,15;
этап 4 — испытания в УР при значениях воздействующих
внешних факторов, превышающих допустимые по ТУ. Для 50 %
общего времени испытаний К„уР4,2	7,25. При этом реализу-
ются режимы 1—12. Общая продолжительность каждого из ре-
жимов 1—3, 5—10 и 12 составляет 30 ... 50 ч, для режимов 4
и 11 — 70... 100 ч. Нижний предел продолжительности этапа
т^р) = 300 ч, верхний предел ТЭ(4Р) = 400 ч. Для остального
времени испытаний Кну₽4, i > 3,15. При реализации режимов
1—12 значения воздействующих факторов должны быть на 20 %
выше, чем указано в ТУ;
этап 5 — испытания в УР до предельного состояния (вплоть
до разрушения) при наиболее неблагоприятных комбинациях
воздействующих внешних факторов, превышающих предельно
допустимые по ТУ в 2 раза. Продолжительность этапа Т(э^р) =
= 300 ... 400 ч. Для 50 % общего времени испытаний Кну₽5, i
3,1	5. Для остального времени испытаний на этом этапе К„уР5.2
33,5.	При этом реализуются режимы 1—12. Общая продол-
жительность каждого из режимов 1—3, 5—10, 12 не более 50 ч,
для режимов 4,11 — не более 100 ч. Для режимов 1—12 значе-
ния воздействующих внешних факторов должны на 100 % пре-
вышать требования ТУ.
Методика проведения ресурсных испытаний. Последователь-
ность проведения РИ:
проверка соответствия технических характеристик и кон-
структивных параметров ПР требованиям ТУ в объеме ПСИ или
объеме, обеспечивающем проверку правильности функциониро-
вания ПР в нормальных условиях по ТУ на ПР;
проведение КОИ по программе 1;
проведение ИСЭ по программе 2. Разрешается по согласова-
нию с разработчиком проводить ИСЭ по программе 2, исключив
испытываемые слабые элементы из состава всего изделия.
Ресурсные испытания в течете суток, как правило, прово-
дятся в две смены с общей продолжительностью 16 ч. Разрешается
проведение этих испытаний в течение суток в три смены с обяза-
тельным перерывом после 16 ч испытаний не менее чем на один
час. Продолжительность непрерьАной работы на режимах 1—12
на этапах 2—5 в УР не менее 6 ч и не более 8 ч.
РИ проводятся с восстановлением работоспособности отказав-
ших ПР (модулей, частей, блоков). Разрешается замена устрой-
ства программного управления с последующим увеличением срока
испытаний.
Для испытаний на безотказность следует принимать риск изго-
товителя, риск потребителя и отношение приемочного и браковоч-
205
ного уровней наработки между отказами в соответствии с ТУ на
конкретный ПР (модуль, часть, блок).
Соответствие или несоответствие числа отказов на 1000 ч
наработки (наработки между отказами) следует определять мето-
дом последовательного контроля [34] и ТУ на конкретную модель
ПР (модуль, часть, блок).
Проверка точности (повторяемости) позиционирования в про-
цессе РИ проводится через каждые 100—150 ч испытаний про-
должительностью при HP и УР не менее 6 ч.
Испытания на ремонтопригодность проводятся методом одно-
ступенчатого контроля [341 при следующих исходных данных:
приемочное значение среднего времени восстановления ?вп = 4,
браковочное значение среднего времени восстановления 8 ч.
Методика проведения КОИ включает:
выявление в процессе наработки слабых элементов, а также
определение конструкторских и технологических дефектов изго-
товления;
определение числа отказов на 1000 ч наработки (наработки
между отказами);
сбор данных для определения среднего времени восстановле-
ния (вероятности восстановления за заданное время);
сбор данных для определения среднего ресурса (вероятности
ненаступления предельного состояния);
сбор данных для оценки законов распределения показателей
безотказности, ремонтопригодности, долговечности;
сбор данных для оценки динамических свойств ПР;
сбор данных для оценки соответствия ПР паспортным харак-
теристикам (по ТУ);
сбор данных по оценке стабильности работы испытываемых
ПР;
сбор данных по оценке контролепригодности и диагности-
руемое™ ПР;
сбор данных по оценке вибропрочности и вибростойкости ПР.
Методика ИСЭ ПР содержит по форме составляющие, пере-
численные выше.
Методика ИСЭ ПР, у котор||х в качестве критерия работоспо-
собности принята ошибка пози* онирования (ОП) или свободный
ход (люфт, СХ), сводится к следующему.
Формально процесс изменении ОП и СХ во времени рассма-
тривается как некоторый случфный процесс, являющийся ста-
ционарным, т. е. все испытываемые ПР считаются однородными
по своим качествам, а их свойства практически неизменяемыми
до тех пор, пока величина ОП (СХ) не достигнет предельного зна-
чения. На основании этого ОП (СХ) описывается уравнением
ф (х) =	+ х0 (t),
где <р0 — начальная величина ОП (СХ); b — коэффициент, учи-
тывающий 4>ежим работы и износостойкостные свойства мате-
206
риала деталей слабых элементов; х0 (/) — случайная функция
времени с математическим ожиданием х0 (t) = 0.
В первом приближении, если заменить приведенное выраже-
ние кусочно-линейной функцией, для каждого участка AZ; полу-
чаем зависимость
<р(А^) = ytAtt,
где у; = dtp (Ati)/d (AQ |At —скорость изменения ОП (ОХ)
мм/ч.
Наличие выражений, описывающих изменение ОП (ОХ), по-
зволяет получить достаточно правдоподобные кривые <р (/) как
для HP, так и для УР. В общем случае достаточно получить не-
сколько (минимум две, лучше три) точек, а дальше провести эк-
страполяцию, определив <р0 и b методом наименьших квадратов
или (уОср-
Методика расчета наработки между отказами ПР по измене-
нию величины ОП (СХ), когда значения коэффициентов <р0 и b
(или уг) подвержены случайным колебаниям, которые связаны
как со случайными величинами нагрузок, действующих в про-
цессе эксплуатации, так и со случайным характером изменений,
протекающих в материалах и сопряженных деталях ПР, преду-
сматривает следующую последовательность.
Наработка между параметрическими отказами для каждой
/-й серии испытаний на точность (повторяемость) позиционирова-
ния каждого i-го ПР
tij= (lg<PnpJ- lg <Poj)/lg
где, кроме известных величин, <pnD — предельная величина
ОП (СХ) по ТУ.
Средняя наработка между отказами
, i	___
Ь =	(/=1,/),
/=1
где , I — число серий испытаний на точность (повторяемость)
позиционирования.
Дисперсия, среднее квадратическое отклонение и коэффи-
циент вариации соответственно равны:
st = y^-, y^2Liooo/0.
'	1 i
Для нормального закона распределения наступления предель-
ного состояния вероятность ненаступления этого состояния
Р (0 - 1 С (0.
207
где Q (ti < t < /2) — вероятность наступления предельного со-
стояния в области от 0 до /2, т. е.
где (~х,5 и A ( *2S J — функции Лапласа.
Доверительный интервал определяется неравенством
tt---ta < ?г < tt + r^=.~ Ц,
*	j/7—1	г“ // - i p’
где tf, = tp [P (t) ] — коэффициент Стьюдента, который опреде-
ляется величиной Р (0.
Под отказом при ресурсных испытаниях будем понимать:
систематически повторяющиеся автоколебания в точках пози-
ционирования продолжительностью более 2 с;
систематически повторяющиеся перебеги точек позициониро-
вания более 3 мм (за исключением упругих колебаний руки);
не предусмотренные программой длительные (более 2 с) про-
стои в точках позиционирования;
нарушения программы — непрохождение команд на манипу-
лятор, уход из точек позиционирования [непопадание валом
(штырем) груза в отверстие втулки (матрицы), закрепленной
неподвижно на стойке];
колебание времени цикла программы (времени обхода контроль-
ных точек) от среднего значения более ±10 %;
необеспечение точности позиционирования в любой контроль-
ной точке.
После каждого этапа и в конце испытаний в УР необходимо
провести проверку соответствия фактического значения 7<Ну ф
необходимо построить график
расчетному.
Для этого
Рис. 6.3. График для проверки коэффициен-
1“ КнУ:
1 ~ f рн): 2 - f (М
(рис. 6.3), во втором квад-
ранте которого изобразить кри-
вую (теоретическую) или ги-
стограмму (фактическую), пред-
ставляющие собой плотность
распределения числа или сред-
ней наработки между отказами
(линии 1 и /') для УР, а в чет-
вертом квадранте — то же для
HP (линии 2 и 2'). Геометри-
ческое место точек, соответ-
ствующее равным квантилям
(SH = Sy), дает кривую, тан-
генс угла наклона которой в
любой точке является не чем
иным, как коэффициентом уско-
рения оценки ресурса
208
Если распределение времени между отказами в HP и УР
одинаково и подчиняется экспоненциальному закону, то линия
равных квантилей трансформируется в прямую линию.
Примечание. Теоретические кривые плотностей вероятностей
распределения среднего числа отказов или наработки между
отказами получаем в результате обработки гистограмм этих
распределений, полученных на основании данных РИ.
Корректировка Кну проводится на основании результатов
проверки Кну после каждого этапа по формуле, приведенной
выше.
Межремонтное обслуживание и ремонт. Табельное межремонт-
ное техническое обслуживание (часто называют межремонтным
обслуживанием) является составной частью профилактического
технического обслуживания и проводится на основании руководств
и инструкций по эксплуатации для ПР, манипулятора, устрой-
ства программного управления и привода.
При эксплуатации ПР в УР сроки проведения табельного
межремонтного обслуживания сокращаются в Кну Раз (Ану —
коэффициент ускорения оценки ресурса).
Кроме табельного межремонтного технического обслужива-
ния проводятся нетабельные работы, включающие межремонтное
обслуживание и текущий ремонт, вызванные необходимостью
устранения причин отказов, предупреждения их возникновения,
которые были выявлены при ежедневных (ежесменных) осмотрах.
Содержание и результаты межремонтного технического об-
служивания и текущего ремонта заносятся в журнал РИ с ука-
занием расхода запасных частей и материалов, а также трудо-
затрат.
Средний н капитальный ремонты проводятся при необходимо-
сти после дефектации, проведенной членами комиссии, назначен-
ной для проведения РИ.
На выполненные работы по ремонту ПР (модулей, частей,
блоков) составляются калькуляции, сводная ведомость трудо-
затрат и ведомость материалов и комплектующих, технические
карты ремонта, При необходимости проведения лабораторных
и других исследований для определения причин выхода деталей
(узлов) из строя в журнале испытаний производятся соответству-
ющие записи. Данные лабораторных и других испытаний прила-
гаются к протоколу испытаний.
8 П/р Я. А. Шифрин
Глава
7 ДИАГНОСТИРОВАНИЕ
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПР
7.1.	Диагностирование ПР и его содержание
Общие положения. Диагностирование ПР основывается
на всестороннем и систематическом его изучении, которое вклю-
чает: целенаправленный сбор данных (информацию) о работоспо-
собности ПР в процессе эксплуатации, объективное эксперимен-
тальное исследование (изучение) состояний ПР визуально и с по-
мощью технических средств, анализ результатов эксплуатации
и экспериментальных исследований ПР. Как правило, для рас-
познавания состояний ПР необходимо обнаружение достаточно
большого числа признаков состояний и их комбинаций.
Современное комплексно-автоматизированное производство
предъявляет жесткие требования к качеству ПР. Только при
высокой надежности всех механизмов и устройств ПР их можно
использовать в составе оборудования, которое длительное время
должно работать без обслуживающего персонала. В решении
этой важной для отечественной промышленности задачи одно из
главных мест занимает разработка вопросов технической диагно-
стики ПР, его СПУ, манипулятора.
Опыт, накопленный в различных отраслях промышленности,
показал, что системы технической диагностики (СТД) машин и
механизмов могут быть успешно использованы как примени-
тельно к серийно выпускаемым образцам техники, так и в процессе
испытаний и отработки вновь создаваемых образцов. Результаты
диагностирования в процессе эксплуатации машин необходимы
для принятия решений о замене или ремонте неисправной состав-
ной части объекта диагностирования (ОД) или ОД в целом, а
также установления наиболее целесообразной периодичности и
объемов профилактических работ.
Техническое диагностирование при эксплуатации ПР обеспе-
чивает проверку их исправности, работоспособности, правиль-
ности функционирования, обнаружение дефектов и сбор инфор-
мации для прогнозирования остаточного ресурса. Эффект, дости-
гаемый в результате диагностирования, обусловлен:
своевременным обнаружением и устранением неисправных
состояний составных частей машин, что позволяет поднять зна-
чение коэффициента готовности в среднем на 12 ... 18 %;
210
исключением необоснованных разборочно-сборочных работ,
что сохраняет технический ресурс;
обеспечением полной выработки технического ресурса;
обеспечением работы машин с оптимальным регулированием,
что повышает их эффективную производительность, снижает рас-
ходы горюче-смазочных материалов и электроэнергии;
повышением безопасности работы за счет возможности част-
ных ревизий и контроля составных частей, обеспечивающих
безопасность.
Применение средств диагностирования упорядочивает эксплуа-
тацию ПР, позволяет создать автоматизированные системы сбора
информации о динамике изменения состояний основных узлов,
что важно для оптимизации конструкций, совершенствования
технологии изготовления и режимов эксплуатации вновь созда-
ваемых ПР.
Разработка автоматизированных систем испытаний создает
благоприятные условия для использования СТД в целях форси-
рования процессов испытаний новых образцов техники, в том
числе ПР, а также для оптимизации их конструкции и технологии
изготовления.
Виды СТД. Техническое состояние ПР диагностируется с по-
мощью аппаратурных или вычислительных средств. Существуют
два вида СТД: тестового и функционального диагностирования.
При тестовом диагностировании на механизмы или устройства
ПР подают специально организуемые тестовые воздействия. При
функциональном диагностировании в качестве входных исполь-
зуют рабочие воздействия, предусмотренные алгоритмом функцио-
нирования ПР.
Для манипуляторов ПР чаще всего используют второй
подход.
При этом могут быть применены следующие методы диагно-
стирования:
по длительности цикла ПР и его элементов и температуре (для
современных ПР учитывается при создании СПУ);
по параметрам движения (СТД встроена в ПР и СПУ или ис-
пользуется внешняя система с записью на накопитель на магнит-
ной ленте с последующей автоматизированной обработкой);
по параметрам движения, силовым и энергетическим параме-
трам с записью на самопишущий прибор и расшифровкой данных
с помощью эталонных осциллограмм и дефектных карт;
по виброакустическим параметрам (с записью на накопитель
на магнитной ленте или с хранением в памяти ЭВМ);
по точностным характеристикам (автоматизированные и не-
автоматизированные методы).
Последний метод, имеющий для ПР особое значение, является
наиболее трудоемким и слабо разработанным.
Для устройств и СПУ, как правило, используют тестовые
методы.
8*	211
Процесс постановки диагноза обычно состоит из нескольких
частей, которые называются элементарными проверками. Каждая
из них характеризуется подаваемым на вход ПР (его отдельных
механизмов и устройств, модулей) тестовым или рабочим воздей-
ствием и снимаемым с выхода откликом (ответом). Значение
отклика (ответа) — основной результат элементарной про-
верки.
Формальное описание алгоритма диагностирования техниче-
ского состояния объекта выражается в виде безусловной или
условной последовательности элементарных проверок и правил
анализа результатов этих проверок. Число элементарных прове-
рок, которое достаточно для конкретного диагноза, практически
всегда меньше числа всех допустимых (физически возможных
и реализуемых) элементарных проверок конкретного ПР, поэтому
задача диагностирования не решается однозначно. Для решения
одной и той же задачи можно построить несколько алгоритмов,
которые различаются или составом элементарных проверок, или
последовательностью их реализаций, или их комбинацией.
Для создания СТД необходимо решить следующие взаимосвя-
занные задачи:
детальное изучение объекта диагностирования ПР — для вы-
явления наиболее уязвимых мест и составления перечня пара-
метров, а также разбиение на классы технических состояний,
подлежащих распознаванию;
выбор необходимых средств измерения соответствующих пара-
метров и мест размещения датчиков на ПР;
определение динамических характеристик и создание матема-
тических моделей узлов, модулей, устройств, агрегатов и самого
ПР в целом для построения диагностической модели;
синтез системы диагностических признаков, чувствительных
к изменению параметров технического состояния ПР, определе-
ние их пороговых значений по исходной информации о соответ-
ствующих параметрах, результатам обработки и математиче-
ским моделям ПР;
разработка алгоритма определения текущего технического
состояния ПР;
прогнозирование изменения параметров и характеристик тех-
нического состояния ПР;
разработка процедуры обратного воздействия на ОД в соот-
ветствии с принимаемыми решениями о его фактическом состоянии.
Функциональная схема СТД представлена на рис. 7.1 [6].
Подсистема измерения выдает исходную информацию о состоя-
нии ОД, содержащуюся в данных, зафиксированных ИПП. Эта
подсистема включает также усилители, нормализаторы, фильтры
и другие преобразователи первичной информации, а также много-
канальные накопители на магнитных лентах или дисках, предна-
значенные для долговременного хранения информации и ее по-
следующей обработки.
212
Рис. 7.1. Функциональная схема СТД
Подсистема-формирователь диагностических признаков тех-
нического состояния ОД и его отдельных элементов преобразо-
вывает исходную информацию, полученную от подсистемы изме-
рений, в соответствии со специально разрабатываемыми для этой
цели алгоритмами, которые выделяют в измеряемых сигналах
характеристики, обладающие требуемыми избирательными свой-
ствами по отношению к определенному классу неисправностей,
подлежащих распознаванию.
Подсистема—классификатор эталонов формирует на основании
обучения СТД для каждого класса технических состояний соот-
ветствующие эталоны, представляющие собой усредненные для
каждого класса значения диагностических признаков.
Диагностическая модель ОД используется для формирования
системы диагностических признаков и эталонов, что облегчает
процесс поиска информативных характеристик в измеряемых
сигналах.
7.2.	Классификация систем
технического диагностирования
Современные СТД ПР представляют собой совокупность
собственно ПР, контрольно-испытательного комплекса и ком-
плекса программно-реализованных алгоритмов.
Комплекс алгоритмов и программ СТД [11 ] может быть под-
разделен на две группы; 1-я группа включает алгоритмы и про-
граммы, предназначенные для формирования и построения СТД;
2-я группа содержит алгоритмы и программы, обеспечивающие
функционирование СТД.
Основа, алгоритмов 1-й группы — математическая модель СТД,
включающая математическую модель ОД ПР, математические
модели диагностической аппаратуры, используемой в СТД (ко-
торую предполагается использовать в проектируемой СТД),
алгоритмы (программы) собственно диагностирования.
213
Наличие этих моделей, алгоритмов и программ дает возмож-
ность решать следующие задачи: выбор априорного и рабочего
словаря диагностических признаков СТД; определение априор-
ного и рабочего алфавита классов состояний ОД; нахождение
границ между классами и описаниями классов состояний ОД
на языке признаков; решение собственной задачи установления
диагноза (распознавания).
Математическая модель СТД дает возможность до разработки,
проектирования и изготовления собственно элементов СТД уста-
новить пути ее рационального построения. Особое значение эти
процедуры имеют при разработке СТД вновь разрабатываемых
ПР. Для серийных моделей ПР при построении СТД накапливают
априорную информацию, выбирают словарь признаков, алфавит
классов и т. д., т. е. решают все задачи, связанные с построе-
нием СТД.
При разработке новых СТД единственной основой решения
этих задач является математическая модель СТД, центральным
звеном которой служит математическая модель ОД—ПР. Состав-
ление этой модели принципиально не вызывает трудностей, если
возможно изучение физических процессов, происходящих в ПР,
механизмов возникновения дефектов и неисправностей в ПР.
Это необходимое, но недостаточное условие создания математиче-
ской модели ОД (ПР). Модель требуется откалибровать, чтобы
обеспечить адекватность модели и собственно ОД. При проек-
тировании ПР такая калибровка не может быть выполнена непо-
средственно на образце, так как вносить неисправности в новый,
часто единственный образец (новую модель) ПР, как правило,
не представляется возможным. Поэтому приходится вначале раз-
рабатывать модель аналога данного образца (предшественника —
серийного образца ПР) и проводить калибровку этой модели во
всех классах состояний. Только после этого приступают к раз-
работке модели вновь разрабатываемого ПР. Вот почему диагно-
стирование серийных образцов ПР — важнейшая задача на пути
создания новых и новейших моделей ПР.
Основа 2-й группы — алгоритмы и программы, обеспечива-
ющие работу СТД после ее формирования, т. е. в режиме функ-
ционирования, когда определяются конструктивные, технологи-
ческие, эксплуатационные неисправности и дефекты.
К таким алгоритмам (программам) относятся:
алгоритмы (программы), предназначенные для решения задач
первичной и вторичной обработки апостериорной информации,
преобразования и ввода ее в ЭВМ, задач вывода информации,
которую получают в результате установления технического диаг-
ноза, на дисплеи, графопостроители (ГП), автоматические цифро-
вые печатающие устройства (АЦПУ);
алгоритмы планирования и управления СТД (оптимальное
планирование экспериментов для сокращения числа экспериментов
для получения необходимого объема апостериорной информации);
214
алгоритмы прогноза состояния ОД (для ускорения процессов
испытаний или предотвращения аварий);
алгоритмы накопления и уточнения априорной информации
по результатам диагностирования ПР.
7.3.	Основные задачи построения СТД
вновь разрабатываемых ПР
При построении СТД вновь разрабатываемых ПР
можно выделить следующие этапы:
1.	Построение математической модели СТД образца-аналога
(предшественника) или, как часто говорят, базового образца.
2.	Калибровка математической модели СТД по реальной
информации и многократная эксплуатация в режиме функциони-
рования аппаратурно-реализованной СТД для достижения абсо-
лютной адекватности модели и объекта диагностирования.
3.	Построение математической модели нового ПР. Для упро-
щения разработки стараются обеспечить однозначное соответ-
ствие между математической моделью СТД образца-аналога и
математической моделью СТД нового ПР. Однозначное соответ-
ствие аналога и новой модели достигается при условии идентич-
ности принципов построения, классов состояний и словаря диаг-
ностических признаков.
4.	Построение СТД нового (проектируемого) ПР, включая
оптимизацию схемно-конструктивного решения и калибровку по
реальной информации при изготовлении опытного образца раз-
рабатываемого (нового) ПР.
Каждому из этапов соответствует своя структура алгоритмов.
Структура алгоритмического обеспечения СТД образца-аналога
(предшественника) на стадии ее формирования показана на
рис. 7.2.
Рассмотрим работу такой СТД при виброакустической диаг-
ностике манипулятора ПР. В этом случае стенд для комплексных
испытаний ПР (аппаратурная реализация ОД) позволяет варьи-
ровать нагрузки, изменять скорость перемещений по каждой
степени подвижности, вводить в объект испытаний известные
фиксированные неисправности.
Работа ОД—ПР сопровождается генерированием акустических
сигналов, которые воспринимаются измерительной аппаратурой
(датчиками), жестко закрепленными в определенных (установлен-
ных) местах манипулятора ПР (на ОД). Сигналы датчиков пере-
даются в блок аналоговой измерительной аппаратуры, обеспе-
чивающей первичную обработку информации: фильтрацию, де-
тектирование, усиление и т. д. Такая первичная обработка про-
водится на основе алгоритмов, аппаратурно-реализованных в из-
мерительной аппаратуре.
С выхода аппаратуры первичной, обработки информации
акустический сигнал поступает в анализатор спектра, в котором
215
Рис. 7.2а Алгоритм СТД на стадии формирования
аппаратурно реализуются алгоритмы определения зависимости
спектральной плотности сигнала от частоты, т. е. зависимости
р = р (со).
Анализ экспериментальной информации позволяет установить
достаточность информативных диагностических признаков, реа-
лизованных в виде спектральных характеристик сигнала. Ввиду
неоднозначности подобного анализа сигнал с выхода блока алго-
ритмов первичной обработки направляется на АЦП, а затем в ЭВМ
для дальнейшей обработки, где, в частности, определяются кеп-
стральные характеристики сигнала, собственные частоты, функ-
ции распределения и их параметры и т. п.
После того как в результате тщательного анализа удастся
определить рабочий словарь диагностических признаков [11],
с помощью специального алгоритма проводится априорное описа-
ние классов состояний ОД на языке диагностических признаков.
Этот алгоритм реализуется на основе методов обучения системы
диагностирования. При этом многократно повторяется процедура
задания состояний определенных классов и фиксируется зна-
чение соответствующих диагностических признаков. Каждая по-
следовательно введенная характерная неисправность определяет
собой соответствующий класс состояний ОД. Наиболее удобный
метод ввода неисправностей — замена исправных узлов и плат
216
ПР неисправными, характеризуемыми одной типовой неисправ-
ностью. Точное знание внесенных неисправностей и им адекват-
ных изменений значений диагностических параметров позволяет
на стадии обучения составить надежные описания классов со-
стояний ОД на языке диагностических признаков в виде вероят-
ностных либо в виде булевых соотношений.
Мера надежности (в смысле полноты и достоверности) полу-
ченных описаний периодически проверяется с помощью алго-
ритма «Экзамен», физически реализуемого аналогично тому,
как реализуется алгоритм «Обучение». Отличие состоит в том,
что во время работы по алгоритму «Экзамен» апостериорная
информация используется не для построения описания классов
состояний ОД, а для проверки степени соответствия между физи-
чески реализованными классами состояний и результатами тех-
нического диагноза состояния ОД, получаемого в ходе выпол-
нения алгоритмов технической диагностики. При достижении
удовлетворительных результатов этих «экзаменов» считается,
что система диагностирования готова к функционированию в ре-
жиме диагностирования.
Блок алгоритмов, формирующих математические аналоги фи-
зически вводимых в ОД неисправностей, необходим для кали-
бровки математической модели ОД. Цель калибровки модели —
достижение адекватности по выходам модели (значениям диаг-
ностических признаков) при заданных алгоритмических входах
(класс состояний) выходам с ОД, т. е. значениям соответствующих
диагностических признаков, получаемых с выхода аппаратуры
первичной обработки, анализатора спектра, блока алгоритмов
вторичной обработки информации.
Блок алгоритмов прогноза состояния ОД служит для оценки
периода работы ОД, в пределах которого можно гарантировать
его неисправное состояние. Такая оценка осуществляется на
основе апостериорной информации о текущем состоянии ОД.
Разработанные на основании теоретических представлений о функ-
ционировании ОД алгоритмы прогноза состояния должны быть
тщательно проверены по экспериментальным данным, которые
могут быть получены в результате длительных испытаний. Сокра-
щение их сроков можно обеспечить только за счет форсирования
или ускорения путем экстремальных (или близких к ним) внешних
воздействий (силовых, энергетических и др.).
Блок алгоритмов оптимального планирования экспериментов
предназначен для выработки оптимального в определенном смысле
плана проведения экспериментов по накоплению апостериорной
информации. В качестве критерия оптимизации ряд авторов реко-
мендует использовать число экспериментов, необходимое и доста-
точное для получения решения о классе состояния ОД с задан-
ной вероятностью правильности решения.
В гл. 5 для примера дано краткое изложение построения СТД
для СПУ сварочного ПР—МПСУ на стадии разработки.
217
7.4.	Основные этапы построения СТД ПР,
находящихся в эксплуатации
Этапы построения СТД находящихся в эксплуатации
ПР иллюстрирует схема, показанная на рис. 7.3. Отличие этой
схемы от предыдущей состоит в следующем. Результаты техниче-
ского диагностирования в данном случае используются для уточ-
нения априорного описания классов состояний, а также матема-
тической модели ОД.
Важность указанных задач объясняется тем, что только зна-
чительные объемы статистических данных могут обеспечить
высокую точность прогноза состояния, а следовательно, получе-
ние достоверных оценок. С другой стороны, только модель, при-
ближающаяся к абсолютно адекватной, позволяет сократить
сроки испытаний за счет проведения на модели отдельных иссле-
дований, заменяющих натурные испытания. Наконец, чем точнее
модель образца-аналога (предшественника), тем больше основа-
ний для ее успешного применения в качестве основы и прототипа
математической модели вновь разрабатываемого ПР.
В заключение укажем, что в рассмотренных СТД, кроме пере-
численных алгоритмов, предусмотрен алгоритм экспресс-анализа
экспериментальной информации, который дает возможность уста-
новить технический диагноз на основе структурных (лингвисти-
ческих) методов распознавания. Указанные алгоритмы аппара-
турно реализуются с помощью различных терминальных уст-
ройств, дисплеев и т. п.
Рис. 7.3. Алгоритм СТД на стадии ее функционирования
218
7.5.	Виды признаков
СТД вне зависимости от их назначения и принципа
действия представляют собой одно из прикладных приложений
теории распознавания образцов. Поэтому алгоритмы диагности-
рования представляют собой алгоритмы распознавания, с по-
мощью которых фактические значения диагностических призна-
ков сопоставляются с априорной информацией — описаниями
классов технических состояний ОД на языке диагностических
признаков.
Признаки распознаваемых объектов, или диагностические
признаки (ДП), могут быть подразделены на детерминированные,
вероятностные, логические и структурные.
Детерминированные признаки — это признаки, принимающие
конкретные числовые значения, которые можно рассматривать
в качестве координат точки в признаковом пространстве, соот-
ветствующей данному техническому состоянию ОД. Примерами
детерминированных признаков при диагностировании сварных
конструкций могут служить, например, максимальное, мини-
мальное и среднее значения некоторого интервала времени Л/ —
длительности строба изменения амплитуды. При рассмотрении
детерминированных признаков погрешностями измерений пре-
небрегают.
Вероятностные признаки — это признаки, случайные значе-
ния которых распределены по всем классам технических состоя-
ний ОД. Решение о принадлежности распознаваемого объекта
к тому или другому классу может быть принято только на осно-
вании конкретных значений признаков данного объекта, опре-
деленных в результате проведения соответствующих экспери-
ментов. Признаки распознаваемых объектов следует рассматри-
вать как вероятностные и в случае, если их числовые значения
измеряются с такими погрешностями, что по результатам изме-
рений с полной определенностью нельзя сказать, какое числовое
значение данная величина приняла.
Логические признаки распознавания объектов можно рассма-
тривать как элементарные высказывания, принимающие два зна-
чения истинности: «да», «нет» или «истина», «ложь» с полной оп-
ределенностью. К логическим признакам прежде всего относятся
признаки, не имеющие количественного выражения. Они пред-
ставляют собой суждения качественного характера типа наличия
или отсутствия некоторых свойств или некоторых элементов у рас-
познаваемых объектов или явлений. К логическим можно отнести
такие признаки, у которых важно не значение признака у рас-
познаваемого объекта, а лишь факт непопадания его в заданный
интервал. В пределах этих интервалов появление различных
значений признаков у распознаваемых объектов предполагается
равновероятным. На практике логические признаки подобного
ряда .используют в таких ситуациях, когда либо погрешностями
219
измерений можно пренебречь, либо интервалы значений призна-
ков выбраны таким образом, что эти погрешности практически
не оказывают влияния на достоверность принимаемых решений
относительно попадания измеряемой величины в заданный ин-
тервал. Например, в области технической диагностики решение
о выходе из строя ПР принимается лишь тогда, когда фактиче-
ские значения некоторых параметров-признаков превышают за-
данные. Отклонение же значений параметров от номинала, не
сопровождающееся выходом за пределы соответствующих интер-
валов, является информацией о том, что ПР функционирует
нормально.
Структурные (лингвистические, синтаксические) признаки
представляют собой непроизводные элементы (символы) струк-
туры ОД. Иначе эти элементы (константы) называют термина-
лами. Каждый ОД можно рассматривать как цепочку терминалов
или как предложение. Эти предложения и описывают ОД. При
этом если предложение, описывающее неизвестный распознавае-
мый ОД, относится к языку данного класса, то принимается,
что этот ОД принадлежит к этому классу. Например, при распо-
знавании букв русского алфавита терминалами являются верти-
кальная, горизонтальная, наклонная черточки, наличие, угла
и т. д.
В зависимости от того, какие виды признаков используют для
описания классов технических состояний ОД, применяются те
или другие алгоритмы диагностирования.
7.6.	Выбор исходной базы
для формирования системы признаков
оценки качества работоспособности
манипуляторов ПР
Исходные предпосылки. Оценка качества и уровня ра-
ботоспособности является непременным условием объективного
сравнения различных конструкций ПР, определения критериев
качества и показателей, характеризующих условия применения
ПР, их паспортных характеристик, выбора и унификации реги-
стрируемых параметров.	'
В качестве исходной базы для формирования системы при-
знаков, характеризующих условия применения Пр< можно ис-
пользовать показатели, применяемые в квалиметрйи ПР. Эти
показатели обычно подразделяют на две группы (рис. 7.4): основ-
ные и вспомогательные. К основным относят показатели целевого
назначения, определяемые заданием на проектирование ПР,
показатели состава, структуры и конструкции, а также экономи-
ческие показатели спроектированного ПР. На этапе проектиро-
вания определяют также вспомогательные показатели. Ряд пока-
зателей, таких как ресурс и другие показатели надежности,, мо-
220
221
Рис. 7.5. Величины, регистрируемые при экспериментальном определении показателей
качества ПР
жет быть выявлен только при длительных испытаниях или при
эксплуатации.
Диагностирование ПР опирается на общие положения квали-
метрии [35]. Это относится к таким показателям, как экономиче-
ские, технологические, стандартизации и унификации, патентно-
правовые, эргономические и эстетические.
Измеряемые параметры. При экспериментальном определении
показателей качества (см. рис. 7.4) приходится регистрировать
параметры окружающей среды и показатели качества выполне-
ния задания, например транспортирования, установки, сборки,
сварки, окраски, нанесения покрытий и т. п. (рис. 7.5). Это
особенно важно в случае применения адаптивных ПР. Примени-
тельно к ним вопросы диагностирования решают иначе, так как
часть диагностической информации непосредственно используется
для управления движениями, а не только для регулирования ме-
ханизмов и устройств ПР. Разноплановое применение параметров,
определяемых при квалиметрическом исследовании ПР, явля-
ющемся обязательной стадией диагностирования, обусловливает
необходимость системного подхода к диагностированию ПР.
Унификация диагностирования. Наиболее важный элемент
системных методов диагностирования ПР — унификация. Только
при условии использования унифицированных комплексных ме-
тодов диагностирования, включая испытания ПР и определение
обязательного набора параметров и характеристик, становится
возможным построение промышленных систем диагностирования
ПР. Созданию унифицированной системы диагностирования дол-
жен предшествовать целый цикл работ, включающих сбор дан-
222
Рис. 7.6. Основные регистрируемые параметры механизмов позиционирования ПР
ных, необходимых для расчетов основных узлов манипулятора
ПР, а также данных исследовательских и доводочных испытаний
опытных образцов, аттестационных испытаний серийных образцов,
приемосдаточных, контрольных периодических и типовых испы-
таний ПР и их эксплуатации.
Таблицы уровней оценки качества манипуляторов ПР. Так как
подавляюще^ большинство конструкций манипуляторов ПР вклю-
чает механизмы позиционирования, дальнейшее рассмотрение
вопроса проредем на примере механизмов линейного и углового
позиционирования манипуляторов. Применяя общую методику
квалиметрии механизмов [35], составим для них квалиметриче-
ские таблип(ы уровней. Таблица уровней показателей качества
для механизмов линейного позиционирования должна учитывать
возможность как поступательного, так и вращательного движе-
ний ведущего звена механизма (табл. 7.1). Поэтому к исходным
отнесены зависимости от времени не только линейных скоростей
выходного р (0 (рис. 7.6) и входного ц0 (0 звеньев механизма,
но и угловбй скорости со0 (0 входного звена и мощности при-
вода Упр (/). Учитываются также зависимости для ускорения
а (/), перемещения I (i) и усилия Р (i) на выходном звене и уси-
лия РПр (/) ^ли перепады давлений на входном звене механизма.
Аналогично 1 для механизмов углового позиционирования
(табл. 7.2), кроме угловых скоростей выходного со (0 и входного
со0 (/), звенье1р, учитывается линейная скорость входного звена
\	223
Таблица 7.1
	Показатели качества			
		комплексный		
Исходная	единич- ный	Число объединяемых параметров	;		
зависи- мость		2 ... 4	|	2 ... 4	I	3 ... 5
	Уровни			
	1	2	1	3	1
f (0; а (0; Z (0; р (0; ^*пр (0; Др (0; Д^пр (0; ц> (0;	L', т; Д/; Т’п! max’ а(т)  “max’ Т’ ст!	усро = Д/Ль уср = ^ср “ Т’п ^п» р(Р)	= д2д(Р) • * ин max "‘ max* А 	Р J • Лтр — г ст^> Л Pcp = 7ri х 0 XP(t)dt-,	;й	is is	«1 Ь	-5. '-jv	«> ео>	х	£ г*<	—	Ж	rS °	Л О. CJ.H	-Г- я -	о° & ~аЕ '1	II II	II	II £	х S 5	д * *	t И /	* ? II II	S 1.	О'?/?	II Н 11	- С:	* и"0	II	* & «	>	5s 3s о	??
<Во (0	№ max» у0;	Рпр ср =	X 6 X J Рпр (0 dt\ 0	^ср — ^ср/^о» *СР1 — Уер/Ю(Ь	Лг,д = КодЯХ X-Kl0 Д;
	ю0; ^пр тах> maxi Д^пр тах^ ^тпах» ZT; tp	^р = -ц- X X J Л^пр (0 dt; 0 р(р) _ та(р) 1 гтах "“щах + Ч~ РСТ! Т]т = ^т/^П> Т]р = tp/ta	^щах/^ср о;	i j i i
224
l1
(0» угловые перемещения ф (f) и моменты на выходном звене
М (t). На входном звене фиксируется момент 7Ипр (0 или усилие
привода Рпр (0.	।
С помощью этих зависимостей можно установить ряд простых
показателей качества, которые используются при определении
комплексных показателей и оценок. Последние получают кйк
отношение показателей к соответствующим паспортным или базо-
вым значениям этих величин, полученных экспериментально.
К ним относятся такие временные показатели: время движения
без учета колебаний tn и с учетом колебаний в конце хода Тп
(в точке позиционирования), время торможения /т и разгона /р
выходных звеньев механизма, путь (L или ф), масса т, момент
инерции J выходных звеньев механизма, точность или повторяе-
мость позиционирования Az или 6^, максимальные линейные а^ах
и flmax ускорения при разгоне и торможении звеньев соответ-
ственно, статические нагрузки Рст и Л4СТ, приложенные к выход-
ным звеньям, максимальные усилия, перепады давлений, моменты
И МОЩНОСТИ ПрИВОДа, Т. е. Рпр тах, Артах, А1тах, 7Ипр тах,
УПР шах, средние скорости О0 И СОо.
К производственным единичным показателям отнесем погреш-
ности позиционирования Аг сум и сум, определяемые с учетом
систематической составляющей погрешности и коэффициентов 60
и 6Ю неравномерности движения на максимальной скорости.
Эти коэффициенты нужны лишь для тех случаев применения ПР,
когда на рассматриваемом участке движения выполняются тех-
нологические операции, требующие равномерности движения.
Комплексные показатели определяются путем интегрирования
исходных зависимостей, например РСТ, Рар ст, Nnp ст и др.,
а также с помощью заранее определенных и принятых для срав-
нения механизмов эмпирических зависимостей. К ним относятся
коэффициенты быстроходности Кср, KL, KL0, К, Ка, коэффи-
циенты ЛЬд, Ад. Ряд комплексных показателей может быть
получен только с использованием математического моделирова-
ния. Все остальные комплексные показатели получают путем
алгебраических преобразований. Числовые значения большин-
ства показателей высоких уровней определяют путем использо-
вания экспериментально полученных зависимостей, связывающих
большое число параметров. Увеличение числа параметров, объеди-
ненных в комплексных показателях качества, возможно лишь
после накопления экспериментальных данных и уточнения исход-
ных эмпирических зависимостей. То же следует заметить и для
случая определения базовых значений параметров. Сравнение
показателей качества ПР на этапе их проектирования и создания
опытных образцов с помощью приближенных зависимостей может
помочь конструктору предотвратить просчеты как при проекти-
ровании, так и при определении рациональных областей приме-
нения ПР.
226
Оценка качества механизмов манипулятора ПР. Рассмотрим
основные относительные показатели на примере механизмов ли-
нейного позиционирования. Для механизмов углового позицио-
нирования они приведены в работе [35]. Одними из наиболее
важных единичных оценок являются оценки по точности 0Д;
и по длительности позиционирования От^.
Од, ~ сум/Асум п’>
0гп = Т’п/Т’п max.
где А/ сум и Тп шах — паспортные значения наибольших допу-
стимых погрешностей и длительностей позиционирования.
У ряда оценок за базовый показатель принята средняя или
максимальная скорость перемещения выходных и входных звеньев.
К ним относятся:
Оо = ^ср/^ср 0 ~ 1 Лер» = ^ср о/^о>
0И1 = Wmax/^cp 0» 00t — Vcp о/Omax = То-
Для наиболее важной группы комплексных оценок используют
эмпирические базовые (имеют индекс «б») значения соответству-
ющих коэффициентов Ov6, Ддб, Дкдб: 0&о =	0А^ =
= ЛьдМдб; 0Кд = ЛкдМкдб. Коэффициент Дкдб является про-
изводным: Дкдб = аоб/Ддб.
Если принять аоб = Ддб = 3 (эти данные были получены для
отработанных конструкций), то ЛКДб = 1.
Изучение опыта эксплуатации ПР позволяет в будущем свя-
зать эти или другие эмпирически полученные комплексные коэф-
фициенты с показателями надежности. По предварительным дан-
ным можно считать, что надежность тем выше, чем меньше Дд
и Лкд. Чем выше быстроходность, характеризуемая коэффициен-
том а0, тем труднее обеспечить снижение ДЬд как вследствие за-
висимости Al„ от коэффициента KLo (см. табл. 7.1), так и ввиду
увеличения динамических нагрузок и снижения точности пози-
ционирования с ростом скоростей позиционирования.
Методика натурного диагностирования манипуляторов ПР.
Приведенный пример подсказывает способ отбора регистрируемых
параметров для типовых испытаний. При этом следует учитывать
возможность осуществления соответствующих измерений как в ла-
бораторных, так и в производственных условиях. При натурном
диагностировании большинство задач может быть решено намного
точнее, чем при математическом моделировании. Для натурного
диагностирования требуется создание специализированных стен-
дов, оснащенных ЭВМ и специальной аппаратурой. При типовых
испытаниях следует записывать минимум три параметра на вы-
ходном звене механизма, представляющие три ранжированные
исходные зависимости от времени в таблицах уровней: скорость,
227
Т а б л и ц а 7.3^
Модель ПР (перемещения)	о, н		КЬо	x-l	av
			KL06	KL6	аиб
Гидропривод
«Матбак»	150	7 .	.. 18	2,1 .	. 2,6	1,2 .	. 2,2	3,3 .	. 4,6
«Рета 6»	100	50 .	. 600	0,3 .	. 0,9	0,2 .	. 0,7	0,9 .	.1,4
CM-160	1600	25 .	. 67	0,6 .	. 0,8	0,6 .	. 0,7	1,5 .	. 4,0
		Пневмопривод							
«Аида»	50	1,8 .	. 5,1	0,68 .	. 1,0	0,62 .	. 0,93	0,8 .	• 1,4
ПР-5	50	11 .	. 65	0,73 .	. 1,45	0,30.	. 0,91	0,9 .	• 1,7
ПР-3388	50	60 .	. 200	1,7 .	. 2,8	1,2 .	. 2,2	2,0 .	. 10
Электропривод
«Универсал-5.02» (го-	50	50 .	. 260	0,7 .	. 1,9	0,4 .	. 1,0	0,5 ..	. 1,5
ризонтальное) «Универсал-5.02»	50	300 .	. 1000	0,38 .	. 0,67	0,24 .	. 0,71	0,5 .	. 1,0
(вертикальное) «Мицубиси» (горизон-	10	150 .	. 250	0,13 .	. 0,43	0,10 .	. 0,41	1,1 •	- 1,4
тальное) PTF-751, сварочный ПР (транспортные пе- ремещения по осям: X		500 .	. 5000	0,25 .	. 0,4	0,25 .	. 0,4	0,6 .	. 1,0
У, Z) PVT-752, сварочный ПР (транспортные перемещения по осям: X	—	1000 .	. 3000	0,15 .	. 0,25	0,15 .	. 0,25	0,5 .	. 0,7
		300 .	. 6000	0,3 .	. 0,9	0,3 .	. 0,9	1,0 .	• 1,7
У	—	200 .	. 1000	0,4 .	. 0,9	0,4 .	. 0,9	1,0.	• 1,7
Z)	—	400 .	. 700	0,5 .	. 0,7	0,5 .	. 0,7	1,2 .	• 1,4
ускорение, малые перемещения в точке позиционирования (конце
хода). При испытаниях ПР с гидро- и пневмоприводами к этим
параметрам добавляется давление рабочей жидкости в системе
подачи. Механизмы испытывают при последовательном выполне-
нии движений. Затем проводят оценку принятых показателей
при совместном выполнении движений.
К регистрируемым характеристикам относятся: временные
интервалы, большие и малые перемещения, скорости, ускорения,
давления, усилия, моменты, сила тока, напряжение, расход воз-
духа (жидкостей), мощность, температура, виброускорение, зву-
ковое давление, износ сопряжений, наличие контакта сопрягае-
мых деталей.
К определяемым характеристикам относятся: зона обслужива-
ния, быстроходность, быстродействие, нагрузочная способность,
погрешность позиционирования, усилие захватывания, нагрузки
на элементы механизма и привода, требуемая мощность, КПД,
воспроизводимость заданного закона движения, динамическая
циклограмма, вибрационные характеристики, уровень шума,
228
•MJ
c«
CJ
s
4
Ю
co
8
o
8
о

e ю
ч
-I
к
©S
«Универсал-5.02»	(рука)	50	25 ...70	1,0 ... 1,9	2,0... 1,8	0,11...0,3	(10 ... 37) 10s
«Мицубиси»	10	4 ... 53	0,1 ...0,35	0,05...0,3	0,01 ...0,03	(10 ... 50) 10»
229
демпфирование, температурные поля и деформации, общий рас-
ход энергии сжатого воздуха (охлаждающей и рабочей жидко-
стей), ресурс и другие характеристики надежности.
Значения квалиметрических показателей качества ПР с раз-
личным типом привода для линейных перемещений руки приве-
дены в табл. 7.3.
Накопление и систематизация данных по этим показателям
позволяет более объективно сравнивать конструкции и назначать
режимы работы.
Как видно из табл. 7.3, величины av свидетельствуют, что
механизмы линейных перемещений ПР не уступают по быстро-
ходности другим машинам-автоматам. Чем меньше жесткость
конструкции и больше ход руки манипулятора при работе, тем
меньше значение а^, заложенное конструктором.
В табл. 7.4 приведены значения квалиметрических показателей
качества ПР с различным типом привода для угловых перемеще-
ний руки. Значения Ая у неизношенных механизмов изменяются
в пределах от нескольких сот до нескольких тысяч единиц. Для
изношенных механизмов или при неблагоприятных условиях
работы (полностью выдвинута рука, максимальная грузоподъем-
ность и т. п.) эти значения достигают десятков или сотен тысяч
единиц.
7.7.	Диагностирование систем
программного управления ПР
Для обеспечения высокой контролепригодности и ми-
нимума относительных ремонтных потерь целесообразно обеспе-
чить:
исполнение СПУ ПР в виде укрупненных функционально за-
конченных блоков, отличающихся наличием определенного входа
и выхода и позволяющих производить замену неисправных бло-
ков на исправные за минимальное время. В дальнейшем указан-
ные блоки будем именовать типовыми элементами замены (ТЭЗ):
схемно-конструктивными мерами проведение проверок исправ-
ности, работоспособности, правильности функционирования и
поиск неисправностей СПУ ПР.
Для решения задачи по проверке исправности СПУ необхо-
димо осуществлять контроль входной и выходной информации.
Это может быть реализовано организацией контрольных точек
на входе-выходе системы, для чего входные и выходные разъемы
СПУ должны дублироваться соответствующими диагностическими
разъемами. Под входом системы будем подразумевать совокуп-
ность команд управления и команд положения исполнительным
устройством ПР в определенный промежуток времени. При не-
обходимости к ним целесообразно отнести команды о скорости
перемещения исполнительного устройства ПР. Под выходом
230
СПУ подразумеваем совокупность выходных команд СПУ на ма-
нипулятор и технологическое оборудование.
Проверка работоспособности является частным случаем про-
верки исправности СПУ.
Проверка правильности функционирования СПУ — одна из
наиболее важных задач, так как незначительные сбои СПУ при
автоматической работе ПР могут привести к значительному ма-
териальному ущербу. Проверка правильности функционирования
СПУ должна осуществляться непрерывно в автоматическом ре-
жиме, что заставляет оснащать СПУ встроенными аппаратурными
средствами диагностирования (АСД). Функции, выполняемые АСД,
могут быть различны. Их минимальный набор включает кон-
троль: однократной ошибки в цифровых шинах, отработки команд
управления с СПУ манипулятором, наличия и уровней питающих
и рабочих напряжений.
Для решения задачи поиска неисправностей в СПУ должна
быть осуществлена возможность получения диагностической ин-
формации с каждого ТЭЗ. Ее можно получить путем введения до-
полнительных контрольных точек в каждом ТЭЗ, оформленных
в виде специальных диагностических разъемов, выведенных на
внешнюю панель ТЭЗ. В отдельных конкретных случаях вполне
оправдано отсутствие в ТЭЗ указанных разъемов, если данный
ТЭЗ оснащен развитой системой самодиагностирования и имеет
вывод на индикацию, а также если коэффициент надежности
данного блока на порядок и более выше коэффициента надежности
остальных ТЭЗ.
7.8.	Пример аппаратурного метода
диагностирования системы
программного управления ПР1
В качестве примера создаваемых аппаратурных средств
диагностирования приведем устройство АСД (рис. 7.7), пред-
назначенное для диагностирования СПУ АПС-1.
Техническое диагностирование АПС-1 с помощью АСД осу-
ществляется в двух режимах: режиме наладки в периоды профи-
лактического осмотра АПС-1; режиме оперативного циклового
диагностирования при автоматической работе АПС-1.
Режим наладки включает:
1) тестовый контроль функциональных каналов АПС-1, пре-
дусматривающий подачу тестовых воздействий на АПС-1 через
разъем «ЭВМ», получение и расшифровку диагностических отве-
тов АПС-1 с выходных разъемов, проверку работоспособности
блока дешифраторов, платы преобразователя, блока индикации,
блока реле, блока функциональных преобразователей, блока
задатчиков;
1 Материал данного параграфа подготовлен совместно сМ. А. Шепелевым.
231
Рис. 7.7. Общий вид АСД для АПС-1
2) локализацию неисправностей плат реле с глубиной диагно-
стирования до компонента.
Тестовое диагностирование, предусматривающее контроль
функциональных каналов АПС-1, под которыми подразумевается
совокупность элементов последовательной структуры устройства,
начиная от блока ввода и кончая функциональными преобразова-
телями, осуществляется следующим образом:
1.	Первоначально проводится проверка прохождения команд
от блока ввода через функциональные преобразователи на ком-
плектный электропривод ЭПТ-У15 для управления степенями по-
движности манипулятора. Алгоритм проверки приведен на рис. 7.8.
При этом предварительно контакты разъема Х51 «Датчики»
размыкаются с кабелем, соединяющим АПС-1 с датчиками, уста-
новленными на манипуляторе. На контакты 1—6 разъема Х51
относительно контакта 9 «ОВ» подается напряжение +115 В для
создания гарантированного разбаланса на входе блока функцио-
нальных преобразователей между сигналом задатчика и сигна-
лом, поступающим с разъема Х51, что приводит к появлению на
выходе разъема Х53 «ЭПТ» напряжения +10 В (контакты 1—6
относительно контакта 7).
После выполнения указанных операций на контакты разъема
Х7—1 «ЭВМ» подается сигнал в виде двоичной комбинации (ин-
версии). Начальным сигналом является двоичная единица. Затем
измеряется напряжение на k-м канале разъема Х53 «ЭПТ». Число
каналов — 6. Каждому каналу соответствует определенный на-
бор входных комбинаций на разъем Х7—1 «ЭВМ». Например,
232
Рис. 7.8. Алгоритм тестового диагностирования прохождения команд АПС*1 на электро-
привод
при k = 1 i = 1 ... 14; при k = 4 ... 6 i = 43 ... 50; 51 ... 57,
58 ... 64.
При наличии напряжения +10 В на соответствующих кон-
тактах разъема Х53 «ЭПТ», определяемых комбинацией, подан-
ной формирователями теста на разъем Х7—1 «ЭВМ», на АПС-1
подается сигнал «Скорость». Это приводит к снижению напряже-
ния на разъеме Х53 «ЭПТ» на 20 ... 50 % (конкретное значение
выходного напряжения определяется настройкой функциональных
преобразователей АПС-1).
При отсутствии напряжения +10 В на контактах разъема Х53
формируется команда «Останов теста» с последующей индикацией
формата кадра (номера неисправного канала).
После подачи сигнала «Скорость» через разъем Х7—1 про-
веряется снижение уровня напряжения на выходе канала, опре-
деляемого i-й входной комбинацией. Если выходное напряжение не
233
Рве. 7.9. Алгоритм тестового диагностирования прохождения технологических команд
на манипулятор
снизилось, осуществляется останов теста с последующей индика-
цией отказа выполнения сигнала «Скорость» 1-го канала.
После выполнения упомянутых выше операций проводится
сравнение текущего значения i-й комбинации, поданной на вход
АПС-1, с максимальным значением тестовых воздействий при
проверке прохождения команд АПС-1 от блока ввода на комплект-
ный электропривод ЭПТ5-У15.01. Максимальное значение опре-
деляется числом задатчиков и составляет J — 64.
Если J — i 0, то к комбинации прибавляется единица и
новая комбинация подается на разъем Х7—1 «ЭВМ». При этом
алгоритм проверки (см. рис. 7.8) повторяется для всех последу-
ющих комбинаций. Если J — i = 0, то формируется команда
«Останов теста», на панели индикации высвечивается «Конец
234
теста», с разъема Х51 «Датчики» снимается напряжение U =
= 115 В.
Таким образом, при тестовом диагностировании выполняются
проверки, перечисленные ранее, что обусловлено последователь-
ной структурой АПС-1.
2.	Проверка прохождения команд на технологическое обору-
дование (канал ТК) и команд на манипулятор (канал КМ) реали-
зуется по алгоритму, приведенному на рис. 7.9.
3.	Поиск неисправностей плат реле осуществляется по алго-
ритму, представленному на рис. 7.10. Данный алгоритм позво-
ляет выявить неисправности типа «Отсутствие контакта n-го реле»,
«Залипание контакта n-го реле», «Отклонение времени срабаты-
вания n-го реле».
Алгоритм реализуется следующим образом. После подачи ко-
манды «Пуск» с панели управления аппаратурных средств диаг-
ностирования на отдельные каналы платы реле, подлежащей
проверке по результатам тестового контроля работоспособности
АПС-1 и предварительно вставленной в соответствующий разъем
аппаратурных средств диагностирования, поочередно подаются воз-
буждающие воздействия. Эти сигналы формируются в результате
воздействия на двоичный счетчик импульсов, поступающих от
генератора импульсов. В свою очередь, счетчик выдает последова-
тельную комбинацию двоичных чисел на дешифратор. Сигналы
с дешифратора через усилители, преобразующие логические «1»
в номинальное напряжение обмоток управления проверяемых
реле (24 В), поступают на соответствующие каналы платы реле.
При этом возбуждающими являются только четные сигналы,
т.£. проверяется срабатывание реле (замыкание или размыкание
контактов). Нечетные сигналы, напротив, снимают возбуждение
с обмоток реле. По размыканию (замыканию) контактов опреде-
ляется наличие или отсутствие неисправности типа «Залипание
контактов».
После реализации алгоритма поиска неисправностей типа
«Отсутствие контактов» и «Залипание контактов» осуществляется
поиск неисправностей типа «Отклонение времени срабатывания
реле». Предварительно устанавливается период генерации им-
пульсов, который определяется по формуле
Тген == 2Tmax -f- АТ,
где Ттах — максимально допустимое время срабатывания реле;
АТ — время срабатывания элементов АСД.
После установки периода генерации генератора импульсов
осуществляется алгоритм проверки, приведенный на рис. 7.8.
При этом появление на панели индикации сигнала «Отсутствие
контакта» характеризует наличие неисправности «Отклонение
времени срабатывания реле».
4.	Режим «Оперативного циклового диагностирования» вклю-
чает: •
235
контроль работы блока ввода АПС-1, позволяющий предотвра-
тить сбои, появляющиеся при автоматической работе ПР, под-
разделяющийся на проверку четности фотосчитывания, осуще-
ствляемую по информации, поступающей с блока ввода на разъем
ХВ, и проверку покадрового перевода барабана программоно-
сителя АПС-1, реализуемую путем контроля импульсов от задат-
чика БК-А. В случае одновременного поступления двух и более
импульсов и одного импульса «СИ», а также при отсутствии бло-
кирования работы платы контроля покадрового перевода барабана
в связи с поступлением команды «Ускоренный перевод барабана»,
АСД формирует команду «Останов АПС-1» с соответствующей
индикацией на панели индикации;
контроль наличия напряжения на следующих блоках АПС-1:
индикации, дешифраторов, функциональных преобразователей;
контроль наличия напряжения на следующих платах АПС-1:
управления циклом, управления барабаном;
контроль уровней питающих напряжений, а также напряже-
ния сети, включающий контроль напряжений 5 В, +15 ... О ...
236
—15 В, питающей сети (220 В) с параллельным контролем по-
требляемого тока;
контроль отработки команд АПС-1 манипулятором, осуществ-
ляемый в последовательности: сигнал с АПС-1 (разъем Х53 «ЭПТ»),
поступающий на соответствующую степень подвижности ПР,
преобразуется в логическую «1» и с определенной задержкой на
время Тзад выдается на схему сравнения, где он сравнивается
с сигналом, поступающим с дифференцирующего звена, которое
преобразует изменение напряжения на разъеме Х51 «Датчики»
в логический сигнал.
В случае отсутствия сигнала об изменении напряжения, сни-
маемого с датчиков манипуляторов при наличии управляющего
воздействия АПС-1 на электропривод ЭПТ16-У15.01, формируются
напряжение Х51 «Датчики» и команда «Останов АПС-1» с соответ-
ствующей информацией на панели индикации АСД.
7.9.	Диагностирование рабочей жидкости
гидроприводов ПР
Исходные положения. Отличительной особенностью
диагностирования ПР, с одной стороны, является необходимость
органического сочетания одновременного или совместного диагно-
стирования резко различающихся механизмов, устройств, аппа-
ратов и приборов: механических систем, электронных и электри-
ческих устройств и приборов, гидравлических и пневматических
аппаратов и приводов. С другой стороны, ПР достаточно чувстви-
тельны к состоянию рабочих сред, в частности к состоянию рабо-
чей жидкости в гидроприводах. Считается [51, 71], что 70 %
аварий в гидравлических устройствах связано с изменениями
характеристик их рабочих жидкостей, из которых 90 % происхо-
дит вследствие наличия в них посторонних веществ. Поэтому не-
обходимо проводить диагностирование этих жидкостей, выявлять
причины, вызывающие изменение их свойств, приводящих к ста-
рению, а также контролировать качество свежих или переработан-
ных после отработки рабочих жидкостей, заправляемых в гидро-
привод.
Кроме того, сама профилактика гидропривода требует эффек-
тивного контроля его рабочей жидкости.
Преимущества контроля свойств рабочих жидкостей. Полный
контроль свойств рабочих жидкостей позволяет: сократить рас-
ходы на ремонт элементов гидроприводов, особенно гидрораспре-
делителей, датчиков, теплообменников; сократить простои ПР
в результате устранения отказов и аварий; увеличить срок службы
рабочих жидкостей.
До сих пор независимо от наличия посторонних частиц в ра-
бочей жидкости и образования осадка при эксплуатации ПР
часто на состояние рабочей жидкости обращают внимание только
после появления неисправностей в работе гидропривода. Начи-
237
нают выяснять причины, жидкость сливают для переработки,
не сливая из гидросистемы ПР.
Очень важно одновременно с диагностированием собственно
ПР осуществить постоянное диагностирование рабочей жидкости,
применяя способы автономного контроля ее свойств.
Старение рабочей жидкости обычно сопровождается: потерей
ее функциональных свойств вследствие окисления масла, ускоре-
нием процессов окисления масла из-за посторонних примесей и
влаги, расходованием присадок, препятствующих старению.
Старение рабочей жидкости происходит в результате окисления
масла под влиянием кислорода воздуха. При нормальной эксплуа-
тации и чистоте рабочей жидкости скорость окисления масла
чрезвычайно мала. Влага, металлические частицы и другие при-
меси ускоряют процесс окисления, так как они служат центрами
образования продуктов окисления. При этом увеличивается плот-
ность рабочей жидкости, и в гидроприводе могут возникнуть не
только отказы, но и аварии. Если старение развивается дальше,
то окислы, разлагаясь, образуют соли металлов и эфиры, вязкость
резко снижается, жидкость издает резкий запах.
Рассмотрим механизм старения рабочей жидкости. Окислению
масла препятствуют антиокислительные присадки. Когда начи-
нается окисление масла, то оно протекает наподобие цепной
реакции и в конце концов дает осадок и смолы, которые отлагаются
на поверхности металла или фильтра. Для предотвращения окис-
ления необходимо удалить влагу, металлические частицы, про-
дукты разрушения уплотнений, являющихся активаторами окис-
ления.
Особенностью гидросистем ПР является то, что рабочие жидко-
сти используют в замкнутом цикле. При таком способе исполь-
зования рабочих жидкостей жесткие требования предъявляются
к их чистоте и качеству. Кроме того, необходимо вести постоян-
ный контроль их свойств.
Система контроля свойств рабочих жидкостей. Как показал
опыт ресурсных испытаний и эксплуатации сварочных ПР «Уни-
версал-60.02», в большинстве случаев старение рабочих жидко-
стей вызывается их загрязнением. Систематический контроль за
состоянием жидкости, согласно инструкции по эксплуатации ПР,
позволил своевременно восстанавливать свойства и удлинить
срок службы рабочей жидкости в 4 ... 5 раз и более, повысить
безотказность работы ПР с 40 ... 50 ч до 350 ч, сократить число
отказов в 6 раз и более. Кроме постоянного контроля за загряз-
нением рабочей жидкости и своевременным восстановлением ее
рабочих свойств, необходимо добиваться улучшения состоя-
ния окружающей среды, являющейся причиной загрязнений.
Контроль свойств рабочей жидкости основан на следующих
трех предпосылках: определении степени ее загрязнения и уровня
старения; удалении влаги и примесей, активирующих окисление;
добавках присадок.
238
Карта контро-
ля тенденций
В изменении
свойств пасла
Записи об экс-
перипентах
Записи об
обновлении
пасла
С План лровеве-''
\ния фильтрации
Записи о неис-
правностях
Фильтрация
пасла
План
эффективной
очистки
пасла
Расположение
очищающих
устройств
Рнс. 7.11. Примерная схема организации контроля свойств рабочей жидкости
Оптимальная схема организации контроля свойств рабочей
жидкости базируется на определении степени старения по измене-
нию свойств смеси с помощью простых диагностирующих прибо-
ров при работающей гидросистеме ПР.
Примерная схема организации контроля приведена на
рис. 7.11.
Пробы подразделяют на регулярные и нерегулярные. Регуляр-
ные пробы и анализы проводятся при ресурсных испытаниях
еженедельно в целях определения состояния рабочей жидкости
в гидроприводе и решения вопроса о возможности ее дальнейшего
использования, но главным образом для выявления изменений,
происходящих в течение длительного периода.
Так как при еженедельном взятии проб временной интервал
между ними невелик, то можно определять непрерывное измене-
ние рабочей жидкости, но при этом возрастает объем работ по
взятию проб и их анализу, что увеличивает стоимость эксплуата-
ции. При значительном интервале (более 3 мес.) между пробами
выявить и учесть происходящие изменения невозможно. При
установлении периодичности анализов необходимо учитывать за-
грузку ПР, состояние и изменения во внешней среде, возможные
изменения рабочей жидкости за время эксплуатации. Основы-
ваясь на количественных результатах анализа, составляют карту
контроля тенденций изменения свойств рабочей жидкости.
Нерегулярными называются пробы, проводимые в любое время
при выявлении опасной степени старения рабочей жидкости
239
по карте контроля изменения свойств или при подозрении на за-
грязнения или ухудшение свойств при ремонте гидросистемы
привода.
Диагностирование рабочей жидкости. Непосредственно в гид-
росистеме в процессе работы провести анализ рабочей жидкости
очень сложно. Поэтому проводят отбор проб в процессе работы ПР
в автоматическом режиме, для чего предусмотрены специальные
устройства. Первым сигналом о старении рабочей жидкости яв-
ляется изменение цветового оттенка. Наилучший способ диагно-
стирования — анализ взятых проб. При этом можно применять
как упрощенные, так и точные методы диагностирования (см.
рис. 7.12).
Диагностирование по степени помутнения позволяет охарак-
теризовать общую степень загрязнения рабочей жидкости, анализ
изменения прозрачности по времени относительно соответству-
ющей стандартной жидкости дает возможность установить допу-
стимый уровень изменений. Результаты заносятся в карту кон-
троля рабочей жидкости.
Упрощенные способы измерения проводятся с помощью экс-
пресс-анализатора. При упрощенном анализе определяют загряз-
ненность, вязкость, влажность, окисленность. Наиболее важным
является измерение загрязненности. Загрязняющие вещества рас-
сматривают под микроскопом (60-кратное увеличение), степень
загрязнения определяют, сравнивая с контрольной фотографией.
Кроме степени загрязнения, в целом можно выявить наличие ме-
таллических примесей, краски, волокон, а также форму и тип
загрязняющих частиц.
К точным методам диагностирования относят анализ характе-
ристик рабочей жидкости и анализ металлических примесей, со-
держащихся в масле. Методы точного диагностирования надеж-
ней и достоверней, чем упрощенные, но их применение ограничи-
вается их стоимостью и временем проведения.
При необходимости после диагностирования рабочей жидко-
сти проводится очистка масла. Результаты очистки подвергаются
диагнозу установленным порядком.
Лучший способ добиться высокого качества рабочей жидкости
в процессе эксплуатации — повышение технического уровня ги-
дропривода.
7.10.	Определение быстроходности
и погрешности позиционирования ПР
Быстроходность ПР определяет его производитель-
ность. Быстроходность ПР можно найти как методом сравнения
с быстроходностью заменяемой модели или аналога, так и мето-
дом абсолютных измерений.
Сравнительные испытания проводят путем определения сред-
него времени цикла загрузки-разгрузки обслуживаемого обору-
240
Рис. 7.12. Методы диагностирования рабочей жидкости
дования или его моделей (для универсальных и подъемно-транс-
портных ПР при числе двойных ходов не менее пяти) или среднего
времени выполнения одной и той же типовой технологической
операции (для технологических ПР при пяти повторных рабочих
операциях). Испытания заменяемой модели (аналога) и сравни-
ваемого образца (например, опытной модели) проводят при оди-
наковых условиях (масса детали в захватном устройстве, распо-
ложение вспомогательных устройств, вид обрабатываемой де-
тали и т. п.).
При отсутствии заменяемой модели или аналога эти испытания
ведут путем сравнения средних значений времени со значениями,
приведенными в соответствующей технической документации.
Если в технической документации вместо значений необходимого
времени приведены значения средних скоростей перемещения по
каждой степени подвижности, требуемые значения времени рассчи-
тывают, используя приведенные скорости.
Погрешность (повторяемость) позиционирования при контроль-
ных испытаниях определяют:
путем установки вала, удерживаемого захватным устройством,
в неподвижную втулку с горизонтальной или вертикальной
осью. Разница в диаметрах вала и втулки не должна превышать
паспортной погрешности позиционирования;
устанавливая захватное устройство по каждой степени по-
движности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с по-
мощью индикаторов, размещаемых в точках позиционирования.
Погрешность позиционирования в каждой из плоскостей опреде-
ляют по разности показаний индикаторов.
Ниже изложены методы оценки погрешности позициониро-
вания для ряда ПР.
Погрешность позиционирования ПР «Ритм-05» оценивают пу-
тем ее измерения по отдельным степеням подвижности. Плани-
ровка и размеры участка для проведения испытаний приведены
на рис. 7.13. Измерение осуществляется с помощью индикатора
часового типа с ценой деления 0,01 мм.
9 П/р Я. А. Шифрина	241
2000
Рис. 7.13. Планировка участка для проведения испытаний ПР <Рнтм-05> :
I — стойка; 2 — индикатор; 3 — манипулятор
Стойка с индикатором устанавливается так, чтобы рука, на-
ходясь в одном из крайних положений, нажимала закрепленным
в захватном устройстве грузом массой 0,5 кг на наконечник
индикатора (рис. 7.14). Направление перемещения захватного
устройства манипулятора по контролируемой степени подвижно-
сти должно точно соответствовать направлению измерительного
наконечника индикатора.
От пульта наладки захватное устройство приводится в движе-
ние по контролируемой степени подвижности. При этом реги-
стрируется отклонение стрелки индикатора от нуля. Запись по-
грешности позиционирования осуществляется при 10 измерениях
для каждого подхода захватного устройства к индикатору. По-
грешность позиционирования определяется как разность между
максимальным и минимальным значениями отклонений стрелки
индикатора.
Погрешность позиционирования по выдвижению рук, повороту
и подъему захватного устройства проверяют для обеих рук.
242
Рис. 7,14. Наладка ПР «Ритм-05» для
проверки погрешности позиционирова-
ния:
а — подъем захватного устройства; б —
выдвижение руки; $ — поворот захват-
ного устройства; г — поперечный сдвиг
Погрешность позициони-
рования при приемосдаточ-
ных испытаниях проверяют
2 раза — до и после испыта-
ний на наибольшее время не-
прерывной работы, а также
во время проверок ПР на
надежность, воздействие климатических факторов и транспорт-
ную тряску при периодических испытаниях.
Определение погрешности позиционирования гаммы ПР
«Ритм-01» по основным транспортным перемещениям захватного
устройства (поворот, подъем-опускание, выдвижение-втягивание,
сдвиг) руки (рук) представляет собой разновидность описанного
выше способа и состоит в измерении погрешности установки груза
(грузов) массой 0,1 кг, имеющего калиброванное отверстие с от-
клонением по диаметру не более 4-0,01 мм, на калиброванный
штырь приспособления с допуском по диаметру не более —0,01 мм.
При этом зазор между калиброванным отверстием и штырем
должен быть не более 0,2 мм. Исходные положения манипулято-
ров перед проверкой погрешности позиционирования показаны
на рис. 7.15. Проверка проводится при приемосдаточных испы-
таниях в автоматическом режиме, включающем все перемещения
захватного устройства в течение 20 циклов до и после испытаний
ПР на надежность (определение наибольшего времени безотказной
работы).
Погрешность позиционирования механического захватного
устройства по повороту вокруг продольной оси руки проверяют
с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм.
Стрелка с индикатором устанавливается так, чтобы наконечник
индикатора упирался в груз, закрепленный в захватном устрой-
243
Рнс. 7.15. Исходные положения манипуляторов при проведении испытаний ПР «Рнтм-01»
на точность позиционирования н надежность:
о — «Ритм-01.01> и «Ритм-01.03»; б — «Ритм-01.02»; е — с рукой, обладающей одной
степенью подвижности
стве руки и находящийся в одной из крайних точек поворота.
Проверка производится при включении ПР от СПУ в ручном
режиме. При этом записывается отклонение стрелки индикатора
от нуля. Погрешность позиционирования записывают также при
10 измерениях на каждом подходе груза к индикатору. Ее опре-
деляют как разность между максимальным и минимальным от-
клонениями стрелки индикатора.
Проверка погрешности (повторяемости) позиционирования ПР
«Универсал» сводится к накалыванию (попаданию) иглой, закреп-
ленной в тест-грузе 1, бумажных мишеней, наклеиваемых на го-
ризонтальные и вертикальные грани матриц 3. Стойки 2 с матри-
цами расставляют так, как указано на рис. 7.16. На программо-
носителе СПУ набирают тест-программу, предусматривающую
работу всех степеней подвижности манипулятора, перенос тест-
груза номинальной массы в две или четыре базовые точки, распо-
ложенные равномерно по периферии рабочей зоны (рис. 7.16)
на максимальном удалении (при нормальных режимах — на
удалении, составляющем 75 % максимального хода руки), с на-
калыванием иглой бумажных мишеней. При этом тест-груз при-
крепляется к технологическим пальцам захватного устройства.
Проверка погрешности (повторяемости) позиционирования про-
водится в автоматическом режиме работы на предельных рабочих
скоростях. Глубина входа иглы в мишени не более 5 мм. Про-
верка проводится в течение 4 ч непрерывной работы. Отказы и
244
Рнс. 7.16. Взаимное положение механизмов манипулятора < Универсал-5» и стойки
с матрицей при испытаниях в точках позиционирования:
а _ 1,4; б — 2,3
сбои не допускаются, контроль визуальный. Возможно програм-
мирование с уменьшением скорости выдвижения руки при входе
и выходе в точках позиционирования во избежение искажений
результатов (разрыв краев бумажной мишени от упругих дефор-
маций при разгоне и торможении). Погрешность (повторяемость)
позиционирования определяют по формулам
Дх = (Д — d)/2; Д2 (В — d)/2,
где Дх — погрешность позиционирования по поворотным степе-
ням подвижности, мм; А — наибольший размер поля разброса
в направлении угловых перемещений руки (поворотов), мм; d —
диаметр иглы, мм; Д2 — погрешность позиционирования по вы-
движению руки и подъему, мм; В — наибольший размер поля
разброса в направлении подъема и выдвижения руки, мм.
245
Результат проверки погрешности позиционирования и Д2
рассчитывают как среднее арифметическое из четырех значений
этих величин, полученных по данным для каждой из двух—четырех
контрольных точек.
7.11.	Основы поиска характерных
диагностических признаков
на основе анализа
экспериментальных данных
Основы вибродиагностики механических систем ПР.
Вибродиагностика — типовой способ диагностирования механиче-
ских систем манипуляторов ПР.
Рассмотрим методику поиска характерных признаков на основе
анализа экспериментальных данных на примере виброакустиче-
ской диагностики отдельных механических узлов и деталей ма-
нипулятора ПР. Существо этого метода заключается в извлечении
из виброакустического сигнала полезной информации о состоянии
диагностируемого узла (детали), преобразование и представление
этой информации в виде достаточной и компактной системы диаг-
ностических признаков.
Наиболее сложными механическими системами ПР являются
различного типа редукторы, обеспечивающие работу механизмов
перемещений исполнительного устройства манипулятора по той
или иной степени подвижности. Поскольку до сих пор в отече-
ственных ПР наиболее широко используются редукторы с зубча-
тым зацеплением, этот узел выберем в качестве типового (узел-
представитель) .
Рассмотрим особенности вибродиагностики типовых узлов
механических систем манипуляторов ПР.
Зубчатое зацепление. Каждый зуб, будучи в зацеплении, под-
вергается воздействию изменяющейся во времени силе нагруже-
ния, вызывающей колебания в колесе с частотой повторения (зуб-
цовой частотой) fz = fBpz, где /вр — частота вращения; г — число
зубьев.
Частоты повторения и их гармоники, как правило, присут-
ствуют в спектре сигнала. Поэтому значения, например, их ампли-
туд могут быть использованы для построения априорного словаря
диагностических признаков. Кроме того, спектр сигнала содержит
ряд других характеристик, появляющихся под действием таких
возмущающих факторов, как:
неуравновешенность вращающихся деталей, вызывающих по-
явление в спектре сигнала частот, кратных частоте fBp;
кинематические погрешности, допущенные при нарезании
зубьев и сборке колес, вызывающие появление частот, кратных
числу зубьев делительного колеса станка, на котором нарезалось
данное зубчатое колесо;
246
кинематические погрешности, допущенные при нарезании
зубьев и сборке колес, вызывающих амплитудную и фазовую мо-
дуляцию колебаний на частоте повторения, проявляющихся
в спектре сигнала в виде набора боковых составляющих fz ± fe/Bp;
увеличение трения при нарушении геометрии колес в процессе
их эксплуатации, вызывающее увеличение уровня шумовой ком-
поненты.
В связи с наличием сложного спектра для выделения полез-
ного сигнала на фоне помех при диагностировании редукторов
используют различные методы первичной обработки сигнала (ме-
тоды частотной фильтрации, амплитудное и фазовое детектирова-
ние и т. п.) в совокупности с различными методами статистиче-
ского анализа.
Подшипники качения и скольжения. Ввиду больших погреш-
ностей эти механизмы не обеспечивают вращение валов с мини-
мальными потерями энергии и постоянством положения оси вала
относительно системы координат, связанной с корпусом подшип-
ника.
В подшипниках качения источниками таких погрешностей, вы-
зывающих колебания, являются: волнистость и овальность бего-
вых дорожек, огранность тел качения, дисперсия их диаметров,
наличие радиального зазора. Под воздействием этих возмущений
движение центра вала приобретает сложный характер. Переменная
сила взаимодействия контактирующих деталей обусловливает
возникновение акустического сигнала, имеющего вид импульсов
с высокочастотным заполнением, модулированных по амплитуде
случайным процессом. Спектр такого сигнала широкополосный
с наличием большого числа гармоник, кратных основным частотам
возбуждения.
При изнашивании подшипников качения увеличивается зазор,
приводящий к ударному взаимодействию вала с телами качения,
что, в свою очередь, вызывает рост амплитуды полигармонического
сигнала. Шероховатость поверхности увеличивает уровень шумо-
вой компоненты.
Таким образом, и для подшипников наличие сложных колеба-
тельных процессов вызывает сложный спектр, поэтому для выде-
ления полезного сигнала также необходимо применять сложные
методики и приемы.
Выбор диагностических признаков. Соответствие между иско-
мыми параметрами состояния и свойствами виброакустических
процессов можно установить в результате специально поставлен-
ных диагностических экспериментов. Как показывают многочис-
ленные исследования, на основе анализа статистической информа-
ции, полученной при этих экспериментах, можно установить
словарь диагностических признаков. Кратко методика этого
процесса сводится к следующему:
на основании результатов предварительного изучения и ана-
лиза опыта эксплуатации и ресурсных испытаний ПР составляют
247
перечень его типовых неисправностей (классов состояний), под-
лежащих диагностированию;
на испытательном стенде устанавливается диагностируемый
механизм манипулятора ПР, в который искусственно поочередно
вводятся его типовые неисправности;
проводятся испытания механизма на рабочих режимах экс-
плуатации или режимах, предусмотренных программой;
с помощью виброизмерительной аппаратуры проводится за-
пись виброакустических сигналов испытуемого механизма на
каждом режиме работы;
осуществляется математическая обработка полученной апосте-
риорной статистической информации.
Методика обработки указанной информации включает:
предварительное определение спектральных характеристик ко-
лебательного процесса при нормальном и дефектном функциони-
ровании механизма с помощью анализатора спектра;
выявление зоны наибольших изменений спектральных харак-
теристик: амплитуд дискретных составляющих, распределения
энергии по частотам, шумовой компоненты, гармоник и субгар-
моник основных частот возбуждения модуляционных или комбина-
ционных частот;
построение математической модели формирования виброаку-
стического сигнала при наличии соответствующих дефектов;
выбор системы предварительной обработки исследуемого сиг-
нала на базе полученных ранее результатов, основанной на различ-
ных видах частотной модуляции в октавных, 1/3-октавных, узких
Элемент объекта диагностирования	у! уровень
Рис. 7.17. Примерная схема формирования диагностических признаков для зубчатого
зацепления
248
полосах, а также с применением полосовой фильтрации, следя-
щих фильтров, стробирования и детектирования;
составление программы получения статистических характе-
ристик, наиболее чувствительных к изменениям спектра мощности
виброакустического сигнала, например обобщенного п-мерного
вектора спектральных компонент гармонического ряда колебатель-
ного процесса или его огибающей, амплитуд отдельных состав-
ляющих этого спектра, закона изменения во времени коэффициента
автокорреляции, вида регрессионной зависимости колебаний раз-
личных точек манипулятора ПР, кепстра, биоспектра;
поиск информативных диагностических признаков на основе
многофакторного эксперимента и построение регрессионной мо-
дели зависимости каждого диагностического признака от пара-
метров технического состояния механизмов манипулятора ПР,
т. е. классов их состояний;
составление словаря информативных диагностических призна-
ков, однозначно реагирующих на проявление отдельного вида
неисправности.
В случае отсутствия таких признаков распознавание состояний
механизмов манипулятора ПР проводится по совокупности при-
знаков с использованием статистического материала и с приме-
нением специальных методов его обработки (методы распознава-
ния образцов). Примерная схема формирования диагностических
признаков приведена на рис. 7.17.
/
Приложение
РОБОТ ПРОМЫШЛЕННЫЙ
Техническое задание (типовое)
(на ... листах)
1.	НАИМЕНОВАНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
1.1.	Настоящее техническое задание распространяется на робот промыш-
ленный (ПР), представляющий' собой автоматическую машину, состоящую из
исполнительного устройства в виде манипулятора и перепрограммируемого
устройства программного управления для выполнения в производственном про-
цессе двигательных и управляющих функций.
1.2.	ПР входит в состав модулей, участков и линий гибких производствен-
ных систем (ГПС), обеспечивающих автоматизацию технологических процессов
... в условиях многономенклатурного, часто переналаживаемого машино-
строительного производства.
1.3.	ПР допускает (при соответствующем оснащении) применение его на
операциях . . .
2.	ОБОСНОВАНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ
2.1.	Разработка ПР производится в соответствии с . ..
3.	ЦЕЛЬ И НАЗНАЧЕНИЕ РАЗРАБОТКИ
3.1.	ПР разрабатывается с целью автоматизации однообразных, утоми-
тельных и опасных для здоровья ручных работ на предприятиях отрасли, обеспе-
чения возможности создания технологических модулей, линий и участков ГПС,
позволяющих сократить численность основного и вспомогательного производ-
ственного персонала, улучшить условия н повысить производительность труда
работающих, улучшить качество выпускаемой продукции.
3.2.	Функциональное назначение ПР состоит в осуществлении операций
перемещения объектов производства (рабочего инструмента), установки их
в рабочие позиции, контроля хода выполнения технологического процесса . . .
и управления работой технологического оборудования в соответствии с общим
алгоритмом функционирования гибкого производственного модуля (линии,
участка).
4.	ИСТОЧНИКИ РАЗРАБОТКИ
4.1. Разработка ведется:
на основе результатов, полученных при выполнении научно-исследова-
тельских работ;
исходных требований на проектирование ПР, разработанных предприя-
тием;
патентно-информационных исследований;
анализа материалов по ПР, имеющихся на предприятии . . . ;
250
изучения работы по технологическому обслуживанию и эксплуатации ПР
модели. . . , установленного на предприятии . . . ;
изобретений по авторским свидетельствам ....
5.	ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
5.1.	Состав ПР и требования к конструктивному исполнению.
5.1.1.	В ПР должны входить следующие составные части: манипулятор;
устройство управления; кабели связи устройства управления с манипулятором.
5.1.2.	Требования к конструктивному исполнению манипулятора.
5.1.2.1.	Манипулятор должен быть выполнен по кинематической схеме
(схемам), приведенной в приложении к техническим требованиям и иметь ...
степеней подвижности.
5.1.2.2.	Манипулятор должен состоять из конструктивных модулей, объ-
единяющих механизмы, двигатели, информационные устройства, устройства
электрической коммутации одной или нескольких степеней подвижности.
5.1.2.3.	В составе модулей степеней подвижности должны быть исполь-
зованы (выделены) конструктивно законченные уннфицированные и взаимоза-
меняемое электромеханические модули привода, объединяющие двигатель,
датчики и передаточный механизм.
5.1.2.4.	Конструктивные модули манипулятора должны иметь унифициро-
ванные быстроразъемные стыковочные элементы, обеспечивающие возможность
и удобство объединения их в различные конфигурации в зависимости от харак-
тера решаемой задачи.
5.1.2.5.	В конструкции манипулятора должны быть использованы переда-
точные механизмы, направляющие, комплектующие изделия и материалы, обе-
спечивающие минимальную массу подвижных частей конструкции при сохра-
нении ее прочности и надежности.
5.1.2.6.	Конструкция манипулятора должна исключать его поломку при
встрече с препятствием на скорости, соответствующей номинальной скорости
перемещения рабочего органа.
5.1.2.7.	Собственная частота колебаний механической системы манипуля-
тора по степеням его подвижности не должна быть ниже 40 Гц.
5.1.2.8.	Статический прогиб конструкции манипулятора при приложении
к его рабочему органу силы, соответствующей номинальной грузоподъемности,
не должен превышать удвоенного значения абсолютной погрешности позицио-
нирования ПР.
5.1.2.9.	Свободный ход между валом (штоком) двигателя и датчиком поло-
жения конструктивных модулей манипулятора не должен превышать дискреты
датчика положения.
5.1.2.10.	Свободный ход рабочего органа манипулятора при заторможен-
ных двигателях приводов степеней' подвижности не должен превышать значе-
ния абсолютной погрешности позиционирования ПР.
5.1.2.11.	Коэффициент полезного действия механических передач не должен
быть ниже 0,6.
5.1.2.12.	Момент (усилие) от неуравновешенности конструкции манипуля-
тора по каждой степени подвижности не должен превышать . . . номинального
момента (усилия) электродвигателя.
5.1.2.13.	Составные части манипулятора должны иметь надежную защиту
от попадания загрязняющих веществ на направляющие, контакты, датчики.
5.1.2.14.	Конструкция руки манипулятора должна обеспечивать возмож-
ность быстрой (автоматической) замены рабочих органов.
5.1.2.15.	Габаритные размеры манипулятора, мм, не более. .	...
5.1.2.16.	Масса манипулятора, кг, не более ................... ...
5.1.3.	Требования к устройству управления.
5.1.3.1.	Устройство управления конструктивно должно быть выполнено
в виде отдельной стойки со встроенными преобразователями следящих при-
водов ПР, выносным пультом ручного обучении и удовлетворять требованиям
ГОСТ 21021—85.
251
5.1.3.2.	Устройство управления должно быть выполнено по блочно-модуль-
ному принципу, обеспечивающему возможность изменення и совершенство-
вания состава, структуры н функций ПР по мере появления новых решае-
мых нм задач.
5.1.3.3.	Устройство управления должно иметь клавиатуру ручного ввода
и дисплей, либо интерфейсы связи с клавиатурой и дисплеем, обеспечивающие
проведение обучения, контроля н редактирования программ, диагностику техни-
ческого состояния ПР в диалоговом режиме.
5.1.3.4.	Устройство управления должно иметь интерфейсы связи с манипу-
лятором, обслуживаемым технологическим оборудованием, ЭВМ верхнего уровня
и другими устройствами управления и вычислительной техники.
5.1.3.5.	Устройство управления должно обеспечивать позиционное (контур-
ное, позиционно-контурное, цикловое) управление движением манипулятора по
. . . степеням подвижности.
5.1.3.6.	Устройство управления при работе в контурном режиме работы
должно обеспечивать круговую интерполяцию по радиусу ... с максимальной
скоростью . . . м/мин н линейную интерполяцию с максимальной скоростью
. . . м/мин.
5.1.3.7.	Класс языка программирования определяется типом используемой
в устройстве управления ЭВМ или ее местополрженнем в этом устройстве н зави-
сит от сложности решаемых технологических задач.
5.1.3.8.	Устройство управления должно содержать программные н встроен-
ные аппаратные средства технической диагностики, обеспечивающие контроль
функционирования и поиск неисправностей основных блоков устройства и эле-
ментов системы следящих приводов ПР.
5.1.3.9.	Основные режимы работы: обучение; автоматическая работа; авто-
матическая работа по кадрам; контроль программы; редактирование программы;
коррекция программы; ввод параметров ПР; поиск кадра; поиск программы.
5.1.3.10.	Устройство управления может быть удалено от манипулятора и
внешнего оборудования на расстояние . . . м.
5.1.3.11.	Устройство управления должно обеспечивать программнрованне
ПР методом обучения по первому циклу н перепрограммированием на языке
высокого уровня.
5.1.3.12.	Устройство управления должно быть оснащено постоянным запо-
минающим устройством (ПЗУ) типа. . . для хранения программ работы ПР.
5.1.3.13.	Устройство управления должно сопрягаться с датчиком обратной
связи типа ....
5.1.3.14.	Устройство управления по устойчивости н климатическим воздей-
ствиям должно соответствовать группе...ГОСТ 21552—84, по степени защиты,
обеспечиваемой нагревостойкостью электрической изоляции, — классу А по
ГОСТ 8865—87.
5.1.3.15.	Питание — от трехфазной сети переменного тока напряжением
380 В, частотой 50 Гц, мощностью. . . Вт.
5.1.3.16.	Габариты устройства управления, мм, не более. . . .
5.1.3.17.	Масса устройства управления, кг, не более. . .
5.1.4.	Требования к программному обеспечению.
5.1.4.1.	Требования к функциональным характеристикам.
5.1.4.1.1.	Программное обеспечение (ПО) должно соответствовать типу
системы и обеспечивать реализацию операции из следующего класса:
основные технологические операции . . . ;
вспомогательные технологические операции . . . ;
операции управления системой;
управление необходимым дополнительным оборудованием.
5.1.4.1.2.	Задание на работу роботу должно осуществляться в виде специаль-
ной структуры данных — «Технологическое задание (ТХЗ)», позволяющей иден-
тифицировать задание, определить последовательность выполняемых операций
и т. п.
5.1.4.1.3.	ПО должно обеспечить одновременное запомннанне до девятн
ТХЗ и работу с любым из них по желанию оператора.
5.1.4.1.4.	Средства ПО должны обеспечить:
252
формирование ТХЗ в диалоге с оператором (обучение);
корректировку ТХЗ при отработке последовательности операций;
автоматическое выполнение ТХЗ с заданным оператором числом циклов;
вывод ТХЗ на внешний носитель н его ввод;
обмен ннформацней через последовательный интерфейс с ЭВМ верхнего
уровня, обеспечивающий: перепись одного или нескольких технологических
заданий; запуск одного нз заданий; контроль завершения выполнения заданий
ЭВМ верхнего уровня.
5.1.4.1.5.	Состав операций, которые могут входнть в ТХЗ, должен
обеспечивать управление манипулятором при выполнении следующих дей-
ствий робота:
перемещение манипулятора в заданную точку в позиционном режиме с отра-
боткой сигналов на технологическое оборудование и выдержек времени;
перемещение манипулятора по контуру, заданному последовательностью
точек позиционирования, с произвольным шагом, линейной и круговой интерпо-
ляцией между ними в координатах рабочего пространства;
возможность организации подпрограмм н условный переход на подпрограмму
по условиям, определяемым входными сигналами;
автоматическое определение положения манипулятора н его отклонений
в декартовых координатах относительно заданного при обучении.
5.1.4.1.6.	Для управления системой во всех режимах, организации процес-
сов формирования и выполнения ТХЗ ПО должно обеспечить ввод и трансляцию
команд с пульта оператора системы и реализацию требуемых действий.
5.1.4.1.7.	ПО должно обеспечить формирование ТХЗ (обучение) в режиме
диалога с оператором.
5.1.4.1.8.	Формирование кодов операций и скорости контурных движений
манипулятора должно осуществляться с пульта оператора системы.
5.1.4.1.9.	Задание координат точек траекторий манипулятора должно осу-
ществляться путем его перемещения в ручном режиме с последующей записью
этих координат по показаниям кодовых датчиков.
5.1.4.1.10.	ПО должно обеспечить два режима ручного управления мани-
пулятора; непрерывное перемещение в выбранном направлении со скоростью,
заданной с пульта оператора системы, пошаговое перемещение в выбранном
направлении на шаг, заданный с пульта оператора системы.
5.1.4.1.11.	При автоматическом выполнении ТХЗ ПО должно обеспечить:
выбор ТХЗ по заданному оператором номеру и автоматическое его выполне-
ние с заданным оператором числом раз;
выполнение ТХЗ с остановкой после завершения каждой операции, входя-
щей в ТХЗ;
выполнение ТХЗ с остановкой после завершения каждого шага контурного
движения манипулятора;
во время выполнения ТХЗ должна быть обеспечена индикация на пульте
оператора текущего положения манипулятора в двух видах: положение отдель-
ных звеньев, декартовы координаты рабочего органа.
5.1.4.1.12.	ПО должно обеспечить также остановку автоматического выпол-
нения ТХЗ по запросу оператора при завершении цикла, операции шага или
немедленно.
5.1.4.1.13.	После остановки ПО должно обеспечить возможность оператору
выполнить любое требуемое действие.
5.1.4.1.14.	По запросу оператора ПО должно осуществить продолжение
выполнения ТХЗ в следующих модификациях:
продолжение выполнения с места остановки манипулятора;
, продолжение выполнения со смещением вперед или назад на указанное число
операций или шагов.
5.1.4.1.15.	При остановленном манипуляторе ПО должно обеспечивать воз-
можность смещения манипулятора с запоминанием смещения и последующим
его суммированием с требуемым положением манипулятора во всех последующих
операциях.
5.1.4.1.16.	ПО должно обеспечивать следующие режимы корректировки
ТХЗ: удаление шага; добавление шага; изменение параметров, шага.
253
5.1.4.1.17.	ПО должно обеспечить диагностику аварийных ситуаций, реги-
стрируемых аппаратурными средствами устройства управления, и определить
возможность продолжения выполнения ТХЗ.
5.1.4.1.18.	При невозможности продолжения выполнения ТХЗ ПО должно
осуществить прерывание выполнения. При этом должна быть обеспечена безава-
рийная остановка манипулятора.
5.1.4.1.19.	Сообщение о диагностируемой ошибке ПО должно выдавать на
пульт оператора в виде кода ошибки.
5.1.4.1.20.	Модули ПО, работающие в режиме реального времени, должны
быть защищены от неправильной работы аппаратных средств, если такая защита
предусмотрена конструкцией аппаратных средств.
5.1.4.1.21.	ПО должно быть защищено от переполнения областей памяти,
отведенных под стеки, буферы и другие поля данных, заполняемые в автомати-
ческом режиме.
5.1.4.1.22.	Файловая система. ПО должна обеспечивать контроль правиль-
ности сохранения файлов и их передачи между ОЗУ и внешней памятью.
5.1.4.1.23.	Время восстановления ПО после отказа не должно превышать
5 мин.
5.1.5.	Требования к кабелям.
5.1.5.1.	Кабели должны иметь надежную защиту от механических повре-
ждений.
5.2.	Показатели назначения и экономного использования сырья, материа-
лов, топлива, энергии.
5.2.1.	Номинальная грузоподъемность,	кг........................ ...
5.2.2.	Максимальная абсолютная погрешность позициониро-
вания, мм.......................................................... ...
5,2.3.	Геометрические характеристики	рабочей	зоны....	...
5.2.4.	Показатели назначения степени подвижностн.
5.2.4.1.	Показателв . . . степени подвижности (ее наименование):
максимальное перемещение, мм	(°)........................... ...
время перемещения, с .......................................... ...
максимальная скорость, мм/е (Ус)............................... ...
максимальное ускорение, мм/с3 (7с2)...........................  ...
максимальная абсолютная погрешность позиционирования . .	...
5.2.5.	Производительность ПР при выполнении операций, не	;
ниже, не менее .................................................... ...
5.2.6.	Время разгона до номинальной скорости, с, не менее . .	...
5.2.7.	Диапазон регулирования скорости ........................ ...
5.2.8.	Показатели назначения системы управления.
5.2.8.1.	Устройство управления должно обеспечивать обмен информапией
с другими устройствами управления (в том числе других уровней).
5.2.8.2.	Устройство управления должно обладать следующим объемом па-
мяти, кбайт, не менее:
оперативной............................................. ...
периферийной  .......................................... . . •
5.2.8.3.	Устройство управления должно обеспечить следующее число ка-
налов связи с внешним оборудованием:
на вход.......................................................  ...
на выход ...................................................... ...
5.3.	Требования к надежности.
5.3.1.	Все узлы и механизмы ПР должны работать без заеданий и ударов,
5.3.2.	Электроаппаратура и электродвигатели должны быть защищены от
попадания влаги по категории «Правил устройства электроустановок (ПУЭ)».
5.3.3.	В наиболее ответственных местах должны быть предусмотрены пре-
дохранительные устройства от механических перегрузок.
5.3.4.	Средний срок службы ПР до списания с учетом всех видов планово-
предупредительных и восстановительных ремонтов, лет, не менее . . .
5.3.5.	Надежность ПР в условиях и режимах эксплуатации
должна характеризоваться следующими значениями показателей:
наработка на отказ, ч, не менее................................ ...
254
установленная наработка на неиндикатируемый сбой, ч, не менее . . .
среднее время восстановления, ч, не более ...................... ...
полный срок службы, лет, не менее .............................. ...
гарантийный срок, мес........................................... ...
5.4.	Требования к технологичности и метрологическому обеспечению раз-
работки, производства и эксплуатации.
5.4.1.	Конструкция ПР должна быть технологичной при изготовлении,
эксплуатации и ремонте.
5.4.2.	Составные части ПР, такие, как манипулятор и стойка управления
(включая преобразователи), должны быть доступны для технического обслу-
живания и ремонта.
5.4.3.	Сборка и стыковка отдельных частей ПР не должны требовать слож-
ного технологического оснащения. В конструкции составных частей ПР должны
быть предусмотрены элементы для удобства захватывания грузоподъемными
средствами. Способы соединений должны обеспечивать легкосъемность соста-
вляющих элементов с малым ресурсом. Для технического обслуживания необ-
ходимо предусмотреть возможность использования стандартного слесарно-
монтажного инструмента.
5.4.4.	Основные контролируемые параметры:
удельная трудоемкость, нормо-ч/единица измеряемого основно-
го параметра, не более ............................................. ...
удельная материалоемкость, кг(т)/единица измеряемого основ- . . .
ного параметра, не более............................................ ...
удельная масса металла, кг (т)/единица измеряемого основ- . . .
ного параметра, не более............................'.......
удельная энергоемкость, кВт/единица измеряемого основного
параметра, не более ................................................ ...
Примечание. Единицу измеряемого основного параметра выбирают
в зависимости от назначения ПР. Например, для ПР, выполняющего транспорт-
ные функции, основным параметром является грузоподъемность, кг, для свароч-
ного ПР — длина сварного шва или число точек в единицу времени, м/мин (то-
чек/мин), для окрасочного ПР — окрашиваемая площадь в единицу времени
и т. д.
5.5.	Требования к уровню унификации и стандартизации.
5.5.1.	При разработке составных частей ПР необходимо предусмотреть:
максимальную унификацию применяемых узлов, деталей и покупных изделий;
использование стандартных крепежных деталей и т. п.
5.5.2.	Использование серийно выпускаемых комплектующих изделий, %,
не менее............................................................ ...
5.5.3.	Показатели стандартизации и унификации составных частей ПР:
коэффициент	применяемости 1,	%, не менее....................... ...
коэффициент	повторяемости 2.................................... ...
5.6.	Требования безопасности и требования по охране природы.
5.6.1.	В системе управления ПР должны быть предусмотрены блокировки,
для случая сбоя программ, обеспечивающие аварийный останов исполнитель-
ного органа манипулятора.
5.6.2.	Конструкция манипулятора должна исключать его поломку при
встрече с препятствием в случае сбоя программы и иметь блокировки для отклю-
чения приводов.
5.6.3.	Стойка управления и пульт ручного обучения должны иметь аварий-
ные кнопки «Стоп» аварийной остановки.
1 Коэффициент применяемости Кпр = —— 100, где П — общее число
типоразмеров деталей изделия; По — число типоразмеров оригинальных деталей.
2 Коэффициент повторяемости	где N — общее число составных ча-
стей; П — общее число типоразмеров составных частей изделия.
255
5.6.4.	ПР ’должен соответствовать требованиям безопасности по
ГОСТ 12.2.072—82.
5.6.5.	Уровень шума на рабочем месте не должен превышать значений, уста-
новленных ГОСТ 12.1.003—83.
5.6.6.	Монтаж электрооборудования должен отвечать «Правилам устройств
электроустановок (ПУЭ)», утвержденным Госэнергонадзором СССР.
5.6.7.	Необходимо предусмотреть средства, обеспечивающие надежное зазем-
ление всех составных частей ПР, которые могут оказаться под напряжением.
5.7.	Эстетические и эргономические требования.
5.7.1.	Конструкция составных частей ПР и их внешний вид должны соот-
ветствовать современным требованиям технической эстетики.
5.7.2.	Места регулирования, точки смазки манипулятора должны нахо-
диться в доступных местах и не требовать его разборки.
5.7.3.	Установка органов управления и усилия, прикладываемые к иим
человеком, должны отвечать эргономическим требованиям.
5.7.4.	Эргономические и эстетические показатели, балл, ие
менее:
гигиенические.................................................. ...
антропометрические ............................................ ...
функционально-конструкторская выразительность формы	...	...
5.7.5.	Съем крышек и панелей составных частей ПР должен быть достаточно
простым. Крышки и панели должны обеспечиваться невыпадающим крепежом.
5.8.	Требования к патентной чистоте.
5.8.1.	ПР должен обладать патентной чистотой в отношении СССР, стран —
членов СЭВ — Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, Чехословакии (должен быть
выполнен с учетом возможности экспортной поставки в эти страны), стран, зани-
мающих ведущее место в робототехнике.
5.8.2.	По основным техническим параметрам и технико-экономнческнм пока-
зателям ПР должен иметь преимущество перед существующими отечественными
образцами роботов данного класса и находиться на уровне современных зарубеж-
ных образцов.
5.9.	Требования к составным частям ПР, сырью, исходным и эксплуата-
ционным материалам.
5.9.1.	В конструкции ие должно быть комплектующих изделий, приобре-
таемых по импорту из капиталистических стран.
5.9.2.	На комплектующие изделия и материалы ограниченного применения
должны быть ведомости согласования или договора о поставке.
5.9.3.	Выбор дефицитных комплектующих изделий и материалов должен
быть подтвержден обоснованием.
5.9.4.	Все металлические части манипулятора, за исключением выполнен-
ных из коррозийно-стойких материалов, должны быть защищены от коррозии.
5.9.5.	Кожухи манипулятора и стойки управления должны иметь лакокра-
сочные покрытия поверхностей по ГОСТ 9.032—74:
наружных ...................................................... ...
внутренних .................................................... ...
5.9.6.	Все покупные комплектующие изделия должны иметь категорию
качества не ниже первой.
5.10.	Условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию
и ремонту.
5.10.1.	ПР должен быть изготовлен в исполнении . . . , категории разме-
щения ... по ГОСТ 15150—69.
5.10.2.	Все составляющие ПР должны быть рассчитаны для работы в закры-
тых помещениях при температуре +10 ... +40 °C и относительной влажности
ие выше 80 %.
5.10.3.	Питание системы управления должно осуществляться от сети пере-
менного тока напряжением ... В, частотой 50 Гц.
5.10.4.	ПР периодически должны обслуживать два человека, имеющие ква-
лификацию наладчика электронной аппаратуры и слесаря-ремонтника станков
шестого разряда.
5.10.5.	Система обслуживания должна включать:
256
j ежедневное обслуживание;
еженедельное обслуживание;
техническое обслуживание после 500 ч работы;
техническое обслуживание после 1000 ч работы.
5.10.6.	Подготовка ПР к пуску после распаковки не должна превышать
48 ч.
5.11.	Требования к маркировке и упаковке.
5.11.1.	На видных местах модулей ПР должны быть прикреплены таблички
маркировки, изготовленные по ГОСТ 12969—67, на которых должны быть ука-
заны:
товарный знак или наименование предприятия-изготовителя;
наименование модели составной части ПР;
заводской иомер;
год выпуска.
5.11.2.	Маркировка должна быть выполнена способом гравирования.
5.11.3.	Перед упаковкой неокрашенные поверхности должны быть закон-
сервированы.
5.11.4.	Упаковка составных частей ПР совместно с консервацией должна
обеспечивать сохранность при транспортировании ПР и хранении в течение ...
месяцев.
5.11.5.	Масса ПР в единице упаковки и применяемая тара указаны в табл. ...
5.12.	Требования к транспортированию и хранению.
5.12.1.	Упакованные изделия транспортируют в открытых транспортных
средствах всех видов в соответствии с правилами перевозки грузов, действую-
щими на транспорте данного вида.
5.12.2.	Условия транспортирования (хранения) ПР ... в соответствии с тре-
бованиями ГОСТ 15150—69.
5.12.3.	Срок хранения ПР ие более ... месяцев.
5.13.	Требования к категории качества.
5.13.1.	Разрабатываемое изделие должно быть ... категории качества (обос-
нование показателей качества см. таблицу приложения).
6.	ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
6.1.	Экономический эффект от внедрения одного ПР составляет ... . тыс. руб.
6.2.	Срок окупаемости затрат на разработку и освоение производства ...
года (лет).
6,3.	Лимитная цена ПР ... тыс. руб.
6.4.	Потребность в ПР на ближайшие 5 лет составит ... шт.
257
Приложение!
(Обязательное),
Обоснование показателей качества изделий	I
Наименование показателя	Базовое значение показателя						Относительный показатель				
	по техническому заданию	по стандарту	перспективного образца	аналога			к пер- спектяв- ному образцу		к а на-	' логу	’		
				Страна, фирма, предприятие	Обозначение изде- лия	Год поставки его на производство	Д	*(с)	д	*(с)	
Технико-эксплуатационные 1.	Основной контролируемый параметр ПР 2.	Коэффициент автоматиза- ции, %, не менее 3.	Диапазон регулирования скорости 4.	Максимальная абсолютная погрешность позициониро- вания, мм, не более 5.	Объем оперативной памяти, кбайт, не менее Надежности 1.	Наработка на отказ, ч, не менее 2.	Среднее время восстановле- ния, ч, не более 3.	Полный срок службы, лет, не менее 4.	Гарантийный срок службы, мес., не менее Стандартизации и унификации 1. Коэффициент применяемо- сти, %, не менее Технологичности 1. Удельная материалоем- кость, кг на единицу основ- ного параметра, не более 2. Удельная масса металла, кг на единицу основного пара- метра, не более							с-				
Обозначения; Д — относительное значение показателя качества (см.
ГОСТ 15467—79); К(С)=РД— относительное значение показателя качества
продукции с учетом коэффициента весомости Р, устанавливаемого экспертным
путем.
258
aaas
7. СТАДИИ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ
7.1. Разработка конструкторской документации на ПР предусматривает
следующие стадии, этапы работ и срок их выполнения:
эскизный проект ..................................... ... кв,	19...	г.
технический проект............................ ... кв.	19...	г.
разработка рабочей конструкторской документации	.	.	... кв.	19...	г.
разработка документации опытного образца...... ... кв.	19...	г.
изготовление опытного образца................. ... кв.	19...	г.
монтаж и испытания опытного образца........... ... кв.	19...	г.
корректировка конструкторской документации по ре-
зультатам испытаний.............................. ... кв.	19...	г.
приемочные испытания опытного образца......... ... кв.	19...	г.
изготовление и испытание установочной партии	...	... кв.	19...	г.
7.2.	Технический проект рассматривается на ...
7.3.	Рабочая документация сдается изготовителю-предприятию ... по приемо-
сдаточному акту ...
7.4.	Опытный образец изготовляется на предприятии ... .
7.5.	Серийные образцы изготовляются на предприятии ... .
7.6.	Авторский надзор осуществлиет предприятие ....
8. Порядок контроля и приемки ...................
8.1.	Согласованию подлежат: технические условия (ТУ), карта техниче-
ского уровня и качества продукции (КУ), программа и методика испытаний
(ПМ).
8.2.	ТУ, КУ, ПМ согласовывают:.....................................
8.3.	Опытный образец изготовляют в количестве ... шт., доводят по резуль-
татам испытаний и предъявляют на прнемочные испытания, проводимые по про-
грамме и методике, утвержденным в установленном порядке.
8.4.	Состав комиссии по проведению испытаний опытного образца должен
соответствовать требованиям отраслевых стандартов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Автоматические манипуляторы с программным управлением
(промышленные роботы), разрабатываемые Ми нстанкоп ромом в 1976—1980 гг.
М.: НИИМАШ, 1977, 40 с..
2.	Аншии С. С., Великович В. Б., Козырев Ю. Г. Общая методика испыта-
ний автоматических манипуляторов//Станкн н инструмент. 1981, № 12. С. 2—5.
3.	Белянин П. Н. Промышленные роботы. М.: Машнностроение. 1975. 400 с.
4.	Бидерман В. М. Прикладная теория механических колебаний. М.: Выс-
шая школа, 1972. 416 с.
5.	Владов И. Л., Данилевский В. Н. Механические схваты промышленных
роботов с прямолинейным движением губок//Тр. НИАТ, № 394. 1980. С. 36—41.
6.	Внброакустическая диагностика зарождающихся дефектов/Ф. Я. Ба-
лицкий, М. А. Иванова, А. Г. Соколова, Е. И. Хомяков. М.: Наука, 1984. 119 с.
7.	Волчкевич Л. И. Роботы и здравый смысл//Изобретатель и рационали-
затор. 1986, № 4. С. 2—3.
8.	Герц Д. В., Крейн ин Г. В. Расчет пневмоприводов. М.: Машиностроение,
1975. 272 с.
9.	Голосовский С. И., Шушко Д. А. Социально-экономические критерии
эффективности промышленных роботов. М.: Заочный институт повышения ква-
лификации ИТР Центрального правления НТО приборостроительной промыш-
ленности им. акад. С. И. Вавилова. 1985. 64 с.
10.	Гомельский Ю. С. Электрические элементы электрогидравлических уст-
ройств автоматики. М.: Энергия, 1968. 144 с.
11.	Горелик А. Л., Скрипкин В. А. Методы распознавания. М.: Высшая
школа, 1984. 208 с.
12.	Дал У., Дейкстра Э., Хоор К- Структурное программирование/Пер.
с английского. М.: Мир, 1975. 246 с.
13.	Игнатьев М. Б., Кулаков Ф. М., Покровский А. М. Алгоритмы управле-
ния роботами-манипуляторами. Л.: Машиностроение, 1977. 247 с.
14.	Инструкция по оценке экономической эффективности создания и исполь-
зования автоматических манипуляторов с программным управлением (промыш-
ленных роботов). М.: НИИМАШ, 1983. 102 с.
15.	Испытания промышленных роботов. Методические рекомендации. М.:
НИИМАШ, 1983. 99 с.
16.	КамышиыйН. И., Павлеико И. И. Кинематика промышленных роботов//
Вестник машиностроения. 1975, № 1. С. 63—65.
17.	Квиттнер П. Задачи программы вычисления результатов. М.: Мир,
1980. 422 с.
18.	Кнфер Л. Г., Абрамович И. И. Грузоподъемные машины. М.: Машгиз,
1956. 486 с.
19.	Клепов А. Д. Автоматическое конструирование движения манипуля-
тора по пространственным контурам: Методы и модели для управления роботами
и манипуляторами в производстве и научных исследованиях//Материалы семи-
нара. М.: МДНТП, 1979. С. 136—142.
260
20.	Козловский В. А. Организационно-экономические вопросы построения
производственных систем. Л.: ЛГУ, 1981. 216 с.
21.	Козырев Ю. Г. Построение типажа промышленных роботов//Станки и
инструмент. 1978, № 7. С. 1—8.
22.	Козырев Ю. Г. Промышленные роботы. Справочник. М.: Машинострое-
ние, 1983. 376 с.
23.	Коренев Г. В. Целенаправленная механнка управляемых манипулято-
ров. М.: Наука, 1979. 448 с.
24.	Коренев Г. В. Цель и приспособляемость движения. М.: Наука, 1974.
528 с.
25.	Кошкии Л. Н. Роторные и роторно-конвейерные линии. М.: Машино-
строение, 1982. 336 с.
26.	Крейнин Г. В. Пневматические приводы автоматических манипулято-
ровУУСтанки и инструмент. 1978, № 7. С. 24—27.
27.	Люкфелт К. Контроль качества и надежности производства на роботи-
зированных сварочных установках/УМатериалы симпозиума фирмы «Eke Engi-
neers» ФРГ (на русском языке). Изд. фирмы, 1984. 12 с.
28.	Льюис Э., Стерн X. Гидравлические системы управления/Пер. с англ./
И. М. Крассов. М.: Мир, 1966. 407 с.
29.	Майерс Г. Надежность программного обеспечения/Пер. с англ. М.: Мир,
1980. 360 с.
30.	Макаров В. М. Исследование областей эффективного применения про-
мышленных роботов для автоматизации мелкой холодной штамповки/УПромыш-
ленные роботы и их применение. Л.: ЛДНТП, 1981. С. 17—24.
31.	Макаров В. М., Искровская Т. С. Организацнонное проектирование и его
роль в технико-экономическом анализе вариантов робототехникиУУВестник маши-
ностроения. 1984, № 3. С. 70—73.
32.	Методика (основные положения) определения экономической эффектив-
ности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рацио-
нализаторских предложений. М.: ГКНТ, 1978. 41 с.
33.	Микропроцессорное устройство управления сварочным робо-
том/И. Б. Кнауэр и др.УУТез. докл. 3-е Всесоюзное совещание по робототехниче-
ским системам. Воронеж, 1984, ч. 2. С. 33—35.
34.	Надежность технических систем: Справочник/Ю. К. Беляев, В. А. Бога-
тырев, В. В. Болотин и др.; Под ред. И. А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985.
608 с.
35.	Нахапетян Е. Г. Квалиметрия механизмов машин-автоматов и промыш-
ленных роботовУУКвалиметрия и диагностированне механизмов. М.: Наука,
1979. С. 4—32.
36.	Организациоино-техиологические основы совершенствования на базе
использования промышленных роботовУУОбзор. М.: НИИМАШ, 1982. 46 с.
37.	Организация программного обеспечения контурной системы операцион-
ного управления промышленным роботом для дуговой сваркнУС. М. Григоро-
вич, В. И. Кавинов, А. Е. Клепов, К- В. Самвелян//Тез. докл. Всесоюзного
совещания по робототехническим системам. Минск.: БелНИИНТИ, 1981,
ч. 1.С. 101—102.
38.	Патон1 Б. Е., Спыну Г. А., Тимошенко В. Г. Промышленные роботы для
сварки. Киев: Наукова думка, 1977. 227 с.
39.	Подготовка производства к применению промышленных роботов. Мето-
дические рекомендации. М.: НИИМАШ, 1980. 40 с.
40.	Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движе-
нием робота-манипулятора. М.: Наука, 1976. 104 с.
41.	Попов Д. П., Верещагин А. Ц., Зенкевич С. Л. Манипуляционные ро-
боты. Динамика и алгоритмы. М.: Наука, 1978. 398 с.
261
42.	Принципы построения двигательной системы автоматических манипуля-
торов с программным управлением/А. Е. Кобринский, А. И. Корендясев,
Б. Л. Саламандра и др.//Станки и инструмент, 1976, № 4. С. 3—10.
43.	Проектирование нелинейных следящих систем/В. Н. Яворский и др. —
Л-: Энергия, 1976. 206 с.
44.	Промышленные роботы в сборочном производстве/В. И. Костюк,
Л. С. Ямпольский, И. Б. Иваненко. Киев: Техника, 1983. 183 с.
45.	Промышленная робототехника/Я- А. Шифрин и др. — М.: Машино-
строение, 1982. 415 с.
46.	Разработка методики и проведение динамических исследований промыш-
ленных роботов/С. С. Аншин, Р. В. Векилов и др.//Тез. докл. Всесоюзного сове-
щания по робототехническим системам. М.: Наука, 1978. С. 23.
47.	-Рапопорт Г. Н., Солии Ю. В. Применение промышленных роботов.
М.: Машиностроение, 1985. 272 с.
48.	Расчеты на прочность/Под ред. С. Д. Пономарева, т. 2. М.: Машгиз,
1958. 314 с.
49.	Розанов Б. В. Гидравлические прессы. М.: Машгиз, 1959. 428 с.
50.	Самоцеитрирующий захват для гладких ступенчатых валов/В. Б. Вели-
кович, С. В. Житомирский, Ю. Г. Козырев, А. В. Кудинов//Механизация и авто-
матизация производства. 1976, № 10. С. 15—17.
51.	Сираси Ц, Диагностирование старения рабочей жидкости гидравличе-
ских установок/Пер. № Е-31976. М.: ГПНТБ, 1982. 16 с.
52.	Системы управления промышленными роботами и манипуляторами/
Е. И. Юревич, Ю. Д. Андриасов, С. И. Новиченко и др. Л.: ЛГУ, 1980.
184 с.
53.	Структура и программное обеспечение многопроцессорной системы упра-
вления сварочным роботом/В. В. Назаров и др.//Тез. докл. 3-го Всесоюзного
совещания по робототехническим системам. Ч. 2. Воронеж, 1984. С. 32—33.
54.	Устройство промышленных роботов/Е. И. Юревич, Б. Г. Аветиков,
О. Б. Корытко и др. Л.: Машиностроение, 1980. 332 с.
55.	Устройство циклового программного управления УЦМ-30. М.: Внеш-
торгиздат. Изд. № 8894/84 . 28 с.
56.	Хохлов В. А. Гидравлические усилители мощности. М.: АН СССР, 1963.
240 с.
57.	Фокс Дж. Программное обеспечение и его разработка/Пер. с англ. М.:
Мир, 1985. 368 с.
58.	Чупраков Ю. И. Гидропривод и средства гидроавтоматики. М.: Машино-
строение, 1979. 232 с.
59.	Шоу А. Логическое проектирование операционных систем. М.: Мир,
1981. 360 с.
60.	Шушко Д. А. Основные особенности и результаты оценки экономической
эффективности от внедрения робототехнических комплексов и промышленных
роботов//Кузнечно-штамповочное производство. 1981. № 11. С. 33—35.
61.	Яковенко Д. Г. Управление экономическими параметрами развития про-
изводства. М.: Наука, 1974. 175 с.
62.	Яковеико Д. Г. Экономические циклы жизни машин. М.: Машинострое-
ние, 1981. 158 с.
63.	Camera A., Migliardi G. F. Integrating parts inspection and functional
control during automatic assembly/ZAssembly automation, Vol. 1. No 2. 1981.
P. 78—82.
64.	Cobleen H. Adaptive control-giring robots the power to cope//Robotic
today. Spring, 1980. P. 32—34.
65.	Franklin I. W., Vandrbrug G. J. Programming vision and Robotics sys-
tems with RAIL//Proceedings, 6-th International conference on Robots. Dearborn,
Michigan. March, 1982. P. 392—407.
66.	Kempf K. G. Robot command languages and artificial intel ligence//Pro-
ceedings, 6-th International conference on robots. Dearborn, Michigan. March, 1982.
P. 369—392.
67.	Luenberger D. G. Observing the state of linear system. Trans.//IEEE on
military electronics. V. MIL-8, 1964. No 2. P. 67—73.
262
68.	Ruoff С. Teach-A concurrent robot control languageZ/Proceedings IEEE
Computing Society 3-rd International computer softuare application conference.
Chicago, 1979. P. 442—445.
69.	Salmon M. SIGLA — The Olivetti SIGMA robot programming language//
Proceedings of 8-th International symposium on industrial robots. Stuttgart, 1978.
P. 358—363.
70.	Schreiber R. Cincinnati Milacron's T3 compruter controlled robot//Robo-
tics Today, Summer, 1980. P. 45—46.
71.	Snimano В. E., VAL-A versatile robot programming and control system/
Proceedings IEEE computer softuare application conference. Chicago, 1979.
P. 878—883.
72.	Warnecke H. J., Brodbeck B., Schiele G. Results of the examination of
industrial robots on a test stand/'/Proceedings of the 5th congress on theory of machi-
nes and mechanismus. Vol. 1. Monreal, Ganada, 1979. P. 816— 820.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Автоматизация проектирования ПР 162—178
--------, имитационная система 162—166
Б
Быстроходность ПР 240
Г
Гидропривод 56—59
—, основы расчета 68—72
Д
Диагностирование ПР 210—213
-----, диагностические признаки 219
-----вероятностные 219
-----, виды 219, 220
-----, выбор 251—253
-----— детерминированные 219
----- логические 219
-----структурные (лингвистические, синтаксические) 220
— —, система признаков оценки качества работоспособности
манипуляторов ПР 220—230
— рабочей жидкости гидроприводов ПР 237 —240
— систем программного управления см. Системы программного
управления, диагностирование
3
Захватные устройства 23, 123
-----вакуумные, расчет 138—140
— —, классификация 123—127
— — магнитные, расчет 138—140
-----механические, расчет 127—132
-----, определение КПД 133—138
264
и
Испытания ПР 179—209
— — аттестационные 186
-----, виды 180—182
-------, классификация 181
----- исследовательские 180—182
-----контрольные 180, 183—197
----—, методы определения параметров и осуществления про-
верок 189—196
-------на погрешность отработки траектории 196, 197
-------, порядок проведения 184
-------, проверяемые параметры 183, 184
-------, программа 184
— — —, требования к испытываемым образцам 188
----------к средствам измерений 188
----------к условиям проведения 187, 188
-----, особенности 179, 180
----- периодические 187
-----предварительные 184
-----приемосдаточные 184
----- приемочные 184
-----ресурсные 197—209
-------, методика проведения 205—209
-------, особенности 197, 198
-------, программы 202—205
-------, составные части 201
-------1 условия проведения 198—201
----- типовые 187
М
Механическая система УПР, деформация 112
----------, расчет 112—122
-------исполнительная (ИМС) 15, 19, 20
----------, особенности 19, 20
----------( расчет параметров 44, 45
----------, типы 20, 21
-------несущая (НМС) 15
---------, несущие звенья 16, несущие кинематические пары 16,
несущие системы вывешивания 16, 17
----------, расчет жесткости 115—120
----------, способы соединения деталей конструкции 18
-------•, обратная задача о положении механизмов ПР 104
— -----, определение масс исполнительных кистевых передаточ-
ных механизмов 114, 115
—	—, расчет ИМС 120—122
----------масс передаточных механизмов 115
265
о
Органы ПР рабочие 23
-------, приводы 23
П
Передаточные механизмы ПР 99—103
Пневмопривод 56—58
—, основы расчета 80—99
— следящий 94—99
----с дискретной системой управления 98, 99
----с непрерывной системой управления 95—98
Погрешность позиционирования ПР 240—250
Привод ПР 55
----активный 57, 58
— — гидравлический см. Гидропривод
---- комбинированный 56
----- пассивный 58
----пневматический см. Пневмопривод
----, признаки классификации 56
----следящий 57
-------замкнутый 58
-------разомкнутый 58
----, структура 56
----, типы 56—59
------- электрический см. Электропривод
— —, энергетические характеристики 59—64
Программное обеспечение ПР 141—162
-------, алгоритмы планирования движения 153—159
-------, структура 143—146
-------, технология разработки-------159—162
-------------------------------------, требования 142, 143
—------------------------------------, функциональные возможности	146—153
Промышленный робот (ПР), агрегатно-модульный принцип по-
строения 64—67
----, алгоритмы управления 46—48
----, кисть 20—24
----, межремонтное обслуживание и ремонт 209
----, методика создания комплексной системы подготовки про-
изводства 11, 12
----, методы расчета и проектирования 104—140
---- создания конструкций 64
----, многоуровневая структура схемно-компоновочного реше-
ния 45, 46
----модульного типа РПМ-25 34—38
----, особенности 9, 13—15
----, постановка задачи проектирования 9—-14
----, рабочее проектирование 13, 14
266
----РПШ-40 23 —25, 27
----сварочный 38—42
—------, особенности применения 38—41
----- — РПКСМ 24, 25, 31—34
-------СУР-МС 24, 25, 31, 42
-------«Универсал — 60.02» 24, 25, 27 —29
-------«Универсал — 60.04» 24, 25, 29 —31
----, системы программного управления см. Системы программ-
ного управления
----, стадии проектирования 43—46
----, структура привода 56
— —, структурная схема типового модуля 45
----, техническое задание (типовое) 254
------- проектирование 13, 14
----, требования 9, 10
----универсальный (УПР) 14—38
-------, исполнительная механическая система (ИМС) см. Ме-
ханическая система УПР исполнительная
-------, несущая механическая система (НМС) см. Механиче-
ская система УПР несущая
-------,	особенности 14, 15
-------,	система вывешивания 18, 19
----------обеспечения рабочей зоны 16, 17
—1-----,	способы соединения несущих	деталей	конструкции	18
-------,	структура и устройство механической	системы	15—38
-------,	функциональная схема 15
----, характеристики см. Характеристики ПР
Р
Редукторы скорости 100—102
Робот промышленный см. Промышленный робот
Робототехническая система, состав функциональных подсистем 162
С
САПР роботов 162, 166—178
----, методика использования 167—178
----, средства общения 166, 167
----, функции 167
Система механическая манипулятора прямоугольная 45
----универсального ПР см. Механическая система УПР
—	модулей робота РПМ-25 35
Системы программного управления 46—55
-------аналого-позиционные 49—52
-------, диагностирование 230—237
-------контурные и контурно-позиционные 52—55
—	__ — микропроцессорные (МСПУ) 52—55
-------, требования 46—48
—	технической диагностики (СТД) 210—220
267
-------,	виды 211—213
-------1	классификация 213—215
-------, комплекс алгоритмов и программ 213—215
-------,	основные задачи построения 215—217
-------,	функциональная схема 213
-------t	этапы построения 218
Структура схемно-компоновочного решения ПР многоуровневая
45, 46
Схема кинематическая механизмов продольного и поперечного
перемещения и подъема боковых рук ПР 32, 33
----портала робота РПКСМ 33
----руки робота РПКСМ 33
----трехстепенной кисти ПР 30, 31
— структурная типового модуля ПР 45
У
Усилитель электрогидравлический типа РДЭ 72—80
Устройства захватные см. Захватные устройства
— обеспечения рабочей зоны УПР 16, 17
X
Характеристики ПР, динамические 104—112
---- кинематические 104—112
----, методика определения 104
— привода ПР энергетические см. Привод ПР, энергетические
характеристики
Э
Электрогидропривод 56—59
—, основы расчета 68—80
Электропривод 56—59
УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ!
ИЗДАТЕЛЬСТВО <МАШИНОСТРОЕНИЕ»
ВЫПУСТИТ В 1989 ГОДУ
СЛЕДУЮЩИЕ КНИГИ ПО РОБОТОТЕХНИКЕ;
Научно-популярная литература
Меркулов А. П. Что могут роботы. —2-е
изд., доп. — М.: Машиностроение, 1989. — 12 л.:
ил. — (Науч.-попул. б-ка школьника). — (в обл.):
50 к.
Автор книги — известный популяризатор науки
и техники, член Союза журналистов СССР — в увлека-
тельной форме рассказывает об основных направлениях
в развитии робототехники в 80-е годы, о новых техно-
логических процессах и организации производства
при внедрении робототехники.
Второе издание (1-е изд. 1986 г.) дополнено мате-
риалами о совершенствовании электронного «мозга»
роботов, об использовании роботов в гибком автомати-
зированном производстве и др.
Для учащихся старших классов и ПТУ.
Производственная литература
А с ф а л ь Р. Роботы и автоматизация производ-
ства: Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1989. —
27 л.: ил. —(в пер.): 2 р. 20 к.
В книге автора — сотрудника Центра робототех-
ники и автоматизации при Арканзасском университете
(США) — анализируются основные направления раз-
вития робототехники, в том числе взаимосвязь про-
мышленных роботов с другими элементами автоматиза-
ции. Особое внимание уделено не проблемам констру-
ирования роботов, а вопросам их внедрения и эксплу-
атации на современных предприятиях и заводах буду-
щего.
Для инженеров всех отраслей промышленности, за-
нимающихся автоматизацией производственных про-
цессов .
269