Схваты автоматических манипуляторов и промышленных роботов

500 

Описание

Библиотека начинающего
конструктора
Игнатьев Н П

СХВАТЫ
автоматических
манипуляторов
и
промышленных роботов
(демоверсия)

Справочно – методическое пособие

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. Основные виды схватов…………………………………………………………..4
2. Механические схваты……………………………………………………………..4
3. Механические схваты с дополнительными устройствами…………………16
4. Вакуумные схваты ……………………………………………………………….22
5. Магнитные и электромагнитные схваты………………………………………35
6. Пневматические и аэродинамические схваты……………………………….45
7. Специальные схваты……………………………………………………………..50
7.1. Двухместные и многоместные схваты……………………………………….50
7.2. Схваты для длинных валов…………………………………………………….56
7.3. Схваты для деталей призматической формы………………………………59
7.4. Схваты для нежестких деталей……………………………………………….65
7.5. Схваты для деталей сложной формы……………………………………….68
8. Антропоморфные схваты………………………………………………………..75
9. Адаптивные схваты……………………………………………………………….82
10. Устройство для крепления и смены схватов……………………………….92
11. Рекомендации по проектированию схватов………………………………..98
11.1. Область применения различных видов схватов…………………………98
11.2. Расчет основных параметров схватов…………………………………….99
11.3. Привод схватов……………………………………………………………….107
11.4. Факторы, влияющие на конструкцию схвата……………………………..115
11.5. Последовательность проектирования схвата……………………………118
Литература

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня для автоматизации производственных процессов предприятию нет необходимости создавать автоматические манипуляторы и роботы, поскольку различные фирмы, и прежде всего японские, предлагают широкий спектр такого оборудования, которое способно выполнять широкий спектр как основных, так и вспомогательных операций. Однако, для зажима и транспортирования конкретной детали, заготовки, или сборочной единицы робот должен быть оснащен схватом, который, как правило, имеет оригинальную конструкцию, на выбор которой влияет большое количество факторов, учитываемых при его проектировании и. Основой создания оптимальной конструкции схвата является правильный выбор его вида механического, вакуумного, или атропоморфного, который определяется, прежде всего, формой, размерами и массой зажимаемого предмета. Для этого разработчику необходимо знать предпочтительную область применения основных видов схватов, зависящую от их конструктивных особенностей. Например, механические схваты целесообразно использовать для зажима цилиндрических и призматических деталей и заготовок, а вакуумные и магнитные для зажима плоских предметов, в то время как антропоморфные схваты, учитывая их сложность, обычно используют для зажима предметов неправильной формы. Однако, в условиях конкретного производства на создание конструкции схвата, чаще всего, влияют конкретные технические требования и ограничения, поэтому в данной работе приведено большое количество примеров конструктивного исполнения различных видов схватов способных отвечать конкретным требованиям задачи на проектирование.
Работа написана на основе одноименной статьи размещенной на сайте «методыпро-ектироваия.рф» и предназначена для студентов старших курсов машиностроительных университетов, а также молодых инженеров начинающих заниматься самостоятельным проектированием схватов для автоматических манипуляторов и промышленных роботов.

1. Основные виды схватов

Захватное устройство, применяемое в манипуляторах и роботах для зажима и удержания при транспортировании деталей и заготовок, в отличии от прочих зажимных устройств используемых в оборудовании и оснастке, принято называть схватом. Классификация схватов строится на основе типа зажимного механизма и включает их следующие основные виды:
− механические схваты,
− вакуумные схваты,
− магнитные и электромагнитные схваты,
− пневматические схваты,
− специальные схваты,
− антропоморфные схваты,
− адаптивные схваты.
При этом все основные виды схватов содержат два основных функциональных элемента механизм зажима и привод, или приводной элемент. Рассмотрим примеры конструктивного исполнения основных видов схватов

2. Механические схваты

Механические схваты получили наибольшее распространение благодаря соей относительной простоте и универсальности, поскольку могут осуществлять гарантированный зажим заготовок и деталей практически любой формы (цилиндрической, призматической, плоской и даже неправильной). Конструкция механического схвата состоит из следующих элементов: привод, механизм зажима звено, контактирующее с зажимаемым объектом (губки, призмы, эксцентрики и прочее), а также дополнительные устройства расширяющие технологические возможности схвата. В качестве привода механического схвата могут быть использованы, пневмо – гидроцилиндры и поворотники, а также зубчатые передачи приводимые в движение электродвигателем или гидромотором. В качестве механизма зажима в сватах этого типа могут использоваться клиновые, эксцентриковые и шарнирно – рычажные механизмы, а также зубчатые и винтовые передачи.
Рассмотрим примеры конструктивного исполнения механических схватов.

 

Рис 1 Конструкция механического схвата с эксцентрико – рычажным
механизмом зажима.

              На Рис 1 показана конструкция механического схвата с эксцентрико – рычажным механизмом зажима. Он содержит установленные на руке 1 манипулятора два кронштейна 2 расположенные параллельно друг другу, которые соединены посредствам стяжек 3, являющимися осями зажимных рычагов 4, опорные винты 7 которых посредствам пружины 5 находятся в постоянном контакте с рабочей поверхностью двухпрофильного эксцентрика 6, закрепленного на валу 8, при этом последний установлен в расточках кронштейнов 2, а с помощью шпоночного соединения жестко соединен с выходным валом ротора пневмоповортника 9, закрепленного на одном из кронштейнов 2. Для зажима детали 11 рычаги 4 оснащены зажимными губками 10, а эксцентрик 6, имеет две радиусные впадины 12 позволяющие увеличить угол разведения зажимных рычагов 4.
Работает схват следующим образом. В исходном положении зажимные рычаги 4 пружиной 5 разведены на максимальный угол, за счет того, что вал пневмоповоротника 9 повернул кулачок 6 в такое положение, при котором сферические головки опорных винтов 7 взаимодействуют с его радиусными впадинами 12. Для зажима заготовки 11 сжатый воздух подается в противоположную рабочую полость пневмоповоротника 9, что приводит к повороту его вала вместе с кулачком 6 по часовой стрелке (см. главный вид Рис. 1), который, взаимодействуя с опорными винтами 7, заставляет рычаги 4, преодолевая усилие пружины 5, поворачиваться вокруг осей 3 навстречу друг другу и зажимать заготовку губками 10.

В данном разделе полной версии книги приводится 13 примеров конструктивного исполнения механических схватов (см. Рис.в таб.)

3. Механические схваты с дополнительными устройствами

Для расширения технологических возможностей схвата, или оптимизации цикла работы манипулятора в конструкцию схвата встраиваются различные дополнительные устройства. Рассмотрим несколько примеров конструкции таких схватов.
На Рис 12 показана конструкция механического схвата, в котором дополнительное устройство, встроенное в его исполнительный механизм, позволяет кантовать зажатую заготовку. Он содержит зажимные рычаги 1 и 2 шарнирно установленные посредствам осей 3 и 4 на поворотном корпусе 5 механизма синхронизации зажимов 6, а также поворотный зубчато – реечный механизм 7. Поворотный зубчато – реечный механизм состоит из неподвижного корпуса 8 с цилиндрической стойкой 9, при этом в его горизонтальной расточке расположена гильза 10 со штоком – рейкой 11 имеющим два поршня 12 и 13, образующие рабочие полости Г и Д пневмоповоротника, при этом зубчатая рейка зацепляется с шестерней 14, закрепленной на выходном валу 15, установленным в вертикальной расточке корпуса 8 на подшипниках 28. Механизм синхронизации зажимных рычагов содержит двуплечий рычаг 16, жестко закрепленный на выходном валу 15 поворотного механизма, две направляющие скалки 17, 18 и подвижные скалки 19, 20 которые выполнены с пазами а и б для размещения в них соответствующих плеч рычага 16, и буртами Е, Ж для установки вилок 21, 22, связанных посредствам пальцев 23, 24 с зажимными рычагами 1 и 2. Поворотный корпус 5 механизма синхронизации зажимных рычагов установлен на цилиндрической части корпуса 9 с возможностью поворота и снабжен фиксатором выполненным в виде подпружиненного плунжера 25, контактирующего с лунками 26, 27 выполненными на наружной цилиндрической поверхности стойки корпуса 9 под углом 180 град. друг к другу. На верхнем конце вала 15 установлены упоры 29 управляющие автоматическим циклом работы схвата.

Рис 12 Конструкция механического схвата, со встроенным устройством,
позволяющим кантовать зажатую заготовку.

          Работает схват следующим образом. При подаче сжатого воздуха в рабочую полость Г поворотного механизма шток – рейка 11 перемещается вправо и вращает шестерню 14 вместе с валом 15 и закрепленным на нем поворотным рычагом 16, который взаимодействует со скалками 19, 20, а последние посредствам вилок 23, 24 поворачивает зажимных рычаги 1, 2 зажимающие заготовку 30. В это время поворотный корпус 5 остается неподвижным, поскольку удерживается от поворота фиксирующим плунжером 25. После зажима рычагами 1, 2 заготовки 29 движение штока – рейки 11 продолжается, но поскольку зажимные рычаги 1, 2 дальше двигаться не могут, то система включающая пальца 23, 24 вилки 21, 22, скалки 19, 20, 17, 18. рычаг 16, вал 15 и шестерню 14 превращается в единое целое со стойкой корпуса 9 и последняя, выдавливая плунжерный фиксатор 25, поворачивается вместе с заготовкой 29 зажатой рычагами 1, 2 на угол 180 град., после чего фиксатор 26 входит в лунку 27 в стойке корпуса 9. Для разведения зажимных рычагов 1, 2 и освобождения заготовки 26 сжатый воздух подается в рабочую полость Д поворотного механизма схвата. При дальнейшем движении штока – рейки 11 происходит поворот схвата в противоположном направлении и его возврат в исходное положение, после чего фиксатор 25 вновь входит в лунку 26 и фиксирует положение корпуса 9.

В данном разделе полной версии книги приводится 5 примеров конструктивного исполнения механических схватов с дополнительными устройствами (см. Рис. в таб.)

4. Вакуумные схваты

           Вакуумный схват состоит из присоски или комплекта присосок, каждая из которых закреплена на штанге, установленной в кронштейне на руке манипулятора с возможностью осевого перемещения, при этом внутренняя полость вакуумной присоски, контактирующая с заготовкой соединяется с источником разряжения (вакуумным насосом или эжекторным устройством). Благодаря простоте конструкции вакуумный схват, после механических схватов, наиболее широко используется в автоматических манипуляторах и промышленных роботах. Широкое применение схваты этого типа находят, прежде всего, при транспортировании плоских заготовок из листа. Однако существует ряд конструктивных схем вакуумных схватов позволяющих осуществлять зажим и транспортирование заготовок и деталей имеющих неплоскую форму. Рассмотрим варианты конструктивного исполнения различных типов вакуумных схватов.
Существенное упрощение конструкции вакуумного схвата может быть достигнуто при создании вакуума во внутренней полости присоски без дополнительных источников. Пример конструкции такого вакуумного схвата показании на Рис 20.

Рис 20 Конструкция вакуумного схвата в котором вакуум создается без использования внешних источников

         Он содержит укрепленный на руке манипулятора 2 корпус 1, выполненный в виде полого цилиндра и оснащенный присоской 4 закрепленной на его нижнем конусном конце с помощью гайки 3, а в его центральном отверстии установлена штанга 5, цилиндрическая часть 6 которой зафиксирована относительно корпуса 1 посредствам пружины сжатия 7 и шайбы 8. Кроме того на штанге 5 выполнены цапфы 11, посредствам которых она шарнирно соединена с вилкой 10 двуплечего рычага 9, противоположное плечо которого с помощью ролика 13 может взаимодействовать с неподвижным упором 14. В штанге 5 выполнено центральное отверстие 15, которое через обратный клапан 16 соединено с внутренней полостью присоски 4. В верхней части штанги 5 установлена плоская пружина 17, контактирующая с шариком 20 обратного клапана 16 и внутренним краем стакана 18, поджатого пружиной 19. Стакан 18 удерживается на штанге 5 при помощи штифта 21, будучи при этом подвижным в осевом направлении.
Работает схват следующим образом. При движении руки манипулятора 2 вниз присоска 4 соприкасается с заготовкой 22 и одновременно ролик 13 рычага 9 начинает взаимодействовать с неподвижным упором 14. При дальнейшем движении руки 2 вниз на расстояние h присоска, упираясь в заготовку 22, деформируется, при этом воздух находящийся в ее внутренней полости удаляется в атмосферу через отверстие и обратный клапан 16 поднимая его шарик 20. Одновременно корпус 1 опускается на расстояние h1 и поворачивает рычаг 9, который, взаимодействуя посредствам вилки 10 с цапфами 11 со штангой 5, опускает последнюю на расстояние h2, вдвигая ее в полость присоски 4 и сжимая пружину 7. В результате этого вилка 10 рычага 9 переместится на величину             h = h1 + h2. В конце хода руки 2 обратный клапан 16 закрывается. Затем рука 2 двигается вверх и штанга 5 под действием пружины 7 выводит свою цилиндрическую часть 6 из внутренней полости присоски 4, создавая в ней еще большее разряжение, и увеличивая тем самым усилие захвата заготовки 22. Далее штанга 5, продолжая движение вместе с рукой 2, окончательно выходит из внутренней полости присоски 4 и удерживается, при этом, шайбой 8, создавая максимальное разряжение во внутренней полости присоски 4. Сброс заготовки 22 осуществляется при взаимодействии стакана 18 с упором 23, что приводит к тому, что плоская пружина 17 смещает шарик 20, соединяя, таким образом, внутреннюю полость присоски 4 с атмосферой через отверстие 15 в штанге 5

В данном разделе полной версии книги приводится 10 примеров конструктивного исполнения вакуумных схватов (см. Рис. в таб.)

5. Магнитные и электромагнитные схваты.

           Магнитные и электромагнитные схваты создают усилие необходимое для удержания переносимого предмета за счет действия магнитных сил, которые формируются либо постоянными, либо электрическими магнитами. Поэтому схваты такого типа могут быть использованы для работы только с магнитными материалами и прежде всего со стальными заготовками и деталями, что естественно сужает область их применения по сравнению с механическим и вакуумными схватами, но зато магнитные сваты, обладая более высокой жесткостью, чем вакуумные из – за отсутствия присосок, позволяют повысить точность позиционирования переносимого предмета, и могут работать без дополнительных устройств с заготовками имеющими сквозные отверстия, но они требуют включения в конструкцию схвата дополнительных устройств, для разъединения постоянного магнита с переносимым предметом.

Рис 26 Конструкция магнитного схвата для кассетирования плоских ферромагнитных заготовок.

          На Рис 26 показана конструкция магнитного схвата для кассетирования плоских ферромагнитных заготовок. Он содержит корпус 1с хвостовиком 2, с помощью которого он крепится к руке робота, зажимные губки 3 и 4, шарнирно установленные в корпусе 1 посредствам осей 5, привод 6, установленный на корпусе 1, а также магнитную систему и трафарет установленные на губках. Система магнитов состоит из двух пар постоянных магнитов 10, 11 и 12, 13, каждая из которых расположены на внутренней поверхности зажимных губок 3 и 4, симметрично продольной оси схвата, причем магниты 10 и 11 обращены друг к другу разноименными полюсами , также как и магниты 12 и 13, при этом, магниты 10 и 12, 11 и 13, расположенные на противоположных губках обращены друг к другу одноименными полюсами. Такое расположение полюсов магнитов позволяет создавать суммарное магнитное поле, способное отрывать от потока только одну заготовку, которая при этом втягивается в межполюсное пространство но не притягивается ни к одному из магнитов. Сбоку магниты 10 и 11 закрыты стенкой 14, выполненной из ферромагнитного материала и имеющей «ключ ориентации» выполненный в виде прямоугольного выступа 15 по свей высоте межполюсного про-странства, а боковая поверхность магнитов 12 и 13 закрыта плоской стенкой 16, также выполненной из ферромагнитного материала. Вместе стенки 14 и 16 образуют трафарет соответствующий объему стопы правильно ориентированных заготовок. На каждой губке схвата установлены ограничители высоты в виде немагнитной скобы 17, высота установки которой регулируется с помощью винтов 18. Поток первично сориентированных заготовок из листового ферромагнитного материала подлежащих кассетированию движется по лотку 7, а правильно сориентированные заготовки 21 укладываются роботом в кассету 23.
Работает схват следующим образом. Схват перемещается роботом на позицию захвата и останавливается в определенном положении над лотком 7, по которому перемещается поток первично ориентированных заготовок 21, положение которых соответствует заданному и заготовки 22, положение которых не соответствует заданному. Как только движущаяся по лотку 7 заготовка окажется в зоне магнитной системы схвата, правильно ориентированная заготовка, паз которой совпадает с выступом 15 в стенке 14, под действием сил магнитного поля, отрывается от потока «всплывает» и занимает свое место между парами магнитов 10, 11 и 12, 13. Следующая правильно ориентированная заготовка вслед за первой также отрывается от потока и «всплывает», а в результате действия сил магнитного потока и сил взаимодействия заготовок из ферромагнитного материала находящихся в межполюсном пространстве первая заготовка поднимается, а вторая занимает ее место. Процесс наполнения схвата правильно ориентированными заготовками, находящимися в распушенном состоянии (см. Рис 26 вид А) продолжается до тех пор, пока верхняя деталь не достигнет ограничителя стопы 17. Все неправильно ориентированые заготовки 22 в межполюсное пространство схвата не попадают поскольку выборка выполненная в них не совпадает с выступом 15 в стенке 14 и они продолжают дальнейшее движение по лотку 7. После заполнения схвата правильно ориентированными заготовками подается команда и рука робота переносит схват в зону разгрузки затем подается команда на раскрытие зажимных кубок 3 и 4 схвата, что приводит к уменьшению магнитного воздействия на заготовки и они под действием собственного веса падают в кассету 23 (см. Рис. 26 Вид Б). После этого рука робота возвращает схват в исходное положение и процесс формирования стопы заготовок продолжается.

В данном разделе полной версии книги содержится 9 примеров
конструктивного исполнения магнитных и электромагнитных схватов (см. Рис. в таб.)

6. Пневматические и аэродинамические схваты

             Пневматические схваты содержат расширяющиеся или изгибающиеся захватные элементы, выполненные в виде камер из эластичного материала, например резины, изменение размера (объема) которых, при подаче в их внутреннюю полость сжатого воздуха, обеспечивает зажим детали. Вместо камер из эластичного материала пневматические схваты могут оснащаться упругими пластинами, которые под действием струи сжатого воздуха меняют свое положение и таким образом фиксируют деталь в схвате. Преимуществами пневматических схватов являются:
− возможность захвата предметов практически любой формы и размеров,
− возможность захвата нежестких предметов,
− отсутствие подвижных быстроизнашиваемых соединений,
− отсутствие необходимости в приводе в виде пневмо – гидроцилиндров, пневмо – гидроповротников, электродвигателей и гидромоторов.
Недостатками пневматических схватов являются:
− низкая точность базирования предмета зажатого в схвате,
− невысокое быстродействие схвата,
− невозможность развивать большое усилие зажима

Рис 44 Конструкция многоместного пневматического схвата c комплектом зажимных элементов выполненных в виде эластичных цилиндрических камер

            На Рис 44 показана конструкция многоместного пневматического схвата c комплектом зажимных элементов, выполненных в виде эластичных цилиндрических камер, позволяющих осуществлять захват деталей прямоугольной формы со ступенчатой верней плоскостью. Он состоит из плиты 1, жестко закрепленной на руке робота и корпуса 2 установленного с возможностью вертикального перемещения в центральном отверстии плиты 1, при этом в корпусе 2 выполнен вертикальный канал 3 и соединенная с ним горизонтальная система каналов 4 для подвода сжатого воздуха к захватным элементам, а также имеется система вертикальных расточек, расположенных в шахматном порядке в которых расположены пальцы 5. Каждый палец 5 имеет эластичную оболочку 6, образующую полость, которая посредствам канавки 7 и каналов 8 и 9 выполненных в пальце соединена с каналом 4 выполненном в корпусе 2.
Работает схват следующим образом. Корпус 2 схвата опускается на предмет 10 подлежащий захвату и его пальцы 5 встречаются с этим предметом, в результате чего часть из них упирается в его верхнюю ступенчатую поверхность и поднимается относительно корпуса 2 вверх таким образом, что проточка 7 рассоединяется с каналом 4 для подвода сжатого воздуха, в результате этого они уже не участвуют в захвате предмета 10 схватом. После окончания опускания корпуса 2 в вертикальный канал 3 подается сжатый воздух, который по системе горизонтальных каналов 4 в корпусе 2, проточке 7 и каналам 8 и 9 в пальцах 5 попадает в полость между пальцем и эластичной оболочкой 6, которая при этом раздувается и предмет 10 оказывается зажатым между оболочками 6 пальцев 5.Далее зажатый схватом предмет переносится роботом в требуемую позицию.

В аэродинамических схватах удержание детали подлежащей транспортированию манипулятором, осуществляется потоком сжатого воздуха, который воздействует на де-таль установленную на штанге через сопла расположенные под углом. На Рис 45 показана конструкция аэродинамического схвата, предназначенного для деталей типа колец, втулок, или фланцев. Он содержит закрепленную на корпусе 1 штангу 2, имеющую цен-тральное отверстие, которое соединяющееся с расположенными равномерно по периметру отверстиями 3 выполненными под углом α. Работает схват следующим образом. Штанга 2 вводится в отверстие детали 4 подлежащей транспортированию, после чего сжатый воздух подается в ее центральное отверстие и выходит через наклонные отверстия 3. В результате воздействия потока воздуха на нижней торец детали 4 она удерживается на штанге 2 схвата.

Рис. 45 Конструкция аэродинамического схвата

В данном разделе полной версии книги содержится примеры
конструктивного исполнения пневматических и
аэродинамических хватов (см. Рис. в таб.)

7. Специальные схваты

            В условиях реального промышленного производства автоматические манипуляторы могут использоваться для зажима и переноса с позиции на позицию деталей и заготовок имеющих специфическую форму, различные размеры и малую жесткость, также возникает необходимость одновременного переноса нескольких объектов, что требует создания специальных схватов , учитывающих предъявляемые к ним специфические требования и ограничения. К специальным схватам относятся:
− двухместные и многоместные схваты,
− схваты для длинных валов (L > 5D),
− схваты для деталей призматической формы
− схваты для нежестких деталей,
− схваты для деталей сложной формы

Рис 66 Конструкция схвата для деталей сложной формы из толстолистового проката

             На Рис 66 показана конструкция схвата для деталей сложной формы из толстолистового проката. Он содержит закрепленную на руке манипулятора опорную плиту 1 с ложементами 2 и 3 для базирования зажимаемой детали 17, силовой блок, состоящий из двух гидроцилиндров 4 и двух исполнительных механизмов, выполненных в виде сдвоенного шарнирного многозвенника с зажимными губками 10. Каждый шарнирный многозвенник состоит из тяги 6 шарнирно соединенных посредствам осей 7 со штоком 5 гидроцилиндра 4, а также с ведущим плечом двуплечего рычага 8, который посредствам оси 7 шарнирно установлен на плите 1, а на его ведомом плече посредствам оси 12 шарнирно установлена зажимная губка 10, ведущее плечо которой с помощью оси 13 соединено с коромыслом 9, которое шарнирно установлено на плите 1 с помощью оси 11. Плита 1 схвата с помощью болтов 14 закреплена на кронштейне 15, который посредствам своего фланца 16 монтируется на руке манипулятора (рука манипулятора на Рис 66 не показана).
Работает схват следующим образом. Перед захватом детали схват подводится манипулятором таким образом, чтобы рабочие поверхности базирующих ложементов 2 и 3 совпадали с соответствующими поверхностями детали 17, после чего масло под давлением подается в поршневые полости силовых гидроцилиндров 4, в результате этого их штоки 5 выдвигаются. Это перемещение штоков с помощью тяг 6 преобразуется в качательное движение двухплечих рычагов 8, которые на осях 7 поворачиваются навстречу друг другу. Такое движение рычагов 8 приводит к тому, что зажимные губки 10 начинают совершать сложное движение, которое состоит из переносного вращательного движения вместе с рычагами 8 и относительного качательного движения, сообщаемого им за счет шарнирного соединения их ведущих плеч с коромыслами 9. В результате этого, зажимные губки 10 также поворачиваются навстречу друг другу, что в конечном итоге приводит к зажиму детали 17. После этого деталь 17 переносится манипулятором в требуемую позицию, где устанавливается, после этого производится разжим схвата, для чего масло под давлением подается в штоковые полости силовых гидроцилиндров 4, их штоки 5 втягиваются и возвращают исполнительный механизм схвата вместе с зажимными губками 10 в исходное положении

В данном разделе полной версии книги содержится 21 пример
конструктивного исполнения специальных
схватов (см. Рис. в таб.)

8. Антропоморфные схваты

Основным недостатком всех рассмотренных видов схватов, при всех их преимуществах является ограниченная область применения. Так, например, механические схваты наиблее эффективны для зажима деталей правильной формы (цилиндрических и призма-тических), вакуумные и магнитные схваты эффективны для зажима плоских деталей и т. д. А для зажима деталей сложной и особенно неправильной формы, как правило, приходится создавать оригинальные конструкции схватов, которые, обычно, эффективны для зажима одной, или узкого диапазона аналогичных деталей. Поэтому для зажима широкого спектра деталей без смены схвата манипулятора (промышленного робота), несмотря на значительную сложность конструкции, применяются антропоморфные схваты, которые включают три, или пять подвижных пальцев и тем самым в определенной степени копируют кисть руки человека.

Рис. 70 Конструкция трехпалого антропоморфного схвата промышленного робота.

          На Рис. 70 показана конструкция трехпалого антропоморфного схвата промышленного робота. Он содержит основание 1, с которым шарнирно соединены три пальца, каждый из которых включает также шарнирно соединенные между собою звенья 2 – 5, при этом в осях шарнирных соединений размещаются цанговые зажимы 6, которые состоят из корпуса 13, а установленными в его центральном отверстии электромагнитом 14 и шариком 15. Цанга смонтирована таким образом, что каждое последующее звено, например звено 3, крепится к ней жестко, а каждое предыдущее звено, например звено 2, может свободно вращаться вокруг оси. На рабочей поверхности цанги 6 находится втулка 7, к которой жестко посредствам ступенчатой шайбы 8 крепится большая звездочка 9, а на самой втулке 8 ступица 10 малой звездочки 11, образуя блок звездочек, который может вращаться на незатянутой цанге 6. Вращательное движение от сервопривода(ов), установленного(х) на основании 1, передается звеньям 2 – 5 пальцев схвата посредствам зубчатых колес 17 и 18 цепных передач, включающих звездочки 9 и 11, а также цепь 12. Разжим лепестков 16 цанги 6 осуществляется шариком 15, который притягивается при включении электромагнита 14, а сведение лепестков осуществляется при отталкивании шарика 15 пружиной 19.
Работает схват следующим образом. Перед зажимом предмета электромагниты 14 включаются и производят разжим лепестков 16 цанги 6, которые фиксируют втулку 7, со звездочками 9 и 11, при этом выбирается такое усилие магнитов 14 при котором в шарнирных соединениях звеньев 2 – 5 пальцев схвата создается момент сопротивления, исключающий провисание пальцев и их движение под действием собственно веса и сил инерции, при перемещении схвата рукой робота к месту расположения зажимаемого предмета. Затем включается сервопривод(ы) и движение посредствам зубчатых колес 17 и 18 цепных передач, включающих звездочки 9 и 11, а также цепь 12 передается звеньям 2 – 5 пальцев схвата. При этом, то звено которое уже коснулось зажимаемого предмета, пре-кращает движение, поскольку натяг цангового зажима не велик, но блок звездочек 9 и 11, вместе с втулкой 7, данного шарнирного соединения, продолжает вращаться и сообщает движение остальным звеньям этого пальца до момента их соприкосновения с зажимаемым предметом. Таким образом, все звенья пальцев схвата плотно облегают зажимаемый предмет. После этого все электромагниты 14 включаются с максимальным усилием и надежно фиксируют объект в схвате робота. Далее предмет транспортируется рукой робота в место разгрузки. Для разжима пальцев схвата сервопривод(ы) вращают зубчатое колесо(а) 17 в противоположном направлении, и его вращение через зубчатое колесо 18 и цепные передачи поворачивает звенья 2 – 5 пальцев схвата в обратном направлении и они отходят от предмета освобождая его.

В данном разделе полной версии книги содержится 5 примеров
конструктивного исполнения антропоморфных
схватов (см. Рис. в таб.)

9. Адаптивные схваты

       Рассмотренные конструкции схватов применяются в составе манипуляторов и промышленных роботов для транспортирования заготовок и деталей установка которых допускает погрешность 0, 5 – 2,0 мм, а для более точного их базирования в приспособлениях в которые они устанавливаются предусматриваются дополнительные элементы типа ловителей. Однако при выполнении ряда технологических операций, например сборки деталей, сопряжение поверхностей которых выполняется с зазорами 5 – 20 мкм, необходимо обеспечение точности их взаимного расположения в пределах 3 – 15 мкм, что невыполнимо без оснащения схвата дополнительными устройствами. В таком случае схват оснащается сканирующим устройством, осуществляющим после переноса детали в позицию сборки, автопоиск положения обеспечивающего совпадения ее спрягаемых поверхностей с ответными поверхностями базовой детали с требуемой точностью, обеспечивающей их собираемость. Такие схваты называются адаптивными, а оснащаться они могут сканирующими устройствами с механическим, пневматическим и электромагнитным приводом. Рассмотрим несколько примеров конструктивного выполнения адаптивных схватов.
На Рис 77 показана конструкция адаптивного схвата с электромагнитным сканирующим устройством. Он содержит плиту 1, которая посредствам пластин 2 закреплена на руке 3 манипулятора, а в центральном отверстии плиты 1 установлен штанга 4, на нижнем конце которой закреплен схват, а верхний коней крепится к диску 5, имеющему три выступающих лепестка, разделенные пазами в форме секторов и подпружиненному к кольцу 6 посредствам трех пружин 7, а на самом кольце 6 равномерно по окружности расположены две группы электромагнитов 10 и 14, установленные в корпусах 8 изготовленных из диэлектрического материала, например текстолита. Якоря 9 электромагнитов 10 одной группы прикреплены к диску 6 и расположены внутри пружин 7, а к якорям прикреплены тросики 11, подпружиненные коническими пружинами 12 относительно корпусов 8 электромагнитов 10. Якоря 13 электромагнитов 14 другой группы подпружинены цилиндрическими пружинами 15 относительно кольца 6 и со стороны каждого электромагнита 14 соединены с наклонными к оси схвата тросиками 16, которые пропущены в отверстия полых стержней 17 и сквозь электромагниты 14. На верхних торцах стержней 17 установлены пьезоэлектрические кольца 18 соединенные с системой управления схватом, а обмотки электромагнитов 10 и 14 соединены с питающим напряжением. На нижнем конце штанги 4 установлен зажимной механизм 19 схвата, удерживающий деталь 20

Рис 77 Конструкция адаптивного схвата с электромагнитным сканирующим устройством.

         Работает адаптивный схват следующим образом. Манипулятор позиционирует схват с зажатой в нем деталью 20 над отверстием базовой детали 21 установленной в сборочном приспособлении, и затем сближает собираемые детали до соприкосновения их торцев. При совпадении осей вала 20 и отверстия в детали 21 происходит сборка. Если же оси собираемых деталей не совпадают, то при их контакте на устанавливаемую деталь 20 начинают действовать силы и изгибающие моменты, которые деформируют пружины. 7, 12 и 15, и возникающие при этом усилия воздействуют на пьезоэлектрические кольца 18, которые вырабатывают при этом электрические сигналы пропорциональные величине этих усилий. Эти электрические сигналы обрабатываются системой управления манипулятора, в результате чего на обмотки групп электромагнитов 10 и 14 подается напряжение соответствующей величины, что приводит к пропорциональному втягиванию их якорей 9 и 13, которые воздействуя на упругую систему разворачивают схват с деталью 20. Например при включении обмотки электромагнита 10 происходит втягивание его якоря 9 и последующий разворот диска 5 относительно кольца 6 вокруг точки А, находящейся в плоскости диска 5. При включении обмотки электромагнита 14 происходит втягивание его якоря 13, что приводит к уменьшению усилия прижатия наклонного стержня 17, контактирующего с данным электромагнитом и цилиндрические пружины 15 других наклонных стержней 17, стремясь уменьшит угол наклона между плитой 1 и торцами наклонных стержней 17, а также между последними и корпусами 8 электромагнитов 14 и разворачивают кольцо 6 совместно с диском 5 относительно плиты 1 вокруг точки В ( точки пересечения осей наклонных стержней 17). Разворот детали 20 вместе со схватом вокруг точек А и В позволяет осуществить сложное пространственное движение, которое позволяет детали 20 без заклинивания войти в отверстие базовой детали 21.

В данном разделе полной версии книги содержится 6 примеров
конструктивного исполнения адаптивных схватов (см. Рис. в таб.)

 

10. Устройства для крепления и смены схватов

        Автоматический манипулятор и промышленный робот могут использоваться для транспортирования различных по форме и размерам деталей, заготовок и сборочных единиц, зажим которых одним схватом бывает невозможен, поэтому смена схвата становится насущно необходимой. При этом время на ее проведения должно быть сведено до минимума, что налагает на конструкцию места стыка руки манипулятора и схвата, а также на способ их крепления определенные условия, основными из которых являются удобство доступа, надежность крепления, однозначность положения схвата после его смены и быстросемность. Для этого ГОСТ 26063 – 81 предусматривает на торце руки манипулятора для крепления схвата базовый фланец и резьбовыми отверстиями, центральное центрирующее отверстие, а также центрирующее отверстие определяющее угловое положение схвата (см. Рис. 81). При этом схват должен иметь ответные элементы для его точного базирования и крепления к руке манипулятора.

Рис 82 Конструкция автоматического стыкового устройства для крепления механического схвата на руке манипулятора.

       Для обеспечения высокого быстродействия при смене схвата место его соединения с рукой манипулятора оснащается дополнительными устройствами позволяющими автоматизировать процесс смены. На Рис 82 показана конструкция автоматического стыкового устройства для крепления механического схвата на руке манипулятора. Оно содержит закрепленный на руке манипулятора 2 корпус 1, выполненный в виде цилиндрической колонны с фланцем, на нижнем торце которого закреплен корпус 3 пневмоцилиндра с поршнем 4, а во внутренней расточке колонны корпуса 1 расположен сепаратор 5 с шариками 6 размещенными в его радиальных отверстиях 7, при этом, в центральном отверстии сепаратора 5 расположена с возможностью вертикального перемещения штанга 8, закрепленная на корпусе 1, на нижнем конце которой, выполнена коническая поверхность 9, переходящая в цилиндрический хвостовик 10 меньшего диаметра. Механизм фиксации схвата выполнен в виде двух втулок 11 и 12 , подпружиненными одна относительно другой посредствам пружины 13, при этом втулка 11 соединена с сепаратором 5 посредствам комплекта штырей 14, расположенных в окнах 15 корпуса 1, а втулка 12 выполнена с кольцевой конической поверхностью 16, образующей с внутренней полостью корпуса 3 пневмоцилиндра клиновую щель. В этой щели размещены шарики 17, которые как в сепараторе установлены в пазах 18 поршня 4 пневмоцилиндра и поджаты пружинами 19. В коническом гнезде 20 корпуса 1 располагается конический хвостовик 21 схвата 22 при его фиксации на руке манипулятора, при этом в хвостовике 21 выполнена центральная расточка 23 в которую входит сепаратор 5 с шариками 6, а последние взаимодействуют с кольцевой канавкой 24, выполненными в стенке хвостовика 21 схвата. Для угловой ориентации схвата при его креплении на руке манипулятора на нижнем торце корпуса 3 пневмоцилиндра установлен штифт 26, а на ответной поверхности схвата 22 выполнен радиальный паз 25. Для подвода сжатого воздуха в поршневую 28 и штоковую 27 полости пневмоцилиндра в корпусах 1 и 3 выполнены соответствующие каналы (каналы для подвода сжатого воздуха на Рис 80 не показаны).

            Работает стыковочное устройство для автоматического крепления схвата следующим образом. Для захвата хвостовика 21 схвата 22, рука 2 манипулятора перемещается сверху вниз к магазину, где он находится в ориентированном положении. В конце движения руки манипулятора хвостовик 21 схвата 22 входит в гнездо 20 корпуса 1, а штифт 26 в радиальный паз 25, при этом поршень 4 расположен внизу, а шарики 6 контактируют с цилиндрической поверхностью 10 штанги 8, несколько выступая при этом за пределы наружной поверхности сепаратора 5, поэтому последний легко входит в расточку 23 хвостовика 21, а шарики 6 размещаются в его кольцевой канавке 24. После этого сжатый воздух подается в штоковую полость 27 пневмоцилиндра и поршень 4 начинает перемещаться вверх, перемещая в том же направлении и втулку 11, вместе с которой посредствам штырей 14 вверх перемещается сепаратор 5 с шариками 6. При упоре шариков 6 в коническую поверхность гнезда 20 корпуса 1, движение сепаратора 5 и втулки 11 прекращается, а втулка 12 сжимая пружину 13 продолжает движение, усилие которой через втулку 11, штыри 14, сепаратор 5 и шарики 6 передается хвостовику 21 схвата 22, который при этом прижимается к конической поверхности гнезда 20 корпуса 1 с усилим развиваемым пружиной 13. После достижения поршнем 4 край- него верхнего положения подача сжатого воздуха в штоковую полость 27 пневмоцилиндра прекращается, давление в ней падает и под действием пружины 13 втулка 12 переме-щается вниз на некоторую величину (0,5 – 1,5 мм), при этом кольцевая коническая поверхность 16 втулки 12 воздействует на шарики 17 и последние заклинивают ее, относительно внутренней поверхности корпуса 3 пневмоцилиндра. Таким образом, происходит фиксация положения и зажим хвостовика 21 схвата 22.  Для освобождения хвостовика схвата сжатый воздух подается в поршневую полость 28 пневмоцилиндра, в результате чего его поршень 4 перемещается вниз. При этом верхние стенки пазов 18 поршня 4 упираются в шарики 18 и выталкивают их из клиновой щели образованной конической кольцевой поверхностью 16 втулки 12 и внутренней поверхностью корпуса 3 пневмоцилиндра, освобождая таким образом втулку 12. При дальнейшем движении поршень 4 упирается в верхний торец втулки 12 и перемещает ее вниз, вместе со втулкой 11, сепаратором 5 и шариками 6, а последние при этом освобождают хвостовик 21 схвата 22. В конце хода вниз сепаратор 5 упирается в дно расточки 23 хвостовика 21 и выталкивает последний из гнезда 20 корпуса 1, освобождая при этом схват 22
В условиях серийного производства манипулятор, работающий в составе комплекса оборудования автоматического действия, или автоматической линии, зачастую обеспечивает подачу в его рабочую зону нескольких деталей, например при сварке сборочной единицы состоящей из базовой детали и нескольких более простых деталей привариваемых к ней. При этом, подаваемые детали обычно сильно рознятся по форме и габаритам, что делает невозможным использование для их гарантированного зажима одного схвата, даже если он способен работать в широком диапазоне размеров зажимаемых деталей. В этом случае манипулятор оснащается не только механизмом для автоматической смены схвата, но и магазином, или кассетой со сменными схватами.

В данном разделе полной версии книги содержится 2 примера
конструктивного исполнения устройств для смены
схватов (см. Рис. в таб)

11. Рекомендации по проектированию схватов

11. 1 Область применения различных видов схватов

              Перед разработкой конструкции схвата разработчик должен выбрать его вид (механический, вакуумный и т. д.), для чего нужно знать область его оптимального применения, которая учитывает основные преимущества и недостатки конкретного вида схвата.
              Механические схваты обладают широкой областью применения, но оптимальным образом подходят для надежного зажима и последующего транспортирования манипулятором цилиндрических и призматических деталей, и заготовок, для чего их зажимные рычаги оснащаются соответствующими губками, которые помимо зажима обеспечивают надежное удержание при перемещении зажатого предмета, т. е. способны воспринимать вертикально и горизонтально направленные нагрузки, порождаемые инерцией предмета, которые действуют на них. При этом для обеспечения надежного задержания переносимого предмета в качестве ведущего звена механизма зажима используются самотормозящиеся клинья и эксцентрики (см. Рис. 1, 2). Однако такой привод механизма зажима обеспечивает ограниченную величину разведения зажимных губок схвата, поэтому для его увеличения используются механизмы содержащие шарнирный четырехзвенник, приводимый червячной передачей (см. Рис. 6). Для зажима деталей имеющих призматическую форму используется механизм зажима позволяющий получить поступательное движение зажимных губок (см. Рис.4 и Рис. 56 – 60). Для за-жима длинных валов механический схват оснащается нескольким комплектами (обычно двумя) зажимных рычагов с губками (см. рис. 11, 53 – 55). Механические схваты могут оснащаться дополнительными конструктивными элементами позволяющими сообщать зажимаемому предмета дополнительные перемещения поворот, или сдвиг в осевом направлении (см. Рис. 16 – 19), а также осуществлять зажим деталей имеющих сложную формы (см. Рис.64 – 67) и нежестких деталей (см. Рис. 61 – 63).
  Вкуумные схваты оптимальным образом подходят для зажима и транспортирова-ния плоских деталей и при этом имеют гораздо более простую конструкцию, чем механические схваты, поскольку их механизм зажима выполнен в виде вакуумной присоски (см. Рис. 20), или комплекта присосок (см. Рис. 26). При введении в конструкцию вакуумного схвата дополнительных конструктивных элементов он может осуществлять ориентацию зажимаемой детали (см. Рис. 24) и зажим деталей со ступенчатой, или криволинейной на-ружной поверхностью (см. Рис. 28, 29).
         Магнитные и электромагнитные схваты по конструкции и принципу работы аналогичны вакуумным, поэтому оптимальным образом подходят для зажима и транспортирования плоских деталей (см. Рис. 31, 36), но только из магнитного материала (обычно стали). При оснащении этих схватов дополнительными конструктивными элементами они могу осуществлять выравнивание и центрирование положения зажатой детали (см. Рис. 39, 40), а также осуществлять зажим крупногабаритных деталей из листового прката (см. Рис. 41)
Пневматические схваты оптимальным образом подходят для зажима и переноса малогабаритных легких деталей типа колец, шайб и втулок из любого материала (см. Рис. 41), и при этом, имеют наиболее простую конструкцию из всех видов схватов. Но при оснащении пневматических схватов дополнительными зажимными элементами, например эластичными камерами в форме щупальцев, или в виде цилиндрических (сферических) эластичных оболочек , они могут осуществлять зажим деталей призматической формы.
Антропоморфные схваты ввиду своей сложности и необходимости прграммируе-мого управления ими применяются для зажима и транспортирования предметов непра-вильной формы с ограниченными габаритными размерами и массой (см Рис. 68). Однако при оснащении пальцев антропоморфного схвата эластичными элементами (см. Рис. 71) и тактильными датчиками (см. Рис. 72) они способны осуществлять зажим хрупких предме-тов неправильной формы, например типа электрической лампочки, что делает их в ряде случа незаменимыми.
Адаптивные схваты, также как и антропоморфные, имеют сложную конструкцию и обычно предусматривают наличие программируемой системы управления, поэтому применяются в основном в роботизированных сборочных комплексах для соединения деталей с зазорами 5 – 20 мкм, что не может быть осуществлено при использовании всех остальных видов схватов.

В данном разделе полной версии книги помимо области применения основных видов схватов содержатся:
− формулы для расчета основных параметров схватов,
− рекомендации по выбору привода схватов
− факторы, влияющие на конструкцию схвата,
− последовательность проектирования схвата

ЛИТЕРАТУРА

1. Игнатьев Н. П. Основы проектирования Азов 2011г
2. Игнатьев Н. П. Проектирование нестандартного оборудования Азов 2013г
3. Игнатьев Н. П. Проектирование механизмов Азов 2015г
4. Игнатьев Н. П. Схваты автоматических манипуляторов и промышленных роботов. Статья размещенная на сайте «методыпроектирования.рф»
5. Игнатьев Н. П. Механизмы зажима. Электронный вариант справочно – методического пособия, размещенный на сайте «методыпроектирования.рф»
6. Козырев Ю. Г. Захватные устройства и инструменты промышленных роботов Из-во КНОРУС Москва 2010г
7. Челпаков И. Б. Схваты промышленных роботов Л, : Машиностроение 1989г
8. Яхимович В. А. Ориентирующие механизмы сборочных автоматов М, : Машино-строение 1975г.

Полная версия книги содержит 119 страниц (формата А4) текста и 100 рисунков различных видов схватов с подробным
описанием их конструкции и работы

Для приобретения полной версии книги сбросьте ее в корзину

Стоимость полной верстиикгниги 500руб