Захватные устройства промышленных роботов

Захватное устройство (захват) промышлен­ного робота предназначено для захватывания предмета обработки и удержания его в про­цессе перемещения. Вид захвата определяется формой, размером, массой и свойствами за­хватываемого предмета обработки, а также специфическими требованиями технологиче­ского процесса.

В зависимости от принципа действия за­хваты делят на механические (работают по принципу зажима с удержанием детали с по­мощью сил трения и запирающего действия рабочих элементов, а также по принципу ис­пользования выступающих частей рабочих элементов устройств в качестве опоры для де­тали), вакуумные (работают в результате сил, возникающих при разности давлений), маг­нитные (работают с помощью сил магнитного притяжения).

По числу рабочих позиций захваты всех ти­пов разделяют на однопозиционные (имеют одну рабочую позицию) и многопозиционные (имеют несколько рабочих позиций).

Захватные устройства изготовляют не­сменными и сменными (требуют малого вре­мени для смены, могут заменяться автомати­чески).

Для загрузки металлообрабатывающих станков, как правило, используют механиче­ские зажимные устройства. Кроме закрепления заготовки эти устройства выполняют функции ориентации, центрирования предмета обработ­ки.

Узкодиапазонные захватные устройства при переналадке обеспечивают возможность закрепления детали за поверхность с размера­ми, включающими соседние меньшие значения ряда: 1; 4; 12; 32; 63; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500 мм. Эти захваты обычно выпол­няют на базе клиновых и рычажных механиз­мов.

Широкодиапазонные захваты обладают возможностью закрепления без переналадки деталей с размерами, включающими соседние меньшие значения указанного выше ряда. Эти захваты выполняют обычно с использованием реечных и зубчатых передаточных механиз­мов.. Они имеют более широкие технологиче­ские возможности, чем узкозахватные. Меха­нические захваты используются для загрузки станков деталями типа тел вращения или ко­робчатой формы.

Широкое применение находят многопози­ционные (многоместные) захватные устрой­ства. При наличии на руке робота двух захва­тов цикл загрузки-разгрузки оборудования сокращается. Во время обработки детали ро­бот захватывает заготовку для обработки и смещается на максимально близкое расстоя­ние к рабочей зоне. После окончания обработ­ки ПР свободным захватным устройством за­хватывает обработанную деталь и после пово­рота устанавливает заготовку в приспособле­ние станка. Во время обработки новой заго­товки робот укладывает обработанную деталь в тару или на тактовый стол. В результате со­вмещения вспомогательных переходов с рабо­той станка время загрузки может сократиться в 2-3 раза. Современные захватные устрой­ства помимо захватов для удержания загото­вок имеют захваты для смены инструмен­тальных головок или блоков.

Промышленные роботы обычно комплек­туют набором типовых захватных устройств. Часто при переходе на обработку другой дета­ли меняют не сам захват, а его сменные рабо­чие элементы (призмы, губки и т. д.).

К захватным устройствам предъявляют следующие требования: надежность захваты­вания и удержания объекта во время разгона и торможения подвижных элементов ПР, точ­ность базирования заготовки в захвате, недо­пустимость повреждения или разрушения предмета обработки, прочность при малых га­баритных размерах и массе. Особое внимание должно быть обращено на проверку допу­стимых для данного захватного устройства сил, моментов (см. табл. 6), нагрузок на места крепления (табл. 8, 9).

При частой смене заготовок или при обс­луживании одним ПР нескольких станков за­хватные устройства должны обеспечивать воз­можность работы с заготовками с размерами, формой и массой в широком диапазоне. В этом случае наиболее приемлемыми явля­ются широкодиапазонные захватные устрой­ства. В некоторых случаях возникает необхо­димость применения захватных устройств с автоматической сменой их. Требование бы­строй смены захватного устройства и его эле­ментов часто является важным, так как во­сполняет недостаток подвижности самого ПР и позволяет более полно использовать робот в роботизированном процессе.

Расчет механических захватных устройств включает проверку на прочность деталей за­хвата. Кроме того, необходимо определить си­лу привода захватного устройства, силу в местах контакта заготовки и губок, проверить отсутствие повреждений поверхности заготов­ки или детали при захватывании, возможность удержания захватом, заготовки (детали) при манипулировании, особенно в моменты резких остановок.

Соотношение между силой Р привода, си­лами F на губках или моментом М на губках захватного устройства определяют из условий статического равновесия. Так, для захвата с рычажным механизмом, показанным на рис. 7, из условия ΣF = 0 в точке С имеем

Из условия ΣМ=0 относительно точки A следует

где η — КПД механизма.

При известном моменте М сила привода

где М_j — момент сил на губке; b — плечо ры­чага; n — число губок (обычно n = 2).

Данный захват обладает эффектом само­блокировки, так как рычаг проходит через «мертвое» центральное положение.

Для захватного устройства с клиновым ме­ханизмом сила привода (рис. 8)

где р — приведенный угол трения, учитываю­щий сопротивление осей рычагов (при осях на подшипниках качения р = 1°10'; на подшипни­ках скольжения — р = 3°); n — число губок за­хвата (обычно n = 2); η = 0,95 - КПД шарни­ров; β = 4 ÷ 8° — угол клина.

Для захватов с симметричным расположе­нием губок при М₁ = М₂ = М сила привода

В некоторых случаях удобным оказывается метод расчета, основанный на определении ра­боты при малых перемещениях. Применяя этот метод к расчету захватного устройства с реечным механизмом (рис. 9), получим

откуда — Здесь ω — угловая скорость звена 1; R — радиус зубчатого сектора; V_Св — вертикальная скорость в точке С, равная скорости в точке А.

Для рассмотренного на рис. 9 захвата сила привода может быть определена также через наибольший момент Mj:

где m_c - модуль зубчатого сектора; r_с -полное число зубьев сектора; η - КПД рееч­ной передачи.

Для захватных устройств, показанных на рис. 10, соотношения между силами Р и F следующие:

Если захватное устройство имеет несколь­ко губок, то сила захвата на каждой губке  - для схемы, приведенной на рис. 11, a; R₁ = (l + c)/l · Q; R₂ = c/l · Q — для схемы, приведенной на рис. 11,б.

Силы захватывания, которые требуются для удержания заготовки в процессе ее пере­мещения,

где m — масса заготовки; g - ускорение сво­бодного падения; К₁ — коэффициент безопас­ности, значения которого зависят от условия применения ПР и расположения других эле­ментов РТК; K₁ = 1,2÷2,0; К₂ - коэффици­ент, зависящий от максимального ускорения А, с которым робот переметает заготовку, закрепленную в его захвате; К₂ = 1 + А/g; К₃ — коэффициент передачи, зависящий от конструкции захвата и расположения в нем заготовки.

Например, для двухшарнирного захвата (рис. 12)

здесь dx — малое перемещение привода; dΘ — соответствующее малое перемещение губки (угловое).

Так как R₂ = R₁ + mg, в предельном случае при Р = P_min имеем R₁=0; R₂ = mg, причем

где R₁ и R₂ — силы, действующие на губки.

Тогда

Таким образом, для данной конструкции захвата К₃ =1/2. В табл. 10 приведены значения К₃ для различных относительных расположений захвата и заготовки.

Сила захватывания для схемы, приведен­ной на рис. 13, а,

где R_n — реакция от расчетной нагрузки на n-й захват; a₁, а₂ — углы  контакта  заготовки с губкой.

Сила захватывания для схемы, приведен­ной на рис. 13,б,

где N_i — нормальная сила для i-й точки кон­такта; F_i — сила трения в i-й точке контакта; R_n — реакция на n-й захват от расчетной на­грузки; а_i — угол контакта поворотной центри­рующей или призматической губки с заготов­кой для i-й точки контакта; μ — коэффициент трения губки захвата о деталь; для незакаленных губок без насечки (стали 45, 50) μ = 0,12÷0,15; для закаленных губок в виде гребенки с острой насечкой (стали 65 Г, 60С2, У8А,  У10А)  при твердости  HRC ≥ 55 μ = 0,3 ÷ 0,35.

Для плоскопризматических губок (рис. 13, в) сила захватывания

где N₁ и N₂ – нормальные силы; F₁ и F₂ — силы трения; а₁ = 90º — угол между сила­ми R_n и N₁; а₂ — угол между силами R_n и N₂; R_n = R₂ - реакция от расчетной нагрузки на i-й захват.

Для плоских губок (рис. 13, г) силы за­хватывания

где N₁, N₂ — нормальные силы, F₁, F₂ — силы трения.

Силы захватывания для схемы нагружения показанной на рис. 13,д,

где N_i — нормальная сила для i-й точки контакта; F_i — силы трения, a₁ = 180° — a₂₃; a₂ = 180º - a₁₃; а₃ = 180° - a₁₂, а₁₂, a₂₃, a₁₃ — углы соответственно между силами N₁ и N₂, N₂ и N₃, N₁ и N₃.

Момент удерживающий заготовку в захва­те относительно точки подвеса поворотной за­жимной губки,

где a_i, с_i — расстояния от точки подвеса до i-й точки контакта (рис 14); k - число точек кон­такта; верхнее значение знака при с_i соответ­ствует точке контакта, лежащей вне оси подве­са губки.