ПОРТАЛЬНЫЙ РОБОТ БЕЛЯЕВА Н.П. Российский патент 1997 года по МПК B25J5/04 

Изобретение относится к роботостроению, а более конкретно к портальным работам преимущественно для дуговой сварки крупногабаритных судовых корпусных конструкций.

Известен робот [1] который принят в качестве прототипа. Он содержит рельсовый путь, портал, жестко связанный с двумя каретками, каждая из которых расположена на соответствующем рельсе и имеет две роликовые опоры, тележку с манипулятором, расположенную на портале с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению рельсового пути, электроприводы кареток, синхронно связанные по принципу электрического вала, зубчатые рейки, прикрепленные к рельсам, две группы направляющих элементов, размещенных на одной из кареток спереди и сзади и контактирующих посредством роликов с боковыми поверхностями головки рельса, а также систему программного управления роботом.

Это устройство имеет один недостаток: при эксплуатации возможно возникновение перекосов портала за счет рассогласования электрического вала (от неравномерности инерционных нагрузок на каретки при остановках, от импульсных помех, от накопленных погрешностей в шаге зубчатых реек и т.п.). Этот перекос будет восприниматься направляющими элементами, вызывая противоположно направленные горизонтальные реакции на направляющий рельс, что будет вызывать дополнительное сопротивление передвижению портала, а следовательно, перерасход электроэнергии и преждевременный износ направляющих элементов и рельса.

Задача изобретения улучшение эксплуатационных характеристик.

Задача решается таким образом, что в известном устройстве [1] содержащем рельсовый путь, портал, жестко связанный с двумя каретками, каждая из которых расположена на соответствующем рельсе, и имеет две роликовые опоры, по крайней мере одну тележку с манипулятором, расположенную на портале с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению рельсового пути, электроприводы кареток, синхронно связанные по принципу "электрического вала". Зубчатые рейки, прикрепленные к рельсам, две группы направляющих элементов, размещенных на одной из кареток спереди и сзади, а также систему программного управления, согласно изобретению, ролики направляющих элементов, расположенных с одной стороны рельса, подпружинены к его боковой поверхности упругими элементами с датчиками деформации.

При этом наличие датчиков деформации, например, тензометрических датчиков, взаимодействующих с деформацией упругих деталей (торсионов) направляющих элементов, позволяет системе программного управления своевременно обнаруживать появление перекоса и устранять его перемещением одной из кареток в сторону (+) или (-) перед синхронным запуском электродвигателей кареток (электрического вала). Этим самым ограничиваются, в пределах чувствительности датчиков деформации (перекоса), величина противоположно направленных реакций направляющих элементов а головку рельса и сокращается сопротивление перемещению портала, в следовательно, износ направляющих элементов и рельса, а также сокращается расход электроэнергии, т.е. улучшаются эксплуатационные характеристики портала. Кроме этого, устраняются погрешности траектории сварочной горелки вызываемые перекосами.

На фиг.1 упрощенно показана схема четырехопорной конструкции портального робота, где A, B, C, и D опоры портала; c-c "зазор" между опорой и рельсом, состоящий из погрешности портала ±h₁, и погрешности рельсового пути ±h₂; E точка, делящая отрезок C-D пополам; F - зона перемещения проекции центра тяжести системы; на фиг.2 портальный робот сверху; на фиг.3 вид на портальный робот по фиг.2 со стороны опор C и D; на фиг.4 принципиальная гидравлическая схема соединения гидродомкратов; на фиг.5 вид на портальный робот по фиг.2 со стороны опор A и B; на фиг.6 разрез K-K, взятый с фиг.5; на фиг.7 узел 1, взятый с фиг. 5 для направляющего элемента 14 (изображение повернуто); на фиг. 8 тот же узел для направляющего элемента 15 (изображение повернуто); на фиг. 9 структурная схема системы управления; на фиг.10 алгоритм работы системы программного управления по проверке наличия перекоса и его устранения; на фиг.11 схема включения датчиков перекоса и логика ее работы; на фиг. 12 функциональная схема синхронного привода в направлении X для электродвигателей постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем при симметричном управлении.

Pобот содержит портал 1, который имеет возможность перемещаться по рельсам 2 и 3 на двух жестко связанных с ним каретках 4 и 5 (фиг.2). Каретка 4 опирается на две роликовые опоры 6 при помощи двух гидродомкратов 7 (фиг.3). Рабочие камеры гидроцилиндров одностороннего действия 7 сообщаются трубопроводом 8 (фиг.4) через дроссель 9. Для заполнения гидросистемы к трубопроводу 8 через обратный клапан 10 подсоединен насос 11 и бак 12 с рабочей жидкостью.

Каретка 5 (фиг.5) опирается на две жестко связанные с ней роликовые опоры 13 контактирующие с верхней поверхностью головки рельса 2. С боковыми поверхностями головки рельса 2 контактируют ролики направляющих элементов 14 и 15 (фиг.2). Рельс 2 является направляющим по оси "x" и имеет обработанные боковые поверхности головки.

К кареткам 4 и 5 прикреплены по одному кронштейну 16, с которым соединен, с возможностью поворота на вертикальной оси, привод 17, выходной вал которого имеет шестерню, входящую в зацепление с зубчатой рейкой 18, прикрепленной к рельсу (фиг.6). Привод 17 прижимается к зубчатой рейке пружиной 19, размещенной в кронштейне 20, прикрепленном к каретке. Усилие прижатия регулируется винтом 21. Привод 17 имеет датчики обратной связи по положению и по скорости (с системой программного управления), электрические автоматические тормозы и устройства, устраняющие боковые зазоры в зубчатых зацеплениях.

Направляющий элемент 14 (фиг.7) представляет собой жестко закрепленную на каретке 5 ось, на которой сидит ролик 22 с возможностью вращения и контактирующий с боковой поверхностью головки рельса. Направляющий элемент 15 (фиг. 8) с таким же роликом 22, контактирующим с другой боковой поверхностью головки рельса, размещен с возможностью поворота, в каретке 5. Внутри направляющего элемента 15 размещен торсион 23, нижний квадратный конец которого соединен с элементом 15, а верхний квадратный конец с рычагом 24. На торсионе размещен датчик деформации (перекоса) 25, взаимодействующий с деформацией торсиона на кручение (например, наклеиваемый тензометрический датчик). Усилие прижатия ролика 22 к рельсу регулируется болтом 26.

На портале 1 размещена с возможностью перемещения в направлении Y (фиг. 1) тележка 27, на которой смонтирован манипулятор 28 с несколькими степенями подвижности.

Привод тележки (не показан) имеет датчики обратной связи положению и по скорости с системой программного управления и устройства, устраняющие люфт в передачах.

Система управления роботом (фиг. 9) содержит систему программного управления 29, систему обеспечения процесса сварки 30 и пульт управления и программирования 31.

Система программного управления обеспечивает запрограммированное управление приводами потала (координаты x₁, x₂ и ± перекос), тележки (координата Y) и манипулятора (по всем координатам) с обратной связью.

Каждый привод состоит из электродвигателя 32, редуктора 33, датчика скорости 34, датчика положения 35 и связан с системой программного управления через усилительно-преобразовательные устройства 36, а также цифровой связью 37 с системой обеспечения процесса сварки 30 и пультом управления и программирования 31.

Система обеспечения процесса сварки 30 обеспечивает запрограммированное управление работой сварочного оборудования: сварочной горелки 38, источника сварочного тока 39, механизма подачи электродной проволоки 40, устройства циркуляционного охлаждения 41 и системы подачи защитного газа 42, а также имеет обратную связь по сварочному току (реле тока 43), по циркуляционному охлаждению, по защитному газу (реле давления 44) и по подаче электродной проволоки (датчик скорости 34).

Портальный робот работает следующим образом. При перемещении портала в направлении "X" моменты от инерционных нагрузок при разгоне и торможении передаются на каретку 5, т.к. она жестко соединена с роликовыми опорами, а на каретку 4 не передаются, т.к. она реакции опор С и D передает на роликовые опоры 6 через гидродомкраты 7, рабочие полости которых сообщаются трубопроводом 8 с регулируемым дросселем 9, поэтому реакции С и D будут выравниваться и компенсировать погрешности портала h₁ и рельса h₂. При резком торможении или разгоне и сопротивлении трубопровода 8 близком к нулю, могут возникать в портале крутильные колебания, при которых рабочая жидкость будет периодически перетекать из одного гидродомкрата в другой, для их гашения дроссель 9 должен быть отрегулирован на оптимальное сопротивление, при котором на рабочих (сварочных) скоростях обеспечивается компенсация погрешностей портала и рельсового пути, а при динамических нагрузка гасятся крутильные колебания.

Сварочная горелка 38 перемещается манипулятором 28 по запрограммированной траектории с заданной скоростью, она имеет, по крайней мере, два сенсорных датчика 45,3 связанных обратной связью 46 с системой программного управления 29, что дает возможность корректировать траекторию горелки с учетом погрешностей изделия.

Система обеспечения процесса сварки управляет технологией сварки; включает циркуляционное охлаждение сварочной горелки, подает в заданных точках траектории защитный газ, электродную проволоку, зажигает дугу, регулирует напряжение и силу сварочного тока, прерывает дугу при сварке прерывистых швов, заваривает кратер, гасит дугу и выключает газ при окончании сварного шва. По окончании сварки изделия выключает циркуляционное охлаждение.

Система программного управления при движении по оси X работает по алгоритму, приведенному на фиг. 10. Условимся, что при перекосе (+) каретка 5 опережает каретку 4, при этом возникают горизонтальные реакции, спереди на направляющий элемент 14, сзади на направляющий элемент 15, для устранения перекоса при неподвижной каретке 5 следует передвинуть каретку 4 вперед до устранения перекоса. При перекосе (-), наоборот, при неподвижной каретке 5 передвинуть каретку 4 назад для устранения перекоса.

Тензометрические датчики 25, наклеенные на торсионы 23 представляют собой резисторы R3 спереди и R6 сзади (фиг.11), изменяющие свое сопротивление в зависимости от деформации торсиона. Они включаются в измерительный мост R1, R2, R3 (спереди) и R4, R5, R6 (сзади), в одну диагональ которого включена батарея питания, а с другой снимается напряжение, зависящее от деформации торсиона. Потенциометры R1, R4 служат для балансировки моста (устанавливается нулевое напряжение при отсутствии перекоса). На выходе каждого моста включен усилитель (или компаратор) А1, А2, логическая схема, соответствующая алгоритму по фиг. 10. Элементы R1^oCR6 и А1, А2 размещены на каретке 5, а логическая схема в вычислительном устройстве программы управления.

В функциональной схеме (фиг.12) приняты следующие обозначения: ВУ - вычислительное устройство, ПКВИ преобразователь кода во временной интервал, СС схема синхронизации. РИ распределитель импульсов, ТП транзисторный преобразователь, 32 электродвигатель 33 кинематическая связь датчиков, 25 датчик перекоса, 35 датчик положения, m управляющий сигнал (несколько разрядов и знаковый сигнал), Q широтно-импульсный сигнал, ТК1-ТК4 сигналы управления транзисторными ключами, сигналы Х1, Х2 от датчиков положения соответствуют структурной схеме фиг. 9, сигналы Х3, Х4, Y2, Y3 соответствуют логической схеме фиг.11.

Работа логической схемы поясняется таблицей.

Использование: роботостроение. Сущность изобретения: портальный робот, содержащий рельсовый путь, портал, жестко связанный с двумя каретками. Каждая из кареток расположена на соответствующем рельсе и имеет две роликовые опоры. Робот содержит, по крайней мере одну тележку с манипулятором, расположенную на портале с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном рельсовому пути. Имеются электроприводы кареток, зубчатые рейки, прикрепленные к рельсам, две группы направляющих элементов, размещенных на одной из кареток спереди и сзади. Робот имеет систему программного управления. В каждой паре направляющих элементов один из роликов имеет упругий элемент, прижимающий ролик к боковой поверхности рельса. Соответствующие датчики, связанные с системой программного управления, измеряют деформацию упругих элементов. 12 ил.

Портальный робот, содержащий рельсовый путь, портал, жестко связанный с двумя каретками, каждая из которых расположена на соответствующем рельсе и имеет две роликовые опоры, по крайней мере одну тележку, расположенную на портале с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном к направлению рельсового пути, манипулятор, расположенный на тележке, электроприводы кареток, выходные валы которых установлены с возможностью взаимодействия с зубчатыми рейками, расположенными на рельсах, две пары направляющих элементов, размещенных на одной из кареток спереди и сзади и имеющих ролики, находящиеся в контакте с боковыми поверхностями рельса, а также систему программного управления, отличающийся тем, что в каждой паре направляющих элементов один из роликов снабжен упругим элементом, установленным с возможностью взаимодействия с осью упомянутого ролика и с возможностью регулирования прижатия ролика к боковой поверхности рельса, а также датчиками деформации упругих элементов, связанными с системой программного управления.