Поворотный привод звена резонансной механической руки

Поворотный привод звена резонансной механической руки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения, роботостроения и может применяться для перемещения заготовок или деталей между технологическим оборудованием. Особенно эффективно применение устройства для обслуживания высокопроизводительного оборудования, например, в холодной листовой штамповке, а также при выполнении технологических операций укладки изделий в тару.

По типу привода предлагаемое устройство относится к цикловым приводам колебательного, маятникового, резонансного типа с рекуперацией механической энергии (см. «Манипуляционные системы роботов» под ред. Корендясева А.И. - М.: Машиностроение, 1989, с.216-263). В данных устройствах используется безударный способ позиционирования, позволяющий значительно повысить быстродействие и снизить энергозатраты механизмов (см. Патент РФ №992126 «Способ позиционирования подвижного исполнительного органа», Сысоев С.Н., Черкасов Ю.В., опубл. БИ №4, 1983 г.).

Известны приводы звена механической руки (см. Бабицкий В.И., Ковалева А.С. «Оптимальное управление в резонансных манипуляционных системах», М.: Наука, журнал Машиностроение», 1986, №2, с.21; журнал «Станки и инструмент», Акинфиев Т.С., Бабицкий В.И., Кондратьев B.C., Юрченков М.Ф. «Быстродействующий резонансный манипулятор», М.: Машиностроение, №2, 1986, с.9-11), в которых звено механической руки подпружинено в корпусе привода в среднем положении и представляет собой маятник. Фиксация его в крайних положениях на жесткие упоры производится при скорости его перемещения, близкой к нулю.

Недостатком данных устройств являются ограниченные функциональные возможности в связи с наличием только двух обслуживаемых позиций.

Известны приводы звена механической руки, в которых увеличено число обслуживаемых позиций путем установки промежуточных фиксаторов-защелок (см. Болотин Л.М., Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Цикловые роботы с аккумуляторами энергии. Основы построения привода. - Станки и инструмент. 1984, №4, с.7-10), а также посредством установки нескольких аккумуляторов энергии (см. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Цикловые роботы с аккумуляторами механической энергии. Многопозиционные системы с одной и несколькими степенями подвижности. - Станки и инструмент. 1984, №6, с.4-8).

Недостатками данных устройств являются наличие при позиционировании исполнительного органа на жесткий упор удара второго рода, а также низкая надежность позиционирования, ограничивающие возможность повышения быстродействия данных механизмов.

Известен привод (см. Патент РФ №1664546 «Модуль линейного перемещения промышленного робота», Сысоев С.Н., Черкасов Ю.В.), в котором используется способ позиционирования (см. «Станки и инструмент» И.Н. Егоров, С.Н. Сысоев, Ю.В. Черкасов «Способ позиционирования исполнительного органа», М.: Машиностроение, №7, 1988, с.7-8), позволяющий повысить его быстродействие за счет того, что при подходе к точке позиционирования звено механической руки подхватывается устройством фиксации и принудительно выводится в требуемое положение, нагружаясь при этом.

Данное устройство состоит из звена механической руки, установленного в корпусе с возможностью перемещения по направляющим и подпружинено в среднем положении. Устройство позиционирования на жесткие упоры в крайних положениях звена механической руки выполнено в виде гибких лент, один конец которых кинематически связан с кареткой, а другой с корпусом и имеют возможность прилегания в крайних положениях каретки к плоской магнитной плите.

Недостатком данного устройства является трудность реализации звена механической руки поворотного типа, значительное влияние устройств позиционирования на динамические процессы устройства, ограничивающие быстродействие, а также ограниченное (две) число обслуживаемых позиций.

Наиболее близким по технической сущности из известных является поворотный привод звена резонансной механической руки (см. патент РФ, №2065354, Сысоев С.Н., Черкасов Ю.В., Глушков А.А., Трофимов М.М., МПК B 25 J 18/00, 9/12, БИ №23, 1996 г.). Привод содержит корпус с установленными на нем упорами крайних положений поворотного звена. Привод поворотного звена выполнен в виде маятника и снабжен устройством позиционирования. Принудительный вывод в требуемое положение и фиксация звена производится путем использования магнитных полей постоянных магнитов, установленных как на подвижном звене, так и в обслуживаемых позициях. Недостатком данного устройства является трудность реализации промежуточных обслуживаемых позиций.

Применение в данном устройстве известных устройств позиционирования (см. А.С. №901013 «Устройство фиксации подвижного исполнительного органа» Сысоев С.Н., Черкасов Ю.В., БИ №4, 1982 г.; Патент РФ №1137674 «Устройство фиксации подвижного исполнительного органа» Сысоев С.Н., Черкасов Ю.В, 1993; Патент РФ №1263093 «Устройство фиксации подвижного исполнительного органа» Сысоев С.Н., Черкасов Ю.В, 1986 г.) для получения промежуточных обслуживаемых позиций труднореализуемо и не дает требуемого технического результата.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение функциональных возможностей поворотного быстродействующего привода звена резонансной механической руки путем увеличения обслуживаемых позиций.

Анализ работы приводов поворотного звена резонансной механической руки показал, что для всех ситуаций их работы с промежуточными точками позиционирования существует следующая закономерность физических явлений: при подходе звена к обслуживаемой зоне его угловая скорость снижается до «безударной», а в самой зоне становится равной нулю, что приводит к соответственному характеру изменения центробежных сил. Найденные функционально-физические связи можно использовать в качестве информационного потока для управления работой устройства позиционирования. Кроме этого при создании высокоэффективной структуры устройства в целом необходимо стремиться к симбиозу максимального количества информационных и энергетических потоков (см. Сысоев С.Н. «Нахождение технических решений методом исследования функционально-физических связей» Тезисы доклада на 4-м международном конгрессе "Конструкторско-технологическая информатика 2000", Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2000, том 2, с.185-187).

Задача, поставленная изобретением, решается в поворотном приводе звена резонансной механической руки, включающем корпус с установленными на нем упорами, поворотное звено механической руки, выполненное в виде маятника и снабженное устройством позиционирования, на корпусе дополнительно установлены упоры промежуточных положений звена механической руки, а устройство позиционирования выполнено в виде фиксатора, установленного подпружинено с возможностью выдвижения в сторону упора в зоне позиционирования звена и фиксации его во втянутом положении на защелку, выполненную с возможностью кинематического взаимодействия в зоне позиционирования звена с кулачком-инерционной массой, установленной подпружинено в сторону центра поворота звена механической руки с возможностью перемещения относительно нее под действием центробежных сил.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что установка инерционной массы позволяет получать информацию о положении звена механической руки в процессе его перемещения, а также использовать ее механическую энергию для управления началом процесса работы устройства позиционирования. Применение в предлагаемом устройстве пружины в качестве привода перемещения фиксатора для выполнения функций принудительного вывода и фиксации механической руки в требуемом положении не ограничивает скоростные характеристики привода (максимальные угловые скорости достигают 1000 град. в секунду и выше). Установка дополнительных промежуточных упоров позволяет увеличить число обслуживаемых позиций, не ограничивая скоростные характеристики привода. Появляется возможность устанавливать аварийные промежуточные упоры с целью фиксации на них звена механической руки при возникновении внештатных ситуаций, что значительно повышает безопасность использования предлагаемого устройства.

Кроме этого, предлагаемое устройство позволяет производить коррекцию положения подвижного звена механической руки при применении способа динамического позиционирования подвижного исполнительного органа (см. «Способ динамического позиционирования подвижного исполнительного органа», Патент РФ №2074086, Сысоев С.Н., Трофимов М.М., МПК B 25 J 11/00, БИ №6, 1997 г.). При этом требуемое время нахождения рабочего органа в зоне обслуживания обеспечивается за счет динамических свойств подвижных звеньев, а предлагаемое авторами устройство корректирует его положение, повышая точностные характеристики.

Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию «новизна».

Предлагаемая конструкция поясняется фиг.1 и фиг.2 - поворотный привод звена резонансной механической руки соответственно в исходном положении и при движении звена механической руки.

Поворотный привод звена резонансной механической руки состоит из поворотного звена 1, шарнирно установленного в корпусе и подпружиненного пружинами 2. На корпусе установлены упоры 3 с возможностью кинематического взаимодействия с подпружиненными пружиной 4 фиксаторами 5 и установленного с возможностью выдвижения в сторону упора в зоне позиционирования звена 1 и фиксации его во втянутом положении на защелку 6. Защелка 6 выполнена с возможностью кинематического взаимодействия в зоне позиционирования звена 1 с кулачком-инерционной массой 7, установленной подпружинено пружиной 8 в сторону центра поворота звена 1 механической руки с возможностью перемещения относительно нее под действием центробежных сил. Кроме этого на поворотном звене 1 установлено устройство расфиксации 9, например электромагнит, кинематически связанное с фиксатором.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы поворотное звено 1 выводят в исходное положение (фиг.1). Так как угловая скорость звена 1 равна нулю, то инерционная масса 7 занимает под действием пружины 8 крайнее, наиболее близкое положение к центру поворота поворотного звена 1. Защелка 6 выведена из рабочего положения кулачком-инерционной массой 7 и не удерживает фиксатор 5. Фиксатор 5 находится в выдвинутом положении и, взаимодействуя с упором 3, фиксирует поворотное звено 1 в зоне обслуживания.

При подаче команды из системы управления (не показано) на перемещение поворотного звена 1 в требуемую зону обслуживания включается устройство расфиксации 9, которое перемещает фиксатор 5, кинематически разъединяя его с упором 3. При этом потенциальная энергия пружины 2 переходит в кинетическую энергию движения звена 1. Возникающие в результате движения центробежные силы перемещают кулачок-инерционную массу 7, освобождая защелку 6, которая начинает удерживать фиксатор 5 от его выдвижения пружиной 6. Выключается устройство расфиксации 9. После прохождения поворотным звеном 1 положения статического равновесия (фиг.2) начинается его торможение и кинетическая энергия переходит в потенциальную пружины 2. Уменьшение угловой скорости, а вместе с ней и центробежных сил приводит к перемещению пружиной 8 кулачка-инерционной массы 7 в направлении исходного положения. При выходе подвижного звена в требуемую зону обслуживания угловая скорость уменьшаются на столько, что кулачок-инерционная масса 7 выводит защелку 6 из зацепления с фиксатором 5. Пружина 4 выдвигает фиксатор 5, который, взаимодействуя с упором 3, принудительно выводит и фиксирует поворотное звено 1 в требуемом положении. Добавление энергии для компенсации потерь на диссипативные силы производится известными способами и устройствами подпитки энергии.

В случае возникновения внештатной ситуации, например, когда энергии привода будет не достаточно или больше, чем требуется для выхода звена механической руки в зону обслуживания, то фиксация ее все равно произойдет либо в других зонах обслуживания, либо на аварийный упор.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет увеличить число обслуживаемых позиций и повышает безопасность работы без снижения скоростных характеристик быстродействующего колебательного привода, что расширяет его функциональные возможности.

Работоспособность и эффективность предлагаемого устройства подтверждена моделированием и натурными испытаниями макета поворотного привода колебательного типа, общий вид которого показан на фиг.3.

Поворотный привод звена резонансной механической руки, включающий корпус с установленными на нем упорами, поворотное звено механической руки, выполненное в виде маятника и снабженное устройством позиционирования, отличающийся тем, что на корпусе дополнительно установлены упоры промежуточных положений звена механической руки, а устройство позиционирования выполнено в виде фиксатора, установленного подпружиненно с возможностью выдвижения в сторону упора в зоне позиционирования звена и фиксации его во втянутом положении на защелку, выполненную с возможностью кинематического взаимодействия в зоне позиционирования звена с кулачком - инерционной массой, установленной подпружиненно в сторону центра поворота звена механической руки с возможностью перемещения относительно нее под действием центробежных сил.