Захватное устройство

Захватное устройство (далее ЗУ) относится к мехатронным, «интеллектуальным» устройствам и предназначено для захвата и перемещения предметов любой формы при выполнении различных технологических операций, автоматизации высокоточных сборочных операций, требующих «очувствления» и визуальной информации.
Известен схват манипулятор (патент РФ № 2381892), который относится к робототехнике и может быть использован в машиностроении. Схват манипулятора содержит корпус, зажимные элементы, ходовые винты, кинематически связанные с ведущим и ведомыми коническими зубчатыми колесами и электродвигателем, закрепленным на корпусе. Ведущее коническое зубчатое колесо надето на вал электродвигателя. Ходовые винты расположены соосно в центральном отверстии ведомых конических зубчатых колес с возможностью осевого перемещения. Зажимные элементы закреплены на двух ходовых винтах. Ведущее и ведомые конические зубчатые колеса расположены в перпендикулярных плоскостях. Корпус снабжен крышкой, имеющей направляющий паз для движения зажимных элементов.
Недостатками данного схвата являются а) невозможность использования схвата в автоматическом режиме, поскольку отсутствуют средства измерения ширины раскрытия губок; б) невозможность контроля усилия, создаваемого зажимными элементами в связи с отсутствием у них контактных датчиков усилия, что в совокупности с неконтролируемым током двигателя может привести к повреждению зажимаемого предмета и к заклиниванию механизма схвата; в) низкая надежность схвата, связанная с высокой вероятностью заклинивания механизма при зажиме предмета; г) низкая безопасность использования схвата по отношению к окружающим объектам, обусловленная отсутствием средств контроля столкновений с ними при наведении и ориентации схвата на предмет; д) фиксированный узкий температурный диапазон работы схвата, обусловленный точностью изготовления направляющих пазов и рабочим температурным диапазоном двигателя, а также отсутствием средств поддержания рабочей температуры; е) низкая скорость выполнения технологических операций, связанная с отсутствием у оператора достаточной информации о ходе процесса захвата и необходимости дополнительных средств контроля.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является ЗУ (патент РФ № 118579), содержащее основной корпус, зажимные элементы (губки), связанные между собой зубчатой передачей, встроенную систему управления захватом. В промежуточном корпусе установлены: электромеханическая сборка, состоящая из бесколлекторного электродвигателя со встроенным датчиком Холла и планетарного редуктора; пара зубчатых колес, образующих согласующую зубчатую передачу, зубчатая рейка, имеющая два зубчатых венца с различными модулями и резьбу, участвующую в передаче винт-гайка. Зубчатые венцы рейки входят в зацепление с цилиндрическими зубчатыми секторами, жестко связанными с парой рычагов, вращающихся вокруг неподвижных осей, закрепленных в замыкающем корпусе, приводящими в движение губки для захватывания предметов; поступательное движение губок обеспечивается второй парой рычагов; на промежуточном корпусе закреплен датчик Холла, который измеряет угол поворота цилиндрического зубчатого колеса, входящего в зацепление с зубчатой рейкой, соответствующий ширине раскрытия губок. На контактной поверхности губок, а также на торце замыкающего корпуса со стороны губок, установлены датчики касания, дающие информацию о факте касания губкой предмета, о величине усилия в контакте и ориентации предмета относительно губок. На губках имеются пружинные контакты, обеспечивающие электрическую стыковку ЗУ со специализированным рабочим электроинструментом или контактами зарядного устройства. Около контроллера системы управления, электромеханической сборки и платы датчика Холла размещены резистивные нагревательные элементы и датчики температуры. На торце основного корпуса ЗУ расположен конусный фланец с электрическими соединителями для закрепления ЗУ. Между основным и замыкающим корпусами ЗУ встроен шестикомпонентный датчик сил и моментов, предназначенный для контроля сил и моментов, возникающих при работе с предметами при выполнении технологических операций. Телекамеры установлены на корпусе ЗУ по обе стороны плоскости хода губок и направлены в сторону губок для оценки положения и ориентации захватного устройства относительно захватываемого предмета. Рядом с телекамерами установлены осветители, по два на каждую камеру. Электрическая стыковка захватного устройства осуществляется электрическими соединителями, закрепленными на торце конусного фланца.
Данное ЗУ обладает следующими недостатками: а) отсутствие механизма ручного раскрытия в аварийной ситуации; б) необходимость поддержания точного взаимного расположения предмета и ЗУ с начала процесса захвата; в) низкой надежностью фиксации предмета, вследствие его удержания за счет усилия, создаваемого ЗУ только по одной оси координат, и соответствующих ему сил трения по другой оси координат; г) расположение электромеханической сборки бесколлекторного электродвигателя со встроенным датчиком Холла и планетарным редуктором через зубчатую передачу уменьшает плавность перемещения губок вследствие уменьшения диапазона регулирования скорости их перемещения, что увеличивает время операции захвата предмета.
Задачами предложенной полезной модели являются: а) повышение отказоустойчивости ЗУ введением в конструкцию механизма ручного аварийного раскрытия; б) понижение требований по точности взаимного расположения захватываемого предмета и ЗУ с момента начала процесса захвата за счет введения в конструкцию элементов, обеспечивающих предварительную фиксацию захватываемого предмета; в) увеличение надежности фиксации захватываемого предмета за счет создания зажимных усилий и соответствующих ему сил трения по двум осям координат; г) уменьшение времени операции захвата предмета увеличением плавности перемещения губок путем расширения диапазона регулирования скорости их перемещения за счет расположения статора и ротора бесколлекторного электродвигателя постоянного тока на оси ЗУ.
Задача повышения отказоустойчивости ЗУ решается введением в конструкцию механизма ручного аварийного раскрытия, для этого в конструкции предусмотрена возможность вращения ротора бесколлекторного электродвигателя постоянного тока вращением вручную вала, соединенного через предохранительную муфту и зубчатую цилиндрическую передачу с выходящим из корпуса ЗУ шестигранным валом.
Задача понижения требований по точности взаимного расположения захватываемого предмета и ЗУ с момента начала процесса захвата решается за счет операции предварительной фиксации, для этого на концах губок ЗУ установлены пассивные подпружиненные фиксаторы, которые через микропереключатели сигнализируют о прохождении захватываемого предмета в пространство между губками и предварительно фиксируют предмет вдоль оси ЗУ.
Задача повышения надежности удержания захватываемого предмета за счет создания усилий и соответствующих ему сил трения по двум осям координат решается использованием винтового механизма плоскопараллельного движения губок захватного устройства позволяющего обеспечивать зажимное усилие для удержания предмета по двум координатам, для этого ротор бесколлекторного электродвигателя постоянного тока передает вращение через шариковую направляющую винту с гайкой, которая, совершая поступательное движение, своими пазами, с входящими в них рычагами, приводит в движение губки, обеспечивающие усилие удержания предмета по одной оси координат, а на конце вращающегося винта через шаровую опору установлен шток, который, совершая поступательное движение, обеспечивает усилие удержания предмета по второй оси координат ЗУ.
Задача сокращения времени захвата предмета увеличением плавности перемещения губок вследствие расширения диапазона регулирования скорости перемещения решается уменьшением кинематической цепи между губками и ротором бесколлекторного электродвигателя постоянного тока расположением статора и ротора на оси ЗУ.
Предложено ЗУ, содержащее корпус с установленными в него статором и ротором бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, зажимные элементы (губки) с первой приводной парой рычагов и второй парой рычагов, обеспечивающих параллельное движение губок, резистивные нагревательные элементы для подогрева элементов ЗУ, датчик температуры для контроля работы нагревательных элементов, конусный фланец с электрическими соединителями для закрепления ЗУ, расположенный на торце основного корпуса ЗУ, встроенный шестикомпонентный датчик сил и моментов, телекамеру, направленную в сторону губок для оценки положения и ориентации ЗУ относительно захватываемого предмета, рядом с телекамерой установлен осветитель.
Существенными отличительными признаками предлагаемой полезной модели являются
- в конструкцию ЗУ введен механизм ручного аварийного раскрытия;
- на концах губок установлены пассивные подпружиненные фиксаторы, которые через микропереключатели сигнализируют о прохождении захватываемого предмета в пространство между губками и предварительно фиксируют предмет вдоль оси ЗУ,
- использован винтовой механизм плоскопараллельного движения губок ЗУ позволяющий обеспечивать зажимное усилие для удержания предмета по двум координатам, для чего ротор бесколлекторного электродвигателя постоянного тока передает вращение через шариковую направляющую винту с гайкой, которая совершая поступательное движение своими пазами с входящими в них рычагами, приводит в движение губки, обеспечивающие удержание предмета по одной оси координат, а на конце винта закреплен шток, который совершает поступательное движение по второй оси координат ЗУ;
- статор и ротор бесколлекторного электродвигателя постоянного тока с встроенным датчиком Холла, датчик скорости ротора бесколлекторного электродвигателя постоянного тока установлены вдоль оси корпуса ЗУ.
На фиг. 1 изображен продольный разрез в плоскости XZ.
На фиг. 2 изображены поперечные разрезы ЗУ.
На фиг. 3 изображен продольный разрез ЗУ в плоскости YZ.
На фиг. 4 изображен механизм аварийного раскрытия ЗУ.
ЗУ имеет в своем составе корпус 1, в который запрессован статор 2 бесколлекторного электродвигателя постоянного тока. Ротор 3 бесколлекторного электродвигателя постоянного тока установлен на валу 4, вращающемся на двух шариковых подшипниках 5. К корпусу 1 одной стороной присоединен внутренним фланцем датчик сил и моментов 6, предназначенный для контроля и ограничения допустимых сил и моментов, развиваемых ЗУ при касании захватываемого предмета. Другой стороной внутренний фланец датчика сил и моментов 6 соединен с корпусом 7, в котором установлены винт 8 и гайка 9 с пазами. Гайка 9, совершая поступательные движения через рычаги 10 входящие в пазы гайки и установленные на осях 11 и 12, приводит в движение губки 13 установленные на осях 14. На конце винта 8 через шаровую опору закреплен шток 15, который совершает поступательное движение вдоль координатной оси Z ЗУ. На губах 13 установлены микропереключатели 16, на контактную кнопку которых происходит нажатие упругими элементами 17, которые сигнализируют о касании губками захватываемого предмета, а также на губках установлены пассивные подпружиненные фиксаторы 18, фиксирующие предмет вдоль координатной оси Z ЗУ. На штоке 15 также установлены микропереключатели 16, на контактную кнопку которых происходит нажатие упругими элементами 19 при контакте штока с захватываемым предметом. Наружный фланец датчика момента соединен с корпусом 20. Коммутация обмоток статора 2 бесколлекторного электродвигателя постоянного тока осуществляется платой 21 контроллера привода по сигналам с платы 22 датчика положения ротора 3 бесколлекторного электродвигателя постоянного тока либо датчика скорости 23 ротора 3 бесколлекторного электродвигателя постоянного тока. Плата 22 датчика положения ротора 3 бесколлекторного электродвигателя постоянного тока выполнена на базе трех датчиков Холла, реагирующих на изменение магнитного поля вращающегося ротора. Информация о положении губок 13 снимается с датчика 24. Положение штока 15 через винт 8 и связанный с ним кулачок 25 через безлюфтовую зубчатую передачу 26 снимается с датчика 27 или дублирующего датчика 28. Усилие фиксации захватываемого предмета губками ЗУ определяется с помощью тензорезисторов 29, установленных на каждом из рычагов 10. Обработка сигналов от микропереключателей 16, тензорезисторов 29, датчика моментов и сил 6 осуществляется платами усилителя датчика момента 30 и платой процессора датчика момента 31. Встроенная система управления ЗУ содержит плату контроллера привода 21, плату обработки сигналов датчика скорости ротора 32, плату контроля питания 33, плату драйверов 34, плату интерфейсную 35. На корпусе 20 установлена телевизионная камера 36 со встроенным осветителем. Камера 36 установлена таким образом, что в процессе захвата предмета осуществляется визуальный контроль процесса захвата. Для контроля температуры статора 2 бесколлекторного электродвигателя постоянного тока на корпусе 1 и контроля работы элементов подогрева ЗУ при работе и хранении установлен датчик температуры 37. Для контроля температуры платы контроллера привода на корпусе 20 установлен второй датчик температуры 37. Информация от датчиков температуры поступает на плату контроллера привода 21. По сигналу датчиков температуры 37 происходит включение и отключение трех элементов обогрева 38, один из которых расположен между платой контроллера привода 21 и платой обработки сигналов датчика скорости ротора 32, другой установлен между платой контроля питания 33 и платой драйверов 34, а третий - между платой усилителя датчика момента 30 и платой процессора датчика момента 31. Включение и отключение элементов обогрева 38 осуществляется платой регулирования температуры 39, расположенной рядом с модулями питания 40 и 41. На боковой поверхности корпуса 20 захватного устройства расположен конусный фланец 42 с электрическими соединителями 43 и 44, с помощью которых осуществляется механическая и электрическая стыковка захватного устройства. Для раскрытия ЗУ в аварийной ситуации предусмотрена возможность вращения ротора 3 бесколлекторного электродвигателя постоянного тока путем вращением вручную вала 4, соединенного с выходящим из корпуса ЗУ шестигранным валом 45 (фиг. 4) через предохранительную муфту 46 и зубчатую цилиндрическую передачу 47. Управление ЗУ осуществляется от центрального контроллера всего изделия. Обмен командами и информацией между центральным контроллером и контроллером ЗУ реализуется по CAN сети, причем управление ЗУ при выполнении технологических операций может осуществляться в ручном, супервизорном, автоматическом режимах при соответствующем программном обеспечении и использовании информации от датчиков ЗУ.
Захватное устройство работает следующим образом. Перед началом работы центральный контроллер опрашивает датчик температуры платы управления ЗУ; в случае, если температура платы управления ниже рабочей, на нагревательные элементы подается напряжение. Опрос датчика температуры продолжается до достижения рабочей температуры, после чего происходит подача питания на все элементы ЗУ. Микропроцессорный контроллер платы управления загружается и опрашивает все температурные датчики ЗУ. По достижении рабочих температур всеми исполнительными
элементами, ЗУ готово к работе. Оператор, в ручном режиме работы, имея видеоизображение рабочей зоны от телекамеры, производит наведение и ориентацию ЗУ на захватываемый предмет. В процессе наведения и ориентации, при касании предмета любым элементом ЗУ шестикомпонентный датчик сил и моментов, после обработки данных платой, выдает в CAN сеть информацию о величине и направлении контактных сил и моментов. При касании предмета внутренней поверхностью губок либо торцевой поверхностью замыкающего корпуса, в том числе при зажиме губок, сигнал с датчиков касания обрабатывается соответствующей платой и в CAN сеть выдается информация о факте касания, величине контактного усилия и номере датчика касания. На основе этих данных оператор корректирует положение и ориентацию захватного устройства, а также управляющий сигнал, поступающий по CAN шине в микропроцессорный контроллер платы управления ЗУ, выдающий широтно-модулированный сигнал на статор бесколлекторного электродвигателя постоянного тока через усилитель с контролем фазного тока. С вала ротора бесколлекторного электродвигателя постоянного тока движение передается на передачу винт-гайка и преобразуется в прямолинейное движение штока, поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение пары рычагов. Вторая пара рычагов обеспечивает плоскопараллельное движение губок ЗУ.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является:
- повышение отказоустойчивости ЗУ введением в конструкцию механизма ручного аварийного раскрытия;
- понижение требований по точности взаимного расположения ЗУ и захватываемого предмета;
- повышение надежности удержания захватываемого предмета;
- сокращение времени захвата предмета.