Портальный робот

 

Использование: для дуговой сварки с помощью портального манипулятора крупногабаритных судовых корпусных конструкций. Два гидроцилиндра одностороннего действия размещены на каретке, при этом корпус цилиндра соединен с кареткой, а шток - с роликовой опорой. Рабочие полости цилиндров, передающие реакцию на опоры, обращены к каретке, а нерабочие полости сообщаются с атмосферой. 1 з.п.ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к роботостроению, а именно к портальным роботам преимущественно для дуговой сварки крупногабаритных судовых корпусных конструкций. Предлагаемое устройство может быть использовано и в других областях техники, например в транспортном машиностроении.

Известны подвижные конструкции на четырех жестких опорах: портальные и мостовые краны, крановые тележки, портальные роботы.

Известен робот, в котором мост на четырех жестких роликовых опорах перемещается по продольным балкам неподвижного портала и тележка также на четырех роликовых опорах перемещается по болтам моста.

Наиболее близким к изобретению является подвижный портал для робота, который принят в качестве прототипа. Он содержит портал, перемещающийся по рельсам в направлении Х на двух жестко связанных с ним каретках, каждая на двух роликовых опорах, тележку перемещающуюся по порталу в направлении Y, на которой смонтирован манипулятор с несколькими степенями подвижности, электроприводы кареток, работающие синхронно по принципу электрического вала, зубчатые рейки, прикрепленные к рельсам, две группы направляющих элементов, размещенные на одной из кареток спереди и сзади, и систему программного управления.

Недостаток всех этих четырехопорных конструкций заключается в неустойчивости, вызванной погрешностями конструкции h₁ и рельсового пути h₂ (см. фиг. 1), что приводит к качанию конструкции вокруг диагонали ВД при перемещениях манипулятора по осям Х, Y и ϕ , когда проекция центра тяжести системы переходит из заштрихованной части зоны F в незаштрихованную. Эти качания вызывают вибрации и неточности воспроизведения траектории инструмента робота (например, сварочной горелки), что может привести к браку. Поэтому в роботах такой конструкции предъявляются высокие требования к точности конструкции и рельсового пути, что приводит к удорожанию изготовления и монтажа.

Целью изобретения является повышение точности воспроизведения траектории инструмента манипулятора путем устранения неустойчивости четырехопорных конструкций.

Это достигается тем, что в портальном роботе, содержащем портал, перемещающийся по рельсам в направлении Х на двух жестко связанных с ним каретках, каждая на двух роликовых опорах, тележку, перемещающуюся по порталу в направлении Y, на которой смонтирован манипулятор с несколькими степенями подвижности, электроприводы кареток, работающие синхронно по принципу электрического вала, зубчатые рейки прикрепленные к рельсам, две группы направляющих элементов, размещенных на одной из кареток спереди и сзади и систему программного управления, имеются по крайней мере два гидравлических цилиндра, передающих две смежные (например, С и А или С и В) реакции портала на роликовые опоры, а рабочие камеры этих цилиндров сообщаются трубопроводом. Кроме того, в сообщающий трубопровод включен регулируемый дроссель, который гасит инерционные колебания конструкции при резких остановках или ускорениях, что также повышает точность воспроизведения траектории.

По сравнению с прототипом указанная совокупность признаков является новой и поэтому изобретение соответствует критерию "новизна".

Отличительные признаки, каждый в отдельности в науке и технике известны, однако в изобретении они сообщают четырехопорной конструкции робота новые свойства по сравнению с теми, которые они проявляют в известных технических решениях.

Гидроцилиндры с сообщающимися рабочими камерами выравнивают реакции двух смежных опор, например D и С (см. фиг.1), компенсируют погрешности в изготовлении конструкции портала h₁ и рельсового пути h₂, т.е. приводят четырехопорную конструкцию к устойчивости трехопорной, так как равные реакции С и D можно заменить равнодействующей, приложенной в точке Е.

Наличие дросселя в сообщающем трубопроводе гасит крутильные колебания, которые могут возникать в конструкции портала (при трех опорах) от инерционных нагрузок.

Следовательно отличительные признаки изобретения соответствуют критерию "существенные отличия".

Положительный эффект изобретения заключается в том, что гидроцилиндры с сообщающимися рабочими камерами, выравнивающие реакции двух смежных опор, компенсируют неточности изготовления, чем уменьшают расходы на изготовление портала и рельсового пути за счет снижения требований к точности их изготовления и монтажа и повышают точность воспроизведения траектории инструмента работа за счет устранения неустойчивости четырехопорной конструкции портала.

Наличие дросселя в сообщающем трубопроводе дает положительный эффект по сравнению с трехопорной конструкцией портала так как гасит крутильные колебания, которые могут возникать от инерционных нагрузок, чем повышается точность воспроизведения траектории инструмента робота.

На фиг.1 упрощенно показана схема четырехопорной конструкции портального робота, где А, В, С и D - опоры портала; c-c' - зазор между опорой и рельсом, состоящий из погрешностей портала ±h₁ и рельсового пути ±h₂; Е - точка, делящая отрезок C-D пополам; F - зона перемещения проекции центра тяжести системы; на фиг.2 - портальный робот, вид сверху; на фиг.3 - вид на портальный робот по фиг.2 со стороны опор С и D; на фиг.4 - принципиальная гидравлическая схема соединения гидроцилиндров; на фиг.5 - вид на портальный робот по фиг.2 со стороны опор А и В; на фиг.6 - разрез К-К на фиг.5; на фиг.7 - узел I на фиг.5 для направляющего элемента 14 (изображение повернуто); на фиг. 8 - то же, для направляющего элемента 15 (изображение повернуто); на фиг.9 схематично изображена тележка, вид сверху; на фиг.10 - разрез И-И на фиг.9; на фиг.11 - структурная схема системы управления.

Робот содержит портал 1, который имеет возможность перемещаться по рельсам 2 и 3 на двух жестко связанных с ним каретках 4 и 5 (см. фиг.2). Каретка 4 опирается на две роликовые опоры 6 при помощи двух гидроцилиндров 7 (см. фиг. 3). Рабочие камеры гидроцилиндров 7 сообщаются трубопроводом 8 (см. фиг.4) через дроссель 9. Для заполнения гидросистемы к трубопроводу 8 через обратный клапан 10 подсоединены насос 11 и бак 12 с рабочей жидкостью. Каретка 5 опирается на две роликовые опоры 13, контактирующие с верхней поверхностью головки рельса 2. С боковыми поверхностями головки рельса 2 контактируют ролики направляющих элементов 14 и 15 (см. фиг.2). Рельс 2 является направляющим по оси Х 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 (см. фиг.6). Привод 17 прижимается к зубчатой рейке пружиной 19, размещенной в кронштейне 20, прикрепленном к каретке. Усилие прижатия регулируется винтом 21. Приводы 17 имеют датчики обратной связи по положению и по скорости с системой управления, электрические автоматические тормозы и устройства, устраняющие боковые зазоры в зубчатых зацеплениях. Направляющий элемент 14 (см. фиг.7) состоит из оси 22, жестко закрепленной на каретке 5, и ролика 23, сидящего на оси с возможностью вращения и контактирующего с боковой поверхностью головки рельса. Направляющий элемент 15 (см. фиг.8) содержит ролик 23 на эксцентриковой оси 24, торсион 25, нижним квадратным концом соединяющийся с эксцентриковой осью 24, а верхним квадратным концом с рычагом 26, и регулировочный болт 27, регулирующий через рычаг 26 прижатие ролика 23 к другой боковой поверхности головки рельса.

На портале 1 размещается тележка 27 с возможностью перемещения в направлении Y (см. фиг.1), на которой смонтирован манипулятор 28 с несколькими степенями подвижности. Тележка может иметь четырехопорную конструкцию, аналогичную четырехопорной конструкции портала (см. фиг.9 и 10), и содержать две роликовые опоры 6' с гидроцилиндрами 7', две роликовые опоры 13' (без гидроцилиндров), две пары направляющих элементов 14' и 15', привод тележки (не показан) с датчиками обратной связи по положению и скорости с системой управления и устройства, устраняющие люфт в передачах. Система управления роботом (см. фиг.11) содержит системы 29 и 30 программного управления, обеспечения процесса сварки и пульт 31 управления и программирования.

Система программного управления обеспечивает управление приводами портала, тележки и манипулятора по всем координатам с обратной связью. Каждый привод состоит из электродвигателя 32, редуктора 33, датчика 34 скоростей, датчика 35 положения и связан с системой программного управления через усилительно-преобразовательные устройства 36, а также цифровой связью 37 с системой 30 и пультом 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 системой 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).

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

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в следующем. В настоящее время для сварки судовых корпусных секций существуют портальные роботы с позиционным методом работы, например портальный робот фирмы Розеплев, в котором перемещение тележки с манипулятором по координате Х в рабочей программе производится по каретке, которая перемещается по балкам портала в направлении Y, а движение портала (в направлении Х) используется для перемещения из одной позиции в другую. Применение этого метода обусловлено недостатками четырехопорных конструкций, которые указывались выше.

Изобретение устраняет неустойчивость четырехопорной конструкции портала, повышает точность воспроизведения траектории и позволяет использовать перемещение портала в рабочей программе по координате Х, тем самым исключая изготовление каретки для дублирования этого перемещения и удешевляя изготовление конструкции. Кроме того, гидроцилиндры с сообщающимися рабочими камерами компенсируют погрешности в изготовлении портала и рельсового пути, т. е. снижают требование к точности их изготовления, следовательно, также удешевляют изготовление и монтаж конструкции портала и рельсового пути.

Формула изобретения

1. 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, зубчатые рейки, прикрепленные к рельсам, две группы направляющих элементов, размещенных на одной из кареток спереди и сзади, а также систему программного управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения траектории перемещения манипулятора путем устранения качания роликовых опор, он содержит по крайней мере два гидравлических цилиндра одностороннего действия, рабочие камеры которых связаны между собой трубопроводом, при этом корпус каждого силового цилиндра соединен с кареткой, а шток - с роликовой опорой.

2. Робот по п.1, отличающийся тем, что, с целью сглаживания инерционных колебаний портала, в трубопровод включен дополнительно введенный дроссель.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11