RU2022770C1

RU2022770C1 - Portal robot

Info

Publication number: RU2022770C1
Authority: RU
Inventors: Н.П. Беляев
Original assignee: Беляев Николай Петрович
Priority date: 1988-11-28
Filing date: 1988-11-28
Publication date: 1994-11-15

Abstract

FIELD: arc welding by means of portal manipulator of large-sized body structures of vehicles. SUBSTANCE: robot two has single-action hydraulic cylinders mounted on carriage. Cylinder body is connected with carriage and stem is connected with roller support. Working cavities of cylinders transmitting force of reaction to supports are faced to carriage and idle cavities are communicated with atmosphere. EFFECT: increased efficiency and enhanced reliability in operation. 2 cl, 11 dwg

Description

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. The invention relates to robotics, and in particular to portal robots primarily for arc welding of large-sized ship hull structures. The proposed device can be used in other areas of technology, for example in transport engineering.

Известны подвижные конструкции на четырех жестких опорах: портальные и мостовые краны, крановые тележки, портальные роботы. Movable structures on four rigid supports are known: gantry and bridge cranes, crane trolleys, portal robots.

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. A robot is known in which a bridge on four rigid roller bearings moves along the longitudinal beams of a fixed portal and the truck also moves on four roller bearings along the bridge bolts.

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. Closest to the invention is a mobile portal for the robot, which is adopted as a prototype. It contains a portal moving along rails in the X direction on two carriages rigidly connected to it, each on two roller bearings, a trolley moving along the portal in the Y direction, on which a manipulator with several degrees of mobility is mounted, electric carriages operating synchronously by the principle of an electric shaft , toothed racks attached to rails, two groups of guide elements placed on one of the carriages front and rear, and a program control system.

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.The disadvantage of all these four-support structures is the instability caused by errors in the structure of h ₁ and rail track h ₂ (see Fig. 1), which leads to the swing of the structure around the VD diagonal when the manipulator moves along the X, Y and φ axes when the projection of the center of gravity the system moves from the shaded part of zone F to the unshaded part. These swings cause vibrations and inaccuracies in the reproduction of the tool path of the robot (for example, a welding torch), which can lead to marriage. Therefore, in robots of this design, high demands are placed on the accuracy of the design and rail track, which leads to a rise in the cost of manufacturing and installation.

Целью изобретения является повышение точности воспроизведения траектории инструмента манипулятора путем устранения неустойчивости четырехопорных конструкций. The aim of the invention is to improve the accuracy of reproduction of the trajectory of the tool of the manipulator by eliminating the instability of four-support structures.

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. This is achieved by the fact that in a portal robot containing a portal moving along rails in the X direction on two carriages rigidly connected to it, each on two roller bearings, a trolley moving along the portal in the Y direction, on which a manipulator with several degrees of mobility is mounted, electric carriages operating synchronously on the principle of an electric shaft, gear racks attached to the rails, two groups of guide elements placed on one of the carriages front and rear and a program control system, and eyutsya at least two hydraulic cylinders, two adjacent transmitters (e.g., C and A or C and B) reaction of the portal to the support roller, and the working chambers of these cylinders are communicated pipeline. In addition, an adjustable choke is included in the communicating pipeline, which dampens the inertial vibrations of the structure during sudden stops or accelerations, which also increases the accuracy of the reproduction of the trajectory.

По сравнению с прототипом указанная совокупность признаков является новой и поэтому изобретение соответствует критерию "новизна". Compared with the prototype, the specified set of features is new and therefore the invention meets the criterion of "novelty."

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. Distinctive features, each individually in science and technology, are known, however, in the invention they provide the four-support construction of the robot with new properties compared to those that they exhibit in known technical solutions.

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.Hydraulic cylinders with communicating working chambers equalize the reactions of two adjacent supports, for example, D and C (see Fig. 1), compensate for errors in the construction of the portal structure h ₁ and rail track h ₂ , i.e. lead the four-support structure to the stability of the three-support, since equal reactions C and D can be replaced by the resultant applied at point E.

Наличие дросселя в сообщающем трубопроводе гасит крутильные колебания, которые могут возникать в конструкции портала (при трех опорах) от инерционных нагрузок. The presence of a throttle in the communicating pipeline dampens torsional vibrations that can occur in the portal structure (with three bearings) from inertial loads.

Следовательно отличительные признаки изобретения соответствуют критерию "существенные отличия". Therefore, the distinguishing features of the invention meet the criterion of "significant differences".

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. The positive effect of the invention lies in the fact that hydraulic cylinders with communicating working chambers, aligning the reactions of two adjacent supports, compensate for manufacturing inaccuracies, thereby reducing the cost of manufacturing the portal and rail track by reducing the requirements for the accuracy of their manufacture and installation and increase the accuracy of reproduction of the tool path by eliminating the instability of the four-support portal structure.

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. The presence of a throttle in the communicating pipeline gives a positive effect in comparison with the three-support design of the portal as it dampens torsional vibrations that can occur from inertial loads, which increases the accuracy of reproduction of the tool path of the robot.

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.Figure 1 shows a simplified diagram of a four-support construction of a portal robot, where A, B, C and D are the portal supports; cc 'is the gap between the support and the rail, consisting of the errors of the portal ± h ₁ and the rail track ± h ₂ ; E is the point dividing the CD segment in half; F - zone of movement of the projection of the center of gravity of the system; figure 2 - portal robot, top view; figure 3 is a view of the portal robot of figure 2 from the side of the supports C and D; figure 4 - schematic hydraulic diagram of the connection of the hydraulic cylinders; figure 5 is a view of the portal robot of figure 2 from the side of the supports A and B; figure 6 is a section KK in figure 5; in Fig.7 - node I in Fig.5 for the guide element 14 (image rotated); in FIG. 8 - the same for the guide element 15 (image rotated); figure 9 schematically shows a trolley, a top view; figure 10 is a section II in figure 9; figure 11 is a structural diagram of a control system.

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. The robot contains a portal 1, which has the ability to move along rails 2 and 3 on two rigidly connected carriages 4 and 5 (see figure 2). The carriage 4 is supported by two roller bearings 6 with the help of two hydraulic cylinders 7 (see. Fig. 3). The working chambers of the hydraulic cylinders 7 are connected by a pipe 8 (see Fig. 4) through a throttle 9. To fill the hydraulic system, a pump 11 and a tank 12 with a working fluid are connected to the pipeline 8 through a check valve 10. The carriage 5 is supported by two roller bearings 13 in contact with the upper surface of the rail head 2. The rollers of the guiding elements 14 and 15 are in contact with the side surfaces of the rail 2 (see FIG. 2). Rail 2 is a guide along the X axis and has machined side surfaces of the head. One bracket 16 is attached to the carriages 4 and 5, to which the drive 17 is rotatably connected on a vertical axis, the output shaft of which has a gear gearing with a gear rack 18 attached to the rail (see Fig. 6). The actuator 17 is pressed against the gear rack by a spring 19 located in an arm 20 attached to the carriage. The pressing force is regulated by screw 21. The actuators 17 have position and speed feedback sensors with a control system, electric automatic brakes and devices that eliminate lateral clearances in gears. The guiding element 14 (see Fig. 7) consists of an axis 22, rigidly mounted on the carriage 5, and a roller 23 sitting on the axis with the possibility of rotation and in contact with the side surface of the rail head. The guiding element 15 (see Fig. 8) contains a roller 23 on the eccentric axis 24, a torsion 25, connected by a lower square end to the eccentric axis 24, and an upper square end with a lever 26, and an adjustment bolt 27, which controls the pressure of the roller 23 through the lever 26 to the other side surface of the rail head.

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. On the portal 1 is placed a trolley 27 with the possibility of movement in the Y direction (see Fig. 1), on which a manipulator 28 with several degrees of mobility is mounted. The cart may have a four-support structure similar to the four-support portal structure (see Figs. 9 and 10) and contain two roller bearings 6 'with hydraulic cylinders 7', two roller bearings 13 '(without hydraulic cylinders), two pairs of guide elements 14' and 15 ', a cart drive (not shown) with position and speed feedback sensors with a control system and devices that eliminate gear play. The robot control system (see Fig. 11) contains systems 29 and 30 of program control, a welding process, and a control and programming panel 31.

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. The program control system provides control of the portal, truck and manipulator drives in all coordinates with feedback. Each drive consists of an electric motor 32, a gearbox 33, a speed sensor 34, a position sensor 35 and is connected to the program control system via amplifier-converter devices 36, as well as digital communication 37 with the system 30 and the remote control 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). The welding process support system 30 provides programmed control of the welding equipment: welding torch 38, welding current source 39, electrode wire feed mechanism 40, circulating cooling device 41 and protective gas supply system 42, and also has welding current feedback (current relay 43 ), for circulation cooling, for shielding gas (pressure switch 44) and for the supply of electrode wire (speed sensor 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. The welding torch 38 moves the manipulator 28 along the programmed path with a given speed and has at least two sensor sensors 45 connected by feedback 46 to the program control system 29, which makes it possible to correct the path taking into account the errors of the welded product.

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. The welding process support system controls the welding technology: it turns on the cooling torch of the welding torch, supplies protective gas, electrode wire, ignites the arc, regulates the voltage and strength of the welding current, interrupts the arc when welding intermittent welds, welds the crater, extinguishes the arc and turns off the gas at the end of the weld. At the end of welding, the product turns off the circulation cooling.

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. The technical and economic effectiveness of the invention is as follows. Currently, for welding ship hull sections, there are portal robots with a positional method of operation, for example, a Rozeplev portal robot in which the cart with the manipulator along the X coordinate in the work program is moved along the carriage, which moves along the portal beams in the Y direction, and the portal moves (in the X direction) is used to move from one position to another. The application of this method is due to the shortcomings of the four-support structures, which are indicated above.

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. The invention eliminates the instability of the four-support design of the portal, increases the accuracy of the reproduction of the trajectory and allows you to use the movement of the portal in the work program along the X coordinate, thereby excluding the manufacture of a carriage to duplicate this movement and making the construction cheaper. In addition, hydraulic cylinders with communicating working chambers compensate for errors in the manufacture of the portal and the rail track, i.e., reduce the requirement for the accuracy of their manufacture, therefore, the manufacture and installation of the portal and rail structure are also cheapened.

Claims

1. PORTAL ROBOT, containing a rail track, a portal rigidly connected to two carriages, each of which is located on the corresponding rail and has two roller bearings, at least one carriage located on the portal with the ability to move in a direction perpendicular to the direction of the rail track , a manipulator located on a trolley, electric carriage drives, gear racks attached to rails, two groups of guide elements placed on one of the carriages front and rear, as well as a program control system the phenomenon, characterized in that, in order to improve the accuracy of reproducing the trajectory of the manipulator by eliminating the swing of the roller bearings, it contains at least two single-acting hydraulic cylinders, the working chambers of which are connected by a pipeline, while the housing of each power cylinder is connected to the carriage, and the stem with a roller bearing.

2. The robot according to claim 1, characterized in that, in order to smooth out the inertial vibrations of the portal, an additionally introduced throttle is included in the pipeline.