Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ развития захватных устройств промышленных роботов для роботизированных гибких производственных систем 9
1.1. Перспективы развития гибких производственных систем и автоматизации дискретного производства. 9
1.2. Анализ требований предъявляемых к разработке захватных устройств промышленных роботов . 10
1.3. Классификация захватных устройств промышленных роботов. 14
1.4. Перспективы применения струйных захватных устройств в гибких производственных системах. 17
1.5. Обзор конструкций струйных захватов. 18
1.5.1. Пневматический захват для плоских деталей. 18
1.5.2. Струйное захватное устройство для изделий типа параллелепипеда. 21
1.5.3 Струйное захватное устройство для интегральных схем. 22
1.5.4. Струйный захват для печатных плат. 24
1.5.5. Устройство для бесконтактной весовой сортировки предметов с развитой поверхностью. 25
1.6. Струйные захватите устройства как средства очувствления адаптивных роботов. 28
1.7. Задали исследования. 33
2. Математическое моделирование элементов струйных захватов адаптивных промышленных роботов 35
2.1. Общая постановка задачи. 35
2.2. Распределение давления в воздушной прослойке. 38
2.3. Влияние клинового зазора на распределение давления в воздушной прослойке . 46
2.4. Аналитические соотношения параметров струйного захвата. 54
2.5. Динамическое воздействие струи на поверхность изделия. 57
2.5.1. Математическая модель воздействия осесимметричной струи. 57
2.5.2. Математическая модель воздействия кольцевой струи. 60
3. Реализация алгоритмов технического осязания системы управления дцаптивного промышленного робота с помощью струйных захватов 63
3.1. Определение массы удерживаемых изделий. 63
3.1.1. Измерение массы изделий по экстремуму давления в момент их отрыва от струйного захвата. 63
3.1.2. Контроль массы и сортировка изделий по высоте воздушной прослойки между изделием и струйным захватом. 68
3.1.3. Весовая сортировка изделий по расстоянию между торцом струйного захвата и верхней поверхностью изделия, при котором происходит их захват. 73
3.1.4. Контроль массы и сортировка изделий по характерному давлению в измерительном канале . 78
3.2 Контроль качества поверхности удерживаемых изделий. 85
3.3. Контроль площади поверхности удерживаемых изделий. 93
4. Экспериментальное исследование элементов струйных захватов адаптивных промышленных роботов 98
4.1. Исследование распределения давления. 98
4.2. Исследование свойств струйных захватных устройств.105
4.2.1. Исследование области срабатывания струйного захвата. 105
4.2.2. Исследование толщины воздушной прослойки. 111
4.2.3. Исследование зависимости расхода воздуха через струйное захватное устройство от качества поверхности изделий . 113
4.3. Методика обработки экспериментальных данных. 114
5. Реализация результатов исследований в гибком автоматизированном производстве 116
5.1. Методика расчёта струйного захватного устройства для промышленного робота. 116
5.2. Пример расчёта струйного захватного устройства. 119
5.3. Использование разработанных струйных захватных устройств в роботизированном комплексе "робот - пресс" на линии холодной штамповки элементов упаковки. 120
Основные выводы 129
Библиографический список 131
Приложение 144
- Анализ требований предъявляемых к разработке захватных устройств промышленных роботов
- Влияние клинового зазора на распределение давления в воздушной прослойке
- Контроль массы и сортировка изделий по характерному давлению в измерительном канале
- Исследование зависимости расхода воздуха через струйное захватное устройство от качества поверхности изделий
Введение к работе
В последнее время особое значение и актуальность для многих отраслей промьшшенности приобретает разработка и создание технологического оборудования и гибких обрабатывающих комплексов с программным управлением, которые позволяют осуществлять быструю переналадку при изменении производственных циклов.
Задачи разработки теории, методов расчёта и проектирования такого оборудования приобретают особую важность, если учесть, что значительный объём продукции выпускается в условиях серийного, мелкосерийного и единичного производства, при которых применение специальных станков-автоматов нерентабельно.
Для таких производств единственно возможна и экономически оправдана автоматизация на базе гибких производственных систем, которые обладают возможностью быстрой переналадки на изменяющиеся технологические циклы при обработке изделий различной конфигурации и типоразмеров.
В таких условиях необходимы новые нетрадиционные методы разработки средств производства. Анализ трудов таких учёных как: Битюков В*К., Волчкевич Л.И., Иванов А.А., Усов Б.А., Федотов А.И., Шаумян Ґ.А. и др., занимающихся вопросами автоматизации в машиностроении, показывает, что основными принципами должны стать универсальность и гибкость, автоматическое управление и переналаживаемость создаваемых машин и устройств. Применение вычислительной техники и математического моделирования при разработке и исследовании позволяют не только сократить время на их проектирование, но и решать сложные технические задачи нахождения режимов их работы и конструктивных параметров.
В настоящее время для автоматизации производственных процессов в машиностроении всё более широко применяют средства гидропневмоавтоматики, обладающие рядом важных преимуществ , таких как высокая экономическая эффективность и надежность в работе, высокая надёжность системы управления, простота обслуживания, гибкость программирования и возможность быстрой замены программы, возможность работы в широком диапазоне температур и в условиях агрессивных и радиоактивных сред, простота конструкции, невысокая стоимость и повышенная долговечность [80] .
Важную роль при автоматизации производственных процессов играет возможность очувствления несущих элементов устройств автоматизации, которыми в робототехнических комплексах являются захваты промышленных роботов [27] .
Задача разработки конструкций захватов промышленных роботов, совмещающих с одновременным удерживанием и межоперационным транспортированием изделий функции технического осязания, является перспективной для очувствления роботов нового поколения - адаптивных роботов. Очувствление робота - одна из самых важных задач при его создании, так как является первым шагом его адаптации к технологическому процессу.
Эта задача может быть решена путём применения устройств, использующих свойства несущей воздушной прослойки. Одним из классов таких устройств являются струйные захваты [29].
Принцип действия струйного захвата основан на эффекте падения давления в зазоре между двумя поверхностями при истечении воздуха, в данный зазор. Этот эффект объясняется влиянием инерционных сил на скорость течения воздуха вблизи отверстия и возникает при определённом сочетании параметров воздуха (расход, давление питания) и системы
изделие-сопло [98]. При этом наблюдается определённая закономерность сочетания параметров воздуха, системы изделие-сопло и изделия. Поэтому струйные захваты имеют возможность совмещения с удержанием изделия функций технического осязания [47].
Актуальность работы. В настоящее время пищевая и перерабатывающая промышленности испытывают острую потребность в крнкурентоспособной отечественной упаковке, поэтому задача разработки и внедрения высокопроизводительного, быстропереналаживаемого оборудования по производству такой упаковки является весьма актуальной.
Решения поставленной задачи можно добиться путём налаживания выпуска элементов упаковки в условиях гибкого автоматизированного производства, а применение роботов нового поколения - адаптивных роботов в производстве элементов упаковки позволяют уменьшить долю брака выпускаемых изделий и повысить производительность за счёт постоянного автоматического контроля их качества, выполняемого на различных стадиях производства и межоперационного транспортирования. Эффективность применения промышленного робота во многом определяется функциональными возможностями его рабочего органа, поэтому задача разработки конструкций захватных устройств адаптивных промышленных роботов, совмещающих с удерживанием изделия другие операции и функции технического осязания, является перспективной для повышения эффективности производства элементов упаковки.
Предмет исследования. Способы и средства удерживания изделий на воздушной прослойке. Свойства воздушной прослойки как несущего и чувствительного элемента системы "струйный захват - изделие".
7 Цель работы. Расширение функциональных возможностей промышленных роботов путём использования в системе их управления нового информационного канала обратной связи.
Методы исследования. При разработке теоретических
,
предпосылок для проектирования струйных захватов использовались положения теоретической механики, газодинамики, математического анализа. Основные задачи работы решались математическим моделированием и анализом моделей. Достоверность полученных решений проверялась путём сравнения с результатами экспериментальных исследований. Планирование и обработка результатов экспериментов выполнялись на основе вероятностно-статистических методов.
Научная новизна. Выявлены наиболее информативные параметры системы "струйный захват - изделие" связанные с массой, качеством и геометрическими параметрами поверхности изделий при кх удерживании на воздушной прослойке. Определены основные способы увеличение грузоподъёмности струйных захватов. Получено аналитическое описание взаимодействия струи воздуха и изделия на стадии предшествующей "захвату", позволившее выработать рекомендации по геометрии сопла, для обеспечения сохранности качества поверхности изделий и увеличения грузоподъёмности струйного захвата. Определена зона работоспособности струйного захвата для изделий, плоскость верхней поверхности которых имеет наклон относительно плоскости его рабочего торца. Определена зона нечувствительности струйного захвата к смещению центра тяжести изделий относительно его оси. Получена, на основании теоретических и экспериментальных исследований, достаточно простая методика инженерного расчёта струйных захватных устройств с элементами технического осязания.
Практическая значимость. Разработаны конструкции струйных захватных устройств с элементами технического осязания, позволяющие контролировать массу удерживаемых изделий, а также конструкции, позволяющие контролировать качество и геометрические параметры поверхности удерживаемых изделий и осуществлять сортировку изделий по этим параметрам. Обоснованы и экспериментально подтверждены конструктивные способы уменьшения динамического воздействия струи воздуха на поверхность изделия. Предложена функциональная схема технологической ячейки, с использованием струйного захватного устройства в качестве датчика обратной связи-, позволяющая осуществлять автоматическую выбраковку некондиционных изделий на роботизированной линии холодной штамповки элементов упаковки. Использование разработанных устройств на робототехническом комплексе ,гробот - пресс" в НИИ Автоматизированных средств производства и контроля позволит получить экономический эффект 22250 рублей (в ценах на 1,01,98) вследствие повышения эффективности производства.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности" ВГТА (Воронеж 1997), республиканской электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж 1997), научно - практических конференциях молодых учёных (Воронеж, 1995 - 1998), научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной технологической академии (Воронеж, 1995 - 1998).
Исследования проводились в Воронежской государственной технологической академии с 1995 по 1999 г.
1.АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ ДЛЯ РОБОТИЗИРОВАННЫХ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
СИСТЕМ
Анализ требований предъявляемых к разработке захватных устройств промышленных роботов
Новизна подхода к вопросу автоматизации производственных процессов определяется, прежде всего, возможностью создания легко переналаживаемого на новый вид продукции оборудования. Эффективное решение проблемы автоматизации в дискретном производстве целого ряда технологических процессов и операций, таких как загрузка - разгрузка, транспортирование, сортировка, контроль различных параметров, и других, стало возможным с появлением промышленных роботов. Именно роботы принципиально отличаются от известных ранее машин своей универсальностью, многофункциональностью, быстротой перехода на новые операции.
Развитие дискретных производств требует применения универсальных роботов, способных выполнять большое количество разнообразных операций. Капиталовложения в создание таких роботов постоянно увеличиваются [84].
Вся совокупность основных движений промышленного робота подчинена, в конечном счёте, основной цели - перемещению объекта манипулирования, удерживаемого захватным устройством (ЗУ), а искусственное зрение, механические ноги и собственно сам манипулятор - все вместе играют не более чем вспомогательную роль. Несмотря на тог что этот факт уже давно осознан специалистами, исследования, и разработка совершенных конструкций захватов продвигаются медленно. Это обуславливается техническими проблемами, возникающими при: очувствлении захватных устройств; осуществлении операций взятия и удерживания изделий в основном за счёт самого захватного устройства без участия других частей робота и вспомогательных механизмов ; использовании прецизионных механизмов в конструкциях захватов; создании собственно захватных устройств сложной конструкции, связанных с разработкой соответствующих вспомогательных средств, которые могли бы обеспечить эффективную реализацию всех возможностей промышленного робота; миниатюризации приводов и вспомогательных элементов исполнительной системы захвата [73].
Существенные трудности разработки захватов приводят к тому, что сейчас эти устройства являются одним из наибо лее узких мест в конструкциях промышленных роботов Важность проблемы по созданию захватных устройств заключается ещё и в том, что использование робота в качестре центрального звена гибкой производственной йчейки не сводится только к подаче деталей. Современные промышленные роботы обладают высокой степенью гибкости и могут применяться не только для простейшего манипулирования объектами, но и для выполнения различных технологических операций. Внедрение универсальных промышленных роботов лишь для выполнения операций типа взять - положить, загрузить - разгрузить, транспортировать, можно оправдать в редких случаях. Общирные обзоры конструкций захватных устройств, сделанные Ю.Г, Козыревым [62], Г, Лундстром [103], Ю. Ка-то [105], показывают, что большинство из них предназначены для работы с одним типом деталей и выполняют только функции захвата: взять - удержать - положить.
При проектировании рабочего органа промышленного робота необходимо учитывать, что от эффективности разработанного захвата зависит эффективность системы в целом. Поэтому некоторые зарубежные специалисты, такие как Р. Асфаль [17], Б.Е. Бонев [14] и другие [1-13], предлагают создавать широкую номенклатуру захватов, которые конструируются применительно к конкретно задаче. Большой выбор оснастки разнообразного назначения, которая может быть закреплена на конце руки робота, обеспечит ему универсальность. Однако изготовление такого комплекта дорого, смена захватного устройства - продолжительная операция и даже при её автоматизации за счёт специальных зажимов нецелесообразна, так как процесс ненадёжен и требует значительной части пространства в производственной ячейке для размещения исполнительных устройств. Эти факторы явились одним из препятствий на пути внедрения промышленных роботов в таких производствах, где робот должен обладать достаточной гибкостью при смене продукции или для адекватного функционирования с разными видами деталей.
Достигнуть универсальности можно за счёт создания быстропереналаживаемых конструкций схватов, позволяющих быстро менять его элементы, обеспечивающие быстроту и простоту регулирования [69]. Такой подход, хотя и в меньшей мере, подвержен вышеперечисленным недостаткам.
Радикальный путь решения этой проблемы - разработка гибких захватных устройств, уровень конструктивного исполнения которых соответствовал бы возможностям универсальных роботов. С помощью универсальных промышленных роботов можно выполнять не только простейшее манипулирование изделием, но и различные технологические процессы (контроль, сортировка) и вспомогательные операции (базирование, центрирование, ориентирование и другие). Поэтому захвату необходимо придать возможность выполнения других, дополнительных функций, которые приходится выполнять роботу в условиях гибкого производства. Это позволит наряду с выполнением основной задачи захватного устройства -удерживанием объекта, осуществлять с его помощью различные технологические операции, тем самым повысить функциональные возможности промышленного робота.
Влияние клинового зазора на распределение давления в воздушной прослойке
В производственных условиях часто встречаются случаи не параллельности рабочего торца струйного захвата верхней поверхности изделия и наличие смещения центра масс изделия относительно оси струйного захвата. Всё это приводит к образованию клинового зазора в воздушной прослойке между изделием и струйным захватом
Образование клинового зазора приводит к перераспределению давления в прослойке [32, 53, 64]. Тогда точка приложения равнодействующей сил давления со стороны воздушной прослойки смещается в сторону сужения клинового зазора. Причём точка приложения равнодействующей сил давления будет изменять своё положение при изменении угла наклона изделия относительно плоскости нижнего торца струйного захвата. Поэтому необходимо создать математическую модель распределения давления в клиновом зазоре и оценить влияние смещения точки приложения равнодействующей силы на распределение давления в воздушной прослойке.
Рассмотрим расчётную схему для клинового зазора (рис. 2.4). Движение воздуха в этом зазоре в общем случае описывается системой уравнений (2.7). Однако аналитическое решение этой системы встречает определённые трудности. Поэтому, упростим задачу, приняв, как и для осесимметрич-ного случая Vz=0. Тогда для случая клинового зазора исходная система уравнений имеет вид: Полученное уравнение описывает распределение давления воздуха в клиновидном зазоре.
Подставляя в уравнение (2.39) значение входящих в него параметров, можно получить распределение давления в воздушном клиновидном зазоре.
На основании сравнения результатов, полученных с помощью данной математической модели, с экспериментальными результатами, приведёнными в работе [31], можно сделать вывод о том, что модель качественно описывает распределение давления воздуха в клиновом зазоре. Однако принятые допущения и упрощения не позволяют получить количественные совпадения.
Анализ уравнения (2,39) и результатов экспериментальных исследований позволил сделать вывод о том, что влиянием клинового зазора на распределение давления воздуха в прослойке можно пренебречь, если точка приложения равнодействующей сил давления располагается в непосредственной близости от центра тяжести изделия [23]. Смещение точки приложений равнодействующей сил давления при изменении угла наклона струйного захвата не будет оказывать влияния на распределение давления при условии, что отношение 1/R0 7 или угол наклона изделия # й 2,5 (см. рис 2.5). В этом случае будем считать, что между струйным захватом и изделием наблюдается плоскопараллельный воздушный зазор. Дальнейшее увеличение угла наклона изделия относительно струйного захвата приводит к увеличению расхода воздуха, требуемого для осуществления "захвата" изделия. В процессе удерживания изделия зазор между ним и торцом струйного захвата становится параллельным, о чём свидетельствуют экспериментальные исследования [23]. "Скатывания" изделия со струйного захвата под действием силы тяжести можно избежать, используя торцевые упоры (см. рис. 4.6).
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что при соблюдении условий, когда угол между плоскостью верхней поверхности изделия и плоскостью торца струйного захвата в момент предшествующий "захвату" не превышает 2,5, влиянием клинового зазора можно пренебречь, а для определения давления в воздушной прослойке использовать полученное выше выражение (2.18) для плоскопараллельного зазора.
Для оценки свойств полученной математической модели введём понятие грузоподъёмности струйного захвата. где Р - интеграл давления, или сила воздействия воздушной прослойки на изделие, которую получим, проинтегрировав выражение {2 18):
Проанализировав формулу (2.41), выявим влияние на грузоподъёмность струйного захвата входящих р неё переменных .
График влияния расхода воздуха и давления питания, которое отражается в изменении плотности воздух и рассчитывается по формуле Клайперона [74] представлен на рис. 2.5. Расчётные данные для построения графика (рис. 2.5) были получены с помощью програму PS 2 (см. приложение П15) .
Из графика видно, что при увеличении расхода воздуха и его давления, грузоподъёмность струйного захвата увеличивается.
Контроль массы и сортировка изделий по характерному давлению в измерительном канале
Принцип работы устройства для измерения массы и сортировки изделий по характерному давлению в измерительном канале основан на том, что в момент захвата изделия давление воздуха в измерительном канале пропорционально его массе [77]. Особенностью данного устройства является то, что оно может работать с изделиями, площадь которых превосходит площадь торца струйного захвата, со смещением центра тяжести изделий от 5 до 20% относительно его диаметра .
Устройство для бесконтактного определения массы и сортировки предметов с развитой верхней поверхностью, представлено на рис. 3.10. Оно предназначено для бесконтактного определения массы и сортировки предметов с раз витой верхней поверхностью и может быть использовано в робототехнике при создании систем силового очувствления манипуляторов. Устройство состоит из вращающегося диска 1 (рис. 3.10), с расположенными на нём по периметру весовыми чувствительными элементами 2, подающего 3 и отйодящих 4 транспортёров. Весовой чувствительный элемент 2 (рис.3.11) изготовлен в виде цилиндра, внутри которого симметрично относительно оси цилиндра выполнена торооб-разная камера 5 прямоугольного сечения, связанная с регулируемым дросселем 6 и источником давления через вход 7. Выход торообразнои камеры представляет собой кольцевой канал 8 конусообразно расширяющийся к торцу чувствительного элемента. Выходной срез кольцевого канала охватывает кольцевой выступ 9, выполненный из пластичного материала. Вдоль оси чувствительного элемента выполнен измерительный канал 10. Вход измерительного канала охвачен кольцевым выступом. Измерительный канал связан с блоком вычисления массы 11 через датчик давления 12. Блок управления 13 связан с блоком вычисления массы и с регулируемым дросселем.
Работает устройство следующим образом. Изделие по подающему транспортёру поступает в зону действия весовых чувствительных элементов, расположенных по периметру вращающегося диска. Воздух подаётся в торообразную камеру в соответствии с программой блока управления, предусматривающей постепенное увеличение расхода. В результате падения давления воздуха в зазоре между весовым чувствительным элементом и изделием 14, возникающего по закону Бер-нулли, изделие присасывается к торцу весового чувствительного элемента. При этом суммарное избыточное давление воздуха на изделие направлено в сторону, противоположную силе тяжести и равно в момент присасывания массе изделия.
В момент захвата вход измерительного канала герметично закрывается поверхностью изделия, сохраняя в канале характерное значение давления р0, что обеспечивает независимость результата измерений от динамических воздействий, возникающих при транспортировании изделия.
Используя информацию с блока вычисления массы, блок управления увеличивает расход подаваемого в торообразную камеру воздуха до величины, обеспечивающей надёжное удержание изделия.
Устройство с захваченным изделием перемещают на выбранную блоком управления позицию, где и прекращают подачу воздуха. Разряжение в зазоре "весовой чувствительный элемент - изделие" исчезает, изделие освобождается и падает на один из отводящих конвейеров.
Масса изделия в процессе транспортирования определяют по характерному давлению ро, исходя из следующих закономерностей [50]
Исследование зависимости расхода воздуха через струйное захватное устройство от качества поверхности изделий
Экспериментальное исследование зависимости расхода воздуха через струйное захватное устройство от качества поверхности изделий проводились на установке (рис. 4.4) с использованием изделий равной массы, поверхность которых имела различное качество. Толщина зазора в прослойке (высота упоров) выбиралась исходя из условия наибольшей чувствительности устройства. па=0,3мм. "неровности" поверхности удерживаемого изделия, при различных значениях давления питания и зависимость "неровности" поверхности удерживаемого изделия от расхода воздуха через струйное захватное устройство. Обработанные результаты экспериментальных исследований, сведены в таблицу приложения П7.
Поскольку измерения производились на аттестованных приборах, основной вес в общей ошибке результатов измерений играют случайные величины, обусловленные отклонениями входных параметров, таких как температура и влажность воздуха, ошибки установки и т.д. Причём с достаточной степенью точности можно считать закон распределения нормальным. Принимая во внимание работы авторов [41, 91, 93] с учётом нормального распределения случайной погрешности при общепринятой доверительной вероятности 95% имеем: где X - истинное значение измеряемой величины; тх - её математическое ожидание; от - среднеквадратичное отклонение результатов измерения . Можно показать, что с достаточной степенью точности при числе экспериментальных замеров п 5 математическое ожидание хорошо совпадает со средним арифметическим отдельных экспериментальных результатов [38], т.е. Среднеквадратичное отклонение результатов измерений можно определить согласно [93] пэ выражения
Надёжность измерений характеризуется значением средней среднеквадратичной ошибкой и определяется из зависимости при этом, если cmcp 2а ТОЧНОСТЬ измерения надёжной. На основании выражений (4.1)-(4.4) были обработаны полученные экспериментальные значения. 1) Для заданного типоразмера и массы изделия (с учётом отклонений) определить конструктивные параметры струйного захвата, а именно размеры его рабочего торца. Размеры рабочего торца зависят от габаритов изделия и требований производства. Возможны два варианта: a) размеры рабочего торца струйного захвата больше размеров изделия; b) размеры рабочего торца струйного захвата меньше размеров изделия. Для случая "а" размеры торца захвата должны превосходить размеры изделия на величину не менее двойной точности позиционирования робота. Для случая ИЬ" размеры торца струйного захвата принимаются в зависимости от выбранной конструкции устройства с учётом свойств необходимых для функционирования технического осязания захвата. При этом, размер торца желательно минимизировать (учитывая рекомендации полученные при анализе графиков рис. 2.7).