Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВАІ Анализ существующих технологий арматурных работ в монолитном домостроении. направления совершенствования процессов подачи и фиксации арматуры 10
1.1 Анализ существующих способов и схем вертикального транспортирования арматуры в монолитном домостроении 10
I 2 Анализ существующих способов подачи и фиксации арматуры в бетонируемой конструкции 10
1 3 Анализ существующих способов соединения арматурных стержней 20
1.4 Концепция совершенствования технологии монолитного домостроения на основе автоматизации арматурных работ . 23
1 5 Цель и задачи исследования принципов автоматизации процессов подачи и фиксации арматуры . 29
Выводы к главе 1 .. 33
Глава II. Теоретические исследования элементов автоматизированной технологии производства арматурных работ 34
2. 1 Оценка влияния технологического процесса армирования на конструкцию и технические характеристики манипуляционной системы 35
2 2 Выбор оптимальной кинематической структуры и геометрических параметров армоподающеи манипуляционной системы 38
2.3 Планирование траектории перемещения распределительного устройства в технологическом процессе армирования 53
2.4 Концепция автоматизированного управления перемещением манипуляционной системы в пюцессе армирования ,. 79
2.5 Совершенствование технологии арматурных работ в монолитном домостроении посредством автоматизации и разработанной манипуляционной системы 90
Выводы к главе 2 . ... 98
ГЛАВА III Теоретические исследования средств захвата и фиксации арматурных стержней „ 100
3,1 Анализ существующих захватов стержневых элементов и концепция развития автоматизированных захватов с обратной связью . ... ... 100
З 2 Выбор оптимальной кинематической схемы и геометрических параметров
арматурного захвата. .. ... 106
3.3 Разработка принципиальных схем автоматизированных схватов для захвата и фиксации отдельных арматурных стержней 110
3 4 Разраьшкаавтоматшированного захвата для арматурных стержней 116
3 5Допустимые погрешности средств измерения 116
3 6 Разработка кинематической структуры автоматизированного захвата при учете автоматизированного накопителя арматуры 117
3 7Разработка кинематической структуры автоматизированного захвата щиучете частично
автоматизированного накопителя арматуры 121
3 8Совершенствовать разработанных автоматических захватов с учетом совместного
ручного труда 123
Выводы к главе 3 125
ГЛАВА IV STRONG . Экспериментальные исследования манипуляционной
системы STRONG 126
4 1 Математическое моделирование траектории движения манипуляционной системы ,
126
4 2 Экспериментальные исследования позиционирования манипуляционной системы в
рабочем пространстве 143
4.3 Экспериментальные исследования захвата для арматурных стержней 158
Выводы к главе 4 171
ГЛАВА V. Оценка области эффективного применения автоматизированной технологии производства арматурных работ 172
5.1 Исходные положения расчета технико-экономической эффективности 172
5 2. Расчет технико-экономических показателей 175
5 3 Анализ факторов, влияющих на эффективность внедрения новой автоматизированной технологии производства арматурных работ 181
Выводы к главе 5... 192
Основные выводы 193
Библиографический список источников 196
Приложение А 211
- Анализ существующих способов подачи и фиксации арматуры в бетонируемой конструкции
- Выбор оптимальной кинематической структуры и геометрических параметров армоподающеи манипуляционной системы
- Разработка принципиальных схем автоматизированных схватов для захвата и фиксации отдельных арматурных стержней
- Математическое моделирование траектории движения манипуляционной системы
Введение к работе
Неотъемлемое право каждого гражданина РФ на жилище декларируется статьей 40 Конституции Российской Федерации. Несмотря на это жилищный вопрос является важнейшей социально- экономической проблемой российского общества. Учитывая заметную тенденцию снижения объемов жилищного строительства, с одной стороны, и значительный рост числа нуждающихся с другой следует ожидать весьма значительного ее обострения.
В современной России произошла кардинальная реорганизация строительного комплекса. Практически разрушена функционировавшая десятилетия административно-командная система жилищного строительства. Ликвидированы Территориальные Главки и Объединения, а тресты и СМУ подверглись акционированию и приватизации. Появившиеся коммерческие структуры в области жилищного строительства в основном маломощны и не имеют необходимых технических и финансовых ресурсов. Эти и другие причины организационного плана отрицательно сказывается на темпах и качестве жилищного строительства.
Кризисное состояние углубляется разрушением функционировавшей ранее системы инвестиций в жилищное строительство и отсутствием удовлетворительного платежеспособного спроса на строительную продукцию в настоящее время.
Традиционные технологические направления в области строительства жилья - полносборное (от 60 до 65% объемов жилищного строительства), кирпичное (от 20 до 30%) и деревянное домостроение (до 6%), имеют в настоящее время производственную базу, находящуюся в предкризисном или кризисном состоянии. Из, примерно, 300 предприятий полносборного домостроения Российской Федерации от 70% до 75% выработали свой производственный ресурс и требуют реконструкции. Их технологическое оборудование изношено примерно на 80%. По этой причине мощности сокращены, при резком падении качества выпускаемой продукции. Производственная база кирпичного домостроения также находится в неудовлетворительном состоянии.
Все технологические процессы на заводах строительной индустрии энергозатратам, себестоимость выпускаемой продукции высока и последняя не находит соответствующего платежеспособного спроса.
Практически единственная возможность роста объемов жилищного строительства в ближайшие годы в современных условиях может быть обеспечена за счет монолитного домостроения,
В прошлые годы это технологическое направление, хотя и медленно, но неуклонно распространялось в России. Преимущества монолитного домостроения общеизвестны /1 /. сокращение капитальных вложений в производственную базу на 60 % по сравнению с полносборной и кирпичной технологией; сокращение энергоёмкости производства на 30 % ; сокращение расхода цемента и арматуры в несущих конструкциях зданий на 20% из - за отсутствия монтажно-транспортных нагрузок; технологическая гибкость.
Эти достоинства монолитного домостроения в современных условиях трудно переоценить.
Существующие технологии монолитного домостроения определяются, прежде всего, типом применяемой опалубки / 2, 3 /.
Различают: технологии, базирующиеся на разборно-переставных опалубках -мелко и крупнощитовых; технологии, базирующиеся на блочных опалубках; технологии, базирующиеся на объемно- переставных опалубках; технологии, базирующиеся на скользящих опалубках.
Все применяемые в России технологии монолитного домостроения, имеют один существенный недостаток, сдерживающий их развитие и внедрение, это большая трудоемкость производства работ в расчете на 1 м общей площади монолитной "коробки" здания и наличие тяжелого низкоквалифицированного ручного труда. В результате возрастает стоимость монолитного домостроения, неоправданно увеличиваются сроки строительства.
Снижение себестоимости, рост темпов и объемов монолитного домостроения невозможны без снижения трудоемкости производства работ, повышения качества, улучшения условий труда и повышения его производительности. Это возможно за счет широкого применения средств комплексной механизации, автоматизации и роботизации.
Неоспоримым преимуществом технологии монолитного домостроения по сравнению с другими технологиями (полносборной, кирпичной) является наибольшая предрасположенность ее для комплексной механизации и автоматизации.
Предпосылками возможности успешной автоматизации монолитного домостроения является появление современных высокомеханизированных опалубочных систем, которые являются ведущим звеном комплексного технологического процесса, обеспечивающим его регулярность и непрерывность.
Одним из технологических переделов в монолитном строительстве является процесс подачи и фиксации в проектном положении арматурных изделий и стержней. Он обусловлен наличием множества трудоемких ручных операций, контроль правильности исполнения которых затруднен.
В связи с этим, научная разработка систем автоматизированной подачи и фиксации арматуры является актуальной задачей и имеет важное народно - хозяйственное значение. Внедрение данных систем в технологический процесс возведения монолитных зданий позволит повысить общую культуру производства, уменьшить число обслуживающего персонала, принципиально изменит характер труда рабочих и многократно повысит его производительность.
Ожидаемый практический результат от комплексной автоматизации выражается в значительном сокращении затрат труда, уменьшении сроков и повышении качества монолитного домостроения.
Цель диссертационной работы - совершенствование технологии монолитного домостроения путем разработки автоматизированной технологии подачи и фиксации арматуры на основе новых методов и средств автоматизации и роботизации арматурных работ, позволяющей существенно повысить производительность производства работ при одновременном уменьшении трудоемкости процесса укладки и уплотнения бетонной смеси, повышении качества бетонирования.
Научная новизна работы. Разработана и исследована технология автоматизированной подачи и фиксации арматуры. Технология базируется на разработанных методах и устройствах подачи и фиксации арматурных стержней и средствах оценки технологических параметров арматурных стержней.
Разработана и реализована в устройствах оптимальная схема процесса автоматизированной подачи и фиксации арматуры.
Синтезированы алгоритмы автоматизированного функционирования данного технологического процесса.
Установлены аналитические зависимости конструктивных параметров манипуляционного устройства во взаимосвязи с обслуживаемым технологическим пространством.
Разработана методика кинематического анализа, позволяющая определять оптимальную траекторию перемещения манипуляционнои системы по точкам армирования.
Разработана концепция программного управления перемещением устройства подачи и фиксации арматуры.
Разработан «интеллектуальный» захват для отдельных арматурных стержней, способный работать совместно с управляющей операционной системой и обладающий датчиками обратной связи.
На защиту выносятся: методика сравнения и выбора оптимальных кинематических структур манипуляционных систем подачи и фиксации арматурных стержней в зависимости от технологических параметров рабочего пространства; кинематическая модель и методика планирования траектории перемещения манипуляционного устройства; концепция программного управления перемещением манипуляционнои стрелы; - методика контроля технологических параметров арматурных стержней на основе использования разработанного арматурного захвата.
Практическая ценность работы заключается в совершенствовании технологии монолитного домостроения путем создания малолюдной технологии автоматизированной подачи и фиксации арматурных стержней, которая позволяет существенно снизить трудоемкость производства работ, повысить качество строительства, улучшить условия труда и повысить его производительность, сократить сроки строительства.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на МНТК «Итоги строительной науки» (ВГУ, Владимир, 2003-2005гт.); на 9-й и 10-й Нижегородской сессии молодых ученых «Теоретические науки» (г. Дзержинск, 2004-2005гг.); НТК «Архитектура и строительство» (ННГАСУ, Н.Новгород, 2004г.); на МНПК «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов» (МарГТУ, Йошкар-Ола, 2004г.); на III МНТК «Эффективные строительные конструкции: Теория и практика» (ПГАСУ, Пенза, 2004г.).
Публикации. Оновные положения диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах.
Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.
Общий объем работы: 219 страниц, включая 195 страниц основного текста, 67 рисунков, 16 таблиц.
Анализ существующих способов подачи и фиксации арматуры в бетонируемой конструкции
Монолитные железобетонные конструкции армируют каркасами, сетками или отдельными стержнями. Плоские и пространственные каркасы (рис.1.2.1) изготовляют на арматурных заводах или в цехах и поставляют на строительную площадку в комплекте. Если по условиям транспортирования невозможно доставить каркас в целом виде, его перевозят по частям, а на строительной площадке выполняют его укрепительную сборку с использованием кондукторов и других приспособлений, обеспечивающих точность фиксаций элементов каркасов (рис. 1.2.2, 1.2.3). Соединяют элементы дуговой или ванной сваркой. При больших объемах работ арматурные конструкции укрупняют на сборно-комплектовочной площадке, затем транспортируют в зону установки и действия монтажного крана. При небольших объемах допускается вязка или сварка каркасов из отдельных арматурных стержней на месте возведения сооружения или в непосредственной близости от него, но обязательно в зоне действия монтажного крана. Арматурные каркасы массой до 100 кг можно устанавливать вручную, поднимая краном в зону работ сразу несколько каркасов. Изделия большей массы устанавливают непосредственно краном. Как и для сборных железобетонных элементов, желательно поднимать и монтировать арматурные каркасы в том положении, в котором они будут работать в забетонированной конструкции. її Рис. 1.2.1. Виды арматурных изделий: а — плоская сетка, б, в — плоские каркасы; г — пространственный каркас, д, е — пространственные каркасы таврового и двутаврового сечений соответственно, ж — гнутая сетка, з — пространственный каркас, гнутый из сеток, и —закладные детали Рис. 1.2.2. Технологическая схема монтажа арматурных каркасов колонн: а — установка каркаса в проектное положение с выверкой раскосами, б — то же, в опалубку из двух щитов; в — то же, в опалубку из трех щитов, г — при полностью смонтированной опалубке; / — арматурный каркас, 2 — раскосы для выверки и временного крепления, 3 — щиты опалубки, 4 — выпуски арматуры, 5 — съемный щит для устройства стыков арматуры, б — строповочное устройство Рис. 1.2.3. Технологическая схема установки тяжелых каркасов фундаментов: а — схема строповки, б — схема монтажа; 1 — каркас, 2 — блок вспомогательного крюка, 3 — самобалансирующаяся траверса, 4 — монтажный кран, 5 — расчалки При армировании массивных конструкции сварными сетками их стыкуют нахлесточным соединением или путем установки дополнительных стыковых сеток с перепуском концов арматуры, равным 30...50 ее диаметрам, но не менее 250 мм. При установке нескольких сварных сеток по ширине их стыки располагают вразбежку.
Применение нахлесточных соединений приводит, к существенному перерасходу арматурной стали, требует дополнительных работ по фиксации положения стыкуемых элементов. Все это связано со значительными затратами ручного труда. Как правило, работы по стыковке арматурных каркасов, сеток и стержней трудоемки, требуют внимательного и напряженного ручного труда сварщиков. Качество производства таких работ еще недостаточно высокое. Проектное положение арматурных конструкций при монтаже обеспечивается правильной установкой фиксаторов, прокладок и подкладок, а также временных крепежных устройств (подкосов, схваток, растяжек и хомутов) (рис. 1.2.4, 1.2.5,1.2.6, 1.2.7). Допускаемые отклонения в размерах зависят от толщины бетонируемого элемента, типа и диаметра применяемой арматуры, характера работы конструкции. Рис. 1.2.4. Фиксаторы:бетонные: а — в виде усеченного конуса, б — продолговатой скобы, в — бетонной подкладки; пластмассовые: г — решетчатые, д, е — цилиндрические в виде разрезных и неразрезных шайб Рис. 1.2.5. «Лягушка» и «козелок» для обеспечения защитного слоя бетона в перекрытиях: а—«лягушка», для обеспечения защитного слоя для нижней арматурной сетки; б—«козелки», для обеспечения зашитногослоя для верхней арматурной сетки Рис. 1.2.6. Способы обеспечения защитного слоя арматуры: а - в балках и ребрах плит при помощи упоров; б — в балках посредством удлиненных стержней; в — бетонной подкладкой с проволочной скруткой; г — бетонной пробкой с пружинной скобой; д — упругим пластмассовым фиксатором; е — металлическими штампованными подставками Рис. 1.2.7. Пружинные фиксаторы: а — типы пружинных фиксаторов, б — схема их установки;/, /// — для одностороннего соединения арматурных стержней,//, IV—для двустороннего соединения В России были разработаны мобильные машины МСМ-1 и МСМ-2 для сварки стержневой арматуры максимальным диаметром 25...32 мм, позволяющие существенно механизировать сварочные процессы, повысить качество работ и производительность труда при армировании горизонтальных поверхностей. Машина (рис. 1.2.8) размещена на самоходном шасси 4 шагающего типа, которое позволяет ей перемещаться по уложенной сетке, и состоит из сварочного трансформатора, подвесной точечной сварочной машины 1, насосной гидравлической станции 7, автономной станции охлаждения 6 и шкафа управления 5. Сварочные клещи подвесной точечной машины размещены на стреле 2. С одной позиции сваривают стыки в радиусе поворота стрелы 4...5 м. Машина в пределах одной захватки совершает движение вдоль фронта сварки стыковых соединений. На другую захватку ее переставляют краном. Рис. 1.2.8. Мобильные стыковые машины МСМ-1(а) и МСМ-2(б): 1 — подвесная точечная сварочная машина, 2 — стрела, 3 — гидроцилиндр, 4 — самоходное шасси, 5 — шкаф управления, 6 — станция охлаждения, 7 — насосная станция Наибольший эффект от применения этих машин получают при устройстве монолитных железобетонных конструкций значительных размеров в плане: фундаментных плит под жилые и промышленные объекты, монолитных перекрытий, дорожных и аэродромных покрытий и др. Трудоемкость работ при таком методе стыковки существенно сокращается. Наибольших успехов в области автоматизации и роботизации арматурных работ достигли строители Японии.
Выбор оптимальной кинематической структуры и геометрических параметров армоподающеи манипуляционной системы
Кинематическую структуру и компоновку манипуляционного устройства необходимо определять исходя из анализа следующих параметров: форма рабочей зоны, требуемая точность позиционирования устройства подачи и фиксации арматурных стержней, площадь, занимаемая манипуляционной системой, удобство обслуживания, простота конструкции. В связи с этим выбор структуры и компоновки манипуляционного устройства следует рассматривать как комплексный процесс, содержащий несколько этапов: структурный, кинематический анализ и синтез компоновки манипуляционных устройств, динамический анализ, выбор конфигурации манипуляционных систем по точности позиционирования и экономическим показателям. Основным этапом при определении оптимальной кинематической структуры манипуляционных систем, является структурный синтез манипуляционной системы. На этом этапе из множества возможных структур и компоновок манипуляционных устройств выбираются несколько приемлемых для последующего кинематического анализа.
Манипуляционное устройство представляет собой многозвенный пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью, первое звено которого неподвижно. Число возможных вариантов построения кинематической структуры манипуляционной системы определяется выражением: К = 6\ (2.1) где N - число степеней свободы. Очевидно, что число возможных вариантов построения кинематических цепей велико, однако большинство из них неприменимо по техническим и технологическим соображениям. Наибольшее распространение в кинематических цепях строительных машин нашли пары 5 класса, обладающие одной степенью подвижности, вращательного или поступательного типа. Кинематические пары других классов в условиях современного производства труднореализуемы. Известно, что для обеспечения произвольного положения объекта манипулирования внутри рабочего пространства требуется не менее шести степеней подвижности. При построении структурной цепи с шестью степенями свободы, предназначенной для подачи и фиксации арматурных стержней, следует иметь в виду следующее: технологический процесс транспортирования арматурных стержней к месту укладки целесообразно разделить на: s глобальную подачу - транспортирование арматурных стержней со склада в накопитель манипуляционной системы, / региональную подачу (операцию переноса), осуществляемую манипуляционной системой, / локальную подачу (операцию ориентации), осуществляемую устройством подачи и фиксации арматурных стержней. Таким образом, кинематическую цепь манипулятора можно расчленить на две части: механизм региональной (переносной) подачи и механизм локальной (ориентирующей) подачи арматурных стержней.
Положение и ориентация объекта манипулирования могут быть описаны несколькими способами (в различных системах координат). Вектор положения манипуляционного устройства в рабочем пространстве может быть представлен в декартовой, цилиндрической или сферической системе координат. Для описания ориентации устройства подачи и фиксации арматурных стержней относительно базовой системы координат можно использовать Декартовы координаты, углы Эйлера, углы вращения, наклона и качания / 46 /. Выбор базовой системы координат зависит от особенностей технологического процесса, формы рабочей зоны. Поскольку в реальном строительном производстве используются в основном линейные измерения, для описания положения и ориентации исполнительных устройств в технологическом пространстве удобнее использовать Декартову систему координат (рисунок 2.2).
Разработка принципиальных схем автоматизированных схватов для захвата и фиксации отдельных арматурных стержней
Автоматизированный схват предполагает использование специальных захватных устройств с пневматическими или гидравлическими приводами, управляемыми вычислительными машинами (ЭВМ), которые, в свою очередь, используют специальные алгоритмические программы, закладываемые в ПЗУ управляющих вычислительных устройств. В настоящий момент не существует специально разработанных алгоритмов для автоматизированной технологии укладки отдельных арматурных стержней. Для данной технологии разработан алгоритм автоматизированной подачи и фиксации арматурных стержней. Блок схема алгоритма показана на рис. 3.3.1. Изначально вводятся паузы между переделами технологического процесса с учетом времени необходимого на вязку или сварку стержней на месте фиксации. Перед захватом арматурного стержня вводятся начальное и конечное положения стержня, конечная точка подъёма и начальная точка спуска -точки траектории движения манипуляционной системы (см. глава II). Вычисляется коэффициент сервиса в начальной и конечной точке траектории манипуляционной системы, и если данный коэффициент не удовлетворяет условию точной фиксации арматурного стержня, задается необходимое изменение длины телескопической секции манипуляционной системы с последующим пересчетом траектории движения системы. После по утверждения траектории движения, определяются законы изменения скорости и ускорения обобщенных координат. Для захвата стержня системе необходимо определить текущие положения обобщенных координат (прил. А) при условии первого запуска системы, либо считать координаты предыдущей конечной точки траектории, которые и будут являться начальными для следующей. В итоге система начинает передвигаться в точку захвата следующего арматурного стержня. Следующим этапом является определение требуемой захватываемой позиции по порядку, ввод диаметра, класса и длины арматурного стержня. После захвата стержня, накопитель освобождает стержень после которого система должна в состоянии покоя определить фактические характеристики захватываемого стержня.
По завершении сверки истинных параметров захватываемой позиции с заданными, система делает вывод о верности позиции. И, в случае неверного захвата, останавливает процесс армирования. Или же допускает к следующему этапу производства работ, а именно - региональное перемещение арматурного стержня к месту фиксации, по разработанной в Главе II траектории движения.
По окончании третьей части траектории (спуска стержня), должна быть выдержана пауза, необходимая для фиксации арматурщиками стержня, которая зависит от квалификации рабочих. Для помощи рабочим предусмотрена функция лазерного уровня, который включается во время данной паузы и указывает точки привязки стержня к арматурному каркасу.
По выдержке паузы стержень отпускается и цикл начинается заново, до тех пор пока не будет смонтирована последняя позиция. А по завершении монтажа арматуры на данной захватке, манипуляционная Исходя из условий решения задачи автоматизированного управления технологическим процессом захвата и фиксации арматурных стержней и в результате многократных натурных наблюдений за выполнением этого процесса на строительных площадках были выявлены и сформулированы общие требования к средствам оценивания технологической информации: - средства контроля должны давать объективную, адекватную информацию об измеряемом технологическом параметре; - средства контроля должны легко встраиваться в технологический процесс армирования; - средства оценивания технологической информации должны быть устойчивы к высокому уровню помех и надежны в условиях строительной площадки; - в основу функционирования средств контроля должен быть положен единый принцип действия, позволяющий получить все необходимые измерения на одной универсальной физической базе; - средства оценивания не должны оказывать вредного воздействия на строительных рабочих; - погрешности измерения и быстродействие средств контроля должны удовлетворять технологическим требованиям процесса армирования монолитного здания. Пб Определяющим является последнее требование, так как от него зависит качество системы автоматизированного управления, а, следовательно, и качество строительной продукции. Качественными характеристиками арматурных стержней являются: J Масса; / Диаметр (фактический внешний диаметр при классе А Ш); J Длина стержня; / Класс арматуры. Погрешность измерения датчиков уровня обусловлена следующими требованиями, приведенными в / 68 /: / Погрешность при определении диаметра стержня не должна превышать 0,8мм. / Погрешность при определении длины арматурного стержня не может превысить 100мм. Исходя из этих данных погрешность датчика массы не может превышать для стержней 010мм (минимальный диаметр для автоматизированной технологии укладки арматурных стержней) 0,03кг.
Математическое моделирование траектории движения манипуляционной системы
В настоящее время математическое моделирование и вычислительный эксперимент с использованием ЭВМ стали составными частями общих подходов при разработке новых устройств и технологий [48]. Внедрение практики математического эксперимента позволяет значительно снизить трудоёмкость и материальные затраты как при разработке и проектировании новых устройств и технологий, так и при оптимизации уже имеющихся [6,29]. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент включал в себя шесть основных этапов [30,109]: 1) математическое описание траектории движения манипуляционной системы; 2) качественный и оценочный количественный анализ построенной математической модели; 3) выбор метода количественного анализа математической модели; 4) создание работоспособной программы реализующий алгоритм средствами вычислительной техники; 5) тестирование программы; 6) синтезирование практических рекомендаций для совершенствования технического объекта. В соответствии с приведённой методикой на первом этапе вычислительного эксперимента определена общая схема процесса движения манипуляционной системы [84] (рис. 4.1.1). Пораметры процесса Объект управления (ОУ) Управляющее устройст&о (УУЇ I Управляющие ЙозЗейстЬия РИС. 4.1.1. Схема процесса управления объектом Функциями управляющего устройства являются [6]: а) Восприятие (измерение) параметров ОУ. б) Преобразование полученных данных об объекте управления по определенному алгоритму, позволяющему выявить характерные, наиболее важные признаки текущего состояния ОУ, (а также прогнозировать будущее состояние ОУ). в) Формирование воздействия на ОУ, приводящего его в желаемое состояние. Измерение параметров объекта управления осуществляется с помощью первичных преобразователей - датчиков угловых и линейных координат [3]. Рис 4 I 2 Схема преобразователя сигнала Функцией датчика координат является преобразование воспринимаемого параметра в другую физическую величину - сигнал, который, в дальнейшем, будет обрабатываться в УУ. Таким образом, датчик можно рассматривать в виде схемы (рис. 4,1.2). К - измеряемый параметр (входной сигнал); [К] - сигнал датчика (выходной сигнал). Выходным сигналом [К] является электрическая величина: - ток, напряжение, сопротивление и т.д., это удобно для передачи сигнала на расстояние, усиления и дальнейшей его обработки. К основным характеристикам датчиков относятся: а) Коэффициент преобразования (чувствительность) S = M. (4.1.1) дк v б) Инерционность датчика. Инерционность датчика может оцениваться временем запаздывания Тз, на которое изменения выходного сигнала [К] отстают от соответствующих изменений входного параметра К [6].
Инерционность манипуляционной системы в целом характеризуется динамическими свойствами датчиков угловых и линейных перемещений. Чтобы реализовать математическое моделирование процесса движения манипуляционной системы необходимо разработать модель системы в среде программного пакета MATLAB [5, 29] и MATHCAD. Для трех участков траектории перемещения ТИПА 4 — 3 — 4, а именно: подъем, промежуточный участок и спуск, существуют полиномы четвертой, третьей и четвертой степеней, которые могут довольно хорошо аппроксимировать их. Для поиска решения на каждом из участков удобно ввести безразмерную переменную времени т, такую, что: иг-Ч-и 4.1.2 где индексы т и т-\ относятся к т-ыу и (т—1)-му участкам траектории движения робота. Таким образом, при движении по т-му участку траектории безразмерное время г изменяется от 0 до 1, тогда как реальное время меняется от tm.i до tm Введение соотношений (4.1.2) значительно упростит выкладки. На траектории типа А—3—4, которая представлена в главе №2 в виде полиномов pi,-, р2] и рз, в действительности налагаются геометрические или какие-либо другие ограничения, например недопустимость прохождения через любые недостижимые точки в пространстве обобщенных координат. Если манипуляционная система, перемещающаяся по траектории, сталкивается с препятствием, она может остановиться, начать потреблять значительный ток, который может сжечь плавкие предохранители, транзисторы и другие электронные компоненты. Длительное пребывание в заторможенном состоянии может закончиться серьезным повреждением в двигателях, их приводных электрических цепях и устройстве управления. Нет необходимости говорить о том, что это также может серьезно повредить или деформировать звенья робота.
Рассмотрим траекторию типа А—3—4 и проверим ее на недопустимые точки. Все, что надо сделать, — это найти экстремум для каждого полинома и удостовериться, что этот экстремум не выходит за допустимую рабочую область. Итак, нужно проверить значения рт(В}),рт{В2) vipm(BjJ, где Вь =1,2,..., ц, — это п действительных корней производной рт по времени г. Так как для траектории типа 4—3—4 наивысшая степень полинома — это четвертая степень, то отсюда следует, что имеется максимально три локальных экстремума. Здесь мы имеем дело с уравнением вида: Vі + а}т2 +а2т+а$ =0 для которого надо найти корни. Если экстремум полинома рі} ншр,з лежит вне границ допустимой области, простейшим решением будет сместить конечную точку подъема и начальную точку спуска, пока соответствующий участок целиком не будет лежать внутри рабочего пространства. Участком, доставляющим наибольшие трудности и приводящим к выходу за границы рабочего пространства, является участок р,2. В этом случае мы должны разбить промежуточный участок траектории на два или более участков, введя дополнительные допустимые точки.
