Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ современного состояния вопроса. Постановка задачи исследования 8
1.1. Манипуляционные системы в реализации технологических процессов 9
1.1.1. Методы предварительной ориентации деталей 10
1.1.2. Организация движения, свойства 11
1.1.2.1. Системы отсчета и преобразования координат. Задачи кинематики 16
1.1.2.2. Обратная задача кинематики роботов 23
1.2. Тенденции развития технологических комплексов. Задачи взаимодействия 27
1.2.1. Задачи и методы динамического анализа 28
1.2.2. Силы, действующие в механизмах робота 30
1.2.3. Особенности конструкции исполнительных механизмов 35
1.3. Упругие колебания роботов и вибрации технических объектов...35
1.4. Ограничение уровня динамических воздействий. Элементы теории виброзащиты 38
1.4.1. Элементы теории виброзащиты 40
1.5. Цель изадачи исследования 44
Глава 2. Типовые задачи движения манипулятора в составе сборочного комплекса 46
2.1. Принципиальные особенности взаимодействия с ограничителем (копиром) 46
2.2. Кинематика простейших манипуляторов, взаимодействующих с ограничителями простейшей формы 50
2.3. Кинематические условия отсутствия удара при контакте 57
2.4. Построение рабочей зоны для двухзвенного манипулятора 63
2.5. Обобщение методики построения рабочей зоны 66
2.6. Податливость манипулятора в зоне контакта и выбор его конфигурации 74
2.7. Выводы по главе 2 ...81
Глава 3. Динамика взаимодействия с ограничителем. Условия отсутствия динамического удара 82
3.1. Определение управляющих сил при позиционировании плоского двухзвенного манипулятора 82
3.2. Уравновешивание плоского двухзвенного манипулятора 86
3.2.1. Статическое уравновешивание двухзвенного манипулятора...87
3.2.2. Динамическое уравновешивание двухзвенной манипуляционнои системы 92
3.3. Оптимальное по быстродействию управление движением двухзвенной манипуляционнои системой 94
3.4. Безударное движение двухзвенной манипуляционнои системы...99
3.4.1. Обеспечение безударного движения манипуляционнои системы путем регулирования скорости 99
3.4.2. Точная остановка схвата манипуляционнои системы 104
3.5. Конфигурация двухзвенной манипуляционнои системы, обеспечивающая минимальную работу механизма 109
3.6. Выводы по главе 3 112
Глава 4. Особенности кинематики и динамики манипуляционных систем, взаимодействующих с подвижным копиром при кинематическом и динамическом замыкании цепи. Упругие колебания роботов ...113
4.1. Кинематика манипуляционнои системы, взаимодействующей с подвижным копиром 113
4.1.1. Условия безотрывного движения манипуляционнои системы.113
4.1.2. Определение скорости и ускорения схвата манипуляционнои системы при движении по подвижному ограничителю 115
4.2. Исследование точности позиционирования исполнительного органа промышленного робота 119
4.3. Определение структуры расчетных моделей при изменении конфигурации манипулятора 123
4.3.1. Обоснование расчетных схем манипулятора и дифференциальные уравнения движения 124
4.4. Теоретические исследования систем гашения упругих колебаний на основе приводов манипуляторов 128
4.4.1. Особенности построения и технической реализации систем гашения упругих колебаний на основе приводов манипуляторов 129
4.4.2. Учет взаимосвязанности движений при расчете систем гашения колебаний манипуляторов 131
4.4.3. Расчет систем гашения упругих колебаний на основе трехмассовой расчетной схемы 133
4.4.4. Особенности построения системы гашения вынужденных колебаний 135
4.4.5. Принципиальная схема построения программного комплекса 138
4.4.5.1. Модель двухзвенной манипуляционной системы 139
4.4.5.2. Алгоритм управления двухзвенной манипуляционной системой 143
4.5. Выводы по главе 4 146
Заключение и основные выводы 148
Список литературы 150
- Системы отсчета и преобразования координат. Задачи кинематики
- Кинематика простейших манипуляторов, взаимодействующих с ограничителями простейшей формы
- Оптимальное по быстродействию управление движением двухзвенной манипуляционнои системой
- Исследование точности позиционирования исполнительного органа промышленного робота
Введение к работе
Актуальность работы. Современное производство развивается в направлении создания автоматизированных технологических комплексов, в составе которых имеется оборудование, в том числе промышленные роботы, взаимодействующие между собой. В автоматизированных комплексах используются загрузочные, подающие, ориентирующие устройства и механизмы. Общей проблемой повышения эффективности использования таких комплексов является обеспечение надежности и безопасности работы при высоких рабочих скоростях, что предполагает достаточно детализиро ванную отработку конструкторско-технологических решений, опирающихся на анализ и учёт многочисленных факторов динамической природы.
Динамика и прочность машин, как направление научных исследований, становится в этом плане инструментом поиска, обоснования и расчёта новых технических решений на основе методов теории систем, теоретической механики, теории механизмов и машин, теории колебаний, теории управления, вычислительной математики.
Работа технических устройств в автоматизированном машинном комплексе, регламентирование во времени и движениях в пространстве реализуются через динамическое взаимодействие, контакты с заготовками и деталями, приспособлениями, элементами оборудования. Такие динамические взаимодействия часто сопровождаются ударными и вибрационными явлениями, что приводит к снижению уровня точности движений рабочих органов, позиционирования деталей, появлению отказов из-за выхода параметров процессов за определенные рамки. Поэтому разработка математических моделей взаимодействия, обоснование и выбор рациональных схем автоматизированных комплексов, динамические расчеты в обоснование эффективной работы можно отнести к современным и актуальным направлениям развития динамики, прочности машин, приборов и аппаратуры.
Сложность робототехнических комплексов (РТК), точнее сложность промышленных роботов, создает определенные трудности в обеспечении быстропротекающих процессов, что стимулирует поиск и разработку новых технических решений. В частности, такие подходы основаны на возможностях рациональной компоновки РТК из достаточно простых элементов. Однако, их взаимодействие должно быть специальным образом организовано. Автором при построении сборочных РТК предлагается оригинальное решение для обеспечения точности позиционирования деталей в технологических процессах, предполагающих контакты с приспособлениями-спутниками через специальное взаимодействие схвата робота с копиром.
Использование копира для обеспечения контакта со схватом робота и организация движения в контакте позволяют снизить требования к числу степеней свободы и возможностям системы управления движением. По-существу, копир (а он может быть и управляемым) выполняет роль своеобразного " поводыря ", который организует движение схвата промышленного робота (ПР) на завершающем этапе технологического процесса. Динамическое взаимодействие определяется условиями контакта специального при-
способления на схвате ПР и копира; такое движение должно быть безотрывным, исключающим возможность самозаклинивания и обладать определёнными заданными кинематическими параметрами.
Развивая подобный подход, можно выйти на построение нового класса автоматизированных комплексов (например, сборочных РТК), в которых будет реализована схема взаимодействия промышленных роботов через специальные устройства, организующие заключительные движения. В этом случае элементы РТК могут состоять из устройств достаточно простого вида, иметь 2-3 степени свободы с возможностями работы с высокими рабочими скоростями.
Обеспечение в процессе работы контактных взаимодействий, согласованных действий и их координация необходимы при разработке алгоритмов управления движением, расчёте конструктивных параметров ПР, оценке упругих колебаний роботов.
Целью диссертационной работы является развитие новых подходов в построении автоматизированных комплексов на основе использования в их составе элементов упрощенной структуры, взаимодействующих между собой для обеспечения эффективности заключительных этапов сборочных технологических процессов.
Для достижения цели автором предлагается решение следующих задач:
Предложить и обосновать оригинальные схемы построения сборочных роботизированных комплексов, использующих кинематическое взаимодействие схвата промышленного робота с направляющим устройством (копиром).
Разработать методы математического моделирования в решении специфических задач динамики взаимодействия элементов РТК.
Развить научные основы и научно-методические обоснования в задачах оценки динамических свойств манипуляционных систем в зонах контакта схвата, детали и приспособления.
Предложить и разработать технические средства управления уровнем упругих колебаний элементов ПР и РТК.
Научная новизна работы связана с разработкой новых подходов в построении машинных комплексов, в которых в последовательной схеме технологических процессов сборки на заключительном этапе используются специальные приемы контактного взаимодействия рабочих органов, снижающие с одной стороны требования к сложности промышленных роботов, а с другой стороны, обеспечивающие приемлемые в динамическом отношении условия работы оборудования. Предлагаются оригинальное техническое решение, математические модели, аналитические соотношения, представляющие в целом реализацию системного формирования научного обоснования методов проектирования и расчета.
Методы исследований. В теоретических исследованиях использовались методы теоретической механики, теории механизмов и машин, теории колебаний, теории управления, вычислительной математики.
Практическая значимость работы заключается в упрощении конструкции и удешевлении робота, повышении точности позиционирования на заключительном этапе технологического процесса и увеличении производительности. Новизна технического решения подтверждена патентом.
Достоверность результатов исследований подтверждается результатами численных расчетов, сопоставлением с результатами, полученными в аналогичных ситуациях другими исследованиями, обсуждением полученных результатов на научных конференциях и при решении задач, связанных с внедрением разработок в ряде организаций: Читинском машиностроительном заводе, ОАО « Ангарском опытно-конструкторском бюро автоматики», Иркутском авиационном заводе-филиале ОАО НПК «Иркут», Институте нефте-и углехимического синтеза ИГУ, Улан-Удэнском лопастном заводе.
Работа выполнялась автором в рамках планов поисковых и научно-исследовательских работ ИрГУПС и АГТА, программ совместных работ с институтами ИНЦ СО РАН, программ реконструкции и модернизации машиностроительной базы АНХК (г. Ангарск). По тематике диссертации автором получен российский патент, опубликовано 16 научных работ, включая патент на полезную модель.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Межвузовской научно-технической конференции «Современные технологии и научно-технический прогресс» (Ангарск, 1998 г., 1999г.), IV региональной научно-практической конференции «Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири» (Иркутск, 2001 г.), Международной научно-технической конференции «Математика и ее приложения» (Ула-Удэ,2001 г., 2003 г., 2005 г.), Всероссийской научной конференции «Современные проблемы механики» Улан-Удэ, Москва, 2002 г., 2004 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005), Межрегиональном научном семинаре «Современные технологии. Системный анализ. Моделирование» (Иркутск, 2005 г.), ХШ Байкальской международной школе-семинаре «Методы оптимизации и их приложение» (Иркутск - Северобайкальск, 2005 г.),Научной конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании» (Иркутск-Северобайкальск, 2005 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях Иркутского государственного университета путей сообщения и Ангарской государственной технической академии.
В заключение автор хотела бы выразить свою признательность д.т.н., профессору Гозбенко В.Е. за поддержку и внимание к работе.
Системы отсчета и преобразования координат. Задачи кинематики
Приводные устройства в манипуляторах роботов используются в сочетании с передаточными механизмами и чувствительными устройствами обратной связи. В основу классификации манипуляторов может быть положен способ размещения приводных устройств на манипуляторе и принцип передачи движения от них соответствующим звеньям манипулятора.
В соответствии с этим можно выделить следующие группы манипуляторов: манипуляторы, в которых приводные устройства расположены непосредственно в местах связи звеньев манипулятора так, что корпус приводного устройства связан с одним звеном, а ведомое звено - с другим; манипуляторы, в которых приводы всех звеньев расположены на его неподвижном основании, а связь каждого приводного устройства со своим звеном осуществлена через передаточные механизмы; манипуляторы, в которых одно приводное устройство используется для привода нескольких (или всех) звеньев манипулятора; манипуляторы, в которых используется комбинация трех основных способов размещения приводных устройств [72, 75, 85, 91]. Организация движений является одной из основных проблем, возникающих при управлении манипуляционной системой. Круг относящихся сюда вопросов проще всего описать в рамках многоуровневой иерархической структуры, где решение задачи на одном из уровней представляет собой « задание » для следующего, более низкого, уровня. Верхние уровни такой системы определяют, что должен сделать робот для решения поставленной перед ним двигательной задачи. Сначала эту задачу, например, сборки некоторого узла из отдельных деталей, следует разбить на последовательность подзадач - ряд отдельных двигательных операций. Это, например, операция взятия деталей, их установки или соединения с другими деталями и т.п. Для каждой из указанных операций следует затем определить законы перемещения схвата манипуляционной системы в рабочем пространстве, изменения его ориентации, моменты его открытия и закрытия, величины усилий, развиваемых при взятии деталей и их установке и т.д. Все эти параметры движения в первом приближении следует рассматривать как полностью обусловленные выполняемыми двигательными операциями и не зависящие от конкретной структуры манипуляционной системы. Реализуемость законов движений схвата непосредственно связана с механическими свойствами манипуляционной системы (они будут рассмотрены ниже).
На следующем уровне построения движений обусловленные технологическими процессами перемещения схвата манипуляционной системы в рабочем пространстве « раскладываются » по степеням подвижности, т.е. отыскиваются соответствующие законы изменения обобщённых координат манипуляционной системы. Здесь существенное значение приобретают геометрические и кинематические характеристики манипуляционной системы.
Пусть двигательная задача состоит в том, чтобы переместить механизм из положения В0 в положение Bi (рис. 1.2).
В этой задаче оговариваются только начальное и конечное положения механизма, поэтому процесс перемещения может быть выполнен совершенно произвольно. В том числе, например, и так, чтобы точка Bj, принадлежащая манипуляционной системе, перемещалась по прямой В0В]; путь, пройденный точкой В, в этом случае будет минимальный. Задание конфигураций механизма в положениях Во и Bi однозначно определяет величины углов Дфі и Д(р2, но не отвечает на вопрос о величинах относительных угловых перемещений, совершающихся в кинематических парах механизма в процессе перехода из положения В0 в В. Такое движение не будет экономным. В качестве критерия экономности построенного движения выбирают величину, оценивающую суммарное перемещение во всех подвижных сочленениях, участвующих в двигательном синергизме. Величину полного перемещения (углового или линейного), совершающегося в некоторой кинематической паре, называют объемом движения этой пары. Сумму объемов движений во всех кинематических парах называют объемом движения манипуляционной системы при выполнении ею заданного перемещения [59].
Для монотонных способов движения манипуляционной системы, содержащихся в заштрихованной области и на границах (рис. 1.2), объем ее движения W минимален и численно равен
В робототехнике движения, характерные для операций переноса или ориентирования объектов манипулирования, когда кинематическая цепь манипуляционной системы считается разомкнутой и к её промежуточным состояниям никаких особых требований не предъявляется, называют транспортными движениями. При выполнении технологических операций требуется обеспечение заданного движения одного или нескольких звеньев манипуляционной системы, включая схват. Такие движения называют рабочими.
Свойства манипуляционной системы в целом определяются устройством и конструкцией её подсистем — двигательной, привода и управления. Подсистемы двигательная и привода составляют то, что условно можно называть механической частью манипуляционной системы, и определяют её динамические свойства.
Знание конфигурации рабочего пространства манипулятора облегчает его «привязку» к объекту работы, согласование собственных геометрических ограничений манипуляционной системы с теми дополнительными ограничениями, которые могут возникать в конкретных условиях. По мере приближения схвата к границам рабочего пространства манипулятивные возможности манипуляционной системы сужаются; на границах достижимости свойство манипулятивности вообще утрачивается. Внутри рабочего пространства манипулятивность распределяется различным, подчас чрезвычайно сложным образом. Выполнение рабочих операций, сопряженных с необходимостью манипулирования инструментом, заготовкой, изделием требует знания того, как это свойство распределено в пределах всего рабочего пространства [51],
В каждой конфигурации манипуляционной системы достижимые скорости схвата составляют определенный интервал, ограничиваемый возможностями приводов отдельных звеньев. От конфигурации к конфигурации этот интервал меняется. В любой точке траектории движения схвата его заданные скорости должны вмещаться в интервалы достижимых скоростей манипуля-ционной системы, Еще одна группа характеристик включает свойства точности и податливости и отражает качества манипуляционной системы, связанные с её реальным конструктивным оформлением. В совокупности с перечисленными выше свойствами они образуют набор собственных свойств манипуляционной системы, к рассмотрению которых обращаются при решении многих вопросов применения роботов [28, 75, 87, 89, 113].
Характерными для манипуляционных систем являются следующие две задачи кинематики: прямая задача - определить положение, ориентацию, линейную и угловую скорости и ускорения звеньев (точек звеньев) механизма в инерциальной (условно неподвижной) системе координат по известным характеристикам относительного движения; обратная задача - определить характеристики относительного движения звеньев по заданным абсолютным координатам, ориентации, скорости и ускорению звеньев, отдельного звена или точки механизма. Будем считать систему координат декартовой, а относительное движение характеризовать обобщенными координатами, скоростями и ускорениями. Указанные задачи кинематики можно разить на более мелкие подзадачи: прямые преобразования координат, обратная задача о положении и т.д.
Кинематика простейших манипуляторов, взаимодействующих с ограничителями простейшей формы
Как уже было отмечено, создание роботизированных производств в настоящее время развивается в двух направлениях: разработка новых технологий, оборудования и производств в целом, основанных на примени ПР; роботизация действующего производства. Первое направление в перспективе является ведущим. Вместе с тем оно выпивается в большую комплексную проблему, охватывающую все отрасли промышленности. Для решения этой проблемы требуется создание нового оборудования и новых технологий, разработка принципов организации и управления для полностью роботизированных предприятий. Второе направление представляет собой использование ПР в действующем производстве с учетом реально ограниченных возможностей изменения последнего, но с весьма существенной модернизацией. Однако на сегодняшних этапах решения рассматриваемой проблемы, именно это направление является основным и доступным при создании роботизированных систем в плане реконструкции и технического перевооружения многих отраслей промышленности, в том числе и железнодорожной отрасли [53, 62].
Если иметь в виду общие проблемы производства, то в этой связи для автоматизации ряда технологических процессов, как за рубежом, так и у нас в стране, были созданы специализированные модели роботов. Это ПР, предназначенные для выполнения жестко запрограммированных действий. Простота изменения программ обеспечивает их достаточную универсальность и быструю переналаживаемость в пределах функциональных возможностей ПР. Имея ограниченные технологические возможности, жестко программируемые ПР наряду с высоким быстродействием и точностью позиционирования обладают рядом положительных качестве, таких как относительно низкая стоимость, простота конструкции, высокая надежность. Такие ПР в настоящее время составляют основную часть выпущенных машин как по числу моделей, так и по общему количеству. Как правило, они имеют пневматический привод (при малой грузоподъемности) и цикловые системы управления.
Создание роботизированных технологических комплексов (РТК) с применением жестко программируемых ПР сопряжено с решением ряда научных и инженерных проблем, связанных с разработкой различного вспомогательного (или мани пуля ционного) оборудования и оснащения, дополняющих комплексы до самостоятельно функционирующих единиц. Важнейшим элементом комплекса становятся дополнительные и вспомогательные технические средства координации и согласования движений [55, 67, 77, 84, 96, 100,115].
В диссертационной работе рассматривается ряд вопросов обеспечения функциональной совместимости, динамической точности и взаимодействий манипуляционных элементов РТК, что связано с разработкой принципов построения роботизированных технологических комплексов, которые могут рассматриваться как типовые роботизированные ячейки автоматизированных производств, демонстрируя общие проблемы, характерные для различных технологических процессов.
Серьезной проблемой является обеспечение динамического качества РТК, что предполагает соблюдение норм и ограничений на уровень динамических нагрузок, вибраций и ударов, которые присутствуют в организации циклических рабочих процессов. В этом плане задача внедрения РТК на определенном этапе требует выбора, расчета и обоснования использования специальных средств обеспечения динамического качества (точности позиционирования, затухания переходных процессов и т.д.), что, в свою очередь, требует разработки математического, алгоритмического и программного обеспечения в решении типовых динамических задач.
Механическая система робота, в первом приближении, рассматривается как совокупность механизмов с жесткими звеньями. При этом решаются две задачи динамики. При решении первой задачи предполагается, что законы движения всех звеньев робота известны и совпадают с программными законами движения q s „ (t), требующимися для выполнения того или иного рабочего процесса. Целью динамического расчета на этом этапе будет являться определение движущих сил и моментов, необходимых для выполнения программного движения, а также возникающих при этом движении динамиче ских нагрузок в кинематических парах. В динамике машин такое динамическое исследование принято называть силовым, или кинетостатическим расчетом. Последнее название связано с тем, что проведение этого расчета обычно основывается на уравнениях кинетостатики. Силовой расчет механизмов имеет большое практическое значение. Определив движущие силы и моменты, можно выбрать двигатели, способные обеспечить осуществление всей совокупности программных движений робота или оценить пригодность предварительно выбранных двигателей. Определение динамических нагрузок, действующих на звенья механизмов и элементы кинематических пар, необходимо для оценки прочности, жесткости и надежности системы.
Вторая задача динамики заключается в определении динамических ошибок — отклонений законов движений от программных. В жестком роботе динамические ошибки вызываются влиянием механической системы на двигатели. Ограничимся рассмотрением динамики роботов с разомкнутыми системами управления; в этом случае задача определения динамических ошибок будет сводиться к интегрированию уравнений движения механической системы совместно с уравнениями динамических характеристик двигателей.
При решении второй задачи наибольшие трудности связаны обычно с составлением дифференциальных уравнений движения манипуляционных систем. Существует несколько способов составления таких уравнений. Они основаны на применении уравнений Лагранжа 2-го рода [28, 41, 60, 70, 87], уравнений Эйлера-Лагранжа и некоторых их модификаций [71, 76, 119, 120], уравнения Аппеля [18], принципа наименьшего принуждения Гаусса [13, 89], кинетостатического метода [12].Следует отметить, что при большом числе степеней подвижности (четыре и более) получение уравнений сопровождается весьма громоздкими преобразованиями сложных аналитических выражений.
Для получения уравнений движения наиболее часто применяются при решении практических задач кинетостатический метод и метод, основанный на использовании уравнений Лагранжа 2-го рода. При интегрировании уравнений движения совместно с уравнениями динамических характеристик двигателей может быть использовано предположение о малости динамических ошибок, о близости истинных движений робота к заданным программным движениям. Это позволяет, наряду с исходными уравнениями движения, рассматривать и уравнения, линеаризованные вблизи программного движения.
Сложность общих уравнений движения манипуляционной системы с несколькими степенями подвижности затрудняет решение задач динамического анализа и в особенности задач динамического синтеза, возникающих при проектировании ПР.
В этой связи большое значение приобретает исследование динамики роботов при движениях, соответствующих изменению только одной из обобщенных координат, что сводится к анализу систем с одной степенью подвижности, для которых уравнения движения принимают простую аналитическую форму, а это дает возможность получить сравнительно простые оценки качества динамических режимов, выбрать оптимальные параметры отдельных передаточных механизмов и двигателей. Программные движения робота, при которых изменяется только одна из обобщенных координат, называются парциальными движениями.
Оптимальное по быстродействию управление движением двухзвенной манипуляционнои системой
Механическая часть робота — манипулятор — его исполнительный орган, представляющий собой стержневой механизм с разомкнутой кинематической схемой, предназначенный для осуществления управляемого движения схвата. Конструкция исполнительного механизма в значительной степени определяет функциональные возможности ПР и выбирается исходя из противоречивых требований обеспечения грузоподъемности (величин развиваемых усилий) и производительности (величин скоростей движения), большой зоны обслуживания и высокой жесткости, достаточности точности движения. Компоновка и конструктивная схема ПР зависят от того, какие движения он должен выполнять во время технологических операций.
Комбинации кинематических пар, отличающиеся как последовательностью чередования, так и взаимной пространственной ориентацией, создают многообразие вариантов структур базовых механизмов ПР. Последние влияют на такие параметры ПР, как форма и размеры рабочей зоны, собственные габаритные размеры исполнительного органа, а также на возможность выполнения конкретных рабочих движений.
Компоновка ПР существенно зависит от схемы расположения двигателей приводов звеньев манипулятора. Возможны две принципиально отличающиеся компоновочные схемы ПР - с двигателями приводов на подвижных звеньях и с двигателями на основании робота. Наиболее часто используется схема с силовыми двигателями, расположенными на подвижных звеньях ПР. Передача движения от приводов к звеньями осуществляется либо непосредственно с помощью выходных элементов двигателей, либо с помощью различного рода механических передач [104, 111, 116]. Анализ современного состояния промышленной робототехники позволяет выявить основные тенденции и направления развития в этой области: 1. Разработка адаптивных и интеллектуальных ПР, обладающих широкими возможностями адаптации к конкретным производственным условиям и не требующих больших затрат на создание околороботной оснастки. 2. Унификация компонентов ПР с переходом, в конечном счете, к унифицированным конструктивным модулям механической части роботов, их систем управления, программного обеспечения и базирующихся на них технологических комплексов и гибких производственных комплексов. 3. Разработка ПР преимущественно на базе электроприводов. 4. Применения манипуляторов, звенья которых выполнены из специальных и жестких материалов. 5. Обеспечение динамической точности и высоких скоростей перемещения исполнительных органов ПР (особенно, используемых для высокопроизводительных операций штамповки) за счет осуществления специального комплекса мероприятий.
Как показывает обзор, круг задач, решаемых с помощью ПР, расширяется. Возрастают требования к производительности, точности позициониро вания, надежности. Соблюдение таких противоречивых требований затрудняется разомкнутостью кинематической структуры исполнительных механизмов ПР, приводящей к крайне невыгодной консольной конструкции. В таких условиях высокие скорости движения исполнительных механизмов, определяемые технологическими требованиями, вызывают значительные инерционные нагрузки и упругие деформации звеньев [35].
Деформации носят колебательный характер и оказывают существенное влияние на динамическую точность ПР, увеличивают время выполнения технологических операций и снижают тем самым эффективность применения роботов. Кроме того, упругие колебания приводят к увеличению динамических нагрузок и напряжений в звеньях исполнительных механизмов и уменьшают прочность конструкции, долговечность и надежность ПР.
Наибольшей интенсивности упругие колебания достигают в переходных режимах работы, таких как разгон и торможение самого ПР, изменение нагрузки (прием и сброс деталей). Как показывает практический опыт внедрения и эксплуатации ПР, а также экспериментальные исследования, проведенные авторами, амплитуды колебаний схватов, вызванные упругими деформациями исполнительного механизма в режимах разгона и торможения, достигают десятков миллиметров, а их продолжительность до 50% и более от общего времени выполнения движений. Часто это время превышает необходимое для выполнения технологических операций, например, штамповки, сборки и др. [108].
Наиболее существенной особенностью исполнительных механизмов ПР следует считать переменность приведенных моментов инерции звеньев вследствие изменений их взаимного расположения в пространстве обобщенных координат, а также изменения масс и габаритов перемещаемых деталей. Диапазон изменения моментов инерции зависит от кинематической структуры исполнительного механизма ПР и в некоторых случаях достигает значительных величин ( порядка 10 и более раз ) [49]. Кроме того, у роботов, работающих в прямоугольной, цилиндрической и сферической системах координат, изменяются коэффициенты жесткости консольных звеньев [60]. Изменения указанных параметров приводят к изменению собственных частот колебаний. Наибольшее влияние на вариации собственных частот оказывает переменность конфигураций исполнительного механизма, а не масс перемещаемых деталей в пределах грузоподъемности роботов.
Отметим, что увеличение жесткости звеньев исполнительных механизмов с целью повышения собственных частот не всегда может являться эффективной мерой ограничения упругих колебаний, поскольку, с одной стороны, приводит к утяжелению конструкции и увеличению её габаритов, следовательно, инерционных нагрузок, являющихся основным источником упругих колебаний, с другой - ограничено конструктивными соображениями. Для каждой конструкции ПР существует вполне определенное соотношение между жесткостью и массой исполнительного механизма (ИМ), повышение которого оказывается нецелесообразным. Уменьшение скорости движения ИМ, хотя и позволяет снизить интенсивность упругих колебаний, но не ре шает проблему в целом, поскольку приводит к снижению быстродействия и производительности ПР [108].
Указанные обстоятельства вызывают необходимость учета упругих свойств ИМ и разработки специальных методов и средств ограничения упругих колебаний.
В современной теории механизмов и машин накоплен значительный опыт по исследованию динамики механизмов с упругими связями. Эти исследования развиваются в двух основных направлениях. Первое связано с разработкой методов анализа поведения механизмов при заданных параметрах и различных режимах положения нагрузок. В рамках этого направления рассматриваются общие проблемы динамики механизмов с упругими связями, соотнесенные с составлением расчетных динамических моделей упругих механизмов и исследованием колебательных движений. Задача анализа сводится к определению действительных динамических нагрузок в звеньях, обусловленных наличием упругих элементов [49].
Исследование точности позиционирования исполнительного органа промышленного робота
При рассмотрении промышленного робота как важнейшего элемента автоматизированного технического комплекса, предназначенного для реализации тех или иных технологических процессов, можно отметить, что чаще всего ПР совершает движения, обеспечивающие: точность позиционирования схвата; перемещение по определенной заданной траектории (с выполнением ряда ограничений на параметры движения); силовое взаимодействие схвата в контакте деталь-приспособление; сложные взаимодействия с объектом, если в процессе участвуют несколько ПР и образуется многоманипуляционная система. Некоторые вопросы, связанные с обобщением задач взаимодействия роботов с препятствиями (ограничениями различного рода) рассматриваются в монографии [26,76] с учетом несвободного характера движения. Последнее очень важно, поскольку автором диссертации развивается подход, использующий специфику несвободного движения как раз для целей обеспечения эффективной работы в роботизированных комплексах [36, 37, 38,47], Ряд технологических процессов, особенно сборочных, имеет такие особенности, что заключительные этапы взаимодействия требуют особо точного позиционирования деталей, их ориентации или «организованного» движения. В расширении таких представлений автором предлагается рассмотреть ряд подходов, заключающихся в том, что на определенном этапе своего движения схват входит в соприкосновение с «приспособлением — проводником». Последнее может иметь различные конструктивно-технические формы: копир (лекало), в котором схвату обеспечивается через специальное уст ройство силовое и кинематическое замыкание; специальный механизм, обеспечивающий схвату определенное движение на том участке траектории, где произошло контактирование (такой механизм - проводник может быть представлен программируемым устройством с одной-двумя степенями подвижности).
Современный робототехнический комплекс представляет собой систему, состоящую их технологической машины (или системы машин, линии), промышленных роботов (манипуляторов) и вспомогательных технических средств в виде накопителей, ориентирующих устройств, приспособлений-спутников. Рациональное распределение функций между элементами комплекса всегда представляет важную задачу [108], от решения которой зависит формирование требований к сложности промышленного робота, вспомогательных средств, а от этого, в конечном итоге, существенно снижается общая стоимость робототехнического комплекса.
Естественным направлением исследований предпроектных решений при построении робототехнических комплексов является ориентация на понижение числа степеней свободы робота, поэтому силовое или кинематическое замыкание для манипулятора может оказаться полезным. По-существу, при взаимодействии с копиром (проводником) в простейшем варианте промышленный робот превращается в замкнутую механическую цепь или механизм с одной степенью свободы. Возможные кинематические схемы таких механизмов представлены на рис.2.1, а, б и закреплены патентом автора на полезную модель [46, 78].
Таким образом, при взаимодействии с «проводником» в роботе могут быть заблокированы все степени подвижности, кроме одной, которая и обеспечивает дальнейшее продвижение схвата, вошедшего в контакт с копиром. Все многообразие конструктивных решений сводится к двум вариантам построения кинематических схем (рис.2.1 а, б). Важным является то обстоятельство, что между копиром и схватом робота образуется кинематическая пара Г/ класса. В самых простых вариантах, когда кривая на «копире» или траектория «проводника» является прямой или дугой окружности, кинема тическая схема робота, взаимодействующего с копиром, может быть представлена кинематической схемой четырехзвенного механизма в различных его модификациях (кривошипно-ползунный, кулисный, четырехрычажный).
При организации взаимодействия с учетом конструктивно-технического решения РТК имеет смысл при использовании робота с несколькими степенями свободы рассмотреть различные варианты получения механизма с одной степенью свободы. Во всяком случае компоновка кинематической цепи, проверка возможностей осуществления движения, условий проворачиваемости, отсутствия конфигураций и зон самоторможения должны входить в перечень обязательных предварительных оценок.
Ограничение движения с учетом взаимодействия предполагает рациональное расчленение движения робота на ряд этапов: 1. позиционирование схвата в зоне взаимодействия с копиром; 2. вхождение в контакт с копиром с возможным соударением; 3. движение схвата по копиру как работа механизма с одной степенью свободы и определение алгоритма управления движением в зависимости от того, что требуется в заключительной стадии сборочного процесса. В своей развитой форме «проводник» (копир в простейшей форме) может представлять собой специальное программируемое устройство, предназначенное для того, чтобы, войдя в контакт со схватом, организовывать требуемое заключительное движение [47].
Похожие диссертации на Динамические процессы взаимодействия элементов автоматизированных комплексов
