Введение к работе
Актуальность работа. Экономическое и социальное развитие общества связано с интенсивным развитием ресурсосберегающих технологий. Отечественный и зарубежный опыт различных отраслей промышленности показывает, что наиболее полно проблемы ресурсосберегающих технологий могут быть решены на принципах комплексной механи-зации и автоматизации производства с широюм применением автоматизированных линий и специальных малин, различных манипуляцкошшх устройств и средств робототехники.
Серийно выпускаемые автоматические манипуляторы и промышленные роботы, ках правило, не приспособлены для работы в экстремальных условиях металлургического производства. Поэтому совершенствование и разрзботіса перспективных механических систем мно-годвигателькых машин и, в частности манипуляционных устройств с малой удельной металло- и энергоемкостью для механизации трудоемок производственных процессов в металлургии, является одной из актуальных проблем.
Одним из подходов к повышенна качества вновь создаваемых образцов прогрессивной техники являются комплексные исследования, направленные на снижение массоинерционкых характеристик силовых приводов и механических систем машин, как основных структурных составляющих, определяющих параметры движения последних н їй основные технические показатели.
В существующих конструктивных решениях функциональных механизмов манипуляционных устройств коэффициент грузоподъемности Кг. определяемый ісак отношение массы подвижных частей манипулятора М к массе поднимаемого груза Мг, составляет 10 + 40.единиц.
Особенно важно снижение Кг при создании рациональных конструкций исполнительных механизмов манипуляционных устройств, ра-
Оотачщих с широким диапазоном масо объектов манипулирования и зон обслуживания, для металлургической промышленности. Необходим качественно новый комплексный подход к построению ' аких устройств и методам их расчета.
Работа выполнялась в соответствии с комплексной программой НИР "Прогресс-SO" Минвуза РШСР (раздел 01.05.10), Координационным планом Головного совета "Волновые процессы" Минвуза PCSCP по проблемо "Исследование неустановившихся движений существенно нелинейных управляемых механических систем и динамика роботов", а тагосе в соответствии с решением экспертной комиссии іюнкурса грантов (письмо N25-4-889 от 15.07.93г в области фундаментальных исследований по робототехнике и технической кибернетике; направление: компоненты средств робототехнігки. договор К РТК-1).
Цель работа. Целью данной работы является создание теоретических основ построения к методов расчета, обеспечиваэдих конструирование исполнительных механизмов мапипуляшюнных устройств металлургического производства с малыми ыассоинерционными характеристиками, расширяющие их функциональные возможности и области применения, и внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса з области разработки магии и агрегатов металлургического производства
Научная натазна. Идея работы заключается в переходе к новым схемам мапипуляциошшх устройств, в которых используются кинематические структуры с активными или пассивными дополнительными свявяш, замыкающим основную кинематическую цепь и одновременно являющимися элементами несущей конструкции и системы передач движений, в комплексе с оптимизационными методами расчета основных кинематических цепей и рациональным построением кинематически независимых двухпеточных систем передачи движений без общих дифференциальных механизмов. В связи с этим:
разработаны концепция и новые принципы построения манипуляцн-онных устройств с малыми коэффициентами грузоподъемности;
разработаны теоретические основы оптимизационного синтеза параметров плоских и пространственных основных кинематических цепей, позволяющего получать кинематические цепи минимальной длины;
- развита теория синтеза кинематически развязанных систем пере-
4
дач дэияешш основным звеньям исполнительных механизмов манипуля-циошшх устройств с дифференциальной структурой;
осуществлено теоретическое обоснование нового способа кинема-тической развязки движения основних звеньев при помози двухпоточ-ных независимых кинематических цепей системы передач движений. Разработаны их структурная классификация и методика конструирования подобных схем;
разработала методика и получены аналитические зависимости для силового расчета исполнительных механизмов с д'.кйзрэнциалыюл структурой и различными схемами систем передач двккений с учетам потерь энергии В НИХ;
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования динамических характеристик новых образцоз квазкзамкнучтых манипуля-цконкых устрейзтз с приводами через гибкие звенья.
Предлагаемые концепция и расчетные методы с экспериментально установленными представлениями являются научной основой для разработки новых перспективных конструкций манипуляцискных устройств металлургического производства с малыми массоннерционными характеристиками, в том числе больпой и сверх большой грузоподъемности, не увеличенной зоной обслуживания, а такта других механических систем многодЕигатедьнпх малин, различного назначения.
Катода ксслодсзгииЯ и достоверность резульгггез работа.Работа представляет собой комплексное исследование по аналізу л сиг-тезу структуры, кинематики и динамики механических систем нанипу-ляционных устройств, кас единой системы "основная кинемати^с-сипя цепь - система передач движений - замкказкгдя спязь", г, которой использованы методы общей механики, линейкой аггебрц и еєлішєйіо-го программирования. Достоверность еыводов и рексмепдацкЛ оОосію-вана принятыми концепцией и предпосылками, базиругазимкел па пркп-' ципах системности научного анализа к сопременньс? фукдачс-птакымс положениях механики нагин; адекватностью хгржгсрнстіп: :: евейсти математических моделей и реальных спетом; сходімзатьз розудьтагоя теоретических и зксяср:в*ектальпых ксследозанг-й.
Праптжсспсэ гг^мт^сэ ргЗзз:. Практическая ценность ро:."/;о,-татоа исследовании определяется ігоїсдалогг-чоской колранлэнкоот?. я теоретических обобщений и розвитком ксйцопцеи посгроошп мез;а'Ы-
ческих систем маликуляционных устройств и состоит:
- в разработке целой совокупности принципиально новых конструкций исполнительных механизмов маиипуляциошшх устройств различного назначения, защжценпых рядом авторских свидетельств, которые подтверждают техническую новизну и приоритет предложенных подходов к построению исполнительных механизмов манипуляционных устройств;
в разработке аналитических методов расчета основних параметров и программным обеспечением, что является основой для рационального выбора и расчета основных параметров исполнительных механизмов манипуляционных устройств, что повышает надежность получаемых результатов.
в создании и испытании ряда экспериментальных и опытно-промышленных образцов манипуляционных устройств с уменьшенными коэффициентами грузоподъемности и установочной мощностью приводов для металлургического производства, позволяющих повысить эффективность и улучшить условия труда.
Реагэащм ра&эта. Результаты работы опробованы на предприя-їішх металлургического производства. Методология конструирования подобных устройств включена в типовые программы подготовки инженеров, в том числе:
разработанные концепция, принципи построения, расчетные методики и пакет программ переданы АО Магнитогорский Гклромег и положены в основу заявки и технических требований на разработку и освоение специального крана-манипулятора грузоподъемностью 2 тонны для комплекса конверторного цеха АО Магнитогорский металлургический комбинат и оптимизационных расчетов различных устройств;
для Взрхне-Салдинского металлургического производственной объединения разработана и передана в производство рабочая документация на изготовление манипуляциокных устройств с гибкими приводными звеньями для очистки внутренней поверхности кристаллизатора электровакуумной печи и для подачи переходника, а также манипулятора для переноски и кантования листов;
на этом же объединении изготовлен и опробован опытно-промыш лонный обрааец квазизамкнутого манипулятора с независимыми двух
поточными кинематическими цепями в системе передач движения основным звеньям грузоподъемностью 100 кг и коэффициентом грузоподъемности с Кг = 2.5 для очистіш внутренней поверхности кристаллизатора электровакуумной печи и подачи переходника к злеістро-держателю, разработано и передано в производство руководство по эксплуатации этого манипулятора;
основные результаты работы включены в типовые учебные программы, разработанные автором, для высших учебных заведений по курсам "Механика роботов" (Индекс: 15.04.02.527) и "Расчет и конструирование ыаянпуляцконных систем роботов" (Индекс: 15.04.02.528). Программы утверждены УШ вузов по машиностроительным и приборостроительным специальностям 18.09.1990 г. и рекомендованы Научно-методическим советом по специальности 15.04 -"Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование", специализации "Роботы и манипуляторы автоматизированных подъемно-транспортных систем";
основные результаты диссертационной работы включены в учебное пособие "Синтез систем передач движений з исполнительных механизмах ы&чипуляторов и специальных кракоз" (автор Макаров А.Н.) и исползуются при чтении курса "Металлургические манипуляторы и роботы".
Научное и прикладное значение работы подтверждается актами внедрения и материалами, помещенными в приложении.
Апробация работа. Основные положения работы и отдельные разделы диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Магнитогорской горно-металлургической академии им.Г.И.Носова (1986-1993 гг.); на пестом Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике. (Ташкент. 1986 г); на IV-м Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Киев, 1987 г.); па 1-й Всесоюзной научно-технической ісокференции "Проблемы развития и совершенствования подъемно-транспортной техники" (Красноярск 1SB8 г.); П-й Всесоюзной научно-технической конференции. "Проблемы развития и совершенствования подъемно-транспортной, складской техники и технологии" (Москва. 1930 г.); на V-м Всесоюзном совепцшие по робототехническим системам (Геленджик, 1990 г.): на Межгосударственной научно-технической конферен-
іш "Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала южно-уральского региона" (Магнитогорск 1994 г.).
Публикацял. По теме диссертации опубликовано 47 работ .в том числе одно учебное пособие, 25 научных статей 21 авторское свидетельство на изобретения.
Структура и объен работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения,списка использованной литературы, приложений. Основное содержание изложено на 325 страницах машинописного текста, включающих 97 иллюстраций и 11 таблиц. Список литературы содержит 262 наименования. Приложения содержат 14 страниц.
Автор выражаэт глубокую признательность всем товарищам, с которыми ему довелось сотрудничать в процессе выполнения работ, положенных в основу диссертации.