Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ПРИМЕНЕНИЕ ПРИВОДОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ В МАНИ
ПУЛЯТОРАХ ПР 12
Актуальность задачи повышения быстродействия ПР 12
Приводы различных типов в ПР 17
1.2.1. Электрический, гидравлический
и пневматический приводы ..... 17
1.2.2. Области наиболее рационального
применения приводов различных
типов 20
Типовые схемы пневматических и гидравлических приводов. Способы позиционирования ПР 23
Существующие методики выбора параметров пневматических и гидравлических
приводов ПР 32
1.5. Анализ исполнительных устройств мани
пуляторов ПР 40
ПР с пневмоприводом 40
ПР с гидроприводом 52
1.6. Выводы и основные задачи исследования ... 57
2. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ
ПР С ГдаАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ 59
2.1. Определение коэффициентов чувствитель
ности параметра быстродействия ПР с
гидроприводом к изменению параметров
привода 59
2.2. Анализ коэффициентов чувствительно
сти показателя быстродействия 73
2.2.1. Оценка характера изменения
коэффициентов чувствитель
ности 73
2.2.2. Анализ численных значений коэффи
циентов чувствительности, опреде
ленных для некоторых моделей ПР
с гидроприводом 87
2.3. Рекомендации по выбору параметров гидравли
ческих приводов ПР с релейным управле
нием 96
Выбор параметров гидроприводов, совершающих постоянное перемещение 96
Учет изменения нагрузки и перемещения исполнительных органов при выборе параметров гидроприводов ПР . . . 107
Основные результаты ИЗ
Выводы И4
3. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ
ПР С ПНЕВМОПРИВОДОМ 115
Определение скорости и ускорения поршня пневмоцилиндра перед началом торможения . . . 115
Исследование законов торможения пневмоприводов ПР с релейным управлением 126
Определение коэффициентов чувствительности параметра быстродействия ПР к изменению параметров пневмопривода 142
Теоретическое определение коэффициентов чувствительности 142
Экспериментальное определение коэффициентов чувствительности .... 146
3.4. Анализ коэффициентов чувствительности
быстродействия ПР к изменению парамет
ров пневмопривода 158
Оценка характера изменения коэффициентов чувствительности 158
Анализ расчетных значений коэффициентов чувствительности для некоторых моделей ПР с пневмоприводом 166
Особенности выбора параметров пневмоприводов ПР 173
Основные результаты 178
Выводы 179
4. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГИДРОПРИВОДОВ Щ?, РАБО
ТАЮЩИХ В СФЕРИЧЕСКШ И АШУЛЯРНОЙ СИСТЕМАХ
КООРДИНАТ 181
Анализ кинематических схем ПР 181
Уравнения динамики гидропривода
с переменной нагрузкой ..... 190
Анализ влияния на быстродействие параметров исполнительных устройств гидроприводов с переменной нагрузкой 198
Рекомендации по выбору гидравлических приводов ПР, работающих в сферической и ангулярной системах
координат . 213
Основные результаты 215
Выводы 216
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПНЕВМО
ПРИВОДА ПР С ЦИКЛШЫМ УУ 217
Постановка задач исследования 217
Описание экспериментального стенда 217
Порядок проведения исследований 223
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 229
ЛИТЕРАТУРА 231
ПРИЛОЖЕНИЯ 245
Введение к работе
Широкое внедрение промышленных роботов (ПР), освобождающих человека от выполнения вредной для здоровья, монотонной, тяжелой физической работы, - сегодня одно из магистральных направлений научно-технического прогресса в нашей стране,
ОТІ съезд КПСС рекомендовал "... на основе использования достижений науки и техники развивать производство и обеспечить широкое применение автоматических манипуляторов (промышленных роботов), встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессов и микро- ЭВМ, создавать автоматизированные цеха и заводы" /I/.
Предстоит осуществить автоматизацию производства, обеспечить внедрение гибкой технологии и роботов, позволяющих быстро и эффективно перестраивать производство на изготовление новой продукции.
ПР позволяют автоматизировать операции, которые традиционно выполнялись вручную (напршлер, в механообработке - установку детали на станок, снятие, ориентирование и передачу ее на средства транспорта и на другое рабочее место и т.п.). В одной из ведущих отраслей народного хозяйства - машиностроении - внедрено более 7 тыс. ПР, что позволило высвободить около 20 тыс.человек, занятых тяжелым ручным трудом /30/. К концу 11-ой пятилетки было запланировано увеличение парка ПР в СССР до 40 тыс. штук, но этот уровень будет намного превышен. Быстрое увеличение парка ПР прогнозируется и в ведущих капиталистических странах. Ожидается, что к 2000-ому году число роботов в Японии достигнет 60 тыс., а в США - 45 тыс. /5/.
Использование ПР необходимо для создания гибких автомати-
зированных производств, позволяющих повысить производительность труда в среднем в 1,5...2 раза, коэффициент сменности работы оборудования в 1,5...1,8 раза, а также существенно улучшить стабильность, ритмичность и общую культуру производства /9, 36/. Предприятия, оснащенные ПР, могут гораздо быстрее переходить на вьшуск новой продукции. За счет возмояшости быстрой переналадки ПР обеспечивают повышение производительности в условиях частой смены объектов производства. Использование ПР открывает, кроме того, перспективы создания принципиально новых технологических процессов, не связанных с ограничениями, налагаемыми непосредственно участием человека /36/.
Производительность роботизированных технологических комплексов во многом определяется быстродействием используемых в них роботов. Однако, как показывают опыт эксплуатации, быстродействие ПР нередко оказывается недостаточным и снижает эффективность использования технологического оборудования. Поэтому задача повышения быстродействия ПР является актуальной.
Возникает задача - определить, исчерпаны ли все резервы повышения быстродействия ПР, а если нет, то за счет чего оно может быть повышено и с какими затратами это связано.
Целью настоящей работы является исследование возможности повышения быстродействия ПР с пневмо- и гидроприводами, определение основных направлений изменения параметров приводов этих роботов и разработка методов их расчета.
Основные положения, выносимые на защиту:
метод анализа влияния на быстродействие ПР с пневмо- и гидроприводами изменений конструктивных параметров исполнительных устройств приводов, основанный на использовании коэффициентов чувствительности;
зависимости для расчета коэффициентов чувствительности
параметра быстродействия HP с пневмо- и гидроприводами к изменению конструктивных параметров исполнительных устройств приводов;
результаты анализа ряда выпускаемых моделей ПР с пневмо- и гидроприводами с точки зрения выявления возможности повышения их быстродействия;
анализ процессов торможения вневмопривода ПР с использованием гидравлических тормозных устройств;
методы расчета и оптимизация по быстродействию пневмо-и гидроприводов ПР с учетом ограничений на возникающие ускорения и изменения приведенной нагрузки и перемещения;
практические рекомендации по выбору параметров гидравлических приводов ПР, работающих в сферической и ангулярной системах координат;
результаты экспериментальной проверки выражений для определения коэффициентов чувствительности параметра быстродействия пневмоприводов ПР.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений.
В первом разделе приведен краткий обзор и анализ предшествующих работ, посвященных вопросам повышения быстродействия ПР и расчета их приводов. Показана и обоснована актуальность повышения быстродействия роботов. Рассмотрены особенности использования электрических, пневматических и гидравлических приводов в ПР. Определены области наиболее рационального использования приводов различных типов. Представлены типичные гидравлические и пневматические схемы приводов ПР, дано описание их работы. Приведена классификация способов позиционирования ПР. Дан краткий анализ существующих методик выбора параметров приводов разных типов.
Анализируется ряд конструкций ПР, оснащенных пневматическими и гидравлическими приводами, с целью выявления соотношений для параметров ПР, характеризующих исполнительные устройства манипуляторов. На основе оценки распределения механических параметров по отдельным модулям, устанавливаются характерные законы перемещения исполнительных звеньев. Из полученных данных следует, что существуют резервы повышения быстродействия роботов.
Во втором разделе выявляются основные направления изменения параметров гидравлических приводов ПР и даются рекомендации по проектированию гидроприводов с заданными характеристиками быстродействия.
Из анализа динамики гидропривода определяется полное время перемещения исполнительного звена ПР, состоящее из времени движения до начала торможения и времени торможения, а также возникающие при движении ускорения. Для определения качества приводов отдельных модулей роботов и оценки степени влияния на быстродействие различных конструктивных параметров использованы коэффициенты чувствительности параметра быстродействия привода к изменению различных конструктивных параметров исполнительных устройств приводов. Проанализированы численные значения коэффициентов для ряда существующих моделей ПР.
Установлено, что наибольшее влияние на быстродействие существующих ПР с гидроприводом оказывает изменение площади поршня гидроцилиндра, его перемещения, площади сечения трубопроводов и давления жидкости. Для модулей поворота существенное влияние оказывает еще и приведенная масса. Значенім площади поршня гидроцилиндров для приводов всех модулей ПР оказываются завышенными. Также отмечается, что при выборе параметров гидроприводов необходимо учитывать изменение перемеще-
ния, а для приводов поворота еще и изменение приведенной массы.
Выполненный анализ позволил обосновать последовательность выбора параметров гидроприводов степеней подвижности ПР.
На основании предложенной методики сделан вывод о том,что линейные скорости ПР с поступательными гидроприводами могут быть повышены до 1,5...1,8 м/с, а угловые - до 180...200 град/с без увеличения мощности используемых насосных установок.
В третьем разделе исследуются основные пути повышения быстродействия ПР с пневмоприводом и разрабатываются методы расчета конструктивных параметров пневмопривода, которые учитывают ограничения на пики ускорений, возникающих при торможении.
Из анализа динамики пневматического привода получены зависимости, позволяющие определять скорость и ускорения поршня пневмоцилиндра ПР перед началом торможения. На основе этих зависимостей предложены приближенные формулы, позволяющие определять время перемещения исполнительного звена ПР и максимальные абсолютные значения возникающих ускорений.
Проведены экспериментальные исследования гидравлических тормозных устройств. Установлены характерные для них законы торможения пневмоприводов ПР с релейным устройством управления (УУ).
Предложен метод сравнительного анализа влияния на быстродействие роботов с пневматическими приводами изменений конструктивных параметров привода, основанный на использовании коэффициентов чувствительности параметра быстродействия к изменению конструктивных параметров. Получены и проанализированы зависимости для определения коэффициентов чувствительности. Проведена экспериментальная проверка правильности полученных зависимостей. С использованием полученных формул для некоторых моделей ПР с пневмоприводом определены расчетные значения коэффи-
циентов чувствительности, анализ которых позволил установить, что для модулей выдвижения ПР с пневматическим приводом наибольшее влияние на быстродействие оказывает изменение площади поршня пневмоцилиндра, перемещения и эффективных площадей входного и выходного трубопроводов. Для модулей поворота существенное влияние оказывает изменение перемещения, эффективных площадей входного и выходного трубопроводов, а для модулей подъема - изменение эффективных площадей входного и выходного трубопроводов, давления в пневмомагистрали, перемещения.
Предложена методика выбора параметров пневмоприводов ПР, позволяющая учитывать ограничения на возникавдие пики ускорений и обеспечивающая при этом минимальное время перемещения.
В четвертом разделе разрабатываются методы выбора параметров гидроприводов ПР, работающих в сферической и ангуляр-ной системах координат.
Проанализированы особенности различных кинематических схем этих ПР. Оценивается степень изменения приведенной нагрузки в зависимости от конфигурации ПР, а также связь между динамическими характеристиками привода и исполнительного органа робота. Выявлены области существенного изменения масс и сил сопротивления.
В безразмерной форме составлено уравнение, описывающее динамику гидроприводов шарнирно-рычажных и реечных механизмов поворота. Оценено влияние на быстродействие конструктивных параметров исполнительных устройств.
Определено оптимальное по быстродействию расположение мест крепления гидроцилиндра в шарнирно-рычажном механизме.
Предложена инженерная методика, позволяющая на основе указанных выше зависимостей осуществлять синтез гидроприводов
- II -
ИР, работающих в сферической и ангулярнои системах координат из условия получения минимального времени срабатывания привода при наличии ограничений на возникающие пики ускорений и мощность насосной установки.
В пятом разделе сформулированы задачи экспериментальных исследований, порядок их проведения и дается описание экспериментального стенда,
В заключении приведены окончательные выводы, полученные в результате проведенных исследований.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах /55, 56, 57, 58/.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
Всесоюзном научном семинаре по робототехническим системам, проводимом в соответствии с приказом ШНВУЗа СССР I 136 от 02.02.1979 Научно-учебным центром "Робототехника" АН СССР и МИНВУЗа СССР (М., 1982);
Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивная технология и автоматизация технологических процессов в машиностроении и приборостроении" (Л., 1982);
Всесоюзной научно-технической конференции "Робототехника и автоматизация производственных процессов" (РАІШ-83), (г.Барнаул, 1983);
ІУ научно-технической конференции "Механические управляемые системы" (г.Иркутск, 1982);
Республиканском научно-техническом совещании "Промышленные роботы и роботизированные технологические комплексы" (Л., 1983);
научно-технической конференции "Проблемы интенсификации производства на базе использования промышленных роботов в свете решений ХШ съезда КПСС" (г.Севастополь, 1983).
