Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы по теме диссертации 13
1.1. Конструктивные особенности тяжелого мобильного робота и основные проблемы при проектировании 13
1.2. Методы проектирования манипуляторов и роботов 15
1.3. Погрешность позиционирования манипуляторов и промышленных роботов 20
1.4. Аналитические методы исследования напряженно-деформированного состояния манипулятора 27
1.5. Экспериментальные методы исследования НДС манипулятора...30
1.6. Выводы по главе 31
ГЛАВА 2. Постановка задачи исследования 33
2.1. Проблемы, возникающие при разработке манипулятора тяжелого мобильного робота 33
2.2. Приближенная оценка погрешности позиционирования рабочего органа манипулятора 36
2.2.1. Оценка влияния зазоров на погрешность позиционирования 37
2.2.2.Оценка влияния упругих деформаций на погрешность позиционирования 41
2.2.3.Оценка влияния сжимаемости рабочей жидкости в гидроцилиндрах на погрешность позиционирования 43
2.2.4.Приближенная оценка по программе ANSYS 46
2.3.0ценка нагрузок на рабочий орган (захват) манипулятора 49
2.4.Анализ НДС узлов металлоконструкции манипулятора 52
2.5.Выводы по главе. Постановка цели и задачи исследований 54
ГЛАВА 3. Анализ влияния зазоров на погрешность позиционирования манипулятора 56
3.1. Погрешность позиционирования манипулятора с вращательными кинематическими парами 57
3.2. Погрешность позиционирования манипулятора с поступательными кинематическими парами 70
3.3. Расчет влияния зазоров на погрешность позиционирования манипулятора тяжелого мобильного робота 83
3.4. Основные результаты и выводы по главе 89
ГЛАВА 4. Анализ напряженно-деформированного состояния узлов металлоконструкции манипулятора набаземкэ 91
4.1. Моделирование манипулятора 91
4.2. Особенности создания рациональных КЭМ манипуляторов 92
4.3. Исследование напряженно-деформированного состояния манипулятора на базе упрощенных (балочных) КЭМ 94
4.4. Анализ НДС сложных пространственных узлов стрелы манипулятора 101
4.5. Выводы по главе 107
ГЛАВА 5. Определение нагрузок на рабочий орган манипулятора ...108
5.1. Постановка задачи 108
5.2.Анализ способа и места установки датчиков 110
5.3.Анализ определения нагрузок на рабочем органе 114
5.3.1. Растяжение и сжатие 115
5.3.2. Изгиб 117
5.3.2.1. Вертикальная плоскость 117
5.3.2.2. Горизонтальная плоскость 119
5.3.3. Кручение 121
5.3.4. Сдвиг 123
5.3.4.1. Вертикальная плоскость 123
5.3.4.1. Горизонтальная плоскость 124
5.4. Выводы по главе 126
ГЛАВА 6. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния манипулятора мобильногоробота 128
6.1. Постановка задачи 129
6.2. Условия проведения эксперимента 130
6.3. Методика проведения эксперимента 131
6.3.1. Тарировочный эксперимент 132
6.3.2. Натурный эксперимент 134
6.4. Выводы по главе 138
Основные выводы и результаты по работе 139
Список литературы
- Методы проектирования манипуляторов и роботов
- Приближенная оценка погрешности позиционирования рабочего органа манипулятора
- Погрешность позиционирования манипулятора с поступательными кинематическими парами
- Исследование напряженно-деформированного состояния манипулятора на базе упрощенных (балочных) КЭМ
Введение к работе
За последнее десятилетие в России и за рубежом имели место крупномасштабные техногенные аварии и катастрофы.
Одним из важнейших направлений проектирования перспективной техники для МЧС, является создание тяжелых мобильных роботов с телеуправлением, предназначенных для выполнения широкого спектра аварийно-спасательных работ. Наиболее широко такие машины представлены в России.
Каждый создаваемый мобильный робот, так же как и любой грузоподъемный манипулятор традиционного назначения, должен соответствовать требованиям промышленной безопасности при эксплуатации. Специальных требований по обеспечению безопасной эксплуатации для тяжелых мобильных робототехнических комплексов в настоящее время не существует, так же как нет и нормативных материалов по проектированию и изготовлению тяжелых мобильных роботов. Технология аварийно-спасательных работ с использованием мобильных роботов еще не разработана. В настоящее время идет первоначальный поиск основных технических решений в области создания тяжелых мобильных роботов. И в процессе этого поиска используются методы и технические решения, отработанные в других областях техники и, в первую очередь, в подъемно-транспортном машиностроении и в робототехнике. Для грузоподъемных кранов-манипуляторов общего назначения, важными являются проблемы определения расчетных нагрузок, проблемы обеспечения прочности и жесткости несущих металлоконструкций. Мобильный робот оснащен системой телеуправления, при работе которой оператор получает информацию о взаимодействии робота с объектом манипулирования не обычным путем (визуально из кабины машины), а с использованием специальных средств, таких как, телекамеры, мониторы, различные датчики.
В таких условиях становятся особенно важными проблемы контроля величины рабочих нагрузок, положения рабочего органа, устойчивости машины и другие.
Для снижения затрат на разработку такой новой техники, как тяжелые мобильные роботы, и выбора наиболее эффективных технических решений необходимо на стадии разработки анализировать множество вариантов возможных решений. Эффективно позволяют делать это современные методы расчета и проектирования, базирующиеся на новых информационных технологиях, такие как метод конечных элементов. Однако, достоверность и рациональность их использования при решении различных задач, возникающих при проектировании принципиально новых конструкций, требуют надлежащего обоснования и проверки.
Актуальность работы. В настоящее время в ряде стран проводятся работы по созданию (опытных образцов) подвижных подъемно-транспортных машин, предназначенных для работы в условиях опасных для человека, и оснащенных для обеспечения безопасности обслуживающего персонала дистанционным управлением (телеуправлением). Повышенный интерес к таким машинам объясняется тем, что государства с развитой экономикой могут выделять больше средств на ликвидацию последствий природных и техногенных катастроф и аварий, а также принимают на себя все больше обязательств по предоставлению помощи населению в чрезвычайных ситуациях. Внимание к созданию такой техники инициируется также наметившимися тенденциями к увеличению количества техногенных аварий и катастроф и к накоплению в окружающей среде опасных для здоровья и жизни человека объектов, появившихся в результате военной или мирной деятельности людей. Такие подъемно-транспортные машины обычно относят к классу мобильных роботов в связи с тем, что они мобильны, оснащены системой дистанционного управления и исполнительным устройством в виде манипулятора с несколькими степенями
подвижности.
В начальный период становления робототехники в 70-е и 80-е годы в
основном разрабатывались мобильные роботы малой грузоподъемности.
Машины эти оснащались системой видеонаблюдения с использованием
телекамер, имели невысокую производительность, очень низкие скорости
движения рабочего органа, небольшие размеры исполнительного устройства,
что позволяло выполнять рабочие движения с требуемой точностью. Также
была весьма ограниченной и область их применения. Положительный опыт
применения малых мобильных роботов позволил перейти к разработке
тяжелых мобильных роботов имеющих большие размеры исполнительного
устройства и большую грузоподъемность. В настоящее время
разрабатываются мобильные роботы грузоподъемностью 500 килограммов и
более, с вылетом манипулятора порядка 10 метров. Предполагаемая область
применения таких машин - это аварийно-спасательные работы, другие
работы по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, например такие,
как работы по обезвреживанию взрывоопасных предметов найденных в
местах военных действий прошлых лет. Особенности технологии проведения
работ таковы, что одной лишь системы визуального контроля уже
недостаточно для эффективного управления манипулятором в
дистанционном режиме. Необходимо предоставлять оператору
дополнительную информацию о параметрах рабочего процесса. При
выполнении работ требующих высокой точности, в условиях плохой
видимости, желательно иметь возможность получать инструментальную
информацию о положении рабочего органа манипулятора мобильного
робота. Необходима также информация о фактической нагрузке на рабочий
орган при функционировании робота. Эта информация может быть получена
путем анализа напряженно-деформированного состояния
металлоконструкции манипулятора. Анализ НДС металлоконструкции манипулятора позволяет также создавать более эффективные конструкции.
Цель работы: разработка метода получения информации о нагрузках и положении рабочего органа манипулятора тяжелого мобильного робота, по результатам анализа напряженно-деформированного состояния металлоконструкции манипулятора.
Задачи работы:
Проведение анализа внешних нагрузок на рабочий орган тяжелого мобильного робота;
Выявление факторов, влияющих на точность позиционирования рабочего органа при телеуправлении;
Разработка методов определения положения рабочего органа, с учетом перемещений в зазорах подвижных соединений манипулятора;
Анализ погрешности позиционирования рабочего органа, вследствие упругих деформаций звеньев манипулятора;
Исследование возможности определения эксплуатационных нагрузок на рабочий орган с помощью тензодатчиков;
Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния манипулятора;
Выбор конечных элементов для моделирования элементов металлоконструкции манипулятора тяжёлого промышленного робота;
8. Проведение анализа напряженно-деформированного состояния узлов
металлоконструкции манипулятора, методом конечных элементов.
Научная новизна:
1. Введено понятие погрешности позиционирования для дистанционно
управляемого манипулятора мобильного робота. Выполнена теоретическая
оценка влияния различных факторов на погрешность позиционирования
манипулятора при его функционировании.
2. Разработана теоретическая модель относительных пространственных
перемещений звеньев в зазорах вращательных и поступательных
кинематических пар под нагрузкой. Эта модель позволяет рассчитывать
пространственную погрешность позиционирования рабочего органа манипулятора, возникающую вследствие перемещений в зазорах.
Проведены теоретические исследования упругих деформаций звеньев манипулятора под нагрузкой. Показано, что расчеты аналитическими и численными методами приводят примерно к одинаковым результатам. Оценено влияние упругих деформаций звеньев на погрешность позиционирования рабочего органа манипулятора.
Разработан метод определения нагрузок, действующих на рабочий орган манипулятора тяжелого мобильного робота, основный на анализе напряженного состояния металлоконструкции манипулятора.
5. Произведено улучшение характеристик манипуляторов тяжелых
мобильных роботов, разработанных в МГТУ им. Н.Э. Баумана, на основе
теоретических и экспериментальных разработок и полученных результатов.
Практическое значение результатов работы:
Разработана программа грузовых статических испытаний манипулятора мобильного робота, учитывающая особенности его нагружения при работе в составе тяжелого мобильного робота. По разработанной программе проведены испытания манипулятора тяжелого мобильного робота РТС-С, созданного в МГТУ им Н.Э.Баумана.
Разработан метод (и алгоритм) расчета погрешности позиционирования рабочего органа манипулятора мобильного робота по показаниям датчиков положения звеньев манипулятора и показаниям тензодатчиков, установленных на металлоконструкции манипулятора. Разработана методика определения функции положения для точек манипулятора, с учетом перемещений в зазорах кинематических пар, позволяющая создавать соответствующие компьютерные модели манипулятора.
3. Разработана методика определения погрешности позиционирования
рабочего органа манипулятора, возникающей из-за упругих деформаций
звеньев манипулятора.
Разработан метод определения нагрузок на рабочий орган манипулятора, при его функционировании, по показаниям тензодатчиков, установленных на металлоконструкции манипулятора.
В результате анализа НДС узла соединения гидроцилиндров со стрелой манипулятора предложена новая, более рациональная конструкция узла.
Достоверность выполненной работы подтверждается:
применением известных теоретических методов;
выполнением контрольных расчетов;
экспериментальными исследованиями напряженно-деформированного состояния манипулятора тяжелого мобильного робота и сравнением теоретических результатов с экспериментальными данными.
Апробация: по результатам данной работы делались регулярные доклады на кафедре «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им Н.Э.; опубликованы тезисы доклада «Анализ нагружения манипулятора тяжелого мобильного робота» на 10-й Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых 12-13 апреля 2006 г., г. Москва. А также тезисы доклада «Анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкции тяжелого мобильного робота» на 11-й Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых 10-11 апреля 2007 г., г. Москва.
Реализация работы: Материалы диссертационной работы используются при разработке тяжелых мобильных роботов в Специальном конструкторско-технологическом бюро прикладной робототехники МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также в учебном процессе кафедры "Подъемно-транспортные системы" МГТУ им Н.Э.Баумана.
Публикации: по материалам диссертации опубликованы две работы.
Объем работы: диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы. Работа содержит 146 страницы печатного текста, 10 таблиц, 58 рисунков и приложения, список литературы содержит
65 наименований.
В первой главе проведен обзор литературы по теме диссертации. Анализировались методы проектирования и исследования грузоподъемных кранов-манипуляторов, манипуляторов промышленных и мобильных роботов. Отмечены конструктивные особенности и специфика эксплуатации тяжелых мобильных роботов. Рассматривались методы оценки точности исполнительных механизмов, методы анализа погрешности позиционирования манипуляторов и промышленных роботов. Анализировались существующие аналитические и экспериментальные методы исследования напряженно - деформированного состояния (НДС) металлоконструкций манипуляторов и других подъемно-транспортных машин.
Во второй главе изложена постановка задачи исследования. Приведены проблемы, возникающие при разработке манипулятора тяжелого мобильного робота. Сформулированы отличия в эксплуатации манипулятора мобильного робота и грузоподъемного крана-манипулятора, Введено понятие погрешности позиционирования для манипулятора с дистанционным управлением. Проведен анализ влияния различных факторов на погрешность позиционирования манипулятора, сделаны выводы по главе и поставлены задачи исследований.
Третья глава посвящена разработке метода определения
пространственной погрешности позиционирования рабочего органа, возникающей из-за наличия зазоров во вращательных и поступательных кинематических парах (КП) манипулятора. Проведен анализ влияния зазоров на погрешность позиционирования рабочего органа для различных положений манипулятора.
В четвертой главе изложены результаты анализа напряженно-деформированного состояния узлов металлоконструкции манипулятора на базе МКЭ, рассмотрены принципы создания рациональных расчетных схем
манипуляторов на базе конечных элементов (КЭ) стержневого и
оболочечного типа. Проведенный анализ существующей конструкции узла
крепления гидроцилиндров к стреле. Рассмотренный пример доказывает
эффективность применения МКЭ для анализа НДС узла
металлоконструкции манипулятора.
Пятая глава посвящена разработке методики определения сил и моментов сил, действующих на рабочий орган, по показаниям датчиков установленных на металлоконструкции стрелы манипулятора. Приведено постановке задача исследование, анализ способа и места установки датчиков, анализ определения нагрузок на рабочем органе. Рассмотрены определение по напряженному состоянию отдельных силовых факторов в месте установке датчики с использованием пакета программ ANSYS. и оценим погрешность их определения.
В шестой главе изложена экспериментальная проверка правильности результатов расчета и оценка погрешностей теоретических расчетов (МКЭ). Приведено постановке задача исследование, условия проведения эксперимента, методики проведения эксперимента.
Методы проектирования манипуляторов и роботов
Тяжелый мобильный робот входит в состав мобильного робототехнического комплекса. Такие комплексы являются новыми техническими средствами и поэтому уникальны. Исследованиям проблем возникающих при разработке мобильных телеуправляемых роботов посвящены работы Вертю Ж. [12], Попова Е. П. [39, 40], Кулешова В. С, Лакота Н. А. [31], Белоусова В. Н. [6], Ястребова В. С. [57] . В России в настоящее время разрабатывается практически первый образец мобильного робототехнического комплекса с тяжелыми роботами. Создание такого комплекса требует больших затрат, и для их снижения в качестве отдельных элементов и узлов некоторых машин комплекса используются образцы серийной продукции, отработанные в других областях техники. В частности, для создания рассматриваемого мобильного робота в качестве базовой конструкции манипулятора использовался кран-манипулятор, предназначенный для подъемно-транспортных работ в лесной промышленности. Так как комплекс предназначен для аварийно-спасательных работ, и заранее неизвестно место, где нужно будет проводить эти работы, то комплекс должен быть приспособлен к быстрой доставке к месту происшествия, в том числе и авиатранспортом. В связи с этим, на отдельные элементы комплекса, в том числе и на тяжелый мобильный манипулятор, накладываются ограничения по массе и габаритам. К базовой конструкции манипулятора такие требования не предъявлялись.
Условия эксплуатации тяжелого мобильного робота отличаются от условий эксплуатации базового манипулятора для лесопогрузочных работ (далее - лесной манипулятор). Следует отметить, что требования по условиям эксплуатации для тяжелых мобильных роботов практически отсутствуют, так как еще не накоплен опыт работы с такой техникой. Поэтому в настоящей диссертационной работе сделана попытка анализа условий работы манипулятора в составе мобильного робототехнического комплекса. Можно отметить следующие особенности эксплуатации тяжелого мобильного робота: - окружающая рабочая обстановка неорганизованная; - робот может работать в режиме дистанционного управления (телеуправление); при работе в таком режиме оператор получает информацию о взаимодействии робота с объектом манипулирования и с окружающей средой не обычным путем (визуально из кабины машины), а с использованием специальных средств, таких как, телекамеры, мониторы, различные датчики, при этом возможны плохие условие для визуального контроля процесса работы (задымленность, плохое освещение и тому подобное). - так как робот предназначен для аварийно-спасательных работ, то объекты манипулирования обычно заранее не известны, в том смысле, что может быть не известна их масса, расположение центра масс, конфигурация объекта может быть в какой то мере произвольной;
- возможна работа с такими объектами, работа с которыми для традиционных подъемно-транспортных машин запрещена: с защемленными, примерзшими, прилипшими, заваленными грунтом и другими подобными грузами; некоторые объекты, например взрывоопасные предметы, требуют точного и аккуратного обращения.
Все эти особенности приводят к тому, что технические требования к манипуляторам тяжелых мобильных роботов могут существенно отличаться от требований к лесным манипуляторам, в частности, нагрузки, действующие на манипулятор тяжелого мобильного робота могут существенно отличаться от нагрузок действующих на манипулятор лесопогрузчика. Тем не менее, опыт проектирования подъемно-транспортных манипуляторов необходимо использовать для проектирования манипуляторов тяжелых мобильных роботов. Именно с этих позиций проводился анализ литературных источников. Так как робот может эксплуатироваться в режиме дистанционного управления, то особое значение приобретает адекватность отображения информации, предоставляемой оператору реальной рабочей обстановке. В связи с этим, возникает необходимость анализа погрешностей, которые возникают при отображении положения рабочего органа манипулятора с помощью датчиков положения.
Приближенная оценка погрешности позиционирования рабочего органа манипулятора
Приближенную оценку величины перемещения центра рабочего органа, при выборе зазоров в кинематических парах манипулятора, выполняем по методике изложенной в работах [8, 9, 65]. Эта методика относительно простая, в ней рассматриваются только перемещения в плоскости, и она не дает точные результаты, но позволяет нам оценить порядок перемещений рабочего органа вследствие зазоров. В соответствии с [30, 56] принимаем, что направления относительного смещения элементов вращательных кинематических пар совпадают с направлениями реакций в кинематических парах. Поэтому при расчете погрешности должны быть заранее определены величины и направления действующих сил.
Для каждого шарнира максимальный зазор Лтах в соединении определяется по формуле: здесь: \ES\ - верхнее отклонение отверстия; \ei\ - нижнее отклонение вала. Центр каждого шарнира (/=1,2,...,13) имеет координаты Xi,Yi,Zi в базовой системе координат связанной с основанием манипулятора и началом в точке "0". Для определения положения захвата, в качестве характерной точки захвата принимаем точку его подвеса с координатами X3,Y3,Z3 в базовой системе координат (Рис. 2.2, б, в, г). В этом случае результаты анализа пригодны для любого из имеющихся сменных захватов робота. Для расчета перемещения точки захвата Зл бу бг, при выборе зазоров в кинематических парах, можно использовать приближенные формулы (2.1):
Для приближенной оценки перемещения характерной точки захвата, вследствие упругих деформаций звеньев, используем метод Верещагина [51]. Основными перемещениями в системе являются перемещения, связанные с изгибом и кручением стержней составляющих металлоконструкцию манипулятора (Рис. 2.3). 1. Вертикальное перемещение. 1хт1цТ1 2хг]цТ2 [ ( Р5хг)цт5 5 = V, (2.2) E5J5 Е2 2 Где Ql,...Q5- площади участков эпюры моментов MZ от заданной вертикальной силы Q (Рис. 2.3, а); т)цТі../гцт5" координаты центров тяжести участков эпюры моментов; JX...J5- моменты инерции сечения металлоконструкции; Ех... Е5 = 2,1 х 105 МПа - Модуль упругости материала металлоконструкции. Расчет по выражению (2.2) дает вертикальное перемещение:
Считаем, что перемещение центра рабочего органа при упругом сжатии рабочей жидкости под нагрузкой происходит вследствие перемещения поршней в гидроцилиндрах. Расчетная схема манипулятора с гидроцилиндрами изображена на рис. 2.4.
На рис. 2.4 обозначены: h- рабочий ход гидроцилиндра; А- площадь сечения поршня; Ah- изменение рабочего хода при учете сжатия рабочей жидкости под действием силы F. A/ Fxh кхА Где К- модуль объемной упругости рабочей жидкости (для минеральных масел = 1400...1800МПа) [48]; 1. Гидроцилиндр подъема. Оценим величину перемещения под действием единичной силы} = 1Н. При этом, сжимающая сила, действующая на шток гидроцилиндра, будет равна: F = 30 = 16H. hQ Соответственно, перемещение штока гидроцилиндра под действием этой силы равно:
Расчет погрешности позиционирования рабочего органа манипулятора был выполнен также методом конечных элементов с помощью программного комплекса ANSYS. Конечно-элементная модель (КЭМ) манипулятора со стержневыми элементами представлена на рис. 2.5 [58, 59]. Стержневая модель принята потому, что позволяет получить приемлемое по точности решение, параметры модели можно легко изменять, а расчет занимает немного времени [46]. В расчете учитывались упругие деформации звеньев, влияние зазоров, а также упругое сжатие рабочей жидкости. Рассматривалась плоская задача для одного расчетного положения манипулятора. Результаты расчета приведены в таблице 2.
Погрешность позиционирования манипулятора с поступательными кинематическими парами
В модели кинематической пары учитывающей зазор, наличие зазора можно рассматривать как введение дополнительных степеней подвижности [28] (рис. 3.11). Преобразование координат, при переходе от системы координат связанной с одним из звеньев к системе координат связанной с другим звеном, оказывается более сложным.
В настоящей работе произведена разработка методики теоретической оценки погрешности в поступательных кинематических парах при учете зазоров, размеров поступательной кинематической пары и направления реакций и моментов.
При определении погрешности положения, обусловленной наличием зазора в поступательной кинематической паре, необходимо знать смещение центра звена (2) относительно центр звена (1), угол и направление перекоса звеньев, составляющих кинематическую пару. Все эти показатели зависят от значения и направления реакции. Поэтому должны быть заранее известны действующие в кинематической паре силы и предварительно определены все реакции в кинематических парах [56]. Для решения задачи, необходимо приведение сил и моментов сил, Fx Fy, Fz, Мх, М , Mz действующих на захвате, к кинематической паре.
Приведение сил к поступательной кинематической паре выполняем по уравнениям равновесия сил в поступательной кинематической паре по осям X и Z (ось Y направлена вдоль поступательной кинематической пары) (рис. 3.12). Приведение сил и моментов сил осуществляется к точке N, являющейся теоретическим центром поступательной кинематической пары.
Поворот на угол у осуществляется относительно оси Z (рис. 3. 15, б). Учитывая, что Ах - - L, L У S можно записать угол поворота 2Дх у - arctg —-—, где Ах - зазор между элементами кинематической пары в направления X. Матрица преобразования поворота относительно оси Z имеет вид: cos у sin у О О - sin у cos у О О О 0 10 0 0 0 1
Все возможные варианты перемещения звеньев в поступательной кинематической паре при повороте относительно оси X и Z представлены на рис. 3.16, и сведены в таблицу 4. В таблице 4 представлены знаки реакций и перемещений звеньев в поступательной кинематической паре, а также углы а,у. Ввиду малого отличия от единичной матрицы преобразования при параллельном переносе, функцию положения точки М с учетом зазора при повороте относительно оси Y можно записать: n(OM) = Tjil -ОМ Таким образом, при переносе звена 2 на угол соответствующий обобщенной координате qx (без зазора) функция положения точки М определяется выражением: ОхМ = Т - ОгМ , или Отклонение фактического (с учетом зазора) положения точки М от идеального (без зазоров) определяется вектором погрешности д = (ОхМ) - ОхМ . В однородных координатах б = [ 5д: ду Sz l] .
Отклонение положения центра захвата от идеального теоретического положения за счет перемещений в зазорах кинематических пар может быть по любой координате и зависит не только от нагрузок на рабочий орган, но и от положения звеньев манипулятора. При одной и той же нагрузке отклонения будут различные для разных положений. Рассмотрим несколько вариантов конфигурации манипулятора, при различных взаимных положениях его звеньев.
Манипулятор установлен в положении, соответствующем максимальному вылету, (шток гидроцилиндра изгиба стрелы полностью втянут, шток гидроцилиндра выдвижения телескопической части стрелы полностью выдвинут, стрела горизонтальна), как показано на рис. 3.21.Отклонение фактического (с учетом зазора) положения точки М от идеального (без зазоров) определяется вектором погрешности
Исследование напряженно-деформированного состояния манипулятора на базе упрощенных (балочных) КЭМ
Экспериментальные исследования более трудоемки, чем численные, поэтому их доля в общем объеме работ этой направленности постепенно сокращается за счет расширения области применения расчетов МКЭ. Однако экспериментальные методы имеют безусловный приоритет в тех случаях, когда необходимо получить информацию о напряженном состоянии в условиях значительной неопределенности, т. е. в тех случаях, когда не хватает данных для расчетной оценки: - при реальном эксплуатационном нагружении (нагрузки от перекоса манипулятора, от раскачивания груза, с учетом фактической работы приводов и т. п.); - из-за влияния несовершенств конструкции (погрешности сборки конструкции и пр.); - при исследовании влияния случайных факторов на распределение остаточных сварочных напряжений и пр.
Следует отметить, что экспериментальный метод весьма эффективен при решении именно таких задач, в которых реализуются его преимущества, и дает наилучшие результаты в сочетании с аналитическими и численными методами [46].
Существует целый ряд методов экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния конструкций [41].
Расчетным и экспериментальным исследованиям металлических конструкций на натурной конструкции были посвящены работы [41,49]. Экспериментальные методы исследования конструкций занимают важное место, поскольку позволяют определить их НДС в реальных условиях эксплуатации, а также оценить достоверность результатов расчета.
Как показал анализ литературы (гл. I), для экспериментального исследования металлоконструкций манипуляторов обычно используются методы тензометрирования [50].
Цель эксперимента Целью экспериментального исследования является проверка правильности результатов расчета с использованием метода МКЭ и оценка погрешностей теоретических расчетов.
Экспериментальное исследование проводилось на металлоконструкции стрелы манипулятора тяжелого мобильного робота РТС-С разработанного в МГТУ им. Н.Э.Баумана. Стрела представляет собой балочную конструкцию закрытым коробчатым непостоянным поперечным сечением, показанную на рис 6.1 в составе манипулятора. Стрела изготовлена из стали (о =284МПа).
Выбор объекта исследования обосновывается тем, что стрела является одним из самых нагруженных элементов металлоконструкции манипулятора [45, 46]. Конструкция этой стрелы ввиду относительно большой ее длины типична как для грузоподъемных манипуляторов, так и для манипуляторов тяжелых мобильных роботов, и, кроме того, стрела имеет неодинаковое сечение по всей длине. Это обстоятельство не упрощает процесс моделирования.
Таким образом, данный этап исследования может подтвердить приемлемость применения МКЭ для решения поставленных в настоящем исследовании и других аналогичных задач.
Схема закрепления и нагрузок, действующих на стрелу манипулятора, соответствующая реальным условиям при экспериментальном исследовании приведена на рис. 6.2. Захват манипулятора нагружался статической нагрузкой. Эта же схема использовалась при теоретическом анализе НДС стрелы с помощью МКЭ.
Аппаратура и оборудование. Для проведения эксперимента был использован электронное устройство с компьютерной программой LA3DSK, поставляется в форме « КАК ЕСТЬ», в соответствии с принципом «AS IS», общепринятым в международной компьютерной практике (рис. 6.3), который предназначен для измерения деформаций, по которому при помощи тарировочной таблицы определяется усилие и напряжение. Погрешность установки не превышает 6%. В качестве датчиков используются тензорезисторы.
Место проведения эксперимента. Эксперимент был проведён на специальной базе МЧС, где был установлен тяжёлый мобильный робот. Тарировочный эксперимент был проведён в лаборатории кафедры РК-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана. Работоспособность (несущая способность металлоконструкции) манипулятора определяется путем измерения деформаций металлоконструкции стрелы и напряжений в ответственных элементах металлоконструкции при статической нагрузке на захвате манипулятора (Рис. 6.6).
