Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию задач динамики, оптимизации конструктивных параметров и законов управления движением типичных манипуляционных роботов с учетом распределенной упругости протяженных звеньев.
Актуальность работы. Актуальность работы обусловливается широкой распространенностью манипуляционных роботов во многих отраслях промышленности, возрастанием требований к качеству их функционирования, потребностью в усовершенствовании существующих и создании новых перспективных образцов роботов,- обладающих высокими техническими показателями.
На этапе разработки и проектирования манипуляционных роботов важным является знание их основных функциональных характеристик -кинематических, динамических, жесткостных, амплитудно-частотных и др. Важное значение при этом имеет также определение оптимзльных (в некотором смысле) конструктивных параметров и законов управления движением роботов. Одним из возможных подходов, позволяющий эффективно и научно обоснованно определить данные характеристики, является построение высокоточных механико-математических моделей роботов и создание на их основе расчетных алгоритмов и соответствующего программного обеспечения.
Известно, что конструкции роботов в той или иной мере обладают упругой податливостью. Упругая податливость конструкций роботов обусловлена, в основном, .двумя факторами: упругостью соединительных узлов и упругостью протяженных звеньев. Относительное влияние каждого из этих факторов зависит от конкретных значений конструктивных параметров робота. При относительно большой длине звеньев робота (портальные и мостовые роботы, специальные манипуляторы для работы в космосе) определяющим является упругая податливость протяженных звеньез. В последнее время особый интерес представляют также энергетически эффективные роботы с облегченной конструкцией. Стремление уменьшить металлоемкость и затраты энергии при управлении движением робота приводят к необходимости облегчения его звеньев. В результате жесткость звеньев уменьшается, что может привести к возникновению нежелательных упругих колебаний при движении робота. Упругие колебания отрицательно влияют на качество функциониро-
вантаробота - искажается движение его рабочего органа, снижается быстродействие и точность позиционирования, возрастают динамические нагрузки на элементы конструкции! Таким образом, упругие свойства конструкции робота оказывают весьма существенное влияние ка его функциональные характеристики и, следовательно, должны учитываться при расчете динамики, оптимизации конструктивных параметров и законов управления движением робота.
Цель работы. Целью работы является:
-
Разработка методик и алгоритмов расчета динамики, оптимизации конструктивных параметров и законов управления движением электромеханических, манипуляторов, функционирующих б цилиндрической системе координат, с учетом распределенной упругости протяженных звеньев.
-
Разработка методики и построение алгоритмов расчета динамики манипулятора портального робота с учетом распределенной упругости горизонтальной балки портала.
-
Разработка алгоритмов и соответствующих программных средств для расчета и анализа собственных колебаний .конструкций мостовых роботов.
Методика-исследования. В диссертации использовались методы аналитической механики, математической физики, метод конечных элементов, численные методы-линейной алгебры и нелинейного программирования, а также компьютерное моделирование.
Научная новизна. Разработаны алгоритмы расчета и анализа динамики управляемых движений'типичных манипуляциояных роботов с учетом распределенной упругости звеньев, динамики электромеханических приводов и инерционности подвижных нагрузок. Предложена методика построения параметрического семейства,управлений, обеспечивающих перемещение электромеханического манипулятора (функционирующего в цилиндрической системе координат) за заданное время из начального состояния в конечное положение с гашением произвольного (конечного) числа мод упругих колебаний стрелы. Показано, что учет граничных (нулевых) условий на электромагнитный момент в задаче финитного управления движением упругого манипулятора позволяет существенно уменьшить амплитуду упругих колебаний стрелы. Разработан алгоритм совместной оптимизации конструктивных параметров и законов управления движением стрелы электромеханического манипулятора. Найдены оптимальные параметры (линейные размеры сечения стрелы) и управления, минимизирующие массу стрелы манипулятора "Унизерсал-5" при
.--5-
эграничениях на ее напряженно-деформируемое состояние. Выявлена су-цественная зависимость энергетических'характеристик привода манипулятора от передаточного числа соответствующего редуктора.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы как элементы алгоритмического и программного обеспечений систем автоматизированного проектирования ро-Оототехнических комплексов. Разработанные алгоритмы и программные средства позволяют эффективно рассчитать и оценить жесткостные характеристики конструкции проектируемого робота, его динамическую точность позиционирования. Предложенные прецизионные режимы управления могут быть использованы в реальных системах управления движением манипуляторов. Практическая ценность работы подтверждается эктом передачи программных средств, реализующих предложенные алгоритмы, в отраслевую организацию.
Достоверность полученных результатов базируется на корректности постановок исследуемых задач, строгом и обоснованном использовании математических методов, а также на сравнении результатов компьютерного моделирования с теоретическими выводами.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в [1-9] и докладывались на Всесоюзных совещаниях по робо-тотехническим системам (Воронеж, 1984 г.; Киев, 1987 г.; Геленджик, 1990 г.), Всесоюзных школах "Расчет и управление надежностью больших механических систем" (Свердловск, 1984 г.; Свердловск, 1986 г.), республиканской конференции "Проблемы разработки и внедрения робототехники в народное хозяйство Украинской ССР" (Киев, 1984 г.), Всесоюзных конференциях по оптимальному управлению в механических системах (Казань, 1985 г.; Львов, 1988 г.; Свердловск, 1990 г.), Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Проблемы оптимизации в машиностроении" (Алушта, 1986 г.),.Всесоюзной научно-практической конференции "Актуальные проблемы управления системами с распределенными параметрами" (Одесса, 1987 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы создания и внедрения гибких производственных и робототехнических комплексов на предприятиях машиностроения" (Одесса, 1989 г.), Международной конференции по промышленным роботам "РОБКОН - 5" (Болгария, Варна, 1989 г.).
В целом диссертационная работа докладывалась и обсуждалась:- в Институте проблем механики РАН на семинаре отдела механики управляемых систем под.руководством академика РАН, проф. Ф.Л.Черноусько; в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова на
научном семинаре по механике относительного движения под руководством проф. В.В.Белецкого, проф. Ю.Ф.Голубева, доц. С.И.Трушина, доц. Н.Е.Якимовой; в Институте прикладных проблем механики и математики им. Я.С.Подстригача АН Украины на совместном семинаре отдела механики тонкостенных элементов конструкций и отдела оптимизации управляемых систем под руководством проф. Б.Л.Пелеха и д.ф.-м.н. В.Е.Бербюка.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы (175 наименований) и приложения. Общий объем работы U7 страниц.