Введение к работе
Диссертация посвящена вопросам моделирования и оптимизации автоматизированных производств в целом и, конструкций входящих в них роботов-манипуляторов в частности.
Актуальность проблемы. При создании и применении промышленных роботов в составе автоматизированных производств результативный подход к улучшению функциональных характеристик роботов состоит, с одной стороны, в оптимизации их конструктивных параметров и алгоритмов управления ими; с другой - в оптимизации тех производственных систем, в которых эти роботы используются (если речь идет о промышленных роботах). В качестве критериев оптимальности, зависящих от всех конструктивных параметров и алгоритмов управления, в каадом из двух подходов могут выступать самые различные показатели, зависящие от технологического назначения робота и условий его работы. Среди наиболее важных функциональных показателей могут выступать: точность (или повторяемость) выполнения рабочих операций, количество потребляемой энергии, быстродействие. Последний показатель может быть тесно связан с собственными конструктивными характеристиками робота (масса, габаритные размеры, полезная нагрузка и др.), а также может существенно влиять на функционирование всей производственной системы. Если рассматривать быстродействие робота "в малом", т.е. с учетом только собственных конструктивных параметров, то возникает целый комплекс оптимизационных задач, поскольку на скорость выполнения рабочих операций влияют практически все параметры робота и алгоритмы управления им. Если же рассматривать быстродействие робота в глобальном плане, то встают задачи выбора оптимальной структуры производственного участка и оптимальных алгоритмов управления им на верхнем уровне.
Пристальное внимание к первому кругу задач объясняется тем, что для улучшения рабочих характеристик роботов-манипуляторов и уменьшения влияния упругой податливости на точность
выполнения операций нередко разрабатываются конструкции с большими толщинами звеньев, а следовательно, и с повышенными моментами инерции и массами звеньев манипулятора. А это, в свою очередь, ведет к использованию приводов большой мощности (и большого веса), что приводит к еще большему увеличению массы звеньев и т.д. В результате этого отношение массы робота к массе полезной нагрузки оказывается очень большим (порядка 10г). Для сравнения: у человека это отношение порядка 1-10 при выполнении различных операций.
Важность рассмотрения роли роботов-транспортеров в нормальном функционировании гибких автоматизированных производств (ГАП) объясняется тем, что, как правило, именно этот элемент оказывается наиболее "узким местом" и именно от него зависит бесперебойная работа остального технологического оборудования. В связи с этим возникает необходимость развития методов исследования ГАП с целью проведения динамического анализа функционирования производств, оптимизации структуры и выбора рациональных проектных решений, разработки алгоритмов управления и т.д. Сложность решения этих задач обусловлена размерностью задачи, определяемой большим числом переменных, параметров и ограничений, сложностью функционирования модели, для которой характерна взаимозависимость всех элементов системы, многокритериальностыо задачи, проявляющейся в мотивировке поведения системы не одной, а несколькими целями, наличием в системе случайных и неопределенных параметров. Преодоление всех этих затруднений связано с активным использованием возможностей современных ЭВМ. Имитационное моделирование является единственным методом достаточно тщательного изучения ГАП, и на сегодняшний день не имеет альтернатив.
Целью работы является создание методики оптимизации массогабаритных и прочностных характеристик однозвенного манипулятора, параметрической оптимизации руки многозвенного антропоморфного робота-манипулятора, а также построение имитационной модели роботизированного производства, создание пакета прикладных программ (ППП), реализующего работу
построенной имитационной модели.
Методика исследования. Для выбора оптимальных конструкционных характеристик однозвенного манипулятора используется усталостный расчет звена и новейшие данные в области создания композиционных материалов.
При проведении параметрической оптимизации руки многозвенного робота-манипулятора использовались необходимые условия экстремума функции г.*ногих переменных.
Для описания функционирования ячейки ГАП после проведения частичной декомпозиции фазового вектора системы построены дискретно-непрерывные многошаговые динамические соотношения.
Научная новизна. Разработана методика усталостного расчета звеньев роботов при ограничениях на выносливость и точность, позволяющая значительно уменьшить массу звеньев. Показано, что можно без заметного ухудшения точности работы робота существенно снизить его массу на основе усталостного расчета. Показана и обоснована перспективность использования современных композитных материалов при создании роботов.
Решена задача минимизации массы n-звенного антропоморфного робота с заданным числом звеньев и заданной их суммарной длиной. Решение получено в замкнутой форме в виде рекуррентных формул, позволяющих вычислить длины звеньев робота, независимо от конструктивных параметров робота и величины приложенной к схвату силы. Показано совпадение предельного случая (п-»<») с известной формулой для равнопрочной балки. Исследовано асимптотическое поведение полученного решения при П-оо.
Создан ППП, позволяющий проводить автоматизированное проектирование параметров звеньев роботов, имеющих минимальную массу при заданной полной длине и заданному числу звеньев, или имеющих максимально возможную длину при заданных массе и числе звеньев.
Построена динамическая модель участка ГАП, включающего станки (обрабатывающие центры), роботы-транспортировщики, склад для хранения деталей, межоперационный бункер-накопи-
тель, пункты монтажа (демонтажа) деталей. Функционирование участка описывается многошаговыми соотношениями.
Создан ППП, позволяющий проводить имитационное и оптимизационное моделирование динамики участка гибкой производственной системы в диалоговом режиме с выводом результатов на различные, в том числе и графические, устройства вывода.
Проведено численное моделирование работы роботизированного производства для целого ряда исходных параметров.
Научная и практическая ценность. Разработанная методика позволяет эффективно решать задачи параметрической и массога-баритной оптимизации конструкций многозвенных роботов-манипуляторов с учетом усталостной прочности материалов, что приводит к многократному снижению собственной массы робота и уменьшению мощностей приводов.
С помощью созданного ППП для проведения имитационного моделирования на отраслевом предприятии проводились оценки эффективности использования оборудования и выбор номенклатуры обрабатываемых изделий и соответствующего календарного плана.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в [1-11] и докладывались на VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 24-30 сентября 1986), на Московской городской конференции молодых ученых и специалистов "Роботы и их применение в народном хозяйстве" (Москва, май 1988), на Всесоюзной научно-технической конференции "Электроника и информатика в гибких автоматизированных производствах (ГАП)" (Пермь, февраль 1987), на V Международной конференции по гибким производственным системам и вопросам КАД/КАМ (Рыдзина (ПНР), 13-19 ноября 1988), на VI Международной конференции по гибким производственным системам (Пула (СФРЮ), 30 октября - 4 ноября 1989), на Всесоюзном совещании-семинаре по вопросам ГАП (Ленинград, 1990), на научных семинарах Института rnx^ef^ механики АН СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит ие введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературь
(187 наименований), пяти приложений и 19 иллюстраций. Текст диссертации изложен на 141 странице машинописного текста.