Динамические процессы взаимодействия элементов автоматизированных комплексов

Донская, Елена Юрьевна

Динамические процессы взаимодействия элементов автоматизированных комплексов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Донская, Елена Юрьевна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Иркутск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Динамические процессы взаимодействия элементов автоматизированных комплексов»

Автореферат диссертации на тему "Динамические процессы взаимодействия элементов автоматизированных комплексов"

На правах рукописи

ДОНСКАЯ Елена Юрьевна

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ

.02.06 — динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск-2005

Работа выполнена в Ангарской государственной технической академии

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор С.В. Елисеев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор A.B. Лукьянов

кандидат технических наук, доцент Н.К. Кузнецов

Ведущая организация ГОУ ВПО Восточно — Сибирский государственный технологический университет

Защита диссертации состоится 2.2. л fjt^ 2005 года в 14 часов в зале заседаний ученого совета на заседании диссертационного совета Д 218.004.02 в Иркутском государственном университете путей сообщения по адресу: 664074, г. Иркутск-74, ул. Чернышевского, 15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного университете путей сообщения.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с подписью составителя, заверенной печатью организации, просим направлять по адресу:

664074, г. Иркутск-74, ул. Чернышевского, 15. ИрГУПС диссертационный совет Д 218.004.02, ученому секретарю.

Автореферат разослан 22 HOJt^i 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

С.К. Каргапольцев

2 143Л(

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное производство развивается в направлении создания автоматизированных технологических комплексов, в составе которых имеется оборудование, в том числе промышленные роботы, взаимодействующие между собой. В автоматизированных комплексах используются загрузочные, подающие, ориентирующие устройства и механизмы. Общей проблемой повышения эффективности использования таких комплексов является обеспечение надежности и безопасности работы при высоких рабочих скоростях, что предполагает достаточно детализированную отработку конструкторско-технологических решений, опирающихся на анализ и учет многочисленных факторов динамической природы.

Динамика и прочность машин, как направление научных исследований, становится в этом плане инструментом поиска, обоснования и расчёта новых технических решений на основе методов теории систем, теоретической механики, теории колебаний, теории управления, вычислительной математики.

Работа технических устройств в автоматизированном машинном комплексе, регламентирование во времени и движениях в пространстве реализуются через динамическое взаимодействие, контакты с заготовками и деталями, приспособлениями, элементами оборудования. Такие динамические взаимодействия часто сопровождаются ударными и вибрационными явлениями, что приводит к снижению уровня точности движений рабочих органов, позиционирования деталей, появлению отказов из-за выхода параметров процессов за определенные рамки. Поэтому разработка математических моделей взаимодействия, обоснование и выбор рациональных схем автоматизированных комплексов, динамические расчеты в обоснование эффективной работы можно отнести к современным и актуальным направлениям развития динамики, прочности машин, приборов и аппаратуры.

Сложность робототехнических комплексов (РТК), точнее сложность промышленных роботов, создает определенные трудности в обеспечении быстропротекающих процессов, что стимулирует поиск и разработку новых технических решений. В частности, такие подходы основаны на возможностях рациональной компоновки РТК из достаточно простых элементов. Однако, их взаимодействие должно быть специальным образом организовано. Автором при построении сборочных РТК предлагается оригинальное решение для обеспечения точности позиционирования деталей в технологических процессах, предполагающих контакты с приспособлениями-спутниками через специальное взаимодействие схвата робота с копиром.

Использование копира для 'обеспечения контакта со схватом робота и организация движения в контакте позволяют снизить требования к числу степеней свободы и возможностям системы управления движением. По-существу, копир (а он может быть и управляемым) выполняет роль своеобразного " поводыря ", который организует движение схвата промышленного робота (ПР) на завершающем этапе технологического процесса. Динамическое взаимодействие определяется условиями контакта специального приспособления на схвате ПР и копира; такое движение должно быть безотрывным, исключающим возможность

самозаклинивания и обладать параметрами.

Развивая подобный подход, можно выйти на построение нового класса автоматизированных комплексов (например, сборочных РТК), в которых будет реализована схема взаимодействия промышленных роботов через специальные устройства, организующие заключительные движения. В этом случае элементы РТК могут состоять из устройств достаточно простого вида, иметь 2-3 степени свободы с возможностями работы с высокими рабочими скоростями.

Обеспечение в процессе работы контактных взаимодействий, согласованных действий и их координация необходимы при разработке алгоритмов управления движением, расчёте конструктивных параметров ПР, оценке упругих колебаний роботов.

Целью диссертационной работы является развитие новых подходов в построении автоматизированных комплексов на основе использования в их составе элементов упрощенной структуры, взаимодействующих между собой для обеспечения эффективности заключительных этапов сборочных технологических процессов.

Для достижения цели автором предлагается решение следующих задач:

1. Предложить и обосновать оригинальные схемы построения сборочных роботизированных комплексов, использующих кинематическое взаимодействие схвата промышленного робота с направляющим устройством (копиром).

2. Разработать методы математического моделирования в решении специфических задач динамики взаимодействия элементов РТК.

3. Развить научные основы и научно-методические обоснования в задачах оценки динамических свойств манипуляционных систем в зонах контакта схвата, детали и приспособления.

Научная новизна работы связана с разработкой новых подходов в построении машинных комплексов, в которых в последовательной схеме технологических процессов сборки на заключительном этапе используются специальные приемы контактного взаимодействия рабочих органов, снижающие с одной стороны требования к сложности промышленных роботов, а с другой стороны, обеспечивающие приемлемые в динамическом отношении условия работы оборудования. Предлагаются оригинальное техническое решение, математические модели, аналитические соотношения, представляющие в целом реализацию системного формирования научного обоснования методов

проектирования и расчета.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использовались методы теоретической механики, теории механизмов и машин, теории колебаний, теории автоматического управления, прикладной и вычислительной математики.

Практическая значимость работы заключается в разработке новых методологических позиций в исследовании машинных комплексов, развитии научных основ построения методик проектирования и расчета

исполнительных механизмов с учетом динамических факторов, возникающих при контактных взаимодействиях (упругие колебания, точность позиционирования и Др)

опытно-конструкторском бюро автоматики», Иркутском авиационном заводе-филиале ОАО НПК «Иркут», Институте нефте- и углехимического синтеза ИГУ, Улан-Удэнском авиационном объединении, Читинском авторемонтном заводе.

Работа выполнялась автором в рамках планов поисковых и научно-исследовательских работ ИрГУПС и АГТА, программ совместных работ с институтами ИНЦ СО РАН, программ реконструкции и модернизации машиностроительной базы АНХК (г. Ангарск). По тематике диссертации автором получен российский патент, опубликовано 16 научных работ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Межвузовской научно-технической конференции «Современные технологии и научно-технический прогресс» (Ангарск, 1998 г., 1999г.), IV региональной научно-практической конференции «Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири» (Иркутск, 2001 г.), Международной научно-технической конференции «Математика и ее приложения» (Ула-Удэ,2001 г., 2003 г., 2005 г.), Всероссийской научной конференции «Современные проблемы механики» Улан-Удэ, Москва, 2002 г., 2004 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005), Межрегиональном научном семинаре «Современные технологии. Системный анализ. Моделирование» (Иркутск, 2005 г.), XIII Байкальской международной школе-семинаре «Методы оптимизации и их приложение» (Иркутск-Северобайкальск, 2005 г.),Научной конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании» (Иркутск-Северобайкальск, 2005 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях Иркутского государственного университета путей сообщения и Ангарской государственной технической академии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения. Общий объем работы — 156 страниц, включая 58 рисунков и список литературы из 120 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и приведена общая характеристика диссертации с тезисным изложением основных положений.

Первая глава диссертации посвящена обзору и сравнительному анализу проблем, связанных с детализированным рассмотрением современных машинных комплексов, в частности, робототехнических, в которых промышленный робот занимает особое положение. Автор акцентирует внимание на комплексе оборудования так называемой минимальной конфигурации, образующем роботизированный модуль, состоящий из промышленного робота (ПР), рабочей машины и элементов околороботной оснастки (включающих устройства накопления и ориентированной выдачи деталей), взаимодействие которых обеспечивает непрерывный процесс. В такой постановке задачи робот играет роль универсального технологического связующего звена. Современный робот является достаточно сложной машиной, состоящей их нескольких подсистем: двигательной (исполнительные механизмы), приводов, подсистемы управления. Подсистемы взаимодействуют между собой в динамических процессах обеспечения точности позиционирования, быстродействия, ограничения уровня упругих колебаний, снижения затрат энергии на перемещение и т.д.

Вопросы динамики управляемых механических систем постоянно находятся в зоне внимания отечественных и зарубежных ученых, среди которых можно назвать Белянина П.Н., Воробьева Е.И., Емельянова C.B., Макарова И.М., Петрова Б.А., Попова Е.П., Охоцимского Д.Е., Черноусько Ф.А., Кулешова B.C., Кобринского А.Е., Козырева Ю.Г., Корендясева А.И., Лакоту H.A., Юревича Е.И., Елисеева C.B., Иванова Ю.В., Козловского В.А., Семенова Е.И., Тимофеева A.B., Фролова К.В., Коловского М.З., Вейца B.JI. и других, а также Ф. Куаффе, М. Вукобратовича, Р. Пола, Э. Накано, К. Фу, Асада Н., Р. Гонсалеса, Д. Стокича и Других.

Наиболее сложной отраслью применения ПР является сборка, требующая точности, повторяемости, разнообразия движений, применения сложных захватных приспособлений, а иногда комбинированных механизмов, в которых захват, кроме простого удержания деталей, играет основную роль на завершающем этапе сборки. При этом можно выделить два направления: создание принципиально новых автоматических производств и автоматизация уже существующих. Техническое решение проблемы создания сборочных автоматизированных РТК требует внимания ко многим деталям взаимодействия механических систем и их фрагментов. Одной из важнейших проблем, решаемых при создании РТК (в частности, сборочных), является распределение требований сложности между основными элементами системы. Необходимо отметить серьезное внимание, уделяемое повышению интеллектуальных возможностей роботов, поиску и разработке новых средств обеспечения точности позиционирования охвата, отслеживания траектории, контроля силовых параметров взаимодействия. Вместе с тем, в автоматизации сборочных процессов целесообразным представляется ориентироваться на поиск разумного компромисса разделения и распределения функций и элементов технологического процесса сборки между роботами (манипуляционной системой) и оборудованием, которое через систему приспособлений и специальных устройств на более простой основе реализует задачи позиционирования, организации рабочих движений, взаимодействия инструмента и детали.

Функциональные возможности механизма в значительной степени обусловливаются его кинематической схемой. Последняя оценивается общим числом степеней свободы движения, видом и последовательностью соединения отдельных звеньев. Наиболее распространенные кинематические схемы одноруких промышленных роботов-манипуляторов приведены на рис. 1.

Механическая часть робота — манипулятор — его исполнительный орган, представляющий собой стержневой механизм с разомкнутой кинематической цепью, предназначенный для осуществления управляемого движения схвата. Конструкция исполнительного механизма в значительной степени определяет функциональные возможности ПР и выбирается исходя из противоречивых требований обеспечения грузоподъемности (величин развиваемых усилий) и производительности (величин скоростей движения), большей зоны обслуживания и высокой жесткости, достаточной точности движения. Компоновка и конструктивная схема ПР зависит от того, какие движения он должен выполнять во время технологических операций.

б)

в) г)

Рис. 1. Кинематические схемы промышленных роботов-манипуляторов: а - три поступательных и одно вращательное движение; б - три поступательных и три вращательных движения; в - одно поступательное и четыре вращательных движения; г - пять вращательных движений звеньев.

Комбинации кинематических пар, отличающиеся как последовательностью чередования, так и взаимной пространственной ориентацией, создают многообразие вариантов структур базовых механизмов ПР. Последние влияют на такие параметры ПР, как форма и размеры рабочей зоны, собственные габаритные размеры исполнительного органа, а также на возможность выполнения конкретных рабочих движений.

Часто увеличение жесткости звеньев исполнительных механизмов с целью повышения собственных частот не является эффективной мерой ограничения упругих колебаний, поскольку, с одной стороны, приводит к утяжелению конструкции и увеличению ее габаритов, а следовательно, инерционных нагрузок, являющихся основным источником упругих колебаний; с другой — ограничено конструктивными соображениями. Для каждой конструкции ПР существует вполне определенное соотношение между жесткостью и массой исполнительного механизма (ИМ), повышение которого оказывается нецелесообразным. Уменьшение скорости движения ИМ, хотя и позволяет снизить интенсивность упругих колебаний, но не решает проблему в целом, поскольку приводит к снижению быстродействия и производительности ПР.

Указанные обстоятельства вызывают необходимость учета упругих свойств ИМ и разработки специальных методов и средств ограничения упругих колебаний.

Таким образом, можно заключить, что достигнутый уровень функциональных возможностей современных ПР и манипуляционной оснастки значительно отстает от требований технологических процессов. В наибольшей степени это относится к таким важным параметрам, как гибкость, быстродействие и точность. Решение этих задач требует новых подходов на уровне создания принципиально новых технических решений, методов расчета и проектирования робототехнических комплексов и манипуляционной оснастки, отвечающей высоким требованиям современных производств.

Суммируя вышеизложенное, можно заключить следующее. При разработке РТК, исходя из технико-экономических соображений, целесообразно использовать простые ПР, а формирование функционального пространства развивать за счет вспомогательных устройств, которые могут брать на себя накопление деталей, их предварительную ориентацию. В сборочных РТК, принимая во внимание необходимость обеспечения на завершающей стадии технологического процесса точности, быстродействия, требуемых жесткости и силовых характеристик, представляется целесообразным использование специальных устройств, задающих траекторию и параметры движения. Автором разработан и предлагается оригинальный подход, позволяющий развивать идеи построения рациональных структур РТК путем выравнивания уровней сложности отдельных элементов с внедрением систем управления для координации движений и динамического взаимодействия элементов РТК. При этом при решении задач автоматизации технологического процесса на основе использования роботизированных комплексов возникают задачи рационального построения функционального пространства, разумного снижения требований к сложности оборудования, обеспечения динамической точности и программного взаимодействия составных элементов РТК.

Вторая глава диссертации посвящена типовым задачам при исследовании движения манипулятора в составе сборочного комплекса. При рассмотрении ПР как важнейшего элемента автоматизированного технического комплекса, предназначенного для реализации тех или иных технологических процессов, можно отметит, что чаще всего ПР совершает движения, обеспечивающие:

• точность позиционирования схвата;

• перемещение по определенной заданной траектории (с выполнением ряда ограничений на параметры движения);

• силовое взаимодействие схвата в контакте деталь-приспособление;

• сложные взаимодействия с объектом, если в процессе участвуют несколько ПР и образуется многоманипуляционная система.

Ряд технологических процессов, особенно сборочных, имеет такие особенности, что заключительные этапы взаимодействия требуют особо точного позиционирования деталей, их ориентации или «организованного» движения. В расширении таких представлений автором предлагается рассмотреть ряд подходов, заключающихся в том, что на определенном этапе своего движения схват, входит в соприкосновение с «приспособлением - проводником».Последнее может иметь различные конструктивно-технические формы:

• копир (лекало), в котором схвату обеспечивается через специальное устройство силовое или кинематическое замыкание;

• специальный механизм, обеспечивающий схвату определенное движение на том участке траектории, где произошло контактирование (такой механизм -проводник может быть представлен программируемым устройством с одной-двумя степенями подвижности).

Естественным направлением исследований предпроектных решений при построении РТК является ориентация на понижение числа степеней свободы робота, поэтому силовое или кинематическое замыкание для манипулятора может оказаться полезным. По существу, при взаимодействии с копиром (проводником) в простейшем варианте промышленный робот превращается в замкнуто-механическую цепь или механизм с одной степенью свободы. Возможные кинематические схемы таких механизмов представлены на рис.2, (а, б) и закреплены патентом автора на полезную модель.

Рис. 2. Схема кинематического взаимодействия промышленного робота с «копиром»: а) манипулятор с вращательными кинематическими парами; б) манипулятор с вращательными и поступательными парами

При организации взаимодействия с учетом конструктивно-технического решения РТК имеет смысл при использовании робота с несколькими степенями свободы рассмотреть возможные варианты получения механизма с одной степенью свободы. Во всяком случае компоновка кинематической цепи, проверка возможностей осуществления движения, условий проворачиваемости, отсутствия конфигураций и зон самоторможения должны входить в перечень обязательных предварительных оценок.

Ограничение движения с учетом взаимодействия предполагает рациональное расчленение движения робота на ряд этапов:

1. позиционирование схвата в зоне взаимодействия с копиром;

2. вхождение в контакт с копиром с возможным соударением;

3. движение схвата по копиру как работа механизма с одной степенью свободы, определение алгоритма управления движением в зависимости от того, что требуется в заключительной стадии сборочного процесса.

В своей развитой форме «проводник» (копир в простейшей форме) может представлять собой специальное программируемое устройство, предназначенное для того, чтобы, войдя в контакт со схватом, организовывать требуемое заключительное движение.

Можно говорить о том, что при таком подходе в классе вспомогательных технических средств РТК. в дополнение к накопительным, ориентирующим транспортным устройствам, добавляется новое вспомогательное устройство -

«проводник». Функции этого устройства заключаются в том, что оно обеспечивает реализацию роботом лишь заключительного перехода технологического процесса, его конечной стадии, в которой с хват обеспечивает подачу детали в рабочее пространство технологической машины, обеспечивая особые требования по точности ориентации, позиционирования, соблюдения силовых параметров взаимодействия. Такое устройство может выступать своеобразным командоаппаратом. ориентируя и координируя работу в сложном РТК. в котором имеются несколько роботов. Принципиальная схема взаимодействия такого устройства в РТК представлена на рис.3.

Рис. 3. Принципиальная схема организации работы на РТК с использованием робота-координатора («проводника»)

Работа РТК осуществляется таким образом, что «проводник» 8 с помощью специального ловителя 10 входит по определенной программе в контакт с роботом-исполнителем 5 и «ведет» деталь 7 к приспособления - спутнику 2, закрепленному на роторном столе. Предварительная ориентация заготовок производится в накопительно-ориентирующих устройствах.

При работе над диссертацией автором:

1. получены аналитические соотношения для двухзвенного манипулятора, реализующего движение в контакте с копиром по кривым заданной формы (окружность, эллипс и др.), позволяющие построить алгоритмы управления изменением углов поворота в шарнирах;

2. сформулированы условия безударного движения схвата манипулятора с копиром-проводником, получены необходимые соотношения для построения алгоритмов управления;

3. предложена обобщенная методика оценки, построения, изучения рабочего пространства манипулятора для решения задач планирования геометрических схем расположения элементов оборудования машинных комплексов, определения рациональных условий взаимодействия.

4. Разработана методика выбора конфигурации и расположения манипулятора с наименьшей податливостью в зоне контакта с приспособлением-спутником.

Если, например, ограничитель имеет форму окружности, уравнение которой можно записать в виде

(х-хо)2+0>-Л)2=Л2, (1)

где х0, у0 — координаты центра, R—радиус окружности, показанной на рис. 4.

Рис 4. Движение схвата манипулятора по прямой ДЕ с последующим перемещением по окружности

Полагая закон движения известным (р, = ю0г), можно найти выражения для угла ' <h-

А А,

<Pi = -arctg-j- + arcsin ,

где

Л2 -x¡ - y¡ --1¡ + 21, (x0 cosü)0t + y0 sinay). 2/j

= (/, cos <2>0í - xe )cos 0}^ + (/, sin eo0t - ,y0 )sin cú0t;

A¡ = (/[ sin <y0í - 70)cos<y„/ - (/, cosa>0f - x0)sin®0í.

Автором рассмотрены случаи движения по известным траекториям (эллипс, парабола, прямая). При движении манипуляционной системы в момент контакта ^ схвата с ограничителем может происходить удар. Отсутствие удара обеспечивается

за счет подхода схвата системы к ограничителю движения по касательной, а также за счет регулирования скорости схвата при подходе к точке Б ограничителя (рис. г 4). При условиях движения рассмотренного выше примера угол <р2 определится из

smtoJ-kcoseoJ . Ы, cosmJ -1 sm¡2>0/ + b

<рг = -arctg-9-——- + arcsin-5-y , 1 0-. (2)

cos a>j + к sinmat 12л11 +к

Схват манипуляционной системы (точка В) движется по прямой до тех пор, пока не будет выполняться соотношение (схват достигнет ограничителя):

[У = УГ-

При этом обобщенная координата <р2 вычисляется по формуле

xF cosa)J + у г sin a>0t -1. ,As

<p2 = arceos—-2—p——-1, (4)

если задан закон изменения обобщенной координаты <рх. После контакта дальнейшее движение схвата осуществляется по ограничителю.

Таким образом, можно получить законы изменения обобщенной координаты <рг (при заданном законе изменения обобщенной координаты <рх) для разных участков траектории, при реализации которых двухзвенная манипуляционная система, взаимодействующая с ограничителем, совершает безударное движение, что очень важно при взаимодействии схвата робота с копиром. Безударное вхождение в контакт обеспечивает минимальные динамические нагрузки на исполнительную систему и тем самым снижает уровень упругих колебаний элементов манипулятора или исключает возможность их появления.

В заключительной части главы рассмотрены и обобщены вопросы построения рабочей зоны манипулятора. Разработаны алгоритмы и программы, позволяющие строить рабочую зону по ее сечениям.

Податливость манипулятора имеет существенное значение, если в контакте деталь участвует в силовом взаимодействии. Тогда естественным становится желание так выбрать форму механической цепи, чтобы последняя обеспечила наибольшую жесткость в направлении приложения силы. Показано, что существуют соотношения длин звеньев (для трехзвенного манипулятора), обеспечивающие необходимые условия. Автор предлагает алгоритмы и программу для вычислений. Геометрические, кинематические и статические расчеты создают основу для решения вопросов, связанных с обоснованием компоновочных решений и оценкой предельных и совместимых с ограничениями функциональных возможностей манипулятора.

Вопросы динамики взаимодействия с ограничителем рассмотрены в третьей главе диссертации. Типовая расчетная силовая схема представлена на рис. 5.

Для составления уравнений движения манипулятора под действием управляющих моментов М[ и М2 используется принцип Даламбера.

Для получения уравнения движения манипулятора вокруг оси пары О можно составить сумму уравнений моментов сил и сил инерции звеньев 1 и 2 вокруг этой оси, тогда

Рис. 5. Силы, действующие на манипуляционную систему

+ Sinp2 + <»,/,(/, +¿cos^)] + ií|cos9), +P1^llcos<pl +~cos(<p} +<z>2)j-

- A'(A cosfo - a)+ /г cos(a - (?>, +p2))) = M,, (5)

.P •/1 P l P l

JcMx + &)+—(<?, + Щ f +—0Á ~cos<p2 ~sin<p2 +

g \2) g 2 g 2

.P /

+—-icos(<p, +(p2)-Nl2 cos(a -(p, + p,))ж M,. (6)

g 2

На основе полученных дифференциальных уравнений движения двухзвенной манипуляционной системы, определяются управляющие силы, необходимые для осуществления заданного движения.

При этом используются в качестве эталонных законы движения по ифужности, эллипсу, параболе. При переносе тяжелых деталей и учете веса звеньев в некоторых случаях полезным представляется статическое уравновешивание манипулятора.

Автором развивается подход, в котором для плоских манипуляторов с вращательными парами обобщенная сила, соответствующая силе тяжести звена т, находится по формуле

Р„=~gl>Am = l,2, (7)

ЙЙ дер,

где у, — ордината центра масс звена i, т — масса звена, g— ускорение свободного падения.

При выполнении определенных условий центр масс С подвижных звеньев уравновешенной манипуляционной системы можно перенести неподвижную точку О. Наряду с этим, для быстродействующих манипуляционных систем можно решить задачу динамического уравновешивания. Дифференциальные уравнения движения такой системы имеют вид

+ Jc, te + Фг)+ mt!u?i + mX<P\ + ^yAV'^+te + +l,cos<p2)+

+ $Ц22з'т<рг+ф^\ + lr2cos<p2 |C(W(3, + rr^gfoos^ + I22cos(<p¡ +<p2)) =

= M„ (8)

JcM +<Pi) ++ Фг)1Ъ +rni9jAicos<Pi +m^2J,l22sin<P2 +

+ m2gl22cos(<px + <рг) = Мг. (9)

В случае, когда манипуляционная система статически уравновешена, т.е.

когда выполняются условия 122 = 0,/,, = дифференциальные уравнения

системы (8), (9) принимают вид системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами:

Jcfi+Jc№+ (10)

Jc,{Ф>+Ф2)=Мг. (11)

Откуда можно сделать вывод, что данная манипуляционная система является динамически уравновешенной.

Автором рассмотрена задача оптимального быстродействия, в которой схват робота необходимо переместить из начального состояния в конечное за минимальное время, не нарушая ограничений на углы поворота. Разработаны алгоритмы для вычисления обобщенных скоростей и ускорений. По проведенным расчетам можно сделать такой вывод, что если ввести сильные ограничения на скорость и ускорение одной обобщенной координаты (р, и слабые ограничения по прочим обобщенным координатам, то оптимальный закон движения слагается из трех этапов: разгон с предельным ускорением ф1тш, движение с предельной

скоростью ф1ша, предельно быстрое гашение скорости с замедлением ф)та.

Манипулятор ведет себя в этом случае как система с одной степенью свободы. Если ужесточить ограничения на скорость и ускорение по прочим обобщенным координатам, то характер оптимального движения усложнится. Показано, что оптимальные законы движения слагаются из интервалов, на каждом из которых одно из ограничений (на (р1 или ф/, г = 1,2) для какой-то одной из обобщенных координат становится действующим (соответствующее неравенство превращается в равенство).

Для двухзвенной манипуляционной системы, осуществляющей взаимодействие с ограничителем движения в форме некоторой кривой (например, в форме окружности, эллипса или параболы), важным критерием оценки качества работы системы является отсутствие динамического удара. Если во второй главе был рассмотрен вопрос безударного движения манипуляционной системы (безударное движение обеспечивалось подходом схвата манипуляционной системы (точки В) к точке Е ограничителя по касательной ЕЙ) и были получены значения обобщенных скоростей в кинематических парах манипуляционной системы, обеспечивающие движение схвата по заданной траектории с заданной скоростью, то в третьей главе автором предложены процедуры вычисления управляющих моментов, под действием которых схват манипуляционной системы движется по заданной траектории с заданной скоростью.

Основное условие осуществимости заданной программы движения схвата манипуляционной системы имеет вид

ЭР, (М, -А,)А,- (Мг - А6)А2 | сУ2 {М2 -АМ- (К - А,)А, д<г>, А,А}-А,А< д<рг А,А5-А2А4

<1 а Г аР,]

л Р\ л Рг

(М, - А3)А, - (А/, - Л6)4 | {М2 - А6)А, - (М, - А,)А4 Ф| дРг АА~А1А<

д<р2

где: , dF. dF. dF, 8F2 dF,

Mv M2— силовые факторы, ——-, ——-, —- вычисляются по

8<рх д<рг ф, др2 д<рг

специальным формулам, приведением в п. 3.4.1. диссертации, F,,F2, А, - Аь — коэффициенты, отражающие физические свойства.

Из двух последних уравнений могут быть найдены управляющие моменты, под действием которых схват манипуляционной системы, начав движение из точки Д плоскости, приходит в точку Е ограничителя, двигаясь при этом по прямой ДЕ; кроме того, обеспечивается безударное движение манипуляционной системы.

В полученные выражения для управляющих моментов входят произвольные функции R) и R2, обращающиеся в нуль на программе движения. Из этого следует, что для реализации программного движения необходимым условием являются не абсолютные величины управляющих моментов, а соотношения между ними. Если считать, что движение происходит по заданной программе точно без отклонений, то можно положить R| = О, R2= 0. В этом случае могут быть найдены «номинальные» моменты, необходимые для реализации заданного программного движения. Однако в действительности всегда имеет место отклонение от программы движения, например, в начальный момент времени систему практически нельзя привести точно в состояние, соответствующее программе. Поэтому, чтобы в действительности обеспечить выполнение заданной программы движения, управляющие моменты следует находить с учетом условий устойчивости.

Автоматизация процесса точной остановки влечет за собой значительное повышение требований, предъявляемых к системе электропривода. Процесс остановки начинается с поступления в схему управления электроприводом соответствующего командного импульса. Анализ точной остановки сводится к рассмотрению условий движения манипуляционной системы с момента поступления в схему импульса на отключение двигателя до момента полной его остановки. Автором предлагается математическая модель и алгоритмы расчета параметров электропривода и учета его технических характеристик. За счет того, что требуемые рабочие движения схвата манипуляционной системы можно осуществлять неоднозначным образом, возникает возможность выбора наилучшего режима движения, оптимизирующего тот или иной критерий качества, характеризующий особенность выполняемой технологической операции. С таких позиций рассмотрена конфигурация двухзвенной механической системы, обеспечивающей минимальную работу механизма, предложены алгоритмы управления движением.

В четвертой главе диссертации рассмотрены особенности кинематики и динамики манипуляционных систем, взаимодействующих с универсальным копиром, который представляет собой кулачок, профилированный по одной из рассмотренных ранее кривых, поворачивающийся по заданному закону. Автором предлагаются математические модели и алгоритмы для расчета обобщенных координат, скоростей и ускорений, обеспечивающих безотрывное взаимодействие манипулятора с копиром, безударный выход в соприкосновение.

На основании ряда экспериментальных данных, полученных при исследовании точностных характеристик типовых промышленных роботов, оценки

приведенной упругости звеньев предложены расчетные схемы, получены математические модели движения. Так, на рис. 6 а, б приведены данные по манипулятору «Универсал-5». Его расчетная схема приведена на рис. 7.

Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики упругих колебаний манипулятора по координатам <7,3 (а) и (б)

А/

Рис. 7. Расчетная схема манипулятора

Анализ резонансных кривых показал, что силы вязкого трения в конструкции сравнительно малы. Наибольшей интенсивности упругие колебания достигали в направлении поворота руки. Амплитуды колебаний превышали паспортные значения точности позиционирования.

Для исследования упругих колебаний и синтеза систем гашения движение звеньев манипулятора можно представить состоящим из двух: основного или «программного», обусловленного кинематикой манипулятора как системы с абсолютно жесткими звеньями происходящего под действием движущих сил и моментов приводов, и дополнительного — колебательного, происходящего вследствие упругих деформаций звеньев. На рис. 8 приведена обобщенная расчетная схема манипулятора для определения упругих колебаний звеньев. Система дифференциальных уравнений имеет вид

4,.<?„, + Аз?., + Аз<?„ + 4* I = в„ + с„+ е„, (14)

где п =(1, 2, 3, 4) - число степеней свободы колебательной системы, или в матричной форме

№ИФ[с]+[е], 05)

где [л] - матрица приведенных коэффициентов инерции; [?] - матрица-столбец обобщенных ускорений; [5] - матрица диссипативных сил; [с] - матрица упругих сил; [¡2] - матрица активных сил. Представление дифференциальных уравнений движений в виде (14) или (15) позволяет упростить задачу исследования математических моделей на ЭВМ. В данном случае может быть составлена одна универсальная программа расчета на ЭВМ параметров упругих колебаний для любого ¡-го компенсирующего движения.

з — s-W-

> С

бы С„ в/

Л* m,j -vv- С, т,

Рис. 8. Обобщенная расчетная схема компенсирующих движений

Исследование четырехмассовых колебательных систем связано с определенными трудностями. Однако в ряде случаев эти системы могут быть упрощены. Тогда компенсирующие движения с достаточной степенью точности моделируются трех- и двухмассовыми расчетными схемами, дифференциальные уравнения движения которых получаются из уравнений (14) путем подстановки в эти уравнения значений параметров соответствующих движений. Полученные математические модели позволяют на их основе провести динамический синтез систем гашения упругих колебаний механизмов ПР с учетом их специфики.

В заключительной части главы приведены данные, связанные с разработкой и исследованием систем гашения упругих колебаний и использованием приводов, в которые вводятся обратные связи. В этом случае при использовании приводов манипулятора для гашения колебаний будем формировать движущую силу привода в виде

ft-G.+MpW 06)

где Q„ - движущая сила программного движения; W^ (р) - передаточная функция цепи обратной связи; Дq - упругие смещения.

В общем случае передаточная функция обратной связи может иметь вид

(17)

а„Р +а„-\Р +- + а1р + а0 где а„6,(г' = 0,л;/ = 0,т;т£л) - некоторые постоянные коэффициенты, определяющие динамические свойства исполнительных элементов обратной связи. С целью упрощения произведены исследования эффективности систем гашения колебаний без учета нелинейности их звеньев, с помощью идеальных обратных связей, формирующих силовые воздействия, пропорциональные параметрам упругих смещений. В этом случае передаточная функция цепи обратной связи (16) примет вид

1У0С(р) = ±{к[1 + Кр + клрг), (18)

где к0,кг,кА - коэффициенты усиления обратных связей соответственно по смещениям, скоростям и ускорениям упругих колебаний.

В конце четвертой главы приведено сводное описание комплекса математического обеспечения и алгоритмов моделирования динамических процессов в задачах взаимодействия манипуляторов с копирами.

Рука манипулятора описывается кинематической схемой и границами изменения обобщенных координат, а также характеризуется свойствами: инерционности, упругости и наличием связей между обобщенными координатами. В случае инерционной руки задаются массоинерционные характеристики каждого звена: масса, главные центральные моменты инерции; в случае, если рука упругая -жесткости сосредоточенных упругостей, коэффициенты демпфирования.

Автором предложены алгоритмы управления движением, решения прямой и обратной задач кинематики и динамики, построение программы движения, определения контура рабочей зоны манипулятора.

В приложении представлена акты о внедрении результатов научных исследований в конструкторскую практику и учебный процесс.

Заключение н основные выводы

Разработка новых инженерно-технических решений связана на первой стадии с математическим моделированием, как инструментарием оценки возможности реализации тех или иных процессов, попытками на основе системных позиций определится с комплексом проблем, требующих внимания в первую очередь.

Автором предлагается принципиальный подход к обоснованию возможности создания автоматизированного агрегата, в котором простой по конструкции робот обеспечивает контакт детали со сборочным приспособлением не за счёт точности воспроизведения схватом робота траектории движения, реализации усилий Или параметров движения детали, а несколько иным путбм. Предполагается, что схват робота на заключительной стадии технологического процесса ( контакт со сборочным приспособлением, другой деталью и т.п. ) входит в соприкосновение ( взаимодействие ) с копиром, который выполняет роль наводящего вспомогательного устройства ( образно говоря, исполняющего для схвата робота функции своеобразного « поводыря » ). При состоявшемся контакте приводы по всем степеням подвижности манипулятора, кроме одного, могут быть отключены, что упрощает управление процессом, снимает вопросы обеспечения устойчивости движения, точности позиционирования. Автором получен патент на полезные устройства и разработаны научно - методические основы, обеспечивающие изучение возможностей таких систем, условия повышения эффективности их работы, оценки уровня динамических параметров, возможностей силового расчета и реализации специальных мер для повышения надежности взаимодействия.

В силу обозначенных причин работа носит комплексный характер и затрагивает ряд специфических задач динамики и прочности современных машин ( промышленных роботов ) в той её части, которая связана с синтезом движения, оценкой рабочего пространства, выбором конфигурации исполнительного механизма ( манипуляционной системы ), точностью позиционирования, оценкой уровня упругих колебаний, разработкой специальных средств гашения упругих колебаний, что необходимо для обеспечения надежности машинных комплексов.

По результатам исследований можно сделать ряд основных выводов:

1. Предложен и разработан ряд принципиально новых подходов в техническом обеспечении сборочных процессов в автоматизированных машинных агрегатах на основе идеи разделения движения и контактного взаимодействия.

2. Разработаны математические модели контактного взаимодействия схвата манипулятора с неподвижным и подвижным копирами.

3. Предложен метод структурирования и построения рабочего пространства обслуживания зон контакта схвата манипулятора с копиром, показана неоднородность пространства и возможность выбора рациональных соотношений.

4. Разработана математическая модель и алгоритмическое обеспечение в задачах выбора рациональной конфигурации манипуляционной системы по показателям податливости.

5. Разработаны математические модели для оценки динамических свойств упругих манипуляторов, предложены оценки и подходы для построения расчетных схем манипуляторов.

Основные результаты диссертационной работы отражены в публикациях:

1. Гозбенко В.Е., Романова (Донская) Е.Ю. Взаимодействие манипулятора с окружностью // Транспортные проблемы сибирского региона. — Иркутск: ИрИИТ, 1998.-Вып. 2.-С. 70-72.

2. Гозбенко В.Е., Романова (Донская) Е.Ю. Анализ системы управления манипулятором // Автоматизированные системы контроля и управления на транспорте. - Иркутск: ИрИИТ, 1999. - Вып. 5. - С. 32-35.

3. Гозбенко В.Е., Романова (Донская) Е.Ю. Управление двухзвенником с безударным движением // Управление в системах: Вестник ИрГТУ. Сер. Кибернетика. — Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. — Вып. 2. — С. 35-39.

4. Гозбенко В.Е., Романова (Донская) Е.Ю. Динамический синтез управления манипулятора с ограничителем // Информационные технологии контроля и управления на транспорте. — Иркутск: ИрИИТ, 2000. — Вып. 8. — С. 117-120.

5. Елисеев С.В., Романова (Донская) Е.Ю., Гозбенко В.Е. Управление механической системой с ограничителем // Информационные технологии контроля и управления на транспорте. —Иркутск: ИрИИТ, 2000. — Вып. 8. — С. 107-110.

6. Романова (Донская) Е.Ю., Гозбенко В.Е. Управление манипулятором с ограничителем // Информационные технологии контроля и управления транспортными средствами. — Иркутск: ИрИИТ, 2000. — Вып. 6. — С. 167-170.

7. Донская Е.Ю., Гозбенко В.Е. Безударное движение механической системы, обеспечиваемое регулированием скорости // Материалы IV региональной научно-технической конференции «Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири». -Иркутск,-2001.-С. 128-130.

8. Донская Е.Ю. Возможности управления плоским манипулятором для обеспечения безударного движения // Математика, ее приложения и математическое образование: Материалы международной конференции. Часть 1. — Улан-Удэ, 2002. - С. 169-173.

9. Донская Е.Ю. Исследование влияния динамической характеристики привода на эффективность гашения колебаний манипуляционной системы // Трибофатика:

Сборник докладов V Международного симпозиума по трибофатике. ISTF - 2005. 3 - 7 октября 2005 г. - Иркутск: ИрГУПС, 2005. - Том. 1. - С. 295-301.

10. Донская Е.Ю., Драч М.А. Исследование зависимости податливости манипулятора в зоне сборки от выбора его конструкции // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — ИрГУПС. №4, 2004. — С. 60-64.

11. Елисеев C.B., Гозбенко В.Е., Донская Е.Ю., Димов A.B., Драч М.А. Манипулятор для сборки деталей. Патент на полезную модель. Бюлл. №33. 27.10.2004.

12. Елисеев C.B., Донская Е.Ю., Драч М.А. Возможности и формы контактных взаимодействий в сборочных процессах // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - ИрГУПС. №3, 2004. - С.35-38.

13. Донская Е.Ю., Драч М.А Контактные взаимодействия в процессах обеспечения траектории движения схвата манипулятора // Математика, ее приложения и математическое образование: Материалы всероссийской конференции с международным участием. — Улан-Удэ, 2005. — С. 85-89.

14. Донская Е.Ю., Драч М.А. Податливость манипулятора в зоне контакта и выбор его конфигурации // Труды XIII Байкальской международной школы-семинара. — Институт систем энергетики СО РАН, 2005. — С. 113-119.

15. Засядко A.A., Донская Е.Ю. Рациональное построение рабочей зоны автоматизированного комплекса // Трибофатика: Сборник докладов V Международного симпозиума по трибофатике. ISTF - 2005. 3-7 октября 2005 г. — Иркутск: ИрГУПС, 2005. - Том. 3. - С. 305-313.

16. Драч М.А., Донская Е.Ю. Упругость манипуляторов — возможность рационального выбора конфигурации // Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании / Труды X Байкальской всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании». Часть П. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2005. — С. 58-64.

Лицензия № 021231 от 23.07.97 Подписано в печать 16.11.2005. Формат 60х84'/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 1,1 Уч.-изд. л. 1,2. План 2005 г.Тираж 120 экз. Заказ № 2886

Отпечатано в Глазковской типографии. 664039, г.Иркутск, ул. Гоголя, 53.Тел. 38-78-40.

л-

) f

\ с

) I

I Í

»23095

РНБ Русский фонд

2006-4 25967

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Донская, Елена Юрьевна

Введение

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. Обзор и анализ современного состояния вопроса. Постановка задачи исследования.

1.1. Манипуляционные системы в реализации технологических процессов.

1.1.1. Методы предварительной ориентации деталей.

1.1.2. Организация движения, свойства.

1.1.2.1. Системы отсчета и преобразования координат. Задачи кинематики.

1.1.2.2. Обратная задача кинематики роботов.

1.2. Тенденции развития технологических комплексов. Задачи взаимодействия.

1.2.1. Задачи и методы динамического анализа.

1.2.2. Силы, действующие в механизмах робота.

1.2.3. Особенности конструкции исполнительных механизмов.

1.3. Упругие колебания роботов и вибрации технических объектов.

1.4. Ограничение уровня динамических воздействий. Элементы теории виброзащиты.

1.4.1. Элементы теории виброзащиты.

1.5. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Типовые задачи движения манипулятора в составе сборочного комплекса.

2.1. Принципиальные особенности взаимодействия с ограничителем (копиром).

2.2. Кинематика простейших манипуляторов, взаимодействующих с ограничителями простейшей формы.

2.3. Кинематические условия отсутствия удара при контакте.

2.4. Построение рабочей зоны для двухзвенного манипулятора.

2.5. Обобщение методики построения рабочей зоны.

2.6. Податливость манипулятора в зоне контакта и выбор его конфигурации.

2.7. Выводы по главе 2.

Глава 3. Динамика взаимодействия с ограничителем. Условия отсутствия динамического удара.

3.1. Определение управляющих сил при позиционировании плоского двухзвенного манипулятора.

3.2. Уравновешивание плоского двухзвенного манипулятора.

3.2.1. Статическое уравновешивание двухзвенного манипулятора.

3.2.2. Динамическое уравновешивание двухзвенной манипуляционной системы.

3.3. Оптимальное по быстродействию управление движением двухзвенной манипуляционной системой.

3.4. Безударное движение двухзвенной манипуляционной системы.

3.4.1. Обеспечение безударного движения манипуляционной системы путем регулирования скорости.

3.4.2. Точная остановка схвата манипуляционной системы.

3.5. Конфигурация двухзвенной манипуляционной системы, обеспечивающая минимальную работу механизма.

3.6. Выводы по главе 3.

Глава 4. Особенности кинематики и динамики манипуляционных систем, взаимодействующих с подвижным копиром при кинематическом и динамическом замыкании цепи. Упругие колебания роботов.!

4.1. Кинематика манипуляционной системы, взаимодействующей с подвижным копиром.ИЗ

4.1.1. Условия безотрывного движения манипуляционной системы.

4.1.2. Определение скорости и ускорения схвата манипуляционной системы при движении по подвижному ограничителю.

4.2. Исследование точности позиционирования исполнительного органа промышленного робота.

4.3. Определение структуры расчетных моделей при изменении конфигурации манипулятора.

4.3.1. Обоснование расчетных схем манипулятора и дифференциальные уравнения движения.

4.4. Теоретические исследования систем гашения упругих колебаний на основе приводов манипуляторов.

4.4.1. Особенности построения и технической реализации систем гашения упругих колебаний на основе приводов манипуляторов.

4.4.2. Учет взаимосвязанности движений при расчете систем гашения колебаний манипуляторов.

4.4.3. Расчет систем гашения упругих колебаний на основе трехмассовой расчетной схемы.

4.4.4. Особенности построения системы гашения вынужденных колебаний.

4.4.5. Принципиальная схема построения программного комплекса.

4.4.5.1. Модель двухзвенной манипуляционной системы.

4.4.5.2. Алгоритм управления двухзвенной манипуляционной системой.

4.5. Выводы по главе 4.

Введение диссертация по механике, на тему "Динамические процессы взаимодействия элементов автоматизированных комплексов"

Актуальность работы. Современное производство развивается в направлении создания автоматизированных технологических комплексов, в составе которых имеется оборудование, в том числе промышленные роботы, взаимодействующие между собой. В автоматизированных комплексах используются загрузочные, подающие, ориентирующие устройства и механизмы. Общей проблемой повышения эффективности использования таких комплексов является обеспечение надежности и безопасности работы при высоких рабочих скоростях, что предполагает достаточно детализированную отработку конструкторско-технологических решений, опирающихся на анализ и учёт многочисленных факторов динамической природы.

Динамика и прочность машин, как направление научных исследований, становится в этом плане инструментом поиска, обоснования и расчёта новых технических решений на основе методов теории систем, теоретической механики, теории механизмов и машин, теории колебаний, теории управления, вычислительной математики.

Использование копира для обеспечения контакта со схватом робота и организация движения в контакте позволяют снизить требования к числу степеней свободы и возможностям системы управления движением. По-существу, копир (а он может быть и управляемым) выполняет роль своеобразного " поводыря ", который организует движение схвата промышленного робота (ПР) на завершающем этапе технологического процесса. Динамическое взаимодействие определяется условиями контакта специального приспособления на схвате ПР и копира; такое движение должно быть безотрывным, исключающим возможность самозаклинивания и обладать определёнными заданными кинематическими параметрами.

Для достижения цели автором предлагается решение следующих задач:

4. Предложить и разработать технические средства управления уровнем упругих колебаний элементов ПР и РТК.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использовались методы теоретической механики, теории механизмов и машин, теории колебаний, теории управления, вычислительной математики.

Практическая значимость работы заключается в упрощении конструкции и удешевлении робота, повышении точности позиционирования на заключительном этапе технологического процесса и увеличении производительности. Новизна технического решения подтверждена патентом.

Достоверность результатов исследований подтверждается результатами численных расчетов, сопоставлением с результатами, полученными в аналогичных ситуациях другими исследованиями, обсуждением полученных результатов на научных конференциях и при решении задач, связанных с внедрением разработок в ряде организаций: Читинском машиностроительном заводе, ОАО « Ангарском опытно-конструкторском бюро автоматики», Иркутском авиационном заводе-филиале ОАО НПК «Иркут», Институте нефте-и углехимического синтеза ИГУ, Улан-Удэнском лопастном заводе.

Работа выполнялась автором в рамках планов поисковых и научно-исследовательских работ ИрГУПС и ATTA, программ совместных работ с институтами ИНЦ СО РАН, программ реконструкции и модернизации машиностроительной базы АНХК (г. Ангарск). По тематике диссертации автором получен российский патент, опубликовано 16 научных работ, включая патент на полезную модель.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Межвузовской научно-технической конференции «Современные технологии и научно-технический прогресс» (Ангарск, 1998 г., 1999г.), IV региональной научно-практической конференции «Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири» (Иркутск, 2001 г.), Международной научно-технической конференции «Математика и ее приложения» (Ула-Удэ,2001 г., 2003 г., 2005 г.), Всероссийской научной конференции «Современные проблемы механики» Улан-Удэ, Москва, 2002 г., 2004 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005), Межрегиональном научном семинаре «Современные технологии. Системный анализ. Моделирование» (Иркутск, 2005 г.), XIII Байкальской международной школе-семинаре «Методы оптимизации и их приложение» (Иркутск - Северобайкальск, 2005 г.),Научной конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании» (Иркутск-Северобайкальск, 2005 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях Иркутского государственного университета путей сообщения и Ангарской государственной технической академии.

В заключение автор хотела бы выразить свою признательность д.т.н., профессору Гозбенко В.Е. за поддержку и внимание к работе.

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Автором предлагается принципиальный подход к обоснованию возможности создания автоматизированного агрегата, в котором простой по конструкции робот обеспечивает контакт детали со сборочным приспособлением не за счёт точности воспроизведения схватом траектории движения, реализации усилий или параметров движения детали, а несколько иным путём. Предполагается, что схват робота на заключительной стадии технологического процесса (контакт со сборочным приспособлением, другой деталью и т.п.) входит в соприкосновение (взаимодействие) с копиром, который выполняет роль наводящего вспомогательного устройства (образно говоря, исполняющего для схвата робота функции своеобразного « поводыря »). При состоявшемся контакте приводы по всем степеням подвижности манипулятора, кроме одного, могут быть отключены, что упрощает управление процессом, снимает вопросы обеспечения устойчивости движения, точности позиционирования. Автором получен патент на полезное устройство и разработаны научно — методические основы, обеспечивающие изучение возможностей таких систем, условия повышения эффективности их работы, оценки уровня динамических параметров, возможностей силового расчета и реализации специальных мер для повышения надежности взаимодействия.

В силу обозначенных причин работа носит комплексный характер и затрагивает ряд специфических задач динамики и прочности современных машин (промышленных роботов) в той её части, которая связана с синтезом движения, оценкой рабочего пространства, выбором конфигурации исполнительного механизма (манипуляционной системы), точностью позиционирования, оценкой уровня упругих колебаний, разработкой специальных средств гашения упругих колебаний, что необходимо для обеспечения надежности машинных комплексов.

По результатам исследований можно сделать ряд основных выводов:

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Донская, Елена Юрьевна, Иркутск

1. Анализ и оптимальный синтез на ЭВМ систем управления / Под ред. A.A. Воронова и И.А. Огурко. — М.: Наука, 1984. — 344с.

2. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1975. -638 с.

3. Асфаль Р. Роботы и автоматизация производства. — М.: Машиностроение, 1989- С. 13-16.

4. БабаковИ.М. Теория колебаний. — М.: Наука, 1966. — 560 с.

5. Баранов С.А. Инструментальный комплекс и языковое обеспечение для проектирования систем программирования сборочных РТК: Автореф. дис. . канд. техн. Наук. — Томск, 1990. — 14 с.

6. Белянин П.Н. Промышленные роботы. — М.: Машиностроение, 1975. -400 с.

7. Бидерман B.JI. теория механических колебаний. — М.: Высшая школа, 1980.-408 с.

8. Бруевич Н.Г., Белянин П.Н. управление автоматами при многоцелевой автоматизации производства // Вопросы автоматизации технологического проектирования. — М., 1978. — № 381. — С. 2-8.

9. Буляткин В.П. Методы компенсации упругих деформаций механизмов промышленных роботов: Автореф. дис. . канд. техн. наук. — Новосибирск, 1984. — 16 с.

10. Ю.Васюков А.Н., Рыбак В.Н. Программ оптимального управления манипулятором с шестью степенями подвижности при прямолинейном движении схвата // Вопросы теории роботов и искусственного интеллекта. — Киев: Наукова думка, 1976.— С. 115-120.

11. Вейц B.JI. Динамика машинных агрегатов. — JI.: Машиностроение, 1969.-370 с.

12. Верещагин А.Ф., Генорозов B.JI., Кучеров B.JI. Алгоритмы управления манипулятором по вектору скорости. — М.: Изв. АН. СССР, Техническая кибернетика, 1975, № 3. — С. 66-71.

13. Верещагин А.Ф. принципы наименьшего принуждения Гаусса для моделирования на ЭВМ динамики роботов-манипуляторов // ДАН СССР, 1975.-т. 220. №1.-С. 51-53.

14. Вибрации в технике: Справочник: в 6 т. / Под ред. К.В. Фролова и др. — Т. 6:3ащита от вибрации и ударов / В.К. Асташев и др. — М.: Машиностроение, 1995. —456 с.

15. Виноградов И.Б. и др. Особенности кинематикиманипуляторов и метод объемов. — Механика машин. Вып. 27-28. — М.: Наука, 1971.

16. Виттенбург И. Динамика системы твердых тел. — М.: Мир, 1980. —295 с.

17. Воробьев Е.И., Козырев Ю.Г., Царенко В.И. Промышленные роботы агрегато-модульного типа. — М.: Машиностроение, 1988. — 240 с.

18. Вукобратович М., Стокич Д. Управление манипуляционными роботами. — М.: Наука, 1985. — 207 с.

19. Вульфсон И.И., Коловский М.З. Нелинейные задачи динамики машин. — JL: Машиностроение, 1968. — 284 с.

20. Глушков В.М., Рыбак В.И. Основные направления работ в области роботостроения. — Киев: Наукова думка, 1975. — 22 с.

21. Гозбенко В.Е. Управление динамическими свойствами механических колебательных систем. — Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2000.-412 с.

22. Гозбенко В.Е., Романова (Донская) Е.Ю. Анализ системы управления манипулятором // Автоматизированные системы контроля и управления на транспорте. — Иркутск: ИрИИТ, 1999. Вып. 5. — С. 32-35.

23. Гозбенко В.Е., Романова Е.Ю. Взаимодействие манипулятора с окружностью // Транспортные проблемы сибирского региона. — Иркутск: ИрИИТ, 1998. Вып. 2. — с. 70-72.

24. Гозбенко В.Е., Романова (Донская) Е.Ю. Динамический синтез управления манипулятора с ограничителем // Информационные технологии контроля и управления на транспорте. — Иркутск: ИрИИТ, 2000. Вып. 8. — С. 117-120.

25. Гозбенко В.Е., Романова (Донская) Е.Ю. Управление двухзвенни-ком с безударным движением // Управление в системах: Вестник ИрГТУ. Сер. Кибернетика. — Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. Вып. 2. — С. 35-39.

26. Горнаков A.B. Исследование и разработка системы геометрического моделирования в задачах робототехники: Авторреф. дис. . канд техн. наук.—Томск, 1990.— 16 с.

27. Гусев A.A. Адаптивные устройства сборочных машин. — М.: Наука, 1979.-208 с.

28. Динамика управления роботами / В.В. Козлов, В.П. Макарычев, A.B. Тимофеев и др.; Под ред. Е.И. Юревича. — М.: Наука, 1984. — 334 с.

29. Довбня Н.М., Юревич Е.И. Принципы построения и этапы проектирования роботизированных технологических комплексов // Исследование ро-бототехнических систем и их очувствления. — М., 1983. — С. 211-216.

30. Донская Е.Ю. Возможности управления плоским манипулятором для обеспечения безударного движения // Математика, ее приложения и математическое образование: Материалы международной конференции. Часть 1. Улан-Удэ, 2002. - С. 169-173.

31. Донская Е.Ю., Гозбенко В.Е. Безударное движение механической системы, обеспечиваемое регулированием скорости // Материалы IV региональной научно-технической конференции «Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири». — Иркутск, — 2001. — С. 128-130.

32. Донская Е.Ю., Драч М.А. Исследование зависимости податливости манипулятора в зоне сборки от выбора его конструкции // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — ИрГУПС. №4, 2004. — С. 6064.

33. Донская Е.Ю., Драч М.А. Податливость манипулятора в зоне контакта и выбор его конфигурации // Труды XIII Байкальской международной школы-семинара. — Институт систем энергетики СО РАН, 2005. — С. 113117.

34. Донская Е.Ю., Засядко A.A. Рациональное построение рабочей зоны автоматизированного комплекса //Трибофатика: Сборник докладов V Международного симпозиума по трибофатике. ISTF — 2005. 3 —7 октября 2005 г. Иркутск: ИрГУПС, 2005. - Том. 3. - С. 305-313.

35. Дружинина И.Б. Алгоритм решения обратной задачи о положении для манипуляционных роботов // Динамика и алгоритмы управления роботов-манипуляторов. — Иркутск: ИЛИ, 1982. — С. 161-168.

36. Елисеев C.B. Структурная теория виброзащитных систем / отв. Ред. А.Н. Панченков. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1978. — 222 с.

37. Елисеев C.B., Буляткин В.П., Бенске Ю.П., Хвощевский Г.И. Принципы построения робототехнического комплекса для автоматизации сборки // Разработка, испытание и внедрение промышленных роботов. — М.,1980. — №394.-С. 3-10.

38. Елисеев C.B., Бутырин С.А., ДружининаИ.Б. Автоматизация начальной стадии проектирования манипуляционных роботов на базе 111111 ПАМИР // III Всесоюзн. совещ. по робототехническим системам. Тез. Докл. ч. IV.-Воронеж, 1984.-С. 100-101.

39. Елисеев C.B., Бутырин С.А., Засядко A.A. Функциональные модули пакета прикладных программ для задач проектирования манипуляционных роботов // Пакеты прикладных программ. Методы, разработки. — Новосибирск: Наука, 1981. — С. 206-216.

40. ЕлисеевС.В., Бутырин С.А., Орлов А.В.Пакет прикладных программ для решения задач механики и анализа управляемого движения манипуляторов // Динамика и алгоритмы управления роботов-манипуляторов. — Иркутск: ИЛИ, 1982. С.3-17.

41. Елисеев C.B., Волков J1.H., Кухаренко В.П. Динамика механических систем с дополнительными связями. — Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1990. —214 с.

42. Елисеев C.B., Гозбенко В.Е., Донская Е.Ю., Димов A.B., Драч М.А. Манипулятор для сборки деталей. Патент на полезную модель. Бюлл. №33. 27.10.2004.

43. Елисеев C.B., Донская Е.Ю., Драч М.А. Возможности и формы контактных взаимодействий в сборочных процессах // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — ИрГУПС. №3, 2004. — С.35-38.

44. Елисеев C.B., Нерубенко Г.П. Динамические гасители колебаний / отв. Ред. А.Н. Панченков. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1982. — 144 с.

45. Елисеев C.B., Кузнецов Н.К., Лукьянов A.B. Упругие колебания роботов. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990. — 317 с.

46. Елисеев C.B., Романова (Донская) Е.Ю., Гозбенко В.Е. Управление механической системой с ограничителем // Информационные технологии контроля и управления на транспорте. — Иркутск: ИрИИТ, 2000. Вып. 8. — С. 107-110.

47. Елисеев C.B., Свинин М.М. Математическое и программное обеспечение в исследованиях манипуляционных систем. — Новосибирск: Наука. 1992.-296 с.

48. Елисеев C.B., Свинин М.М. Об одном варианте построения и моделирования работы сборочного РТК с несколькими манипуляторами // Роботы и робототехнические системы. — Иркутск:ИПИ, 1986. — С. 3-19.

49. Елисеев C.B., Ченских В.Р., Хвощевский Г.И. Промышленные роботы. Некоторые проблемы внедрения. — Иркутск: Из-во Иркут. Ун-та, 1982. -С. 132-145.

50. Ермошенко Ю.В. Управление виброзащитным состоянием в задачах виброзащиты и виброизоляции: Автореф. дис. . канд. техн. наук. — Иркутск, 2002. 24 с.

51. Ефанов О.Б., Кушнир В.В., Павлов Ю.Н., Райнес Я.К., Янсон Н.Я. Разработка и внедрение роторных роботов // Механизация и автоматизация производства. — 1987. — № 1. — С. 8-9.

52. Зубов Э.К. Автоматизация процессов загрузки деталей с помощью промышленных роботов. — Рига, 1979. — 38 с.

53. Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Покровский л.М. алгоритмы управления роботами-манипуляторами. — Л.: Машиностроение, 1977. — 248 с.

54. Камышный Н.И. Автоматизация загрузки станков. — М.: Машиностроение, 1977. — 288 с.

55. Кобринский A.A., Кобринский А.Е. Манипуляционные системы роботов. — М.: Наука, 1985. — 344 с.

56. Коловский М.З., Слоущ A.B. Основы динамики промышленных роботов. — М.: Наука, 1988. — 240 с.

57. Колчин Н.И Механика машин. — М.,Л.: МАШГИЗ. 1962, т. 2—235 с.

58. Комплексная программа реорганизации и развития отечественного локомотиво- и вагоностроения, организации ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001-2010 г. — Москва,2001.—76 с.

59. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. и др. Манипуляци-онные системы роботов. — М.: Машиноведение, 1989. — 318 с.

60. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Особенности построения кинематических схем автоматических манипуляторов // Станки и инструмент. — 1981. — №2. — С. 9-13

61. Корсаков B.C. Автоматизация производственных процессов. — М.: Машиностроение, 1978. —295 с.

62. Косилов В.В. Технологические основы проектирования автоматического сборочного оборудования. — М.: Машиностроение, 1978. — 256 с.

63. КостюкВ.И., Ямпольский Л.С., Иваненко И.Б. Промышленные роботы в сборочном производстве. — Киев, 1983. — С. 44-47.

64. Кошкин Л.Н Роторные и роторно-конвейерные линии. — М.: Машиностроение, 1982. — 336 с.

65. Куафе Ф. Взаимодействие робота с внешней средой. — М.: Мир, 1985.-285 с.

66. Кулаков Ф.М., Новаченко С.Н., Павлов В.А. Динамическая модель робота // Теория, принципы устройства и применение роботов и манипуляторов. Л.: ЛПИ, 1984. - С. 123-126.

67. Кулаков Ф.М. Супервизорное управление манипуляционными роботами. — М.: Наука, 1980. — 448 с.

68. Кулешов B.C., Лакота H.A. Динамика систем управления манипуляторами. — М.: Энергия, 1971. — 316 с.

69. Левитская о.Н., Левитский Н.И. Курс теории механизмов и машин. — М.: Высш. Шк., 1985. — 269 с.

70. Медведев B.C., Лесков А.Г., Ющенко A.C. Системы управления ма-нипуляционных роботов. — М.: Наука, 1987. — 416 с.

71. Механика промышленных роботов / Под ред. К.В. Фролова. Е.И. Воробьева. — Кн. 1: Кинематика и динамика / Е.И. Воробьев, С.А. Попов, Г.И. Шевелева. М.: Высш. Шк., 1988. — 304 с.

72. Муценек К.Я. Методика исследования точности установки деталей роторами // автоматизация сборочных процессов. — Рига: Зинатне, 1991. — С. 34-37.

73. Научные основы автоматической сборки машин / Под ред. Н.П. Новикова. — М.: Машиностроение, 1976. — 472 с.

74. Никитин А.Н. Взаимодействие элементов роботизированных товарных комплексов в условиях переменного потока деталей: Автореф. дис. . канд. техн. наук. — Ленинград, 1986. — 22 с.

75. Никифоров С.О., Челпанов И.Б., Слепнев В.В. быстродействующие циклоидальные манипуляторы. — Улан-Удэ: БИЕН СО РАН, 1996. — 111 с.

76. Овакимов А.Г., Сергеев А,В. Матрица податливости передач привода манипуляторов и ее приложение к расчету статических ошибок положения. — М.: Машиностроение, 1980. №3. — С. 40-45.

77. Озол О.Г. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1984. — 432 с.

78. Павленко И.И. Кинематическая структура промышленных роботов // Изв. Вузов. Сер. Машиностроение. — 1977. — №9. — С. 42-48.

79. Патаринский С.П. Об одном методе динамического управления ма-нипуляционными роботами // механика и процессы управления в технологических системах. — Новосибирск: Наука, 1992. — С. 151-168.

80. Переналаживаемые сборочные автоматы / Под ред. В.А. Якимови-ча. — Киев: Техника, 1979. — 176 с.

81. Петров Б.А. Манипуляторы. — Л.: Машиностроение, 1984. — 283 с.

82. Петров Б.Н., Крутько П.Д., Попов Е.П. Построение алгоритмов управления как обратная задача динамики // Докл. АН СССР. — 1979. — № 5. -С. 1078-1081.

83. Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора. — М.: Наука, 1976. — 104 с.

84. Попов Е.П. Роботы-манипуляторы // Избранные проблемы прикладной механики. — М.: ВИНИТИ, 1974. — С. 124-126.

85. Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зенкевич С.Л. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы. — М.: Наука, 1978. — 398 с.

86. Промышленные роботы агрегатно-модульного типа / Под ред. Ю.Г. Козырева. — М.: Машиностроение, 1988. — 240 с.

87. Промышленные роботыб внедрение и эффективность / Под ред. К. Асаи, С. Кигами, Т. Козима и др. — М.: Мир, 1987. — 384 с.

88. Романова (Донская) Е.Ю., Битюкова С.М. Двухзвенник, взаимодействующий с окружностью // Современные технологии и научно-технический прогресс: Тезисы докладов научно-технической конференции. — Ангарск: АГТИ, 1998. -С. 168.

89. Романова (Донская) Е.Ю., Гозбенко В.Е. Управление манипулятором с ограничителем // Информационные технологии контроля и управления транспортными средствами. — Иркутск: ИрИИТ, 2000. — Вып. 6. — С. 167170.

90. Свинин М.М. Алгоритмическое и программное обеспечение задач моделирования и оценки функциональных возможностей манипуляционных системб Автореф. дис. . канд техн. наук. — Ленинград, 1989. — 20 с.

91. Силкин A.C., Лебедева Г.Н. Организация сборочных роботизированных комплексов // Роботизация сборочных процессов. — М., 1985. — С. 174-184.

92. Смольников Б.А. Проблемы механики и оптимизации роботов. — М.: Наука, 1991.-361 с.

93. Современные промышленные роботы. Каталог / Под ред. Ю.Г. Козырева, Я.А. Шифрина. — М., 1984. — 148 с.

94. Справочник по промышленной робототехнике / Под ред. Ш. Нофа. — М.: Машиностроение, 1989. — С. 28 — 29.

95. Терликова Т.Ф., МельниковА.С., Баталов В.И. Основы конструирования приспособлений. — М.: Машиностроение, 1980. — 119 с.

96. Тимофеев A.B. Адаптивные робототехнические комплексы. — М.: Машиностроение, 1988. — 212 с.

97. Тывес Л.И., Маркевич C.B. Планирование движений робототехни-ческих систем с учетом собственных динамических свойств // Автоматиз. эксперимент в динам, машин. — М., 1987. — С. 119-125.

98. Управляющие системы промышленных роботов / под ред. И.М. Макарова, В.А.Чиганова. — М.: Машиностроение, 1984. — 288 с.

99. Устройство промышленных роботов / Под ред. Е.И. Юревича, Б.Г. Аветикова и др. — Л.: Машиностроение, 1980. — 333 с.

100. Фомин A.B. Современные тенденции развития сборочных процессов в зарубежном машиностроении // Научные основы автоматизации сборки машин. — М., 1976. — С. 437-460.

101. Фролов К.В. Теория механизмов и машин. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. — 79 с.

102. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. — М.: Мир, 1989. — 624 с.

103. Хвощевский Г.И. Принципы построения и обеспечения динамической точности и взаимодействия манипуляционных элементов робототехни-ческих комплексов: Автореферат дис. . канд. техн. наук. — Иркутск, 2003. — 20 с.

104. Хоменко А.П. Динамика и управление в задачах виброзащиты и виброизоляции подвижных объектов. — Иркутск: ИГУ, 2000. — 293 с.

105. Храбров A.C. Совершенствование процессов автоматизации сборочных работ. — Л.: Машиностроение, 1979. — 230 с.

106. Челпанов И.Б. Устройство промышленных роботов. — л.: Машиностроение, 1990.— 223 с.

107. Что могут роботы / Под ред. C.B. Елисеева. — Иркутск: Вост.-Сиб. кн. Изд-во, 1988. —104 с.

108. Шахинпур М. Курс робототехники. — М.: Мир, 1990. — 527 с.

109. Щепетильников В.А. Уравновешивание механизмов. — М.: Машиностроение, 1982. — 256 с.

110. Юзепчук С.А. Технико-экономические основы сборочных процессов в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1977. — 230 с.

111. Юревич Е.И. Основы робототехники. — Л.: Машиностроение, 1984.-271 с.

112. Юревич Е.И., Аветиков Б.Г., Корытко О.Б. Устройство промышленных роботов. — Л.: машиностроение, 1980. — 33 с.

113. Ястебов B.C., Филатов A.M. Системы управления движением робота. — М.: Машиностроение, 1979. — 176 с.

114. Kane T.R., Levinson D.A. The use of Kane's dynamical equations in Robotics // The Jntern Journal of robotics research. — 1983. — v. 2. №3. — p. 3-21.

115. Wicker J. Dynamic behavior of spatial linkage. Part 1. — Exact equations of motion. P. 251-258. Part 2. — Small escillations about equilibrium. P. 258265. Trans of the ASME.B. - 1979. - v.9. №1.