автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Приводы роботов вертикального перемещения

на правах рукописи СЕМЕНОВ Евгений Александрова ' ■

ПРИВОДЫ РОБОТОВ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

05.02.03. - Системы приводов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени-кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Институте проблей механики Российской Академии Наук.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Градецкий Валерий Георгиевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

" Дмитриев.Вадим Николаевич . кандидат технических наук Степанов Владимир Палович

Ведущая организация - Институт машиноведения им. Благонравова Российской Академии Наук

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета ВАК России Д 053.30.03 при Московском Государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: 125829, ГСП-47, Москва, Ленинградский проспект, дом.64, МАЛИ, ауд__

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в, библиотеке ^института

Справки по телефону: 155-01-59

Автореферат разослан " 11 1996г. \

Ученый секретарь —--—• ■ -

специализированного совета .....

кандидаг технических наук ' Потапов М. А.

• ' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В связи с выполнением разнообразных технологических операций в сложных, экстремальных или опасных для человека условиях получают развитие мобильные роботы, способные перемещаться по наклонным и вертикальным поверхностям.

Разработки и исследования роботов вертикального перемещения (РВП) ведутся примерно с 1984 г. в Японии. России. США. Великобритании и других странах.

В Институте Проблем Механики РАН (ИПМ РАН) в рамках Государственной Научно-технической Программы (ГНТП) "Технологии машины и производства будущего" для указанных условий работы были разработаны различные модели РВП с пневматической системой приводов. При этом можно считать, что при использовании РВП одной из основных характеристик является изменение скорости движения РВП в ширрком диапазоне и требуется надежное удержание робота на поверхности перемещения. В связи с этим как в нашей стране, гак и за рубежом_ведутся интенсивные,работы и исследования по созданию пневматических, приводов с "жесткими" механическими ха~ зактеристиками в широком диапазоне скоростей.и нагрузок и адаптивных устройств фиксации (АУФ). - Однако, всем предложенным приводам и АУФ свойственны существенные недостатки: режимы ползу-тх скоростей возможны только в очень узком диапазоне нагрузок: алгоритмы управления приводами и АУФ достаточно сложны; разви-¡аемая приводами и АУФ мощность и их надежность не велики. Нес-готря на полученные результаты в этой области, потребовалось шолнение комплекса исследований по созданию, экспериментальных ¡бразцов данных устройств. В связи с этим разработка и исследо-:ание новых надежных к простых типов приводов и АУФ.• позволяю-[их обеспечить "жесткость" механических характеристик в широком иапазоне скоростей движения и нагружения и возможности адапта-да к поверхности перемещения РВП, являются актуальной задачей.

Цель' диссертайионной работы. ■'• Исследование возможностей ' величения диапазона скоростей и нагрузок пневмоприводов РВП ля транспортных движений к фиксации и разработка системы при-

водсв. обеспечивающих "жесткость" механических характеристик в режиме "ползучих" скоростей к адаптацию устройств фиксации к Поверхности по которой перемещается РВП.

Основные задачи. В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи: _

разработать принципиальные схемы приводов транспортных движений и фиксации РВП. удовлетворяющие заданным режимам движения и нагружения;

разработать математическую модель привода; разработать методику экспериментальных исследований; экспериментально исследовать пневмоприводы транспортных движений и фиксации и выбрать рациональные характеристики их работы в составе РВП;

экспериментально исследовать пневмоприводы фиксации РВП и выбрать предельно достижимые силовые и динамические характеристики их работы с учетом изменения температуры и качества поверхностей соприкосновения с АУФ.

Решение этих основных задач выносится на защиту. Методика исследований. При теоретическом исследовании была построена математическая модель электропневмомеханического привода (ЗПМП) в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений; описывающих движения выходного звена ЭПМП и газодинамические процессы в пневматическом приводе, которая решалась на ЭВМ численными методами с помощью пакета прикладных программ по моделированию и оптимизации динамических систем.

При экспериментальном исследовании изучены основные рекимь движения и нагруаения ЭПМП и АУФ по разработанной методике. Использованы методы прикладной и теоретической механики, вычислительной техники, гидрогазодинамики.

Научная новизна диссертации состоит в разработке принципов построения и основ расчета нового типа ЗПМП и АУФ, в которых реализован широкий динамический диапазон при "жесткости" механических характеристик"и адаптации АУФ к поверхности перемещения РВП. ,

Практическая ценность. Методы-расчета ЭГО1П могут быть ис-

пользованы при разработке других аналогичных типов приводов. Разработка доведена до.рабочей документации и передана заказчикам. Тульским НПО "Точность" были изготовлены три опытных образца РВП с предложенной системой приводов.

Реализация работы. Разработанные АУФ и 31ШП входят в состав различных моделей РВП в качестве сменных модулей.

Апробация работы. Основные разделы работы докладывались на научных семинарах по робототехнике и мехатронике в ИПМ РАН. на 5-ом Всесоюзном совещании по робототехнике, на научном семинаре во время Международных соревнований роботов в г.Глазго, на Международной конференции по робототехнике и мехатронике в Средневосточном техническом Университете г. Анкары, на конференции "Интеллектуализация систем управления" (ИСУ-91) в г.Баку, на кафедре гидропривода и гидропневмоавтоматики МАЛИ.

Публикации. По теме.научных исследований опубликовано 18 печатных работ, в том числе 7 авторских свидетельств.

• ~~ Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех гла.р. заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 52 рисунка. 2 таблицы, включает библиографию из 52 использованных источников.

' ' " ' СОДЕРЖАНИЕ" РАБОТЫ. - "

Во введении обоснована актуальность темы. Изложены основные положения, выносимые на'защиту, дается обзор диссертации и распределение материала по главам.

В первой главе рассматриваются условия функционирования РВП с точки зрения их влияния на систему приводов РВП. Рассматриваются особенности "взаимодействия различных механических схем РВП в составе системы приводов. Анализируются возможности различных механических схем. Анализируются результаты обзора лите-затуры. Формулируются цели и задачи исследования.

Основным назначением РВП 'является выполнение различных технологических операций на вертикальных и наклонных поверхностях. - Из'технологических, задач вытекает необходимость: доставки'

грузов или технологического оборудования на высоту и выполнение различных операций, таких как резка, сварка, очистка, окраска различных поверхностей, их инспекция и др.

Исходя .из вышесказанного, можно определить влияние особенностей функционирования РВП'и выполняемых им задач на обоснование выбора его системы приводов. Из наиболее существенных особенностей отметим следующие:

надежность удержания на поверхности, т.к. при отсутствии надежного удержания на поверхности и фиксации на ней, РВП не сможет выполнить поставленную задачу;

достаточную нагрузочную способность при наименьшем собственном весе", т.е. отношение "полезная нагрузка - собственный' вес" должно быть максимальным;

широкий динамический диапазон перемещения, т.к. РВП должен с достаточно высокой скоростью двигаться к месту назначения и изменять скорость своего движения с учетом требований технологической операции;

высокую маневренность, поскольку необходимы перемещения РВП в пространственной декартовой системе координат, причем движения могут быть в ограниченном рабочем пространстве с возможностью обхода препятствий, возникающих на пути следования РВП: " • "

способность перемещения по поверхностям с различными физическими и механическими свойствами, такими как различная шероховатость, ! намагничиваемость и др;

легкую управляемость, т.е. возможности управления от дискретных контроллеров и уменьшения времени специального обучения персонала, обслуживающего РВП;

движение на экономичных режимах для увеличения ресурса работы и уменьшения потребляемой энергии от источников питания.

Исходя из всего выше сказанного, можно проанализировать, соответствие различных типов приводных систем отмеченным особенностям функционирования.

Анализируя достоинства и недостатки различных приводов, не •-трудно- придти к -выводу, что пневматические приводы наиболее

подходят для системы РВП. так как они удовлетворяют ее основным особенностям функционирования. Однако, определенные конструктивные решения пневмоприводов потребовали дальнейшего развития для улучшения параметров. Например,, потребовалось существенно улучшить "жесткость" механической характеристики приводов в режиме "ползучих" скоростей движения, разработать АУФ , исследовать динамические режимы их работы.

Как следует из анализа, основной задачей при использовании пневматической системы приводов являются наличие "жесткости" механических характеристик в различных режимах движения и наг-рукения при достижении достаточной точности позиционирования и адаптация к поверхности перемещения РВП.

Рассмотрим возможности решения этих задач в различных типах пневматических приводов.

В пневматическом приводе с торможением требуемый закон скоростей движения исполнительных устройств задается демпферами. Вопросам расчета пневматического привода с торможением посвящены монографии Е. В.Герц, Г. В. Крейшша." Б.Н.Бажанова и др. авторов. Важной особенностью функционирования такого типа пневматических приводов является значительное снижение мощности пневматического привода из-за потерь в демпферах при малом чис-'ле точек"позиционирований. ' ' . .

- Однако в этих случаях открытым остается вопрос о ползучих скоростях движения исполнительного устройства и конечности точек позиционирования.

В пневматическом приводе с торможением противодавлением режим ползучих скоростей осуществляется путем подключения выхлопной полости к магистрали высокого давления, а позиционирование привода происходит при включении фрикционного устройства. Такие типы приводов, были- описаны в работах В.А.Королева. В.В.Васкарева, А.И.Евдокимова и др. авторов.

В следящих пневматических приводах ползучий режим движения осуществляется за счет обратных связей по положению, скорости или давлению. Однако в таких типах приводов устойчивость системы является важной проблемой, а из-за-ограничения использования

корректирующих устройств и сжимаемости воздуха не удается получить результатов в широком диапазоне скоростей и нагрузок. Таким типам приводов посвящены монографии В. Г.Градецкого, В. Н. Дмитриева. К. Ямафуджи, М.Ивата, Т.Фукушма и др. авторов.

Вопросам адаптации АУФ посвящены работы таких авторов ■ как К.Икеда, Ф.Чен. Р.Телла, А.Райт и др. В этих работах рассматриваются различные АУФ, имеющие несколько схватов на одном исполнительном устройстве. Однако большинство таких типов АУФ обладают повышенной энергоемкостью.

АУФ с мягкими исполнительными устройствами предложены такими авторами как А.Перовский, И.Шмидт и др. Однако такие АУФ обладают незначительной грузоподъемностью.

Адаптивннз захватные устройства с поисковыми движениями были предложена В.Б. Вешняковым, А.Шварцем, Б.Хофманном и др. Однако предложенные схваты могут использоваться только в робо-

рис 1

тах, перемещавшиеся по наклонным поверхностям и лестницам, что сузкает функциональные-' возможности РВШ • •

В связи с вышеизложенным, потребовалось разработать новые принципиальные схзмнке и конструктивные решения приводов РВП и АУФ. провести необходимое математическое и физическое моделирование для установления адекватности полученных характеристик с предъявляемы,ш требованиями. Общая схема приводов представлена на рис 1.

Во второй главе рассмотрена математическая модель ЗПМП, который используется в качестве привода транспортных движений.

Проведено ее исследование и в результате моделирования получены зависимости скорости от нагрузки для различных управляющих напряжений и исследованы различные режимы.работы ЗПМП. Установлено соответствие полученных параметров ЭПМП заданным требованиям.

рис 2

В связи с тем. что традиционные пневматические приводы не способны обеспечить режим ползучих скоростей при широком диапазоне нагрузок, в ИПМ РАН была поставлена задача разработки при-

- 8 -

вода, способного обеспечить требуемые условия.

ЭПМП изображен на рис.2. Такой привод содержит паевмоци-линдр 2 со штоком 1, на котором жестко закреплена зубчатая рейка 3.' Зубчатая рейка 3 находится в зацеплении с зубчатым колесом 4, которое связано с выходом цилиндрического редуктора 5. Выход редуктора 5 через пневматически управляемую >уфту 6 связан с червячным колесом 7. находящемся в зацеплении с червяком 8. На одном конце червяка 8 находится электродвигатель 9, а на другом датчик 10 оборотов. Принцип работы заключается в передаче .управлявшего момента от электродвигателя через самотормозящуюся червячную передачу,_ редуктор и реечную передачу на шток силового пневмоцилиндра. После подачи давления в соответствующую по- . лость пневмоцилиндра включается управляющий электродвигатель. Направление его вращения выбирается таким образом, чтобы шестерня имела вращение, совпадающее по направленно с движением зубчатой .рейки. При этом управляющая муфта включена и связывает вал с червячным колесом. Передаточное отношение механической передачи определяется по следующей формуле:

я ХоШрП

где - число зубьев шестерни реечной передачи, г^ -модуль зубьев реечной передачи, п - номинальное число оборотов управляющего электродвигателя, V., -заданная скорость поступательного движения штока пневмопривода. к=50 - экспериментально полученная оптимальная по мощности при заданной прочности величина передаточного отношения1червячной передачи для данной схемы привода.

Таким образом, силовое воздействие пневмоцилиндра при включенной муфте гасится до величины, обеспечивающей заданную скорость движения штока пневмопривода.

Рассмотренная конструкция привода позволяет реализовать как замедленную непрерывную скорость передвижения платформы робота. так и ее скоростное дискретное перемещение, 'которое необходимо для оперативной доставки технологического оборудования в 'рабочую зону. Режим' скоростного движения реализуется отключени-

ем управляемой муфты.

Для исследования возможностей принципиальной схемы привода и выбора рабочих параметров. • была разработана математическая модель' ЗПМП. "

Математическая модель привода представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих газодинамические процессы и движения рабочего органа ЭПМП.

Схема действия сил в приводе представлена на рис. 2. Расчет динамики ЭПМП представляет определенную.сложность из-за взаимовлияния действующих сил. Получена полная система дифференциальных уравнений, описывающих динамику работы ЗПМП.

Уравнение движения рабочего органа представлено в виде:.

^•=(Р1-Р2) к ± «а - *тр - гуа? - о *,

здесь к далее: - масса поршня и присоединённых к нему

поступательно двизушдхся частей; х" - текущие

значения соответственно ускорений, скоростей, и перемещений штока пневмопривода и управляющего электродвигателя; ры>2 -1 текувде значения давлений определяемых по известной методике, основанной на описании газодинамических процессов з полостях пневматического привода; к - эффективная шюаддь поршня Содянакойая. с обоих сторон поршняЗ; ?тр= - сила сухого' треш1я; &= - коэффициент вязкого трениявпневмоцилиндре. руПр_

с '

сила упругости редуктора,равная ^ = -В

упр «зК

''эк 1р

х^де: - коэффициент упругости редуктора; *р= -сухгнаркоепредаточное число редуктора; Езк= -радиус зубчатого колеса, входящего в зацепление с рейкой.

Результирующие и составляющие сил, действувццгх на поршень, считается, отрицательными, если их направление совпадает с направлением силы трения и положительными, если оно совпадает с направление» двикуцих сил.

Значения К, ¿д ,ФД определялись по методике П. Д. Крутько, основанной на описании электромеханических процессов в

электродвигателе постоянного тока и редукторе с нагрузкой.

Такии образом с учетом всех огшсашшх параметров была получена следующая система, дйфференциалышх уравнений, описываищих работу ЗПМП:

kpj

Ыщ i KPaj ETB ' pl= g(x01,x) * (01) - xox+.

F(S+X02-x)Pn™ >J

°я=кя (1я + -Г >+Kw *д я

Pf-

kP2

S+XJJ-X

U=K, I -f _i Г д ы я тр i

x

®зк

-is

-H -M

Tpc трв

_тх' = (р1-р2) F + mg - F где:

в

Изк

X

- D х

при 0.528 < Oi < 1 V {(»¿>=0.258В при о- < a.-s 0.528; .

° *8Pi/V ° »ap»/p«'

K=^2k/k - 1

Моделирование системы проводилось на ЭВМ типа IBM PC А1 с помо!цью пакета прикладных програш КОДС и специально разработанных сервисных программ.

Особенностью привода является возможность его работы в 2~; режимах: "движущегося упора" и "толкателя". До величины нагрузки 60 кгс шестерня червячного колеса работает в режиме движущегося упора. В данном случае действие давления питания преодоле вает действие нагрузки и. тем самым, результирующая сила н; штоке, регулируемая двигателем, представляет собой разност указанных воздействий.

В диапазоне нагрузок около 60 кгс происходит максимальна

разгрузка двигателя при переходе из режима движущегося упора в режим толкателя. В этот момент величина скорости становится наибольшей. При дальнейшем увеличении нагрузки двигатель в режиме толкателя затрачивает энергию не на удержание .давления пневмо-цилиндра при преодолении нагрузки в процессе регулирования скорости. как в режиме движущегося упора, а на создание дополнительного усилия, направленного' в сторону действия давления пневмоцилиндра. Смена режимов работы привода приводит к смене рабочих поверхностей зубьев червячной шестерни при контакте с червяком.

Анализ механических характеристик, полученных при моделировании, позволил сделать вывод о том, что при изменении нагрузки- от -. 60 кгс до 0 диапазон изменения скорости находится от 2.2 до 2.6 см/с. При дальнейшем увеличении нагрузки от 0 до + 60 кгс происходит падение скорости до 1.5 см/с вследствие совпадения действия движущей силы от давления питания и внешней нагрузки, что приводит к перегрузке'электродвигателя.

Для расширения диапазона допустимых положительных нагрузок и уменьшения вариаций скорости при' изменении величин и знаков нагрузки целесообразно использовать режим работа привода, при котором действие давления магистрали противоположно скорости -движения рейки.- • - -

В результате моделирования системы было выявлено, что значение противодавления р = 0.3 МПа является наиболее предпочтительным, т.к. в этом случае достигается наименьший диапазон изменения скорости при изменении нагрузки от а до 60 кгс.

При дальнейшем моделировании системы было установлено, что для нормальной работоспособности жесткость редуктора ЭПМП должна лежать в пределах от 50 до 75 Нм/рад. Кроме того, при изменении нагрузок в пределах -800 Н до +800 Н. жесткостей редуктора от 20 Км/рад до 20000 Нм/рад и зазоров в зубчатых зацеплениях редуктора от 0.0005 рад до 0.1 рад, были получены диапазоны рабочих параметров, принятых при создании конструктивной модели привода и обеспечивающих работоспособность ЭГШП при отсутствии колебаний выходного звена.

- 12 -

В третьей главе приводятся результаты экспериментальнь исследований Э1Ш1 и АУФ. Задача}.ш экспериментальных исследовг йий являлись: экспериментальная проверка"работоспособности ЗГ и АУФ; проверка - адекватности предложенной в теоретической часч математической модели ЭПМП его физической реализации, и onpej ление реальных показателей функционирования.

Для экспериментальных исследований ЭПМП был создан испып тельный стенд (рис.3) и разработана методика экспериментальнь исследований. Стенд содержит: пневмоцилиндр 1; муфту сцеплею 2; редуктор 3: рейку 4; э/двигатель ДПР-62 5; датчик тока ( датчики 7.давления ДМП-10: датчик 8 перемещения ПТП-2; пневмо! лапан П-РЭ 3/2.5- 5112 9; пнезмоклапан П-Р4Ф 232 10; регистр; тор SONY А—1007 11; имитатор нагрузки 12.

+v - - —- -- ~ ~ -V

9/'

рис 3

- 13 -

Методика экспериментальных исследований предусматривает получение нагрузочных, статических и динамических .характеристик.

• - Основные эксплуатационными характеристиками привода являются зависимости скорости от нагрузок на ытоке при различных давлениях питания' пкевмоцилиндра и различных величинах управляющего напряжения и на электродвигателе (рис.4). Соответствующие направления векторов нагрузок Г. скорости V и давлений Р показаны на рис.3.

Ч.ст/с......

-.....• ~ 1 »■ ч ; /3 ; Ь Уь

Ш: Ш;,

-1000 . О 1000 ™

рис 4

На рис.4 характеристики 1-5 получены при "противоположных знаках скорости и нагрузки, при этом давление питания р = о, 6 •МПа. Напряжение на двигателе для кривой 1 равнялось'33 В. для

кривой 2 - 27 В. для кривой 3 - 20 В. для кривой 4 -10 В, ДЛЯ кривой 5 - 8 В.

Максимальная отрицательная нагрузка на привод равняется -150 кгс (кривая 1). . При смене знака нагрузки на положительный, результирующая сила на штоке, регулируемая двигателем, нарастает, что приводит к проскальзыванию муфты в области нагрузки F = +50 кгс. • Л .

Как было получено при моделировавши, для того, чтобы расширить диапазон допустимых положительных нагрузок и' уменьшить вариации скорости при изменении величин и знаков нагрузки, целесообразно использовать режим работы привода с противодавлением. характеристики которого отражены зависимостями 6-9 (рис.4).' При положительных значениях нагрузки напряжение на двигателе соответствует следующим значениям: кривая 6 - 33 В. кривая 7 -27 В, кривая 8 - 12 В и кривая 9 - 8 В.

При положительных нагрузках, так же как и при отрицательных, режим движущегося упора предпочтительней для двигателя, так как противодействующие силы гасятся самотормозящейся червячной передачей и форма характеристик становится более пологой. Используя полученные зависимости, можно путем комбинации соответствующих участков характеристик для положительных и отрицательных нагрузок-получить желаемый-режим работы привода .-на. всем диапазоне возможных знаков и величин нагрузок. Например, для зависимостей, соответствующих напряжению двигателя 33 В (кривые 1 и 6. рис.4), комбинированная характеристика привода в режиме движущегося упора представляет собой кривую, соединяющую точки BCDEF. Смена знака давления в шевмоцилиндре при этом происходит в точке D. Для сужения диапазона изменения скоростей в рабочем диапазоне нагрузок при допустимых пределах действия режима толкателя рекомендуется использовать комбинированную характеристику по точкам ABCEF. Смена, знака противодавления в данном - случае осуществляется в точке С. а диапазон изменения скорости при изменении нагрузки от - 100 кгс до +140 кгс равен 1,8 см/с. При необходимости можно реализовать и более высокие отрицательные нагрузки'до -'150 кгс. Таким образом, получены

оптимальные по .диапазону изменения скоростей характеристики привода. -

Экспериментально были определены границы получения непрерывной скорости при комбинированных характеристиках (кривые 4 и 8). Нике этой границы лекит область прерывания скорости, обозначенная на рис. .4 одинарной штриховкой. Кривые 5 и 9 определяют границу устойчивости работы привода при минимально возможном напряжении. Соответствующая область неустойчивости на рис. 4 обозначена двойной штриховкой.

Выполненные экспериментальные исследования пропорционально ' регулируемого клапана, обеспечили его включение в систему приводов для получения дополнительного эффекта по расширению нагрузочных возможностей ЭПМП за счет компенсации внешней нагрузки силой, развиваемой пневматическим цилиндром, до 15% от текущего, значения:

Целью исследований АУФ является определение основных рабочих характеристик, к которым относится изменение усилия отрыва и сдвига АУФ в зависимости от давления питания на входе эжектора для различных видов поверхности фиксации и внешних условий.

Обратимся сначала к общей схеме АУФ (рис 5), которая вклю-

рис* 5

чает в себя эластичный захват 1, внутри которого находится опора сцепления 2, жестко соединенная с приводом подъема-опускания '3. На опоре' сцепления- 2 закреплен датчик вакуума 4, связанный с

системой управления. Полость эластичного захвата связана с источником вакуума 5. Эластичный захват выполняет функцию элемента. герметизирующего вакуумируемый объем АУФ при фиксации. Опора сцепления, кроме функции, несущей конструкции АУФ. обеспечивает механическую фиксацию за счет сил сцепления с поверхностью. возникающих одновременно с вакуумированием полости эластичного захвата путем прижатия опоры к поверхности. Целесообразность использования эжектора как генератора вакуума в АУФ обусловлена возможностью его включения независимо на каждом АУФ робота, что необходимо для повышения надежности его функционирования. Датчик вакуума контролирует минимально допустимое разрежение в полости захвата. Качество поверхностей фиксации ' при испытаниях соответствовало классам шероховатости поверхности в диапазоне от 1 до 5, что охватывает широкий круг реальных поверхностей для таких практических задач.. как например, инспектирование металлических резервуаров, а также испытызались поверхности с неровностями до" 0.3 мм. Эластичный захват изготовлен из герметика ВИКСИНТ У2-28.

На рис.6 приведены результаты исследований по определению усилий отрыва и сдвига АУФ в зависимости от давления питания; эжектора. Испытания проводились как с сухими поверхностями, так ■и-с-поверхностями, покрытыми-машинным маслом, что моделирует реальные условия эксплуатации робота, в частности, на резервуарах с горюче-смазочными материалами. Усилие отрыва определяется путем плавного увеличения давления схсатого воздуха, которое через редуктор подается к вертикальному силовому цилиндру. В момент отрыва АУФ результирующее давление фиксируется манометром. -Серии измерений проводятся при разных давлениях питания эжектора. На рис.6 зависимости 1 и 2 характеризуют отрыв АУФ соответственно от сухой и замасленной поверхности, а зависимости 3 и 4 - сдвиг АУФ соответственно на .тех же видах поверхностей. Зависимость 5 получена при комбинированном воздействии на АУФ с использованием сухой поверхности при температуре 20 С.

- Из полученных результатов вытекает, что максимальное уси-•• лие отрыва- возникает при давлении питания в диапазоне (0.3'-

0.4) И1а. Это связано с особенностями рабочих характеристик эжектора. В случае замасленной поверхности (рис. 6. характеристика 2) усилие'отрыва уменьшается на 7%.

Усилие сдвига АУФ определялось аналогично "усилию отрыва при использовании горизонтального силового цилиндра, работающего ;:а сдвиг, з момент начала проскальзывания. Максимальное уси-„.пе сдвига на сухой поверхности на 5% меньше, чем соответствующее кахсгаальноэ усилие отрыва, однако характеристика имеет более пологую форму, что расширяет диапазон рабочих давлений питания на 25л. В случае замасленной поверхности усилие сдвига ' снюхается более, чем на 10%. Таким образом, при.сдвиге уменьшение коэффициента трения более критично, чей при отрыве.

Как правило, в реальных условиях работа отрывающее и сдвигающее усилия действуют на АУФ одновременно. Результаты моделирования данной ситуации отражены характеристикой 5 (рис.6), которая получена при одновременно изменяющихся давлениях в вертикальном и горизонтальном силовых цилиндрах. Из сравнения характеристик для отдельного и комбинированного воздействия усилий отрыва и сдвига видно, что реальный запас надежности* удержания можно определять по результатам моделирования отдельных воздействий с поправкой в сторону увеличения запаса надежности на 30% от полученного усилия в оптимальной зоне давлений питания, которая находится в пределах (0.3 - 0.4) МПа.

Одной из определяющих характеристик использования робота с АУФ при выполнении противопожарных операций является возможность работы в условиях повышенных температур: К основным требованиям для АУФ при этом относится термостойкость эластичного захвата. Температурные испытания проводились с помощью нагревательного элемента экспериментального стенда при разогреве поверхности фиксации до 150 С и 300 С. Результаты испытаний представляют собой соответственно характеристики 6 и 7. полученные при комбинированном нагружении АУФ. Как видно из графиков, при нагревании поверхности фиксации на каждые 100 С силы фиксации увеличиваются примерно на 5%. Это явление объясняется тем. что с возрастанием температуры захват АУФ становится более

700 т

.1 2 .3 • .4 .5 .6

• - • ; • рис 6 - ... - -

эластичным и. следовательно, улучшаются условия герметизации его вакуумной полости. Данный эффект наблюдается до величины температуры, соответствующей тепловому разрувению материала, из ^ которого изготовлена рабочая поверхность захвата АУФ.

Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальны® исследованиями (с точностью до 8%).

В четвертой главе описаны и проанализированы с .точки зрения возможностей применения различные схемы АУФ. Описаны различные модели разработанных и реально, существующих моделей РВИ. даны схемы АУФ и проанализированы области их использования, даны характеристики, возможности и области применения различных РВП. Так, планируется использование РВП для .пожаротушения. ' строительства, судоремонтной промышленности и в др. областях.- В

это» направлении ведутся работы с такими организациями как АО МНТК "Робот". ВНЙИПО, НБЦ МОКОП И др.

На заводе НПО "Точность" г.Тулы в рамках конверсионных работ было изготовлено три опытных образца РВП..

Две модификации РЗЯ псинимали участие в 1-ых международных соревнованиях роботов з г.Глазго (Великобритания).' где заняли призовые места и были награждены двумя медалями.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ.

1. Предложены схема электропневмомеханнческого привода с оригинальным устройством управления скоростью перемещения и оригинальные конструкции адаптивных устройств фиксации, осуществляйте различите виды адаптации к поверхности перемещения робота вертикального перемещения.

2. Построена математическая модель электропневмомеханического привода в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений. В результате моделирования были обоснованы принятые схемы механической системы РВП и системы приводов транспортных движений платформ робота при различны;; режимах движения и нагружения.

.. 3.Проведена качественная оценка показателей электропневмомеханического привода на основе анализа динамических и статических характеристик. Был предложен новый режим работы электропневмомеханического привода с противодавлением и установлено, что величина противодавления равная р = 0.3 МПа, позволяет получать наименьшие-вариации скорости в требуемом диапазоне нагрузок.

4. Установлено что, разработанный ЭГО5П обеспечивает в диапазоне нагрузок от -400Н до +400Н вариацию скорости выходного звена не более 20 % при режиме "ползучих" скоростей и развивает скорость до 1.2 м/с в режиме форсированных скоростей.

5. Установлено, что для нормальной работоспособности жесткость редуктора ЭПМП должна лежать в пределах от 50 до 75 Н м /рад.

6.На разработанных экспериментальных установках проведены: исследования работоспособности электропневмомеханического привода

в различных предложенных режимах; исследования механических характеристик злектропневмомехашческого привода; исследования нагрузочных характеристик адаптивных устройств фиксации. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическим.

7. В результате выполненных экспериментальных исследований установлено что, реаим движущегося упора более благоприятен для работы ЭПМП. Экспериментально подтверждено, что наиболее целесообразной является величина противодавления в пневмоцилиндре ЭПМП, равная 0.3 МПа.

8. Получено, что ПРК. по своим статическим н динамическим характеристикам может быть использован в контурах обратных связей по давлению ЭПШГ и ВУФ. и, что при применении таких обратных связей в контурах управления ЭПМП вариации скорости в диапазоне внешних нагрузок от - 400 Н до + 400 Н не превышает 10 %.

9. Установлено что, максимальное усилие на отрыв ВУФ преодолевает при давлении на входе эжектора равном 0.3 - 0.4 МПа и оно равно 630 Н., при этом на поверхности, покрытой машинным маслом, оно снижается на 7 %.

10. Результаты исследований показывают что, максимальное усилие на сдвиг ВУФ преодолевает при давлении на входе эжектора равном 0.3 - 0.4 МПа и оно равно 620Н, при этом на поверхности, покрытой машинным маслом, оно снижается на 10 % и при нагревании поверхности фиксации на каждые 100 С (до-300 С) силы фиксации увеличиваются на 5 %.

11. Получено что, теоретическая несущая способность ВУФ выше реальной примерно на 1%.

Данные электропневмомеханический привод и адаптивные устройства фиксации значительно расширяют - возможности применения рассмотренных в диссертации роботов вертикального перемещения.

Важным достоинством предложенных электропневмомеханического привода и адаптивных устройств фиксации является их универсальность, т.е. возможность применения не только в различных конструкциях робота вертикального перемещения, но и в различных устройствах автоматизации в качестве отдельных модулей.

В приложении приводятся копии документов, подтверждающих

- 21 -

Енедрение результатов работы в народном хозяйстве.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ - РАБОТАХ

1.Разработка и исследование датчиков проскальзывания для роботов/ Нанди Г.Ч., Семенов Е.А., Трохинин Н. А. - материалы М Всесоюзного совещания по робототехническим. системам, м., 1990г., стр.181. ч.1.

2.Комплекс для дезактивации поверхностей с использованием роботов вертикального перемещения/ Ионов И.П.. Рачков М. Ю., Семенов Е. А. и др. - материалы М Всесоюзного совещания по робототехническим системам, М.. 1990г., стр. 247, 4.2.

3.Мобильные роботы вертикального перемещения/ Вешников В. Б.. Градецкий В. Г. .Рачков М. ¡0.. Семенов Е. А., и др. - Механизация и автоматизация производства, И.. Машиностроение, Т 7. 1991г., стр.16-19.

4.Система для сбора информации и моделирования информационной системы робота вертикального перемещения/ Семенов Е. А. -Материалы конференции "Интеллектуализация систем управления" (ИСУ-91), Баку, 1991г. , стр. 94-95.. ...

5.Построение обратных связей в пневмоприводах робота вертикального перемещения/ Кантор П. С.. Рачков М. Ю.. Семенов Е. А. и др. - Сборник научных трудов "Обработка динамической информации в интеллектуальных системах". М.. ИФГП, 1992г., стр.52-73.

6.Механика вакуумных педипуляторов/ Градецкий В.Г.. Рачков М. Ю.. Нанди Г. Ч., Болотник Н. Н.. Семенов Е. А. - Препринт ИПМех РАН. М.. 1992г., 45 стр.

7.Экспериментальная оптимизация характеристик комбинированного привода для транспортных роботов/ Рачков М. Ю., Семенов Е. А. - Техническая кибернетика. М.. РАН. 1993г.. стр. 201-206.

8.Mechatronics drive for intelligent Wall Climbing Robot/ Yamafudjl K.. Gradetsícy V., Rachkov M., Semenov E. - Jornal of Robotics and Mechatronics. Vol.5. No.2, Tokyo, 1993, pp.164171. ' • •

9. А.с.N1521587 / СССР/. Вакуумный схват.манипулятора/ Аба-ринов А. В. Вешников В. Б., Семенов Е. А. и др. '- Опубл. Б.И. Т42-89. »

10.А.с. N1601900 / СССР/. Транспортное средство для перемещения по произвольно ориентировании поверхностям/ Абаринов А.-В., Вешников В.Б..Семенов Е.А. и др. - ДСП.

11.А.с. N1607249 / СССР/. Транспортное средство для перемещения по произвольно ориентированым поверхностям/ Абаринов А.В.. Вешников В.Б..Семенов Е.А. и.др. - ДСП.

12.А.с. N1615138 / СССР/. Вакуумное захватное устройство / Абаринов А.В., Вешников В.Б,.Семенов Е.А. и др. - Опубл. Б. И. "Т47-90. : "" '

13.А.с. К1625812 / СССР/. Вакуумное захватное устройство транспортного средства / Абаринов А. В.. Вешников В. Б.,Семенов Е.А. и др. - Опубл. Б. И. Т5-91.

14.А.с. ÏÏ1634493 / СССР/. Вакуумный схват манипулятора / Абаринов А. В., Вешников В. Б. .Семенов Е.А. и др. - Опубл. Б. И. Т10-91.

15. А. с. fil701517 / СССР. ГДР, НРБ /. Пневматический адаптивный сборочный схват / Абаринов А.В., Вешников В.Б., Шварц А., Беязов И.. Семенов Е.А. и др. - Опубл. Б.И. Т48-91.

16:Заявка N5034755,- но которой получено-положительное решение о выдаче патента от 27.01.94. / Транспортное средство для перемещения по произвольно ориентированым в пространстве поверхностям / Вешников В.Б., Рачков М.Ю.. Семенов Е.А. и др.

17.Design of mechatronic drives for heavy loaded climbing machine / V.Gradetsky,. E.Semenov. - Mechatronic Design and Modeling Workshop. November. 15-19, 1993, TUBITAK-MODISA.

18.R te D of the combine drive for Wall Cllrablng Robots./ Michael Rachkov and Eugene Semenov. - 6th International Machine Design and Production Conférence, September. 21-23, 1994. METU, Ankara, TURKIYE.