автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Разработка методов анализа геометрических погрешностей манипуляционных механизмов промышленных роботов

0 7

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

На правах рукописи

Цзяо Готай

Разработка методов анализа геометрических погрешностей манипуляционных механизмов промышленных роботов

Специальность 05.02.05 - Роботы, манипуляторы

и робототехнические системы.

Научные руководители:

заслуженный деятель науки и техники РФ, д.т.н., профессор Кулешов B.C. к.т.н., доцент Егоров О.Д.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ В ИССЛЕДОВАНИИ ТОЧНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ......................................10

1.1. Точностные характеристики промышленных роботов............10

1.2. Обзор работ по исследованию и оценке точностных характеристик промышленных роботов...................................13

1.3.Выводы, цель и задачи исследования........................................22

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАНИПУЛЯЦИОННЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА.......................................24

2.1. Факторы, влияющие на точностные характеристики промышленного робота.............................................................24

2.2. Аналитический метод расчета погрешности позиционирования и ориентации промышленного робота......................................28

2.3.Суммарная погрешность позиционирования и ориентации промышленного робота.............................................................42

2.3.1.Погрешность позиционирования и ориентации, вызванная первичными погрешностями..............................................43

2.3.2.Погрешность позиционирования и ориентации, вызванная погрешностями обобщенных координат...........................46

2.3.3.Погрешность позиционирования и ориентации, вызванная упругими деформациями звеньев исполнительного устройства...........................................................................59

2.3.3.1.Определение перемещений функциональных звеньев

промышленного робота.............................................59

2.3.3.2.Преобразования однородных координат при

внешнем возмущении.................................................61

2.3.3.3.Влияние упругих деформаций звеньев на положение и

ориентацию рабочего органа.............. ......................64

ВЫВОДЫ..........................................................................................69

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

МАНИПУЛЯЦИОННЫХ МЕХАНИЗМОВ ПАРТИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ......................................71

3.1.Типы расположения рабочего органа относительно объекта.. 72

3.2. Распределение погрешностей геометрических параметров и

обобщенных координат промышленных роботов....................78

3.2.1.Определение числовых характеристик первичных

погрешностей......................................................................79

3.2.2.Определение числовых характеристик погрешностей

обобщенных координат .....................................................82

3.3. Аналитический метод определения точностных характеристик партии промышленных роботов................................................84

ВЫВОДЫ..........................................................................................91

ГЛАВА 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ НА ЭВМ......................92

4.1. Метод имитационного моделирования точностных характеристик промышленных роботов...................................92

4.1.1. Воздействие средних значений геометрических параметров на точностные характеристики промышленных роботов....................................................98

4.1.2.Воздействие стандартных отклонений на точностные характеристики промышленных роботов........................104

4.1.3.Точность, повторяемость и вероятность успешного позиционирования и ориентации.....................................105

4.2. Программное обеспечение........................................................106

-34.2.1 .Программа для моделирования точностных характеристик

промышленных роботов...................................................107

4.2.2.Программа для вычисления кинематической погрешности

и мертвого хода передаточных механизмов.....................112

ВЫВОДЫ.........................................................................................123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................125

Введение

Растущие потребности производства в выпуске качественной продукции обусловливают все более широкое применение в промышленности средств автоматизации. Большинство технологических операций на производстве осуществляется специализированными машинами, которые, как правило, дороги и не обладают гибкостью. В связи с этим все больший интерес проявляется к использованию промышленных роботов (ПР), способных выполнять различные производственные функции в обстановке гибкого производственного процесса.

Интенсивное использование в настоящее время и перспективе ПР обусловлено рядом причин. Во-первых, увеличение выпуска продукции обеспечивается за счет внедрения новой техники и прогрессивной технологии при широком внедрении средств автоматизации. Во-вторых, внедрение ПР приводит к существенному сокращению доли ручного, тяжелого и монотонного труда. В-третьих, роботизация производства дает большой экономический эффект.

Автоматизация производственных процессов является одним из самых существенных факторов повышения производительности труда. Широкое использование ПР как элементов автоматизации производства обеспечивает решение этой задачи в первую очередь в серийном и мелкосерийном производстве. Кроме того, ПР создают предпосылки для перехода к качественно новому уровню автоматизации

— созданию автоматизированных производственных систем, работающих с минимальным участием человека.

На передовых производствах создаются так называемые гибкие поточные линии, оснащенные роботами. Применение ПР наиболее эффективно в условиях частой смены объектов производства, а также для автоматизации ручного неквалифицированного труда.

В области машиностроения все более расширяются функциональные возможности ПР. В гибкой производственной системе механообработки ПР осуществляет установку заготовки на станок, снятие обработанной детали и установку ее в кассету, замену инструмента и другие функции. При дуговой и точечной сварке, резке, термоупрочнении ПР может выступить как основное технологическое оборудование. К рабочему органу (РО) ПР крепится электрод, источник излучения энергии или струя краски. В литейном, кузнечно-штамповочном производстве и при гальванообработке ПР заменяет человека в опасных и вредных условиях работы, осуществляя перемещение детали между операциями. Особенно важно применение ПР в процессе автоматизации сборочного производства.

Большинство манипуляционных механизмов ПР, по сути, представляют собой пространственные позиционирующие механизмы. Их функционирование сводится к воспроизведению заранее запрограммированной последовательности движений. В результате ПР применяются в основном для выполнения транспортных, многократно повторяющихся операций. Поэтому одной из важнейших характеристик функционирования ПР является его точность позиционирования.

-6В связи с развитием современного машиностроения, позволяющего обеспечить высвобождение человека из производственного процесса, требование к точности технологического оборудования непрерывно возрастает. Особенно важно учитывать точность ПР, используемых в гибкой производственной системе и станочных модулях. При этом проблема точности в машиностроительном производстве должна рассматриваться комплексно для всего производственного процесса.

В настоящее время промышленные роботы находят все более широкое применение не только для выполнения транспортных технологических операций, но и при выполнении точных технологических операций типа сборки и контроля размеров [42,46]. В последние годы автоматизация сборочных операций развивается крайне медленно. Это обусловлено тем, что значительная часть промышленных роботов выпускаемых в настоящее время промышленностью не может быть использована для производства сборочных работ, так как они не отвечают требованиям надежности, точности и универсальности. Для выполнения таких технологических операций к промышленным роботам предъявляется повышенное требование по точности. Поэтому развитие современной робототехники неразрывно связано с повышением точностных показателей функционирования промышленных роботов и робототехнических систем.

Задачи точного позиционирования решаются при разработке прецизионного металлообрабатывающего оборудования. Однако в робототехнике проблема точности механизмов обладает существенными особенностями. При

выполнении технологических операций требуют не только обеспечения точности позиционирования рабочего органа промышленного робота, но и его точности ориентации. В то же время для эффективного использования промышленного робота в технологическом процессе важно не только получить его высокую начальную точность, но и сохранить ее в течение всего периода эксплуатации.

Кроме того, для повышения конкурентоспособности серийно выпускаемых промышленных роботов важно получить высокие точностные характеристики не только для конкретного экземпляра робота, но и для партии роботов. Для достижения этого необходимо оценить точностные характеристики партии роботов в целом.

Традиционный подход при исследовании точности промышленных роботов обычно состоит в том, что сосредотачивается внимание на различных аспектах проблемы, т.е. ограничиваются исследованием отдельных вопросов. Однако на современном этапе необходимым становится исследование взаимодействия факторов, влияющих на точностные характеристики промышленных роботов. В настоящее время мало работ посвящено проблеме оценки точностных характеристик манипуляционных механизмов партии промышленных роботов. Поэтому на современном этапе развития робототехники эта проблема становится актуальной. И следовательно актуальной будет разработка методов и средств оценки точностных характеристик партии промышленных роботов. При этом закладываются предпосылки для нормирования точности их функционирования.

Основной целью настоящей работы является оценка точностных характеристик манипуляционных механизмов с

позиций обеспечения высокой точности функционирования промышленных роботов.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

1. В процессе анализа кинематики промышленного робота предложены метод и методика вычисления погрешности позиционирования и ориентации его рабочего органа на основе выявленной взаимосвязи между направляющими косинусами матрицы Denavit-Hartenberg и углами "рамки", что позволяет существенно упростить процедуру расчета точностных характеристик промышленного робота.

2. Разработан метод вычисления погрешности позиционирования и ориентации рабочего органа промышленного робота, вызванной упругими деформациями функциональных звеньев исполнительного устройства.

3. Разработаны аналитический метод и метод имитационного моделирования для определения точностных характеристик партии промышленных роботов.

4. Разработаны алгоритмы и программы, которые позволяют определить точностные характеристики партии промышленных роботов методом имитационного моделирования.

На защиту выносятся следующие основные вопросы: аналитический метод вычисления погрешности позиционирования и ориентации рабочего органа ПР, метод вычисления погрешности позиционирования и ориентации рабо-

чего органа ПР, вызванной упругими деформациями функциональных звеньев исполнительного устройства ПР, аналитический метод и метод имитационного моделирования для определения точностных характеристик партии ПР.

Глава 1. Состояние проблемы в исследовании точности функционирования промышленных роботов

1.1. Точностные характеристики промышленных роботов

Точность промышленных роботов характеризуется погрешностью позиционирования и является одной из основных характеристик промышленного робота [10].

Необходимость определения фактических погрешностей уже на стадии проектирования ПР обусловила развитие теоретических методов расчета. При проведении расчетов наиболее желательным является установление соответствующих функциональных зависимостей между принимаемыми в расчет факторами и точностными характеристиками ПР. В основу таких расчетов [34,35] закладываются конкретные схемы и определенные физические представления о механизме воздействия рассматриваемых факторов. Расчетные методы предполагают полную детерминированность процесса, для которого точно известно влияние всех сопутствующих факторов. При этом зависимости могут быть заданы в виде систем различных уравнений (алгебраических, дифференциальных, интегральных и т.д.) . В результате решений детерминированных систем, описывающих закономерности образования погрешностей ПР, однозначно определяется искомая точность.

Детерминированный подход при определении точностных характеристик возможен при строго регламентированных расчетных параметрах. Однако учет этих параметров с требуемой точностью не всегда возможен, и в реальных процессах можно рассчитать три составляющие:

♦ детерминированную, поддающуюся аналитическому расчету;

♦ вероятностную, определяемую вероятностными закономерностями реализации тех или иных значений погрешностей;

♦ чисто случайную, принципиально не поддающуюся никакому предсказанию.

Наличие чисто случайной и вероятностной составляющих приводит к необходимости рассматривать робото-техническую систему как "плохо организованную", в которой физические процессы, определяемые влиянием возмущающих факторов, не поддаются функциональному раздельному описанию. В связи с этим получают широкое распространение имитационные методы анализа точности ПР.

При оценке точностных характеристик ПР расчет погрешности позиционирования и ориентации возможен только для конкретного экземпляра ПР, в котором после изготовления и сборки известны все различные погрешности, влияющие на точность ПР.

На практике иногда приходится рассчитывать погрешность позиционирования и ориентации не отдельного готового промышленного робота, а партии промышленных роботов, выполненных по одному чертежу. В этом случае для оценки точностных характеристик партии ПР удобно использовать вероятностные методы их определения .

Погрешность позиционирования и ориентации рабочего органа ПР, как и каждая погрешность геометрических параметров, которая влияет на точность ПР, явля-

ется случайной величиной. Задача оценки точностных характеристик партии ПР сводится к:

♦ определению поля рассеяния, в пределах которого находятся погрешности позиционирования и ориентации рабочих органов ПР всей партии.

♦ определению вероятности выполнения роботами определенной задачи в установленном диапазоне погрешности их функционирования.

Значения параметров хг-, которые характеризуют технологический процесс, являются случайными величинами, подчиненными определенным законам распределения. Зная вид и параметры закона распределения по конкретному параметру, нетрудно определить требуемые характеристики точности ПР.

На практике для оценки точности ПР можно использовать следующие характеристики:

п

М = — среднее значение распределения погреш-

/=1

ностей позиционирования и ориентации рабочих органов ПР;

<у = „|-— среднеквадратическое отклонены

ние распределения погрешностей позиционирования и ориентации рабочих органов ПР;

Р — вероятность того, что погрешность позиционирования и ориентации рабочего органа ПР находится в требуемом диапазоне погрешности.

1.2. Обзор работ по исследованию и оценке точностных характеристик промышленных роботов

Точность — одно из важнейших требований, предъявляемых к технологическому оборудованию. Поэтому вопросам, связанным с исследованием точности и разработки различных методов ее достижения, посвящено значительное количество фундаментальных работ Бруевича Н.Г., Воробьева Е.И., Егорова О.Д., Корендясева А.И., Корсакова B.C., Нахапетяна Е.Г. и др. Ими разработаны основы современной теории точности технологического оборудования и намечены пути ее повышения.

В работе [10] отмечено, что точность ПР характеризуется погрешностью позиционирования и является одной из основных характеристик ПР. Точность позиционирования ПР зависит от большого числа факторов, из которых основными являются: погрешности приводов при отработке заданных значений обобщенных координат, погрешности изготовления деталей механизма, погрешности, обусловленные податливостью звеньев манипулятора. Каждая из этих видов погрешностей может играть основную роль в зависимости от типа ПР, его грузоподъемности, условий функционирования.

В работе [55] отмечается, что точность и надежность являются основными критериями качества работы промышленных роботов.

В зависимости