автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Анализ и оптимизация модульных конструкций технологических роботов со сдвоенными шарнирами

Министерство высшего и общего профессионального образования РФ

Московский Государственный Технологический Университет

"СТАНКИН"

МАКАРОВ АЛЕКСЕЙ БОРИСОВИЧ

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ МОДУЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РОБОТОВ СО СДВОЕННЫМИ ШАРНИРАМИ

Специальность 05.02.05. - Роботы, манипуляторы и робототехнические системы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МОДУЛЬНЫЕ РОБОТЫ СО СДВОЕННЫМИ ШАРНИРАМИ. 6

1.1. Развитие модульной конструкции роботов. 6

1.2. Создание и область применения технологических роботов

со сдвоенными шарнирами 15

1.3. Особенности и преимущества конструкции сдвоенных шарниров. Основные характеристики. 19

1.4. Научно-технические задачи работы. 21

1.5. Выводы. 23 ГЛАВА 2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ТОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА РОБОТОВ. 24

2.1. Системы проектирования Silma и Deneb. 24

2.2. Методы точностного анализа РТС. 27

2.3. Выводы. 45 ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ МОДУЛЬНЫХ РОБОТОВ СО СДВОЕННЫМИ ШАРНИРАМИ С ПОМОЩЬЮ AUTOCAD И EXCEL. 46

3.1. Постановка технологической задачи робота и разработка конструкции манипулятора. 46

3.2. Кинематический синтез структуры модульных роботов со сдвоенными шарнирами. Оптимизация положения и конструкции манипулятора с помощью AutoCAD. 51

3.3. Выводы. 70 ГЛАВА 4. ТОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ МОДУЛЬНЫХ РОБОТОВ СО СДВОЕННЫМИ ШАРНИРАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ КОМПЬЮТЕРНОЙ АЛГЕБРЫ. ' 71

4.1. Причины, вызывающие погрешность позиционирования. 71

4.2. Математическая модель и точностной анализ конструкций модульных манипуляторов со сдвоенными шарнирами. 78

4.3. Проведения точностного анализа с использованием

средств компьютерной алгебры. 84

4.4. Выводы. 94 ГЛАВА 5. ПРИМЕРЫ АНАЛИЗА И ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ МОДУЛЬНЫХ РОБОТОВ СО СДВОЕННЫМИ ШАРНИРАМИ. 95

5.1. Процесс проектирования технологического модульного

робота со сдвоенными шарнирами для лазерной сварки. 95

5.2. Выводы. 133

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 134

ЛИТЕРАТУРА 136

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Комплексная механизация и оптимизация производственных процессов является неотъемлемой частью современного развития и научно - технического прогресса и является предпосылкой для постоянного увеличения производительности труда.

Современное массовое производство уже не представляется без применения промышленных роботов и робототехнических комплексов. Применение роботов и манипуляторов в качестве передаточных звеньев между рабочими ячейками способствует увеличению производительности труда.

Особенно они являются незаменимыми в тех областях, где условия работы не позволяют участие человека. Это такие области, которые требуют не только высокой точности работы, но являются либо опасными для человека, либо монотонными, приводящими к повышенной утомляемости, а как следствие, уменьшению производительности и возможности получения производственных травм. Это окрасочное производство, сварочные и шлифовальные процессы в автомобилестроении, которые не требует высокой квалификации, но требует постоянного внимания.

Данные операции могут быть с успехом выполнены различными манипуляционными устройствами. В отличие от запрограммированного на выполнение отдельной задачи манипулятора, промышленный робот может и должен быть перепрограммируемым для выполнения различных задач.

Одним из важнейших показателей технических возможностей промышленных роботов является их надежность и ресурс. Повышенные требования к этим характеристикам определяются их ролью в автоматизированном производстве как средства замены рабочих.

Промышленные роботы по быстродействию в настоящее время уступают не только специальным автоматическим устройствам, но и человеку. Повышение быстродействия роботов обеспечивает увеличение

их производительности й экономической эффективности, а экономичность роботов является важнейшей их характеристикой.

Кроме требований по быстродействию к роботам предъявляются высокие требования к точности. Высокая точность позиционирования рабочего органа и отработки траектории движения манипулятора должна обеспечиваться во всем объеме рабочей зоны. Особенно жесткие требования по точности позиционирования предъявляются при выполнении операций сборки и монтажа узлов и деталей. Этим обусловлена необходимость проведения точностных расчетов, начиная с этапа конструкторской разработки манипуляторов, выявления функциональных зависимостей погрешностей функционирования и ориентации схвата. На основании данных расчетов определяются пути повышения точности роботов.

Точность позиционирования является паспортной характеристикой любой манипуляционной системы, которая является известной величиной для универсального серийного робота. Для модульных роботов расчет точностных показателей является важной задачей для определения его соответствия поставленной задаче.

Многим производителям роботов удалось предложить на рынок универсальные решения, которые охватывают широкий спектр решаемых задач. Но существует круг задач, для решения которых возможно применение более простого оборудования. Для таких случаев должна быть создана конструкция, состоящая из отдельных модулей роботов, с помощью которых на основе определенных алгоритмов можно будет сконструировать модульного робота под определенную задачу потребителя.

В данных условиях важной задачей является уменьшение срока проектирования и создания модульного робота. Одними из этапов проектирования модульного робота являются конструирование руки робота и моделирование движения робота в рабочей зоне.

На защиту выносятся следующие основные результаты диссертационной работы:

особенности модульных роботов на базе сдвоенных шарниров, алгоритм создания графической и математической моделей модульных манипуляторов со сдвоенными шарнирами и проведение точностного исследования,

алгоритм оптимизации конструкции модульных роботов, система моделирования движений робота в рабочей среде (с помощью AUTOCAD и EXCEL), - решение прикладных задач.

Данная работа выполнялась и была апробирована во время проведения проекта по созданию модульного робота со сдвоенными шарнирами MODULUS-2000 для использования в окрасочном производстве при нанесении лакового покрытия на резиновые детали. Проект был проведен в Бюро по технологическому сотрудничеству при Московском Государственном Технологическом Университете "СТАНКИН" и при поддержке Технического Университета Берлина.

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МОДУЛЬНЫЕ РОБОТЫ СО СДВОЕННЫМИ ШАРНИРАМИ

1.1. РАЗВИТИЕ МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ РОБОТОВ.

При проектировании технологических роботов возможны два направления нахождения наиболее рационального метода их построения: создание универсальных роботов и специализированных.

Первое направление предполагает разработку ряда технологических роботов, обладающих широкими возможностями, но при этом усложняется конструкция, что приводит к повышению стоимости и неполному использованию имеющихся возможностей. Второе направление приводит к увеличению номенклатуры технологических роботов, но упрощение конструкции ведет к снижению себестоимости.

Указанные противоречия могут быть разрешены на основе модульного построения технологических роботов, которое имеет ряд положительных свойств:

Основным резервом снижения цены промышленных роботов на рынке является уменьшение себестоимости механической системы, составляющей в настоящее время 60-80% от общей себестоимости робота. Благодаря модульной конструкции единичное и мелкосерийное производство роботов можно преобразовать в крупносерийное или массовое производство унифицированных модулей, а на сборочных заводах быстро собирать роботы из готовых комплектующих по индивидуальным заказам потребителей.

Технико-экономический эффект, возникающий при внедрении модульного построения антропоморфных манипуляторов, складывается из следующих источников [52]:

1. Возможность создания специализированных технологических роботов, наиболее полно отвечающих требованиям конкретной технологической задачи и не обладающих избыточными технологическими возможностями.

2. Сокращение времени и трудоемкости проектирования модульных роботов, так как способ модульного построения позволяет более полно использовать выполненные ранее разработки для расширения гаммы разрабатываемых роботов.

3. При производстве модульных роботов унифицированные модули становятся объектом специализированного серийного производства как комплектующие для роботов. В результате достигается снижение себестоимости, повышение качества изготовления и надежности.

4. В процессе эксплуатации экономический эффект возникает за счет повышения надежности за счет накопленного опыта изготовления входящих в него узлов и механизмов.

5. Улучшение условий эксплуатации и повышением ремонтопригодности за счет уменьшения числа вариантов конструкции механизмов и узлов.

Модульная конструкция имеет ряд недостатков: сложность, функциональная избыточность, увеличение номенклатуры модулей, трудность в использовании модулей при использовании различных систем управления.

Таблица 1.1. отображает распределение по типам манипуляторов, которое также является предпосылкой создания модульной конструкции

[50].

Как следует из этой таблицы, большинство используемых в настоящее время роботов относится к двум основным группам: антропоморфным роботам, которые включают в себя характерные узлы сочленений с тремя степенями подвижности, и роботам с портальной конструкцией, в основном портальным и мостовым.

Конструктивно узлы антропоморфных роботов могут быть унифицированы, а в пределах одного робота они отличаются только силовыми характеристиками приводов. Исходя их этого напрашивается концепция модульного построения антропоморфных роботов.

Таблица 1.1

Характеристика робота Кол-во % от

(система координат) моделей общего

числа

Кинематическая прямоугольная 91 33,6

структура цилиндрическая 30 11

сферическая 9 3,4

антропоморфная 93 34,3

СКАРА 48 17,7

Тип привода гидравлический 10 3,7

пневматический 13 4,8

электрический 248 91,5

Модуль - это унифицированный или нормализованный узел, который характеризуется структурной, функциональной и конструктивной самостоятельностью и может использоваться самостоятельно или с другими узлами того же комплекта. Функциональная самостоятельность означает, что он самостоятельно выполняет какую-либо задачу, например, движение или служит опорой для других степеней подвижности. Конструктивная самостоятельность подразумевает, что он может быть изготовлен отдельно и затем собран вместе с другими модулями [33].

Модульное оборудование проектируется и выпускается комплектами или наборами. Различным соединением разных или одинаковых модулей получаются модификации оборудования. В зависимости от класса изделия и числа модулей число модификаций может велико.

Схематично принцип модульности изображен на Рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принцип модульной системы.

В настоящее время проект такой системы был разработан в ЭНИМС

[61].

Рис. 1.2. показывает вариант конструктивного исполнения двухкоординатного приводного модуля, который состоит из корпуса 1, двух исполнительных стыковочных фланцев 2, которые приводятся во вращение от электродвигателей 3 через посредство редуктора, первая ступень которого представляет собой коническую передачу 4, а вторая планетарный или волновой редуктор 5. Выполнение редуктора 5 с центральным отверстием позволяет монтировать коммутационный блок 6 для энергетических и информационных связей внутри модуля. Следует отметить, что конструкция модулей и промежуточных звеньев позволяет осуществить полностью скрытую проводку коммуникаций.

Таблица 1.2. приводит предполагаемые расчетные характеристики отдельных двухкоординатных модулей [61]. Создание нового робота с заданными грузоподъемностью и рабочей зоной сводится к выбору необходимых размеров промежуточных звеньев, предварительному расчету и выбору модулей.

Данный ряд модулей позволяет создавать манипуляторы семи различных грузоподъемностей по ГОСТ 25204-82 (1,0, 2,5, 5,0, 10,0, 20,0, 40,0, и 80,0 кг), с различными кинематическими структурами и величинами рабочей зоны.

Таблица 1.2.

Типоразмер модуля Номинальный момент, Нм Максимальная угл. скорость, рад/сек Масса модуля, кг Диаметр стыковочного фланца, мм

I 2,5 2,6 1 60

II 10,0 1,6 3 85

III 25,0 2,6 6 110

IX 4000,0 0,8 270 385

X 12500,00 0,8 630 510

Одновременно с разработкой описанных модулей в ЭНИМС проводилась работа по созданию системы автоматизированного проектирования новых роботов на базе двухкоординатных модулей, исходя из конкретных требований заказчика [61].

3

2

Рис. 1.2. Двухкоординатный приводной модуль: 1 - корпус, 2 - фланец, 3 - электродвигатель, 4 - коническая передача, 5 - планетарный редуктор, 6 - коммутационный блок.

Рис. 1.3. представляет модули и основания, на основе которых был спроектирован робот РПМ - 25, предназначенный для обслуживания кузнечно - прессового, металлорежущего и литейного технологического

оборудования [61].

Рис. 1.3. Модульные элементы робота РПМ - 25.

Во всех модификациях робот имеет одну выдвижную руку. Технические характеристики общие для всех модификаций, следующие: привод электромеханический, шесть - семь степеней подвижности, номинальная грузоподъемность (по массе объекта) - 25 кг. Модификации делятся на две группы: напольные на основании и межпозиционными перемещениями (по рельсовому пути или по порталу). В комплект входят четыре модуля оснований (подвижных и неподвижных), восемь модулей переносных и ориентирующих перемещений и три модуля схватов.

Соединительные модули (элементы) отсутствуют, модули перемещений соединяются друг с другом и с модулями оснований непосредственно. Модули оснований и перемещений изображены на Рис. 1.3. Модуль портала с подвижной тележкой имеет следующие характеристики: максимальное перемещение 10 м, максимальная скорость перемещения 1,5 м/с, максимальная абсолютная погрешность позиционирования 2 мм. Другие модули представляют собой подвижные основания соответственно с малым (500 мм) и большим (1.200 мм) ходом. Модуль вращения вокруг вертикальной оси (поворота) имеет следующие характеристики: диапазон изменения угла 300°, угловая скорость 135°/с, максимальная угловая погрешность 0,06°. Имеются два модуля поворота

вокруг горизонтальных осей: модуль простого качания (диапазон изменения угла 60°) и модуль двойного качания (диапазон 90°). Модуль вертикального перемещения имеет ход 0,4 м, скорость - 0,4 м/с, погрешность позиционирования - 0,4 мм. Модуль выдвижной руки имеет ход 1,0 м, скорость - 0,6 м/с, погрешность 0,8 мм.

Модули ориентирующих степеней подвижности имеются в трех вариантах, они задают вращение соответственно по одному углу (вокруг продольной оси руки), по двум и по трем углам с угловыми скоростями 180°/с. Во всех трех модулях механизмы ориентирования вынесены вперед по длине руки, вследствие этого максимальный радиус рабочей зоны получается большим - 1,75 м. В комплект также входят три модуля захватных устройств: модуль простого схвата (для захвата длинномерных объектов), модуль простого схвата с механизмом сдвига, задающим малые боковые смещения.

Состав комплекта модулей в том виде, как был описан выше, впоследствии, после выпуска первых серий, неоднократно пополнялся и изменялся. При различных сочетаниях модулей переносных степеней подвижности могут быть получены манипуляторы с различными кинематическими схемами. Так, если на модуль с поперечной осью перемещения установить модуль вертикального перемещения, а затем модуль выдвижной руки с одним из модулей исполнительного звена, то получится манипулятор, работающий в прямоугольной системе координат. При установке на модуль неподвижного основания модуля вращения, а затем последовательно модулей исполнительного звена получается манипулятор, работающий в цилиндрической системе координат.

Болгарским объединением "ЭЛПРОМ" были разработаны модульные робототехнические системы АДП 200, АДП 1.000 предназначенные для автоматизации сборочных, контрольных и вспомогательных операций на металлообрабатывающем оборудовании. Грузоподъемность

промышленного робота созданного из модулей этой системы, - 0,2 кг, точность позиционирования 0,05 мм. Робототехническая система состоит из следующих модулей [18]:

- модуль углового перемещения,

модуль углового перемещения для вертикальной ориентации оси, модуль углового перемещения для локальной ротации,

- модуль линейного перемещения,

- модуль с вертикальной ориентацией оси,

- модуль с нормальной грузоподъемностью,

- модуль с повышенной грузоподъемностью,

- модуль линейного перемещения с вертикальной осью ориентации.

Данная система