автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Элементы теории, экспериментальные исследования и разработки цикловых быстродействующих роботов с рекуперацией механической энергии

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ «ВДЕРАВДИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ'

Для служебного пользования Экз. Л 34

На правах рукописи

САМСОНОВ Владимир Александрович

УДК 621.865.8

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ, ЖСПЕРШЕНТАЛЪНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ЦИКЛОВЫХ ШСТРОДЕЙСТЖВДИХ РОБОТОВ С РЕКУПЕРАЦИЕЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Специальности. 05.02.03 - системы' привадой

05.02,05 - роботы я манипуляторы

Авт ор в ф е рот дисоёртеции нв соискание ученой, степени кандидата технических наук

^¿дадимир. 1994

Диссертационная работа выполнена в Смоленском научно-произво, отвенном объединении "Техноприбор".

Научный руководитель - доктор технических наук

КОРЕЩЛСЕВ А.И.

Официальное оппоненты: доктор технических наук, доцент

ЕАВНЕР В.Л.

кандидат технических наук, профессор ЕГОРОВ И.Н.

Ведущая организация - АО БЗПО "Техника".

Защита дисоертации состоится 199 г.

в I Т" часов на заседании специализированного совета при Владимироком государственном техническом университете.

Адрес: 600026, г, Владимир, ул. Горького,д.87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирское государственного технического университета по адресу: 600026, г. Владимир, ул. Горького, д.87.

Автореферат разослан « ЗМ (РУ 199

Л

Тченыйсекретарь / /

специализированного совете / /

д.т.н., ирофеооор Р.А.Тихомиров

/

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В промышленности остро стоит вопрос увеличения производительности труда пр* одновременном улучшении и стабилизации качества изделий в условиях устойчивого расширения номенклатуры и снижения серийности по отдельным видам продукции с учетом одновременного роста общего объема производства. Эта задача является практически йеразрешимой при существующих видах производства.

Так, массовое производство становится нерентабельным при частой смене объектов производства и необходимости списания оборудования, оснастки и инструмента независимо от его физического износа. Неавтоматизированное ае серийное и индивидуальное производство хотя и обладает высокой "гибкостью" с точки зрения выпуска разнообразной продукции, является малопроизводительным и требует непосредственного участи^человека во всех элементах производственного процесса, как правило, на уровне ручного труда.

Решение задачи требует создания нового производства, обладавшего высокой степенью автоматизации и "гибкостью",- гибкого автоматизированного производства. Для этого созрели острая необходимость и научно-технические предпосылки, сзяеанные с появлением и развитием таких средств автоматики, как автоматические системы управления и промышленные роботы (ЕР) .

.Автоматизация производства на современном этапе - это комплексная задача создания'принципиально новой быстропереналамша-емой техники, отличной от арсенала средств неавтоматизированного производства,высокопроизводительной с высокоинтенсивными технологическими процессами, в которых вообще невозможно непосредственное участие человека. С этой точки зрения и должны формироваться научнке принципы и основы технической политики в области- роботизации.

Цикловые промышленные роботы с рекуперацией механической анергии позволят решить ряд вопросов транспортировки объектов производства в процессе их изготовления, сборищ, испытаний и т.п., отвечая высоким требованиям гибкого автоматизированного производства.

Цель и задачи исследований. Цель исследований - создание сверхлегкого циклового быстродействующего промышленного робота с рекуперацией механической энергии с циклом работы не более 2-х секунд, энергоемкостью манипулятора меньшей на порядок по сравнению с существующими и перемещением охвата на расстояние 630 и 800 ш при точности позиционирования не более ¿0,1 ш.

В задачи исследований входило:

- разработка элементов теории работы аккумуляторов механической энергии ;

- отработка конструкции и исследование рекуператоров приводов поступательного и вращательного движений;

- определение целесообразности модульного исполнения цикловых ПР с рекуперативным приводом;

- унификация приводов поступательного и вращательного дви-нений;

- исследование возможности и разработка методики предварительных инженерных рассчетов выбора двигателя;

- исследование скоростных, точностных и силовых характеристик цикловых ПР с рекуперативным приводом;

- исследование возможности, применения активного регулирования параметров двигателя в зависимости от изменения внешних условий;

- проработка вопросов возможности создания многолозицион-ногс циклового промышленниго робота с рекуперативным приводом.

Научная новизна. Впервые кинематика многозвенного циклового

ПР, выполненная в угловой системе координат, переведена в класс колебательных. Разработаны элементы теории работы аккумуляторов механической энергии, методика выбора параметров привода. Созданы оптимальные конструкции основных узло^ рекуператора и упоров-фиксаторов. Решена задача многопозиционности.

На защиту выносятся следующие полокения:

- конструктивные решения л элементы теории работы аккумуляторов механической энергии приводов поступательного и вращательного движений;

- унифицированный рекуперативный привод поступательного и вращательного движений в модульном исполнении циклового ПР;

- быстродействие, точность позиционирования, энергоемкость манипулятора циклового промышленного робота с рекуперативным приводом;

- методика выбора электродвигателя массового изготовления для использования в качестве исполнительного в рекуперативном приводе циклового ПР и возможность его активного регулироьания;

- построение привода многопозиционного циклового промышленного робота с аккумулятором механической энергии.

Практическая ценность работы. Опробованы, отработаны и предлагаются кинематические схемы и оптимальные конструктивные проработки аккумуляторов механической энергии двухпозиционвого рекуперативного привода вращательного двлнеаия и его использование для привода поступательного двшения, конструкции упоров-фиксаторов со стабилизированными потерями в кинематических парах, а иаюке опробована и предлагается методика выбора электродвигателя для рекуперативного привода.

Использование указанных наработок позволит проектировать цикловые промышленные роботы с рекуперативным приводом под конкретные производственные задачи.

Апробация работы. По результатам исследований опубликовано две научные работы, получено 2 авторски свидетельства. Опытно-промышленный образец робота ЦПР - 03 - ЭР акционировался на выставках "Охрана труда - 84" и "Научно-технический прогресс-85" ВДНХ СССР. Отмечен медалями, в том числе - золотой.

Быстродействующее загрузочно-кассетЕрующее устройство для обслуживания листошташссвочных прессов БЗУ-ОЗ экспонировалось на постоянно действующей областной межотраслевой выставке "Товары народного потребления" в июне 1989 года. Межотраслевой ведомственной комиссией устройство рекомендовано к серийному производству.

Рекуперативным приводом оснащен один из основных модулей серийно выпускаемого циклового ПР комплекса "Каскад".

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 76 наименований, в том числе 10 иностранных авторов, 9 прилшений, акта ыеавчцомственной'йомиссии, каталога робототехнического ком. плекса "".аскад", "Постановления" комиссии ВДНХ. СССР. Основной объем излажен на 100 страницах каищнописного текста, содерот 4 таблицы и 50 рисунков.

Опытно-экспериментальная.база, направления исследований ж средства их проведения

Работа выполнена в период IS80 - 1989гг. на экспериментальной базе Смоленского научно-производственного объединения "Техноприбор".

Предоставленная база позволила выполнить детали и узлы высокого качества, проводить измерения с помощью стандартных и оригинальных средств, проводить аттестацию оригинальных средств измерения. Указанные предпосылки явились залогом успешного выполнения работы.

Направления исследования определились из особенностей построения кинематики и райоты новой робототехничесной системы. Многозвенная механическая рука ПР с рекуперацией энергии, работая в угловой системе координат и колебатеЭгьном режиме, приходит в крайние положения практически с нулевой скоростью, что улучшает условия, но меняет принцип работы упоров-фиксаторов. Теперь они должны удеркивать руку от продолжения движения к среднему полсисению. Быстродействие такого ПР зависит от характеристики колебательной системы, а не от мощности привода, который поставляет в систему только энергию потерь в кинематических парах. При известной инерционности звеньев всегда мсяно выбрать необходимую жесткость упругих элементов, обеспечивающих необходимую величину быстродействия, предела увеличения которого теоретически не существует.

Исследования проводились путем конструирования узлов,содержащих принципиально новые элементы и разработки элементов теории их работы с выполнением расчетов на ЭЕМ.

Основным узлом, обеспечивающим высокие технические характеристики ПР с рекуперативным приводом, является аккумулятор механической энергии,который во взведенном состоянии обладает определенным запасом потенциальной энергии и предназначен для перевода ее (идя ее части) в кинетическую энергию подвижных звеньев на первой половине пути и обратного перевода - на второй.

Основное требование, предъявляемое к аккумулятору механической энергия,- соблюдение симметрии характеристики его упругого элемента относительно оереданы пути движения инерционной массы механизма ведомого звена манипулятора. В противном случае ПР будет работать с ударами о упоры-фиксаторы и сбоями.

Для поступательного и вращательного движения разработаны и исследованы различные типы аккумуляторов механической энергии.

Аккумуляторы больших (до 1000 мм ) поступательных горизонтальных перемещений-двухпружинные с коротким участком работы пружины, которые включается в начале и конце движения каретки. Основную часть пути каретка движется под действием кинетической энергия, равной по величине исходному запасу потенциальной энергии разгоняющей пружины. Если потери энергии в системе отсутствуют, то каретка дойдет до второго положения, произойдет перевод ее кинетической энергии в потенциальную второй пружины и сработает упор-фиксатор. Так как в реальной системе есть рассеяние энергии, ее компенсирует двигатель, который имеет на порядок меньшую мощность, чем при традиционной системе построения привода. 11ыея определенный запас энергии на защелкивание упоров-фиксаторов и их специальную конструкцию, механизм поступательного движения с таким аккумулятором механической энергии работает надежно.

Наличие участка сути, на котором аккумулятор не работает, а движение осуществляется по инерции, позволяет получить число точек позиционирования больше двух. Для этого на участке движения по инерции устанавливаются дополнительные убирающиеся упоры-фиксаторы. Минимальное расстояние перемещения каретки при этом равно суше длин участков разгона и торысиеяия.

Аккумуляторы вращательного движения выполнены На спиральных пружинах ( одной или двух ) .Характерным является то, что пружины работает на всем перемещении звена между упорами. Это увеличивает быстродействие системы, поскольку нет движения с постоянной угловой скоростью в середине пути. При двух пружинах первая разгоняет подвижное звено до середины; пути и садится на упор корпуса, звено, продолжая движение по инерции, снимает с упора корпуса вторую пружину и закручивает ее, переводя накопленную кинетическую энергию в потенциальную второй пружины. При

хорошо отрегулированных предварительных натягах пружин и величине энергии, поставляемой в систему двигателем, подвЕшое звено будет приходить во вторую точку позиционирования практически с нулевой скоростью.

Конструкция аккумулятора с двумя спиральными прукинаш должна предусматривать возможность тонкой регулировки ппедвари-тельного натяга ( точнее, его равенства для обеих прующ ) и полевения рабочего участка характеристики пружины относительно середины пути перемещения инерционной массы механизма. Поскольку практически никогда не удается создать две пружины, обладающими одинаковыми упругими характеристиками, двухпрркинный аккумулятор механической энергии требует елейной настройки. Дэке в случае ее удовлетворительного выполнения оставшаяся ассиметрия в характеристиках пружин макет приводить к сбоям.

. Все проблемы двухпруяинного аккумулятора механической энергии решаются автоматически при одной спиральной пружине, так как на обеих половинах пути ведомого звена манипулятора всегда будет работать только одна пружина и на одном и том' яе участке своей рабочей характеристики.

Принцип работы такого аккумулятора заключается в том, что при разгоне инерционной массы на первой половине пути потенциальная энергия пружины снимается с внешнего конца, а на второй половине пути возвращается закручиванием за внутренний ее конец. При обратном ходе - наоборот.

Благодаря такой конструкции аккумулятора при повороте его выходного вала на угод - (р упругий элемент накапливает одинаковое количество потенциальной энергии, что обеспечивает симметрии движения звена манипулятора. Это же позволяет выполнить регулировку предварительной затяжки пружины ступенчатой, что дополнительно упрощает конструкцию. На любом уравне предварительной затяжки и при любых углах <р потенциальная энегия, запаса-

емая пружиной, будет одна и та же, а в аккумулятора не будет дисбаланса энергии, который межет привести к сбою работы систе-

/V

мы. Таким образом, возрастает надежность работы всего механизма. Дополнительное преимущество - уменьшение габаритных размеров, массы и трудоемкости изготовления аккумулятора.

С целью унификации приводов по степеням подвижности ПР с рекуперацией энергии узлы мотор-редуктора и рекуператора поступательного и вращательного движений выполнены одинаковыми. За основу взят привод вращательного движения. Преобразователем вращательного двшения в поступательное служит кривошипно-ша-тунный механизм, а перемещение осуществляется по двум линейным подшипникам.

Создан аккумулятор механической энергии многопозиционного манипулятора ПР, который также построен на одной спиральной пружине. Принцип работы аккумулятора, которым оснащается каждая степень подвижности механической руки, заключается в том, что его пружина, на какой бы угол не перемещалось звено, должна вернуться строго в исхидное положение. Для этого в середине пути любого из перемещений мехешям аккумулятора должен плавно, без проворотов и выбора люфтов переключить пружину с раскручивания на закручивание с.соответствующими трансформациями потенциальной и кинетической энергии. '

Роль переключателя в аккумуляторе многопозиционного звена выполняют обгонные иуфти и безлюфтовые тормоза.

Ответственным элементом в ПР с рекуперативным приводом являются упоры-фиксаторы. Они, как и в ПР с традиционным приводов, являются очень нагруженным элементом конструкции, обеспечивающим точность позиционирования. Особенностью их работы и конструкции является то, что здесь они являются обратными, т.е. защелками, не позволяющими механической руке манипулятора

двигаться к среднему положению. В разработавши ДР ( кроме линейного модуля системы "Каскад" ) управление упорами-фиксаторами осуществляется двигателем привода. Это уменьшает число исполнительных элементов, упрощает управление /^увеличивает надежность работы манипулятора. Поскольку потери энергии на упорах-фиксаторах в этом случае непосредственно влияют на стабильность работы ПР, они должны быть минимальными и постоянными во времени. Последнее достигнуто за счет создания упоров-фиксаторов вращательного и поступательного движений без трения скольжения в кинематических парах.

Для проведения исследований основных характеристик манипулятора с рекуперативным приводом - точности позиционирования, быстродействия,моментов рекуператора и двигателя - были разработаны испытательный стенд и специальное приборное оснащение, основанное на принципах тензометрии и свето-, фототехники.

Основу сгевда составляла механическая рука с двумя степекя-мфодаихности (независимой и зависимой) , осуществляшей движение захвата вдоль линии, проходящей через точки позиционирования с воэмсйшостью входа ® глубокие узкие коридоры.

При повороте основного звена на угол 2о° дополнительное звено с набором грузов вместо схвата н двафрагасй датчика точности позиционирования поворачивалось относительно основного звена на угол 270°. Центр груза проходил расстояние 620 »да. Гибкоя связь была представлена стальными лентами толщиной 0,1 ш и еш~ риной 5 ш .из высокопрочной столи 36НШ). Одним концом ленты жестко закреплены на ролике дополнительного звена, а вторым - в ползунах с клиновым защемлением устройств натяжения. Жесткая фиксация лент с обеих сторон обеспечивала стабильную во времени точность позициошфования. Изменением полевения долзушек устройства иапкения относительно из: корпусов регулировалось усилие

ю

натдаекйя лент и исходное положение дополнительного звена механической руки.

Двигатель установлен в цанговое зажимное устройство и через планегарный редуктор соединен с выходным валом. Использование планетарного редуктора позволило установить все конструктивные узлы привода механической руки на одной оси с двигателем, устранить лишние кинематические цепи и повысить точность эксперимента. Цанговое устройство соединено с основанием шарнирно и установленная мезду ниш балочка с тензодатчикаш позволяла замерять крутящий момьнт двигателя в ходе испытаний.

Пружина рекуператора одним концом была связана с основным звеном механической руки, а вторым через балочку с тензодатчикаш - с основанием.

Конструктивные особенном*!, которые благоприятно сказались при испытаниях и обеспечили высокую точность и достоверность эксперимента, следующие:

- применение аккумулятора механической энергии с одной пружиной обеспечило стабилизации потерь и высокую надежность работы} •

- применение стальных лент к качестве гибкой связи с жесткой заделкой концов исключило влияние этого узла на точность позиционирования;

-использование упоров-фиксаторов, не имеющих 'кинематических пар с трением скольжения, и расположение их непосредственно на основном звене,без дополнительных кинематических связей,уменьшило и стабилизировало потери энергии при снятии механической руки с упоров-фиксаторов, повысило точность позиционирования.

Снятие характеристик механической руки проводилось следующим образом. В исходное полевение рука устанавливалась оператором, При этом пружина рекуператора снималась со среднего упора и сжималась, заиасая потенциальную энергию. Первай датчик конеч-

ного положения выдавал сигнал системе управления о нахождении захватного устройства в положения I, В этом положении диафрагма, установленная на охвате, входила в зазор фотодатчика и выдавался сигнал о точности позиционирования. Тензодатчик рекуператора выдавал сигнал о приложенном к первому усилии со стороны его пружины, а тензодатчик двигателя - об усилии, развиваемом двигателем во время движения.

При работе стевда в автоматическом режиме двигатель включался в прямом направлении. Выбивался упор-фиксатор и основное звено руки под действием пружины рекуператора и момента двигателя начинало движение к среднему положению. Срабатывал датчик первого положения, сигнализируя об уходе звена. К среднему положению механическая рука подходила имея определенный запас кинетической энергии, величина которого определялась характеристикой колебательной системы, состоящей из подвижных звеньев и пружины рекуператора. В среднем положении толкающий конец пружины садился на упор корпуса, а звено снимало с него второй конец пружины, которая начинала закручиваться, аккумулируя кинетическую энергию подвижных звеньев для обратного перемещения. Двигатель при этом поставлял в систему только энергию потерь в кинематических парах и ни в коей мере не определял быстродействие системы. В положение П механическая рука приходила-со скоростью, близкой к нулю. При этом защелкивался упор-фиксатор, датчик второго положения выдавал сигнал о приходе системы в это положение, двигатель выключался. -

Во время перемещения звеньев механической руки во второе по-лсяеняе схват двигался вдоль линия, соединяющей точки позиционирования, и проходил при этом расстояние 630 мм.

Далее двигатель включался в обратном направлении и все повторялось в обратном порядке. Диафрагма охвата при этом снова уста-

навливалась в зазоре фотодатчика. Цикл повторялся.

Поскольку для надежной посадки механической руки на упор-фиксатор необходим свободный пробег ее за упор, датчик, обеспечивающий контроль точности позиционирования при работе манипулятора в автоматическом режиме,доджей быть бесконтактным и не препятствовать этому перебегу. Такой датчик был разработан и использован в исследованиях.

Основу его составил светоизлучающий диод АЛ 107А и фотодиод типа ФД 26К. Датчик состоял из корпуса, в котором соосно размещены светоизлучащий и фотодиод, разделенные воздушным зазором "К", в который могла входить диафрагма толщиной К/2. В корпусе датчика вдоль общей оси свето- и фотодиода выполнено отверстие диаметром 0,3 мм, через которое пучок лучей, излучаемых светодиодон попадал на <}отодеод. Такое же отверстие имела и диафрагма.

Для аттестации датчика активного контроля точности позиционирования разработан стенд. Датчик устанавливался, на его основание, а диафрагма- на ползунок. Далее микрометрическим и регулировочным винташ совмещалась ось отверстия диафрагмы с осью с? ото- и свето-диодов. Максимальный световой поток, характеризующий это положение, давал максимальный фототек, который регистрировался .быстродействующим самописцем Н3051. Аттестация датчика производилась смещением Ок-'и отверстия длафрагмы с помощью микрометрического винта относительно осп отверстий фото- и светодиодов с шагом 0,01 мм и фиксацией получаемого фототока.

на,

Ступенька в осциллограмме от смещения отверсиш 0,01 мм при оптимальном масштабе работы самописца весьма значительна 1,0...1,5мм, что свидетельствовало о хорошей разрешающей способности разработанного датчика.

Для аттестации тензодатчикое разработан стенд,, включающий

устройство нагружвния, тепзостанцию; и быстродействующее записывающее устрэйство типа Н3031.

Тензодатчик представлял собой текстолитовую или стеклотекото— литовую балочку с наклеенными в средней части рабочих поверхностей клеем ВС-350 двумя тензорезисторами типа КФ-5П1-10-400-А-12 (ТУ 25-06 . 2002-80 ) , которые соединены последовательно с выводов на разъем. Такое соединение при последующем их включении в соседние плечи измерительного поста обеспечивало как увеличение сигнала, так и исключение влияния температуры окружающей среды. В этом случае оба датчика являлись активными и одновременно взаимно термокомпэнсированными.

Нагружение проводилось бесступенчато с отсчетом усилия по динамометру. Устройство обеспечивало при нагрукешш чистый изгиб балочки, а предварительное нагружение динамометра - установления рабочего интервала в середине шкалы прибора, что увеличивало точность экспериментов. Снимались две осциллограммы при нагрукешш балочки в одну и другую стороны.

Для получения достоверных данных аттестация проводилась непосредственно перед началом экспериментов и сразу же после их окончания. После установления идентичности осциллограмм проводилась обработка экспериментальных данных.

Методика и результаты исследований основных характеристик циклового манипулятора с рекуперативным приводом

Перед снятием основных характеристик проведена приработка механизмов манипулятора стенда в автоматическом режиме в течение 250 часов при нагрузках от 28 до 248 г. За это время механическая

рука сделала 500 тыс. циклов. Приработка проводилась в основном по 8 часов в сутки. Работа руки устойчива.

В целях отработки конструкции основных узлов механической руки испытания продолжали до наработки 860 часов (2,3 млн циклов). За этот период полностью отработан . ряд узлов, использованных без принципиальных изменений в серийном образце.

Перед снятием основных характеристик проводилась подготовка стенда к работе, в которую входила настройка и согласование датчиков исследуемых параметров с записывающей аппаратурой, выбор вариаций и количества записываемых параметров, масштабы записи, которые согласовывались с масштабами аттестации соответствующих датчиков.

Настройка датчика активного контроля точности позиционирования после его аттестации проводилась следующим образом: корпус со свето- и фотодиодом помещался на основание стенда в одном из крайних положений руки манипулятора, а диафрагма- на дополнительное звено последней. Затем рука фиксировалась в этом положении и проводилась настройка смещением корпуса датчика относительно основания .

Взаимные положения осей отверстий корпуса датчика и диафрагмы образуют три зоны: зона чувствительности и верхняя и нижняя зоны нечувствительности. Зоны нечувствительности характеризовались малым изменением светового потока при смещении осей отверстий корпуса датчика и диафрагмы на 0,01 мм, а зона чувствительности -значительным изменением светового потока, при котором ток фотодиода давал при выбранном масштабе на осциллограмме ступеньку не менее I мм. Эта зона распоясавшая оси диафрагмы относительно неподвижной оси корпуса представляла собой кольцо шириной около 0,2 ш, внутренний диаметр которого 0,1 мм, а наружный - 0,5 мм.

Смещение осей & пределах - 0,05 мы определяло максимальный иле близкий к нему ток фотодатчика, а смещение осей в пределах - 0,25 ... 0,3 мм давало ток близкий к нулю.

Смещением корпуса датчика относительно диафрагаы, установленной на схвате механической руки, по осциллограмме устанавливалась верхняя и нганяя зона нечувствительности. После этого датчик смещался в середину вонн чувствительности. Настройка выполнена. Величина отклонения сигнала о-х этого полскения в соответствупдеи масштабе характеризовала точность установки схвата в точке позиционирования.

Исследования точности позиционирования проводилиш. в два этапа. ,

Цель первого этапа состояла в том, чтоон подтвердить точность позиционирования в пределах ожидаемой и возможность использования разработанного датчика. Фототок от светового потока, прошедшего через отверстие двафрапш, должен быть максимальным и соответствовать положению вря отсутствии диафрагаы. Осциллограмма работы в автоматической режиме свидетельствовала о том, что величина виг-нала была практически постоянной и близкой к максимальной, т.е. датчик работал в зоне верхней*чувствительности равной - 0,05 мм. Значит, если в исходном полгаении оси отверстий корпуса датчика и диафрагмы сместить на - 0,15 мы, т.е. в середину зоны чувстви -тельности, то .позиционирование будет осуществляться в этой зоне в пределах окруяности диаметром 0,2 мм.

.Цель второго этапа эксперимента - определение действительной точности поаиционироьания при работе в автоматическом режиме.

Для этого сначала на самописце устанавливался верхний я нижний предах чувствительности. Затеи пря фиксированной руке манипулятора путей смещения корпуса датчика относительно диафрагмы вы-

биралось такое их взаимное положение, при котором фототок был равен половине максимального, что соответствовало середине зоны чувствительности датчика. В этом полгаении датчик настроен для регистрации точности позиционирования охвата механической руки.

Анализ 550 циклов позволил сделать вывод, что точность позиционирования находилась в пределах - 0,065 мм.

Полученные осциллограммы позволили проследить влияние избыточной энергии, поставляемой двигателем в систему, на время успокоения руки манипулятора в точке позиционирования. Избыточная энергия необходима для перебега руки аа упор-фиксатор - это основное условие работы манипулятора. Однако, чрезмерная ее величина увеличивала время успокоения руки в точке позиционирования, сникая ее быстродействие.

Замеры крутящего момента пружины рекуператора и вала электродвигателя проводились тензодатчиками. Масштабы записи устанавливались при их аттестации перед началом эксперимента. При анализе осциллограмм работы стенда в .автоматическом режиме определены максимальный момент пружины рекуператора и двигателя. Они равны соответственно 4,9 Н'ы и 0,04058 Н'м .

Определение быстродействия механической руки проводилось по анализу осциллограммы записи работы датчиков конечных ьолскений. В качестве последних использовались индукционные датчики типа У-5ПА; точность срабатывания которых - ОД мм. Датчики согласо- , вывались с записывающим устройством для получения четкой картины работы. При номинально® грузоподъемности и разных моментах затяжки пружины рекуператора для испытуемой конструкции время прохождения схватом расстояния между крайними точками позиционирования находилось в пределах 0,2 ... 0,4 сек., а средняя скорость его перемещения составила 1,58 ... 3,15 м/свв.

Система управления построена на применении микроконтроллера МКП-1 по временному и путевому принципу. Программа автоматического режима работы составлена таким образом, чтобы ысжно было легко ее корректировать. Система управления позволяла также проводить отладку отдельных команд в ручном режиме и отладку всей программы в шаговом.

Результаты исследования рекуперативного привода I» Выбор электродвигателя

Анализ работы электродвигателя в жестком стопорно-пусковом режше в составе рекуперативного привода позволил сделать вывод, что наиболее приемлемым является исполнительный двигатель с управлением со стороны цепи якоря при независимом и неизменном возбуждении.

Однако, серийно выпускаемый манипулятор комплектовать специальными двигателями типа ДНУ елейно; Поэтому в качестве двигателя выбран универсальный серийно выпускаемой для бытовой техники коллекторный двигатель последовательного возбуждения и разработана методика его выбора применительно к условиям работы рекуперативного привода.

Выполнив расчет двигателя по разработанной методике для рекуперативного привода механической руки как испытательного стенда, так и быстродействующего загрузочно-кассетируицего устройства БЗУ-ОЗ, был выбран универсальный двигатель ДКО-16-5МУХД4 ГОСТ 16264.3-85 со следующими характеристиками: напряжение питанш 127 В, ток переменный с частотой 50 Гц и номинальной величиной 0,45 А, полезная мощность 16 Вт, частота вращения вала 5000 об/мин, номинальный момент 0,0304 Н*ы.

Расчетные его параметры при использовании в качестве исполнительного в рекуперативном приводе следующие: Увоз<$ ном «=

1/я ноы.^27 в ' Хвозб.ном.=-Гя ном." 0,45 А » ^"возб.раб. Е

Уя раб.= 20»25 в ? ГВозб.раб.= 1Я раб.= О'34 А * р2 ншГ б'8 Бт* Р2 ^^=5,37 Вт ; ^ = 3535 об/мин ; £ = 5 ...6 .

После ираработоаного 250 часового периода прогона манипулятора, когда потери стали минимальны, были уточнены параметра работа двигателя:2/возо. = 25 Вт; Гвозб. = 0,23 А ; <Уя = 26 В ;

Iя = 0,41 А ; ?2 = 4,21 Вт при ¿=5,4 . Такой режим работы при пониженных параметрах возбуждения и параметрах акоря близких к номинальным - наиболее приемлемый. В этом случае обяотки возбуждения и якоря находятся примерно в одинаковых условиях, т.к. первая включена непрерывно, а вторая периодически выключается при выполнении манипулятором второго движения или взятии охватом груза. Таким образом, результаты испытаний подтвердили правильность разработанной меюдики.

'¿. Исследование возмскностей активного регулирования

Наряду с исследованиями основных параметров проведена работа * по выявлению возможности уменьшения количества сбоев в зависимости : от возможных потерь энергии во время работы в автоматическом режиме.

Ранее применялся импульсный метод компенсации потерь при трении, как основном дестабилизирующей факторе. Мы исследовали возмок-1 ность применения метода импульсной компенсации при других дестабилизирующих факторах. - напряжении якоря и времени перемощения в зависимости от импульсного механического воздействия на первой половине пути, при котором терялась часть кинетической энергии

подвижных звеньев.

Рекуператор механической энергии испытательного стенда имел одну спиральную пружину ¡Обеспечивало полную повторяемость его характеристики при прямом и обратном перемещении. Основные параметры, от которых зависилп возможности регулировки - крутящие моменты рекуператора и двигателя. Для стенда установлена следующие их значения : с = 2,078 Н м/рад ; ф = 2,356 рад ;*М пр = 4,9 Н-ы;

и да = 0,0409 Н-м при£ = 5,4.

С целью увеличения возможностей регулировки устанавливался промежуточный датчик на середине пути перемещения подвижного звена.

При нормальной работе механической руки напряжение якоря заносились в память системы управления как эталонное. Отклонение входного напряжения в пределах - 50% на первой половине пути система компенсировала на второй половине пути и работа руки была ус- . тойчива. Следовательно, система импульсной компенсации в этом случае эффективна.

Далее исследовалась возможность -регулирования по изменению времени прохождения руной первой половины пути. Для этого при установившемся режиме работы фиксировалось время прохсвдения первой половины пути и вносилось в память системы как эталонное. На первой половине п>ти движения механической руки устанавливался регулируемый эластичный проходной упор, ударяя по которому подвижные звенья теряли часть накопленной кинетической энергии. При работе в автоматическом режиме перемещением упора относительно звеньев механической руки достигалось изменение'силы удара, а значит, величины кинетической энергия, скорости и времени перемещения звена, которые фиксировались неподвижными датчиками конечных полевений.

Замер времени проводился с помощью специально! программы, суть которой заключалась в том, что с момента отхода звена от

датчика исходного положения и до момента его прихода к среднему ' МКП-1 прокручивает специальную программу в подсчитывает количество выполненных команд. По длительности выполнения одной команды С 1,5 мс ) находилось время перемещения механической руки.

Проходным упором изменялись потери кинетической энергия подвижных звеньев манипулятора на пер' .половине пути от нуля до величины, при которой двигатель не мог компенсировать потери на второй половине пути. Энергия сбоя - минимальная потерянная кинетическая энергия .после потери которой подвижные звенья не достигают конечного положения, характеризовалась изменением времени прохождения первой половины пути на 3 %. Регулировка напряжения якоря двигателя при этом находилась в пределах 80 ... 100 %. Из этого можно заключить, что импульсная система компенсации не эффективна ври потерн* квиетической энергий от случайных механических воздействий и управления по изменению времени перемещения. 5то связано с трудностью замера изменения времени, характеризующего даже энергию сбоя. ,

При Ы л рук./ Ы пряв. >10 , где !Л прух. - момент друкияы рекуператора, М прив. - момент мотор-редуктора привода, энергия сбоя характеризуется временем перемещения 5 ... 4,5 мс. Для ввода коррекции система, предотвращающая сбой, должна отреагировать на это изменение времени. Решение такой задач« ссязаьо с применением высокоточных датчиков и системы управления большой разрешающей способности, что делает систему дорогостоящей.

Таким образом, система импульсной кошенеащш эффективна при нестабильной питании электродами еля и. неэффективна при потерях кинетической энергии подвижных звеньев от случайных воздействий.

Реализация исследований и разработок в опытно-промшаленном и серийных ПР с рекуперацией механической энергии

I. Опытно- промышленный робот ЦПР-03-ЭР , основные техни-

ческие характеристики:

- грузоподъемность, кг........................................0,32

- расстояние горизонтального

перемещения, мм .........................630

- расстояние вертикального

перемещения или сдвига , мм ...........30

- точность позиционирования,'мм ....'.........- 0,5 •

-выходная мощность двигателя, Вт..........5 - 7

- цикл основных двияешД , с..............1,8 - 2,0

- габаритные размеры при горизонтально располскешой оси поворота , мм................337 * 127 * 503

- масса не более, кг....................................10

2. Быстродействующее загрузочно-кассетирувдее устройство для обслуживания листошташовочных прессов БЗУ-ОЗ, основные тех-

нические характеристики :

- грузоподъемность не более

номинальная, кг..............0,32

полезная, кг..................0.16

- число степеней подвижности

независимых ........................2

зависимых....................I

- система координат - угловая

- питание - от электросети переменного тока

напряжение, В ................. 220 _ gg

частота, Гц...................50 - I

потребляемая мощность не более, Вт .. 200

- привод движений - электромеханический рекуперационный. Система управления - цикловая по совмещенному путевому и

временному принципу обеспечивается микропроцессорном командоап-паратом МКА.

- Число программируемых точек ............ 4

- число каналов связи с внешним оборудованием

на вход.......................28

на выход...................... 19

- объем памяти для хранения рабочих программ, байт .........................18Ои

- формат команды, байт...................2

- параметры горизонтального перемещения

максимальное перемещение, мы 650_ g или 800_ g пбнракность позиционирования не более, ш .. - 0',1

- параметры вертикального перемещения

максимальный ход, т.......... SO _ j g

пограшность позиционирования не более, мм .. - 0,1

- длительносзь цгхла, не более, с ..........2

- габаритные размеры

механической руки не более, ш ... 615x200*400 атойки управления не более, ш .... 500x500 х 950

- касса не более, кг

механической руки..............15

стойки управления..............S0

3. Комплекс механических средств для построения перепрограммируемте манипулящюшшх систем с пневмоприводом. Комплекс " Каскад

С1лоленским ШО "Гехноприбор" серийно выпускается комплекс " Каскад представлящий собой агрегатно-модульную маяшудя-ционную систему средств автоматизации механосборочных и сборочно-монтажныг работ. Располагая набором модулей и пользуясь рекомендациями эксплуатационной документации, потребитель мояет самостоятельно собирать необходимые ему манипуляционные системы, работающие в прямоугольной и цилиндрической системе координат.

Один из исполнительных линейных модулей этой системы 1Ш-32 имеет рекуперадионный привод. Выставляемые упоры-фиксаторы позво-. ляют изменять величину перемещения и получать дополнительные перепрограммируешь точки позиционирования.

Выводы

1. Анализ применения цикловых промышленных роботов для автоматизации производственных процессов показывает, что в настоящее

.время наблвдается его спад из-за недостаточного быстродействия роботов, вызванного как применяемой системой координат, так и исчерпанием возможностей традиционной схемы их построения. Кроме того низка надежность элементов пневмопривода - быстрый износ манжет пневмоцилиндров, расстраивание упоров из-за тяжелых условий работы. В то же время создание высокопроизводительного, высокоинтенсивного и одновременно быстропереналаживаемово производства требует применения роботов и манипуляторов.

2. Создание цикловых промышленных роботов, построенных в угловой системе координат и снабженных электромеханическим при-

водом с аккумулятором механической энергии, является одним из вариантов решения эхой задачи. Манипулятор такого робота имеет ряд преимуществ. Во-первых, построение кинематики в угловий системе ноординат обеспечивает выполнение двух движений одновременно, что сокращает общее.время цикла, обеспечивает возможность входа в узкие глубокие коридоры, снимает особые требования а оснастке и повышает потребительские характеристики, робота. Во-вторых, построение привода с применением аккумулятора механической энергии позволяет 'увеличить в 2 - 3 раза скорость перемещения звеньев механической руки при плавном торможении и уменьшить более, чем на порядок энергоемкость привода. Зти преимущества позволяют говорить о перспективности роботов в рекуперативным приводом.

3. Испытания образцов цикловых Иг с рекуперативным приводом позволили определить оптимальнве конструкции основных узлов : рекуператора вращательного движения с одной спиральной пружиной; упоров-фиксаторов, имеющих только вращательные кинематические пары для поступательного и вращательного движений 4 ; использование рекуператора вращательного движения для поступательного ; передачи движения на дополнительное звено специальной цепью с участками жестких тяг ; обснована и проверена возможность и целесообразность, дана методика расчета универсального коллекторного электродвигателя при использовании его в рекуперативном приводе '(ДК0-16-51-.5УХП4 ГОСТ 16264.3-85 ) .

4. При использовании в конструкции манипулятора только враща-тельннх пар мощность двигателя не зависит от массы манипулирования, а быстродействие не определяется мощностью двигателя и зависит от характеристики колебательной системы - инерционности звеньев и момента затяжки пружины рекуператора.

5. Возможно создание многопозидионного циклового манипулятора с такой же , как у существующих цикловых ПР, стоимостью.

Установленные преимущества цикловых ПР с рекуперативным приводом определяют перспективность направления, его необходимость, и целесообразность при создании высокопроизводительного переналаживаемого автоматизированного производства.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Самсонов В.А., Пинчук Н.И., 1ыелевской A.A., Корнилов КЛ., Ульященко В.А., Макарова И .И., Захаревич Л.Н. Василевская Л.Н. Проведение исследований и разработка основных принципов создания робота промышленного циклового быстродействующего с рекуперацией механической энергии грузоподъемностью 0,32 кг ЦПР-БР-03 .Отчет о НИР ß 02 870 054481, Смоленск, 1986, 90 с.

2. Механическая рука, / Зайцев В.В., Корендясев А.И., Митя-шин И.П., Пинчук H.H., Саламандра Б'Д., Самсонов В.А., Тывес Л.И. Авт. свид. Л IS25783, 1987, ДСП.

S. Аккумулятор механической энергии для промышленных роботов,/ Болотин I.M., Зайцев я.В., Корендясев А.И., Пинчук Н.И., Саламандра БД., Самсонов В.А., Тывес Л.И. Авт. свид.. * 1529592, 1989, ДСП.

4. Самсонов ¿i.A.., Пинчук Н.И. Исследования циклового манипулятора с рекуперативным приводом // Станки и инструмент. - 1991, В I, с 26 - 29 .

Ротапринт Смоленского ЦНТИ Тираж -/00 Заказ Я670