автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Методы расчета, анализа и синтеза схватов промышленных роботов

9 О

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи КОЛ ПАШ НИ КОВ Сергей Николаевич

МЕТОДЫ РАСЧЕТА, АНАЛИЗА И СИНТЕЗА СХВАТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Специальность 05.02.05 — Роботы, манипуляторы и робототехнические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ЛЕНИНГРАД 1990

Работа выполнена в Ленинградском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В. А. Климов, доктор технических наук, профессор И. Л. Ерош, доктор технических наук, профессор В. Г. Гра-децкий.

Ведущая организация — НИИ авиационной технологии и организации производства.

Защита состоится ^^1990 года в 16 часов на заседании специализированного совета Д.063.38.07 при ЛГТУ по адресу: Ленинград, 195251, ул. Политехническая, 29, ауд. 1 корпуса ЛГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ЛГТУ.

Автореферат разослан «£¿7» . 1990 года.

Ученый секретарь специализированного совета Д.063.38.07, к. т. н., доцент В. И. Лебедев

Актуальность посолен!). Одной из Еахяейаих задач развитая машиностроительного концлекся СССР являетея создать внсокоэ#елт1Ш1!к £р86$отехн:тчестх уомюкоор и гибких аетомагизвролэишгс проза родс-п?, игрой Требует ускорения рсзрабогкя и внедрения изделий рсооготсчпклл. Интенсивное развитее парка промволеячих роботов (IIP) п сГзрч их применения в отраслях народного хозяйства определено Постенгмением ПК КПСС и Совета Министров СССР "Об увеличен!'.,i производзтьа и пчед-рения в народное хоояЗство автоматических манчпуллторог: с прогрыл-ынш управлением (примцшлешшх роботов)"и разработанных ча его основе общесоюзных, отраслевых л региональних програ.та создания,производства и внедрения ПР и робототехнических комплексов. Трудности с созданием к внедрением ПР часто о.язгни с неприспособленность» штатных рабочих органов и, в частности, схватов к условиям эксплуатации*. Большое разнообразие ifopu объектов манксулкроваяит, их моссогабарлг-1шх характеристик, требований к уело зиял захватывания и уд?р-#!лгчпя обуславливая? большое число разрзбатилаешх схватов; их тдпял постоянно расга-.ряется с ростом парко,ПР и сфера их примепяяия. При серийно!.;, производстве IIP разработчикам практически невозможно учесть разнообразие всех требований к охвату, исходя из возможностей применения ПР. Поэтому часто при Епедренпи ПР штатной охват заменяется но-еым, специально спроектированным и изготовленным пед конкретные условия эксплуатации. При этом в процесс создания схвп'гов вовлекается больпое число инженерно-технических рзботиппов предприятий, иедря-гацих ПР, на имеющих опита подобных работ. Положение, когда переделкой или проектированием схватов будут заниматься не спецпалпстн--робототехняка, а работники, осуществляющие внедрение ПР, следует считать не исключительным или временным, я типичном. Значительное внимание к схватам проявляется, в частности, в том, что 75':' авторских свидетельств по механически .устройствам ПР приходится но схлл-тч. Сднако, нешогочпеленные пу^лжуеапо статьи обычно описательны, по отражают логик.и принятия регенгЯ яри проектирования, фрагментарны, не содержат обтах подходов и нэ могут слухить эйфектпвкнм подспорьем при оозда.чли схватов. Возникла яеобходимость обобщения зтого обширного материала, создания теории расчета и проектирования схватов, котор1я позволяла бк с ещгппс позиций объединить лее йадачп забора схем, расчета, экспериментального ясследованяя, анализа и синтеза схватов IIP, ^рмаллзоветь и довести до реализации ча ЭВМ про-цздуру ншюра охоч it параметров схвата по совокупностям технических требовпш'И, сформировать еадиие яормя и требования к orpasris кх в гсь'удогч-л лгч.мггг стандартах, 1'одчять трорэпъ подготовки сп^тгялистов

в euсией школе по робототехнике.

Рененке ряда указанных задач предусмотрено заданиям 16Д1 и 16Д2 Программа O.I6.Ш Г!С1Г СССР "Создать и осюнть автоматические манипуляторы на i?ei-issorr.заданиями I.01-1.08, 2.01-3.04,3.% 3.49-3.51 Программы комплексно!} стандартизации.проыиаленних роботов, темам 17.027.01-17.02?.07 к зоцшшяш 2.1 п 2.7 Программы комплексной стандартизации средств промиилепиоМ робототехники стран -членов СЭВ на 1981-1990гг., темз 1.IO.IO Плана унификации госуда-- рствопних стандартов СССР н ВНР на 1987г., заданны 4 Плана унификации стандартов СССР и ЧССР на IS85r., задании, определенному Постановлением ЦК КПСС и СИ СССР от 26.U8.65 и приказом Минвуза PCiCP от 28.U2.B6 № 149,заданию на разработку РТг.Г'Порядок выбора, расчета и экспериментального определения основных показателей схеэ tob ПР" межотраслевой рабочей группы секции по ПР при ШК-АП.Автор был научном руководителем и непосредственным исполнителем указанных работ или их разделов.

Целью диссертации является решение научной проблемы,которая заключается е разработке методов исследования механики взаимодействия ствата ПР с объектом, построения общих математических моделей процессов захватывания и удерживания, введении полных количественных характеристик способности охвата захватывать и удерживать объект в широком диапазоне эксплуатационных режимоа,точиости фиксирования объекта, создании научно-обоснованных принципов анализа и синтеза схватов ПР; совокупность методов решения указанных задач составляет общую теории захватывания и удерживания объектов схватами ПР, является основой для расчета и проектирования схватов ПР с последующим созданием системы автоматизированного проектирования схватов( САПРС).

Научная новизна диссертации заключается в том, что в пей впервые решены следующие основные задачи:

введена исчерпывающая характеристика способности охвата ПР нахватывать объект из разных положений - область допустимых отк-лонений(ОДО), 'разработан метод определения её границ;

подучена обвде уравнения кинематики малых перемещений объекта в гасвахв при сохранении контакта,и на их основе построена теория базирования объекта в охвате ПР,установлены критерии Еьгбора рациональной схемы базирования объекта в охвате;

разработана в общем виде и доведена до инженерных расчетах формул методика определения погрешностей базирования объекта в охвате ПР, поставлена задача л оозданн методы анализа процессор захватывания^ 2.

Ездкеля исчсрпнряшпя характеристика удерживающей способ;юс-ти схрота - область лестного |Т.ткспооеяппя(0^'» ,разработали иято-дн её аналитического определения и члолекпого построения но ЗЗМ;

получены (Тсрглулн для оценки влияния дзпам»Шй дскжения охвата на значение усилия зпхрятнпоняя, а та юте погромиоотей базирования объекта на удерт^вгчачуп способность охвата;

разработали мвтоци анализа и сгнтеза схватов с упругая элементами, средств пасочной адгттгации схватов сборочпнх IIP;

поста men о п формализована задача дпяачлш проскальзнр-чияя объекта в охвате П?, разработаны методики моделирования на ЭЗМ дшгднлн! системы шлгпудятор-схват-объект и ударного процесса захватывания;

щюределя дскомштцдя охротэ ПР и на её основе сформулиро-Ропн критерия рыборэ компоновочных решений, разработана классификация составных чаете?! схватов п требований к нкя,обоснована методика гнбора схем и параметров охвата, созданы основы САДРС;

разработаны кегодн плссиекои адаптации схватог ПР к изменяя-щшея свойств® объекта и условиям эксплуатации ПР;

поставлено п частично реализовала в ряде стандартов программа комплексной стандартизации захватных устройств ПР, определены пути унификации схватов;

разработаны л апробированы на стендах методи экспериментального исследования схватов.

Практическая ценность. На основе разработанных подходов и методов решения задач выбора, расчета, "проектирования и экспериментального исследования схвагов созданы руководящие технические материалы, используемые во многих проектных организациях, выполнены работа по стандартизации, устанавливающие единые порт и требования к захватным устройствам ПР в СССР и странах-членах СЗВ.

Формализована п реализована ъ вкде пакета программ для. расчетов на ЭВМ процедура выбора схем и расчета параметров схватов ПР по совокупности технических требований, которая позволяет значительно ускорить разработку схватов ПР, внедряемые з отечественное машиностроение.

Реализация и внедрение результатов работц. Основные каучпыэ л

практические результаты работы внедрены:

в Государственные стандарта Союза ССР - ГОСТ 25204,ГОСТ 25378,

ГОСТ 26050, ГОСТ 26062, ГОСТ 26053, ГОСТ 2G063, ГОСТ. 25685, ГОСТ

3.

25666.ГОСТ 2625«.ГОСТ 26058.ГОСТ 27351,ГОСТ 4.480, РД 50-355-82,и Е стандарты СЭВ - СТ СЭВ 5460, СТ СЭЗ 5335, СТ СЭВ 5334, С? СЭВ 5336, cf СЭВ 5048, MP 2С8-86 "Стандартизация испытаний ПР.Контрольные испыт&якя", Р 50-54-101-68 "Методы расчета оспоеншс показателей захватных устройств IIP";

в конструкции схватов для cepaJiiiHX ПР Ш-УС, Г.И-iI ,15риг-1иБ, МЛ 2.5Ц.... ЙА ЮЦ..., КИВД..., 1Ш0Ц..., манипуляторов КГС-63, a такке опытных образцов электромеханических схватои для ПР сорил ПРА! и др.; схвати применяются на машиностроительных предприятиях городов r.locKEL', Ленинграда, Барнаула, Гатчины, Иркутска,Одессы, Риги, Улан-Удо, Феодосии;

в руководящий технический материал "Порядок выбора, расчета и экспериментального определения основных показателей схватов", используемый в оргаьизацпях Минутлепрома, Шшстанкоприма, .Минавла-прома, Мкнэдектрогшрома и ряда других маг^ностроптельных отраслей, в республЕкенских центрах робототехники Латвийской и Казахской ССР;

е САПРС, который использовался е разработках ЦЙНКРТК универсальных схеотое для захватывания гзши хрупких объектов и опытной серии автоматически заменяемых электромеханически, схватов, в учебном процессе;

в непитательные установки и стенды, созданные е УкрНЖСИП, Г.ТСТИКузробот, па заводе "Красный пролетарий" Минстаикэпрома, на машиностроительном предприятии Минска;

в учебный процесс при подготовке специалистов в FATH(r.Pu-6йнск),ДГУ(г.Донецк),ЛГТУ, МШК(Ленияград), РПИ(Рига),ХШ(г.Харь-ков) и др.;

в программы расчета характеристик схватов и IIP, использованное при создании; математического п программного обеспечения робо-тотехничееккх комплексов в ВУЗах страны и институтах АН СССР.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертации докладывались на научных семинарах и научно-технических Советах в Институте машиноведения им.А.А.БлагонраЕОЕа АН СССР.Институте проблем механики АН СССР,ЛГТУ,МГ/ им.М.В.Ломоносова,Институте механики МГУ им.М.В.Ломоносова,МБТУ им.Н.Э.Бпукана.ВЕЛШШШ Госставдарта, ШО"Гранат",на Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной мехазнке(Алма-Ата,1981, Ташкент,1586).Всесоюзной съезде по теории механизмов и ыашин'Одесса, 1982); Всесоюзных совещаниях ш р обот от ехничэс'кш системам(ь?инск,1981, Воронеж, 1984,Киев, 1987) .Всесоюзных вузовских научно-технических коя^еренцияхСКиеи, 1980, Челябинск,1983), Всесоюзном совещании по гибким автог.эти-йировянннм производствам (Одесса, I9S6), Всесоюзной гшучне-тех-4.

пической конференции "Метрологическое обеспечение машиностроительных отраслей народного хозяйства"(Одесса, 1987), Всесоюзной научпо-техялческой конференции по згрегатно-модульному поотросппп техпи-К1НКркутск,1987), ЗЗсссоизной конференции по эксплуатешюитоЯ надежности маппп,роботов и модулей гибких производственных систем (СвердлоЕск,1507), ¡..а.-эдународной копферепцпя "Проблемы управления прошпленпымп po6oTam¡"(IJPE,I981), Ю-оп Международном симпозиуме по промызшеипдо робот ам(йталкя,1080), Иьздупародиой школе молодая ученых по робототпхгшге(НРБ,1987;. Научные труды,еодорт.о:"пе основные результаты теоретических исследований, получили подцергку международных отборочных комитетов п билл опубликованы е Трудах 4 и.6 симпозиумов Ибта.1.1 (ПНР,1981, Г986), II и 25 ¡Лсздуняролпнх симпозиумов по прог.да<легшш роботам (Япония,198.Т и 1985), 1-й Иэ-вдународяой конференции по автомгтпческой сборке^Аяглия,1980), 10 Мекдунородного конгресса по кибернетике (Бельгия, 1282), Мэ.чдунаро~ дноЯ конференции по применению компьютерных технологий в машиностроения (НРБ,1989), а такхе в номерах журналов " P??íWio/7('snr сгла! Was/:/'п. Jñeorij." ( Т933, Т987, Г990) и "(7r>>varied 177a.aufac¿u-r¿ng "(1989), в коллективной моног-

рафии 'VfWW G'fiW'rs" (Англия, США, 1986).

Публикации. ОсноЕПые результаты диссертационной работы опубликованы о'олее чем в IUO работах. Из лих 96 опублскоЕвно в изданиях, список которых утвержден ВАК СССР для освещения основных аяуч-ных результатов докторских диссертаций.

Структура д объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы 132 наименований и приложений. Общий объем работы 567 о., в том числе 361 ©¿- машинописного текста, 58 с. рисунков, 37 о. таблиц, 15 с. списка литературы, 95 с. приложений.

Содержанке работы

Во зведеппи обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, проведен анализ содержания монографий и обзоров по захватным устройством Ю.П.Бсрепшгейна(СССР, 1982), С.Делиева и В.НзковаЩРБ, 1982),А.Като(Япония, 1981), Г.Лундстрама( Швепдя,1Э77),коллокт;ш~ ноЯ «оногради "fíc&tdrippers" (Англия, США, 1986), монография по промышленной робототехнике, содержался сведения о захватных уо-троЛствах Е.И.Воробьева, Н.П.Болявина, Ю.Г.Козырева, А.И.Коревджв-

га, Л.Я.Еяфркка, Е.И.Юревича и др., фундаментальных научных трудов по зежикким устройствам е схеишх областях мапыностроення, публикаций в периодических изданиях. Сформулированы цели и задачи диссертационной работа, обоснована её структура, приведены данные о научной новизне и положения, выносмзе на защиту.

Отмечается, что разработка обще/! теории захватывания и удергт-вания объекта охватом ПР, основанной на принципах классической механики, методов анализа и синтеза схватов, созданных в результате обобщения опыта роботостроения, позволила объединить все задачи расчёта, проектирования и экспериментального исследования схватов.

Перззя глава посЕЯщека анализу схем и конструкций схватов ПР, определению требований к схватам а, на их основе, формулировке ос-нобнцх теоретических зссдедоваиий системы схват-объест.

Введены взаимосвязанные классификации объекта манипулирования и рабочих элементов (РЭ) схватов ПР, которые являлся походный пунктом анализа взаимодействия в механической системе охват-объект. Приведены определения осноеных понятий задов захватных устройств и их технических характеристик. Даны определения исчерпывающей геомет-рччеохой характеристике способности схвата захватывать объект из различных положений - области допустимых отклонений (0Д0) и исчерпывающей характеристике удерживающей способности охвата - области жесткого фиксирования (СЖФ). Разработана многоаспектная классификация захватяцх устройств ПР и определено место схватов в ней. Обоснована номенклатура основных показателей захватных устройств ПР и требования к их представлению в технической документации всех видов. Результаты этих исследования внедрены автором при создании Государственных а меадуиародних стандартов.

Проведен анализ схем и конструкций охватов на основе их декомпозиции на составные части определенного функционального назначения • {соединительные элемента, двигатели, механизмы передачи и их послед ние звенья, рабочие элементы, накладки). Дан дифференцированный ана лиз типоенх механических решений составных частей схватов ПР, особенностей их применения, значений осноеинх параметров.

Дана классификация и обоснована основные принципы выбора комле новок схеэтов в соответствии с требованиями к захватыванию, фяксирс ванию и отпусканта объектов. Выделены базовые варианты компоновок, приводятся примеры их использования к методы синтеза модификаций базоЕих вариантов, учитывающие особенности формы обт-еитов, условия б.

эксплуатации, тип двигателя, кзссогабарягнне ограничения схватов и др.

Проанализирована роль механизма передачи для обеспечении требуемых диапазона и параметров кинематики перемещения РЭ, зависимости усилия зрхнлтнвз.чия от раскрытия схвята, маесогабярг.тккх характеристик схваток ИР, Разработан способ представления 'многообразия схем механизмов передачи схватов е гиде последов,■чггльиос-ГИ приемов их вглоязменяягя и усложнения, который позволяет формализовать процедуру механизма передачи в САПРС. Проведеч сравнительный анализ функциональных возможностей и дани рекомендации по применению разлэтннх схем механизмов передачи схватов ПР, а так-яе схем многофункциональных и мнегообъектних охватов.

Предложены способы и средства адаптации схватов ПР по отношению к изменениям сеойсте объектов л условий функционирования ПР, которнг; позволяют обоснованно подойти к рекеняй конкретных практических задач синтеза универсальных схватов с пассивной и комбинированной адаптацией по совокупности технических требований на оо-нове форкализованнтх обцих критериев. Устанавливается соответствие меяду априорной и получаемой .от средств очувствления информацией и методами адаптации с использованием избыточности или активного изменения структуры составных? частей схватов ПР и их параметров.

На основе систематизации н обобцетя опита роботостроения проведен анализ причин отказов и условий правильного функционирования схвата при удерживании и отпускании объекта и сформулированы направления теоретических доследований система схват-объект, определены их конкретные практические цели. Постановка ч реаяиза-гия широкого круга актуальных задач исследования механики схватов ПР позволила сформировать обшув теории захватывания и удерживания объе7<та охватом ПР - её структурная схемь приведена но рпс. I. Комплекс основных задач выведен в левый столбец. Задачами геометрического исследования являюгея: определение ОДО - множества положений объекта на позиции захватывания, при которых он может быть захвачен охватом, определение положений равновесия объекта в схвате и тесно с ней связанная задача расчета погрешностей базирования о^-ьикта. Далее в рязу основных задач следует анализ характера положений равновесия п их устойчивости. В механике такое сочетание является традиционным, однако, применительно к

схг-ст5м, они таеэтг существенную специфику: в положении равновесия

7.

Рис.1

объема в охвате осуществляется жесткое фиксирование объекта, качественно отличающееся от обычно рассматриваемого классического . устойчивого равновеоия, когда при приложении как угодно малых сил и моментов возникают смещения объекта из положения равновесия того же порядка; при жестком фиксировании такие смешения теоретически равны нулю, Жесткое фиксирование является необходимым условием надежного удерживания объекта в охвате, поскольку при даияении ПР яа объект действуют конечные по величине силы. Центральной является задача определения удерживающей способности схеата: построение 0® и решение вспомогательных задач расчета усилия захватывания а приложенных сил,действующих на объект при функционирования ПР, Проверка условий жесткого фиксирования осрдествряется

сопоставлением липчений приложенных сил и моментов с параметра-.« 01"3>, При нарушении условий жесткого фиксирования в режиме удержи-вангя, при захватывании и отпускании происходит проскальзывание объекта в схЕате; исследование этих процессов определяет круг задач исследования динамики системы схваг-объект.

Вторая глава посвяшеиа методам и результатам решения геометрических задач взаимодействия РЭ и схттв с объектом при его захватывании и удерютагпти.

• При раскрытых с запасом РЭ объект может паходиться в различных положениях между ними; его допустимы® смещения ограничены поверхностями РЭ и определяются ОДО. Сформулированы принципы построения 0Д0 е шестшерном пространстве составляющих векторов положения и ориентации объекта, определяющей предельно допустимые линейные и углОЕые отклонения объекта на позиции захватывания от идеального положения, при которых он может быть захвачен охватом ПР. На основе анализа изменения конфигурация ОДО в делом, её подобластей в отдельности, при изменении параметра А раскрытия схеэтя делаются предварительные выводы о процессе захватывания. ОДО используется в САПГС для обоснованного Еыбора диапазона изменения параметра раскрытия охвата, фор™, размеров и кинематики перемещения РЭ, дает возможность формализовать требования по точности и быстродействию к средствам очувствления адаптивных ПР, обеспечиЕаотих наведение схЕага на объект, и законам управления.

' Исходном/ положению равновесия объекта в охвате под действием нормальных реакций в точках контакта соответствует минимум по- . гениальной энергии, что эквивалентно минимуму расстояния между РЭ схвата. Поэтому предложенная методика поиска устойчивых исходных положений равновесия объекта в схвате сводится к геометрической задаче минимизации параметра А . Она позволяет установить, в какие положения равновесия может прийти объект е результате захватывания. Приведена блок-схема алгоритма программа этой методики, реализованной па ЭВМ СМ-4. Проделана серия расчетов для объектов со сложным!- профилями поверхностей, эвристическое определение положений для которых затруднительно.

Проведен анализ влияния на точность позиционирования ПР погрешностей формы и положения поверхностей объекта манипулирования и РЭ охвата, способа и погрешностей базирования объекта яа позиции захватывания. Покеэано, что при захватывании происходит нелинейное

преобразование исходных погрешностей, причем в ряде случаев линейные и приведённые угловые погрешности базирования объекта в схвате соизмеримы или превосходят паспортные погрей ости позиционирования ПР.

Разработаны методы аналитического исследования и численного расчета погрешностей базирования. Подучены обвде уравнения расчета погрешностей базирования объекта. Показано, что при жестком фиксировании объекта принудительным базированием в исходном положении равновесия по т координатам, т составляющих векторов линейной ЛГ0 и угловой & погрешностей базирования, ■ определяемых в системе ко-'ординат основания схвата, а также малое изменение &(}. параметра (} . раскрытия схвата, находятся из условия равенства нормальных составляющих смещений точек контакта объекта и РЭ, записываемого для каждой ¿-ой точки контакта в виде:

^ Щ* = ¡щ+К+■\ ]}. -'"}

где /2. - орт вектора нормали; ¿6 - ректор смещения точки контакта на поверхности РЭ, обусловленного только погрешностями формы ¿V в предположении, что звено, на котором крепится РЭ, неподвижно, и механизм не имеет погрешностей; V. - вектор смещения точки кон-

I

такта на поверхности РЭ вследствие погрешностей механизма передачи; третье слагаемое в левой части (I) описывает эффект смещения точки контакта при сведении иди разведении РЭ; - вектор смещения точки контакта на поверхности объекта, обусловленного погрешностями положения и формы его поверхности; слагаемое в квадратных скобках в правой части характеризует смещение точки контакта объекта, задаваемой радиус-вектором .Р., из идеального положения равновесия. Проведен анализ типовых погрешностей формы и положения поверхности объектов и их влияния на выбор схемы базирования объекта в схвате. Получены расчетные оценки погрешностей базирования для ряда конкретных задач.

Поставлена задача оценки влияния погрешностей механизма передачи схвата на точность базирования объекта; сформулированы требования к структура механизма передачи и схеме базирования объекта, ^ обеспечивающих полную или частичную компенсацию погрешностей механизма передачи схвата. Разработана общэя методика решения ззшй зада чи.

Разработаны метода аналитического исследования и моделирования процесса захватывания, полностью формализованные л доведенные до программ расчета для ЭВМ СМ-4 И.А.Трубиннм, которые позволяют вычислить значения погрешностей базирования обьюстл по ьо?м координатам, определить условия отсутствия заклинивания и застревания объекта при захватывании и обоснованно сформулировать требования к точностным.и ессткостным характеристикам манипулятора ПР.

Теория базирования объекта в схвате ПР разработана в, предположении, что схеэт я объест являются абсолютно жесткими. Дана классификация различных вариантов контакта и обоснована общность модели контакта е дискретных точках. Получены уравнения равновесия механизма передачи схвата, устанавливающие связь реакций в каглой точке С контакта РЭ с объектом в исходном положении равновесия со значениями усилия О ка выходном звене двигателя: т

Там)Ь , (2)

¿. = 1 > с

где /77 - число точек контакта, ; - проекция реакции на ось

.направленную по вектору малого перемещения РЭ от положения равновесия.

Выведены частные модификации уравнения, связывающие реакции со стандартизованной характеристикой - усилием захватывания Л , для типовых моделей взаимодействия объекта и схвата. Уравнение (2) входит в систему уравнений статического равновесия системы схват--объект, совместно с шестью ура ш екиямр а епо во спя объекта под действием приложенных силы Г и момента /* ; /п _ — т "

= Ггх/Т

Полученная система уравнений и её модификации используются при расчете удерживающей способности .

Сформулированы принципы жесткого фиксирования принудительнкм базированием ло участкам поверхностей РЭ и силами трения; в обоих случаях нарушение устойчивости возможно только под действием конечных по величине обобщенных сил, превосходящих предельно допустимые значения, соизмеримые с усилием захватывания. Показано, что свойства положения равновесия определяются числом /г? п расположением точек контакта, объекта с РЭ схвата, а условия жесткого фиксирования - по результатам анализа разрешимости системы ураетений

кинематики малых перемещений. С учетом раскрытия охвата, задаваемого обобщенной координатой , изменения с?С радиус-векторов Г. положения точек контакта объекта с РЭ, задаваемые малыми векторами сТГ^ линейного и ^"углового смещения объекта из полоаения равновесия, описи веются выражениями: _ __

где вектора £'(?. ортогональны ортам нормалей /? в точках контакта и учитывают пер'еыещелие точек контакта по поверхности объекта. Условия сохранения контакта во всех Ш точках имеют вид:

При /г)?, система уравнений (5) относительно семи неизвестных (составляющих векторов а?;, и О и прирашеняяд^,) имеет решения, определяемые с точностью до (7 -т) произвольных параметров. При • т. =7 и при независимости всех уравнений системы (5) имеются только нулевые решения для всех семи неизвестных, т.е. перемещения, объекта в схЕате возможны только при потере контакта по крайней мере в одной точке. На основе анализа системы уравнений (5) определяются обобщенные координаты, по которым осуществляется жесткое фиксирование либо принудительным базированием, либо силами трения; строго доказываются необходимые и достаточные условия жесткого фиксирования объекта принудительна1« базированием по всем обобщенным координатам ига по части обобщенных координат. Б общем случае жесткое фиксирование объекта принудительным базированием по Л координатам в охвате с одной степенью свободы осуществляется при реализации /2+-1 точки контакта и равенстве этому числу ранга определителя система уравнений (5). По остальным 6-П координатам жесткое. фиксирование обеспечивается только силами трения. Аналогичные результаты получены для схватов о несколькими степенями свободы, дяя общего случая захватывания группа объектов одним охватом, для основных типов захватных устройств . Они дат возможность обоснованно выбирать схемы базирования объектов в схЕатах, формализовать задачу выбора формы и параметров РЭ, обеспечивавших требуе-иые свойства центрирования, точности базирования и надежности объекте в охвате.

Третья глава посвящена методам расчета приложенных сил и моментов, действупдих на объект в охвате при движении ПР.

Разработана методика расчета по данным о скоростях и ускоре-

нпях прглохетнх сил w моментов инерции, действующих на схвпт оо стороны объекта в рекг.мв свободного переноса. Опясиязется и в матричном гиде формализуется процедура их приведения к осям метены координат охвата, в которчх строится 0а5.

Подучены прлблптенпче оцмкп максимальных nnmvvnй ускорений движения ехпята для личных тушов ИР, которые лежат в основе инженерных методов расчета, позволяет контролировать результаты расчетов динамики на ЭР'Л, дато возмотшость формулировать требования к средствам измерения при экспериментальном определении ускорений. Решена задача формирования системы лгнейных акселерометров для экс-перз'ментального определения поля ускорений схвэта. Расчетные оценки максимальных значений сил инерции для ряда моделей ПР удовлетворительно совпадают с экспордатентзльпнми данными.

Наиболее ответственными являются резина движения ПР, когдв ff» перемещения объекта накладываются жесткие ограничения, поскольку именно для Них могут получаться недопустимо большие силы л момеп- ■ ты,действующие на объект. Причиной гос появления является рассогласование положений схЕ.зта и внешних связей. Поверхностные силы л момент зависят от погрешностей позиционирования и ориентирования ПР, его упругих характеристик, характера ограничений на перемещение объекта, клнзмзтикл и динамики дшгаения ПР. Расчет поверхностных сил я моментов производится на основе математических моделей описания граничных условий на конце кинематической цепи манипулятора,которые ставятся по составляющим векторов силы п момента, перемещения и малого угла поворота (габл.Г). Б осях систем координат схв»-та задаются шесть величин из двенадцати перечисленных или их линейные комбинации, образующие магрицу-столбец 1Г это составляющая силовых факторов пго обобщенным координатам, допускавшим свободное перемещение объекта, и составляющие геометрических факторов до обобщенным координатам с наложенными связями. Оствтьтав шесть величия образуют матрицу-столбец U 'определяемых величий и определятся с помошьп матричного преобразования И - Pili, где кведрапгая матрица ß формируется из матрицы податливости манипулятора ПР по разработанной автором методике.

Анализ структуры и элементов матриц» ß дает возможность обоснованно подойти к согласованию особенностей наполнения технологической операции с требованиями, предъявляемыми к характеристикам упругого механизма манипулятора и погрешностям позициояироваяия и ориентирование ПР; он использовался при исследовании ряда моцэяей ПР-

' Таблица 1

Варианты конечных условий Рисунок Параметры, заданные на конце Параметры, подлежащие определении

Свободное перемещение объекта Р Р р X ' У ; ' 2> Ас.А'я.Мн £

Кестко закатнй объект <Се » » г г г

Объект зажат в центрах I2 № Ф

Переыеа;енкз объекта по направлякцш - ¿и 4

Ь- "5адка втулки на Бал ,Г [ ■ГП 1 я г Р

Перемещение объекта по плоскости 4' ' щ— ■ ^¡Р е? Р Р ^х ' у> г» ли,*«,

Острие упирается в плоскость р р р эс > ^ц» ' г '

Закручивание гайки ц [ с^ ^ сГ /И*, Р Р Р ЗС > ' и >

Четвертая глава посвяткеяа разработке методов раслета удерживающей способности сясвятов в предположения, что объект и РЭ охвата абсолютно жесткие.

При движении ПР но объект в охвате действуют приложенные сияв и моменты. Их действие кояет привести к потере объекта для ого смещению из положения равновесия. Определение условий удерживания объекта в исходном положении равновесия является ocHosaofc и наиболее важной задачей расчета механической системы схват-объект. Способность схвэтя удерживать объект в положении равновесия иод действием приложенных сил я моментов наглядно представляется в виде-0~й е песткиерном пространстве составляющих векторов приложенных спя и моментов. Если изображающая точна значений прнложенпих сил п моментов, определяющая условия нагружения, находится внутри ОГФ, то объект остается в положении равновесия и его перемещения не происходит. Выход изображающей точки за границы OSO соответствует предельному состоянию, при котором становится возможны:,1 перемещение объекта в охвате. Разработаннзя методика построения Oi55 включает четкое этапа: определение вида положения равновесия объекта в охвате на основе анализа системы уравнений кинематики малых перемещений (5); составление уравнений статического равновесия систем! схват-объект; определение условий пределышх состояний; построение 01ф по совокупности условий достижения пределышх состояний, анализ влияния параметров схвотз на конфигурацию п розмерн 0В5.

Предельные состояния определяют ррагшцы 02'">. Воделяится две стадии, исследонанпя. На первой стадии производится оценка условий достижения иредолшгос состояний для жоортшят, ло которым жесткое фиксирование ocyiaec?aa:eïcn прянуиктелышм базированием. Н» второй стадии рассчитнгг.-с?о.г условий доатдлзяля продольчго: состояний для коорджн'гг s жзотжо Лт'г-'с"!\7с:"ц:; гчеггт ?, -г ятп^хтт-оя поправки, учвшвпгккй ••'¿•n-mr с г vi)í:;inr оозульготг ло";г-чсшп.'М на перлoíi стад»'..

При диск ретине точкь/ т • - ¡ ; г: cviyin;; ¡фсдокъни;:

состояния определятся .-"vw-." у,и* vi ;>д!:оь /'-то-

чка контакте, '.'V-. прг, ОС>;>i,I" -O.'-i'- ní.nj'run:,

Ррзрошал систему урйгксл«»: (и: к (.:) ív^o'.vsWí» гзжгяш:;: ре» акций г точках котч.ет." •.; 'т. /^-'0, итеодл* одво »? условий предельного соого/'.iiiff. ГЫг.''.'-« /•' > Г), г;олуп.м? дерб-

BCBCTI30 для соогоюдат: iv^vj'Oi;' /" к- /4 ? яр /ir;p<:r.;.rcrao определяет пев СОЙОКУКВoot?!• «ip'1.1«íct,r.:íX о-:д -t моглгптои,

рих сохраняется контакт объекта я РЭ схвага в £ -ой точке. Полагая последовательно ¿-'=1,2,..., /л , где - число точек контакта, получаем семейство линейных неравенств для составляющих приложенных сил и моментов. Совокупность линейных неравенств выделяет в шестимерном пространстве -составляющих векторов Г и /i замкнутую или разомкнут у» ОКО, охватывающую начало координат.

При решении задач на второй стадии этчпа определения предельных состояний, принимается простейшая модель сухого трения: в каждой точке контакта модуль силы трения удовлетворяет условию: Р < j: Re , где j- - коэффициент силы трения. Определение ире. дельных состояний производится кинематическим иагодом: задается векторами 5Га и О малое линейное и угловое перемещение объекта о условиями сохранения конгшггя объекта с РЭ ео всех или нескольких точках. Б соответствии о (4) находятся перемещения S Ге точек контакта и определяется предельное значение силы трения

Ре =fR;Sre/\Src\ (6)

При /72 =7 выход обьекта из положения равновесия происходит с потерей контакта в <f-ofi точке. Он приобретает одну степень свободы по обобщенной координате, получаемой из решения шести уравнений системы (5), для которой по формуле (6) определяются силы прения, выраженные через нормальные составляющие реакций. Из системы уравнений статики получается сначала одно, а затем и остальные уравнения границ 0Ш>, При этом происходит относительное увеличение ОШ ла величину порядка коэффициенте трения.

При иеяйчвя одной или нескольких координат, не фиксируемых без трения (/У) ¿7), силы трения обеспечивают жесткое фиксирование по воем координатам. Рассматриваются две группы предельных состояний: первая связана с опрокидыванием объекта и потерей контакта хотя бы в одной точке, вторая - с проскальзыванием при сохранении контакта во всех точках. Для первой группы, после исключения ив рассмотрения вефикоируемнх без трения координат и соответствующих сил и моментов, границы ОЕФ определяются в пространстве (6-/7) параметров, как было указано выше. Предельные состояния остальных П координат связаны о проскальзыванием при сохранения точек контакта, Относительные перемещения в точках контакта определяются го формулам (4), а сил трения - по формуле (6). Далее на уравнений (2) и (3) Получаются искомые соотношения, в которые нходят tl произвольных параметров, и строятся .соответствующие гтасгки гранги (Ш. При .учёте сил трепля обеспечивается жесткое фпкерроааиие пс ri:^ j6.

координатам; вблизи изолированных без учета сил трения классически устоИчишх или неустойчивых исходных положений равновесия возникают конечные зона положений равновесия.

Для задач, ¿;соды число точек контакта больше семи или контакт распределен по лилиям и поверхностям, устанавливаются общие свойства их решений и выделяется случаи, когда границу ОКО или их оценки сверху пли снизу могут быть получены без конкретизации раз-пределенкЛ нортлъных составляющих реакций. Для случая распределенного контакта вводится система пнгеграчьнш уравнений равновесия системы схват-объект, анализируются методы её решения: метод максимизации модуля вектора обобщенной силы и кинематический метод. В нервом методе попользуется следующее свойство. При монотонном увеличении по модулю обобщенной приложенной к объекту силы происходит перераспределение напряжений по линия?.! или поверхностям контакта, и, пока не достигнуто предельное состояние, во всех точках контакта остаются положнтельншц нормальные составляющие реакций, а касателыше составляющие реакций ограничены по модулю значениями произведений коэффициента- трения на нормальную составляющую. Модуль вектора обобщенной силы является Функционалом от функции распределения реакций; его максимизация по функции распределения при упомянутых ограничениях приводит к выходу на границу ОКО. Кинематический метод основывается на задании обобщенного вектора виртуальных перемещений объекта из положения равновесия, определении условий контакта и нахождении из. условий стати-ческогораг^чеспя системы схваг-объект соответствующего предельного состояния.

Получены расчетные формулы, описывающие ОНФ для большинства применяемых схватов, построены алгоритмы расчета удерживающей способности захватных устройств и разработан и отлажен пакет программ для проведения расчетов на ЭВМ СМ-4. Получена система уравнений, решение которой позволяет оценить влияние погрешностей базирования объекта на удерживающую споообность.

Питая глава посвящена разработке методов расчета схватов с упругими элементами.

Учет упругой податливости элементов схвата и объекта может существенно изменить выводы относительно удерживающей способности и точности базирования объекта в охвате. Во-первых, при дискретных точках контакта и при линеЛноЛ упругости объекта или РЭ схвата приложение к объекту любнх мялих сил и моментов приводит к лияей-йо-!зят>пскмнм от них перемещениям и углам поворота объекта, соизме-

римыч с упругими деформациями. Нагруженные состояния, для которых имеются упругие перемещения объекта без потери контакта в любой из точек, соответствуют (Ш>. Во-вторих, учет упругой податливости может привести к существенном изменениям границ CG5; при неблагоприятных условиях С® мохет исчезнуть совсем. В-третьих, упругая податливость приводит к дополнительным погрешностям базирования объекта е схвате, которое зависят от разброса масс объектов, отличия от номинального значения усилия захватывания v должны учитываться ьри настройке ПР.

Показано, что упругая податливость элементов схЕата моазт быть кспольсована для повышения надеяиостл удерживания и улучшэни* условий базирования объекта путем увеличения коэффициента трения,£ такле размеров зон контакта. Дааы классификации к формализованные в виде математических подслой постановки задач расчета cxestoe с упругими элементами, прукинаии и упругими звеньями механизма передачи, накладками, упругими подвесами схватов сборочных роботов.'

Приведены результаты анализа и способов реализации схватов с дополнительными степеням;: свободы. Показано, что хотя удершваюца; способность этих схватов уменьшается, использование подпрукияенню Р.Э является наиболее простым и гибким средством увеличения числа точек контакта с целью обеспечения более равномёрного распределения усилий и сохранности объекта при ударах о внесшие препятствия, расширения ОДО, создания условий хорошей воспроизводимости задание го положени" объекта в охвате при погрешностях положения и форми его поверхности, повышения универсальности при захватывании объектов разной формы. Разработаны методы расчета и синтезс схватов с подпружиненными элементами к дополнительными степеилип свободы, находя из принцип« геометрической неизменяемости сястемн схват-обь--ект. Получеки расчетные формулы границ 0Н5»

Введение упругих пзкяадок позволяет сохранит!, качество повер; ностей объектов, пропедших чистовую обработку или выполнению: из ьыгезх материален,. обеспечит!, сохранность и укоятяеь деформации хрупких и легко дсфорикруодюсся объектов, снизить взиос поверхностей РЭ. Погасало, что дат; нолучокад дрэвилызш: качьствашк-о: результатов п грубых количественны}: сцепок, достаточно псгользоевт*-цростейщув модель тонкой 'накледкп иоса'ояняоЁ голадиш, считая, что v, ксадок точке поверхности накледки нормальное напряжение зависит только от деформация накладки в той ас точке. Введение упругой накладки приводит к тому, что под действием распределенной нагрузки оС-хекс смещается из исходного положения равновесия, определенного

[ля схвата без накладок. Разработаны методы расчета схватов с уп->угимп паклгдками, применяемые для оценки линейных " угловых пог-)ешностей закрепления объекта в охвате, в зависимости от значений ¡рилокеннах сил и моментов, с учетом изменения площади зоны контакта. Для лростейпнх практически важных примеров полнены аналитические зависимости, для более сло;:лых задач разработаны версии гисленного решения задачи на ЗВМ. Наиболее простой я элективной звляотсл процедура решения обращенной задачи, когда заданными считаются геометрические параметры погрешностей, а определяются ся силы л г.:о:.;енты, под действием которых эти погрешности возникает. В результате расчета каддому из значений приложенных сил п ломентов в пределах 0115 ставятся в соответствие значения ¡лести составляющих погрепностей закрепления объекта в схвате с наклад-тамн. Рассмотрена задача влияния погрешностей формы и положения товерхностей объекта на точность базирования и надежность удерки-эания объекта в схвате с накладками. Получено выражение для мо-лента трения верчения.

Изложены принципы формализованного описания механики процесса выполнения ИР сборки пары деталей и разработан алгоритм синтеза упругого элемента схната сборочного ПР, которые дают возмож-юсть формировать структуру и параметры упругого элемента охвата ■1 обеспечивают правильное протекание процесса сборки с учетам особенностей упругих свойств манипулятора ПР. Основой исследоЕа-

является универсальный метод поаагоЕого численного расчета сборочного процесса, когда при заданных характеристиках упругого элемента и последовательности положений охвата па траектории сборки по узлам сетки з пространстве компонент вектора начальных тояояений производится моделирование процесса сборки, и устанав-аивается область в зтом пространстве, из которой процесс сходится к заданному конечному состоянию без заклинивания и застреЕа-чия, определяется её кофигурация и размеры. При линейности упругих характеристик манипулятора ПР и упругого подвеса схвата, потенциальная энергия системы представляет собой квадратичную фор-лу. Для этого случая автором, совместно со Стояновым В.М. и Чел-паповш И.Ь. рейена задача синтеза упругого подвеса о переменной структурой схвата для сборки деталей типа вал-втулка. Экспериментальные исследования созданного макета сборочного схвата с подвесом переменной структуры, проведенные Стояновым З.М., показала хорояее совпадение результатов теория л эксперимента.

Приведены результаты исследогячия системы схЕат-упругий объект. Построены расч.етшэ модели определения нормальных напряжений в зонах контакта и сеченпях объекта для расчета размеров и г1г--мн зон контакта, оценивания запасов по прочности, смещений базовых точек поверхности объекта вследствие упругих деформаций (что -"'оо-бевяо важно для зодач сборки упругих объектов), яесткости зоны взаимодействия объекта с РЗ, по которой могут быть оценены дополнительные погрешности базирования объекта в охвате, параметры изменения собственных частот упругих колебаний механизма манипулятора для транспортировки длинномерных объектов, а также пиковых значений ударных взаимодействий при захватывании. Полученные расчетные формулы позволяют обоснованно выбирать параметра схезтов для хрупких и тонкостенных объктов.

Шестая глава посвяиена исследованию динамики системы схеэт-объект. При кратковременных воздействиях высокого уровня условия удерживания объекта не могут быть выполнены, и объект неизбежно проскальзывает в схвате. В результате п; ускальзывания возможны: срыв объекта из схвата, переход в новое положение равновесия, возвращение объект а в исходное положение. Прдаой задачей динамики проскальзывания объекта является определение смещений и углоЕ поворота, услоекй возвращения объекта в прежнее ели перехода в новое состояние. Обратная задача состоит в определении предельных режимов движения, при которых действующие на- объект импульсы силы, превышающее предельно допустимые значения, не приводят.к потере объекта иле, напротив, достаточна для того, чтобы объект был Еырван из схвата.

•Поставлена и формализована задача исследования динамики системы манипулятор-схват-объект. Обосновывается структура алгоритма моделирования динамики на ЭВМ. Разработана' и отлажена программа моделирования динамики манипулятора с учетом проскальзывания объекта г схЕаге, проведена серия расчетов на ЭВМ, выявлены эфгозктн влияния проскальзывания объекта на характер движения манипулятора в режиме торможения и параметры отклонения схвата от предусмотренного программой конечного положения. Результаты расчета яелянтся основой для выработки рекомендаций по выбору и автоматической регулировке параметров охвата, а также законов управления ПР, обеспечивающих высокое быстродействие. ПроЕедзно аналитическое исследование и расчеты на ЭВМ комплекса задач динамики не ряде примеров ■для различных режимов импульсных воздействий. Получены расчетные РО.

юрмулы для оценки смещений объекта в схвате с упругими няклад-самя.

Даны постановки задач динамики многоударных режимов захЕа-'ываняя, которые позволяют определять дополнительные смещения и юворотн объекта, условия его опрокидывания или потери, пиковые шаченкя ускорен и:-] объекта я параметры Еоэбуудаеынх колеоаний «зшшулятора, существенных для самого процесса захватывания.Опи-:анн методы расчета и получены оценки значений уднрлых воздейст-;пй при захЕатиЕании, которые учитывались при проектировании ¡хватов, обеспечиваниях сохранность хрупках и пластичных объектов.

Разработан и отлажен пакет программ для математического мо-1елироЕанля динамики процессов захватывания. Проведено штемати-;еское моделирование и на его основе получены оценки влияния сомплекса геометрических, кинематических и силовых факторов на :арактер процесса захватывания, дани рекомендации по выбору шз~ «метров быстродействующих схватов высокоскоростных ПР,

Седьмая глава посЕяцена методам анализа схватов ПГ по сово-супностп технических требований и алгоритмам их реализации на ЭВМ.

Поставлена научная проблема сиг зза схЕата и сформулированы требования к совокупности исходных дниних к проектированию охеэ-юе ПР, учитывающих условия эксплуатации, характеристики робото-гехничесних комплексов, объекта манипулзфования и ПР. Изложены хзноьнне положения Еыбора схем и параметров создаваемых и модер-шзируемых схватов ПР. Исходным пунктом является декомпозиция задачи синтеза схвата о последовательным выбором формы и параметров РЭ, двигателя, механизма передачи, соединительных элементов, определяющих компоновку схвата, и, в яеобходмых случаях, шклацок или упругих элементов. При выборе схемных реиеяий производится сопоставление совокупности технических требований о классификациями составных частей охвата и выбор наиболее подхо-шиих решений по критериям, описанным в главе I, При выборе параметров используются результаты анализа и обобщения опыта сознания конструкций схватов о одной стороны, и разработанные в результате исследований методы их расчета - с другой. При выборе хиапязона раскрытия схвата и геометрических параметров РЭ ио-золъзугстся рассмотренные в глаЕв 2 методы построеняя ОДС и алгоритмы определения исходных устойчивых положений равновеоия объекта; при-расчете требуемого усилия захватывания и выборе паР^|

метров двигателя - методы построения OES и определение приложенных сил и моментов, опиоэлных в главах 3 и 4, с учетом требований, указанных в главе 8; при расчете параметров механизма передачи - результаты исследований главы I, при выборе накладок -результаты исследований глав 4,5,6. Создана САПРС с использованием элементов эвристики, программ расчета и корректировки решений на различных этапах синтеза в диалоговом режиме работы оператора с ЭВМ. Система имеет широкий диапазон применения: от простейших задач до создания схем полных универсальных схватов для удерживания объектов различной \£ормы, свойств материала и массо-габаритных характеристик. Эффективность применения САПРС иллюстрируется примером создания конструкций охвата, способного удерживать набор хрупких стеклянных объектов цилиндрической и призматической (}орм от миниатюрной ампулы до колб и чашек диаметром 110 №1. Разработаны ДЕе версии САПРС, реализованные на ЭЗ',1 С.',1-4 для расчетов по точней методике, и на ЭВМ ДВК-2 - для расчетов г упрощенной нзкенпной методике и кспол'зования в учебном процесс

Восьмая глава посвящена проблеме стандартизации и экспериментального исследования захватных устройств ПР.

Постановка автором проблем стандартизации захватных устройств ПР, определение её гелей и места в общей системе нормати! но-техкичееких документов на изделия робототехники, позволили сформировать соответствующие разделы Программы комплексной стандартизации ПР Госстандарта СССР и Программы комплексной стандартизации средств прошшленяой робототехники стран-члеков СЭВ, об< оковать необходимость установления единых норм и требований к з< хватным устройствам в стандартах. Действующие стандарты устанавливают типы и номенклатуру основнкх показателей, общие технические требования и методы испытаний, конструкции мест крепления и присоединительные размеры, ряда основных параметров изделий,применяемых в качестве составных частей схевтов, и собственно захватных устройств. В номенклатуру основных показателей ПР ВЕедеш характеристики, необходимые для выбора и расчета схватов при внедрении ПР. Разработаны рекомендации Госстандарта P-50-54-I0L -88 и материал "Порядок выбора, раечкта и экспериментального оп ределейия основянх показателей схватов ИР", представляющие единую методическую базу для разработки и модернизации схевтов. Созданы основы унификации я построения конструктивйо-унифациро-ваиных рядив советов ПР. 22.

Разработаны модели контроля и диагностики причин отказов. Гстаповлена номенклатура контролируемых и измеряемых параметров | предложены принципы формирования комплекса средстн контроля и измерения, разработаны метода диагностики функционирования охвата 1а основе сравнения наблюдаемых и измеряемых параметров с характеристиками нормального функционирования ПР (ОДО, ОЕФ, параметров составных частей схвата и др.), что позволяет дать формализованное описание причинам отказов, перейти к автоматизации обработки экспериментальных дайнах и своерременно выявлять критические ситуации при функционировании БР и обоснованно принимать «ери к их устранению.

Разработаны методы экспериментального определения основных показателе!"; схеэтов (усилия захватывания, времени захватывания и , отпускания, предельно допустимых значений приложенных сил и моментов), используемые при приемке и оценке технического уровня схвэтое, проведении определительных и исследовательских испытаний вновь создаваемых моделей. Предложены методы экспериментального определения погрешностей базирования объекта в схвате; разработаны алгоритмы обработки экспериментальных данных с повышенной точностью, надежностью п достоверностью на ЭВМ.

Основные результаты работы

Общим итогом работы является разработка общей теории захватывания и удерживания объекта охватом ПР, которая позволила объединить все задачи расчета, экспериментального исследования, анализа и Ьиятеза схватоЕ. Основные результаты теоретических исследований легли в основу комплекса нормативно-технических документов общесоюзного и международного значения, отраслевых методик Еыбора, расчета и экспериментального определения осноеных показателей схватов ПР, конструкций схватов ПР, системы автоматизированного проектирования, испытательных установок и стендов, разделов учебных курсов по робототехнике в высшей школе. Конкретные результаты формулируются следующим образом.

I. Разработана система основных понятий и многоаспектная классификация захватных устройств ПР, обоснована номенклатура и методы экспериментального определения их осноеных показателей, установлены общие технические требования, конструкции мест крепления и присоединительные размеры, а также ряды основных параметров как самих схватов, так и их составных честзй; резуяьтБты

23.

этих исследований отражена в 12 государственных стандартах Союза ССР я в 5 стандартах СЭВ.

2. Введена ОДО - исчерпывающая характеристика способности схвата захватывать объект из различных положений, разработаны методы расчета её границ, создана' и реализована на ЭВМ методика поиска положений равновесия объекта в схвате. Это позволило обоснованно выбирать диапазоны раскрытия схвата, форму, размеры РЭ, Формализовать требования к точности и быстродействию средств наведения схватов адаптивных ПР па объект, определять параметры положений равновесия объектов со сложными профилями поверхности.

3. Выведены общие уравнения кинематики малых перемещений объекта при уолозли сохранения точек контакта с РЭ схвата и на их основе.построена геометрическая теория базирования объекта в схвате ПР, установлены критерии выбора схем базирования, используемые при синтезе формы РЭ, обеспечивающей наилучшее, в смысле повышения удерживающей способности схвата число и расположение точек контакта.

4. Созданы методы анализа точности и получены общие уравнения расчета линейных и угловых погрешностей базирования объекта в охвате, обусловленных погрешностями формы л положения поверхностей объзкга и РЗ схвата, которые позволяют оценкть вклад схвата в общую погрешность позиционирования и ориентирования ПР, дать рекомендации м повышению точности позиционирования; приведены постановки задач анализа процессов захватывания и способы их решений.

5. Разработана процедура расчета и приведения к осям системы координат схвата действущих на объект динамических сил и момент01 поверхностных сил и моментов при наложении ка объект связей; предложены методы расчетного в экспериментального определения исходные данных для расчета: скоростей, ускорений, погрешностей позициони-Iзвания и ориентирования, матрицы подагляЕОстей манипулятора,

6. Сформулировали общие принципы расчета удеряивзюшей способности схвата, выведена её исчерпывающая характеристика - 023, разработаны методы определения ею границ, получены расчетные формулы, описывающие (М. Разработан пакет программ построения С2Ф на ЭВМ. Для решения статически неопределимых задач разработана методы максимизации модуля обобщенной силы и геометрический метод.

7. Разработан метод расчета изменения усилия захватывания по; действием динамических нагрузок при движении манипулятора - отот 24.

метод дает возможность повысить точность расчета параметров ОЕЗ для пневматических схеэтов.

8. Получены уравнения для оценки влияния погрешностей базирования на удерживающую способность основных типов захватных устройств, в том числе схватов с несколькими степенями свободы.

9. Разработаны теоретические основы расчета и сднтеза схватов о упругими элементами, применение которых дает возможность обоснованно выбирать схегаце решеячя, оценивать погрешности закрепления объекта в схвате, рассчитывать напряжения в зоне контакта и строить СИЗ для данного класса схватов. Полученные расчетные фор:лулн ориентированы на применение в практике инженерных рз счет г,в, а приведенные блок-схемы алгоритмов - на проведение численных расчетов на ЭВМ. Проведен анализ решений ряда практически важных задач.

10. Предложены способы и средства адаптации схватов ПР по отношению к изменениям свойств объектов и условий функцзонкрова-ния ПР; обоснованы алгоритмы синтеза средств пассивной адаптации схеэтое сборочных IIP, позволяющие формировать структуру е параметры,упругого элемента схвата так, чтобы обеспечить правильное прс ■ текание процесса сборки о учетом упругих сеойств манипулятора ПР.

11. Поставлена и формализована задача исследования динамики системы "манитлулятор-схЕат-объект", разработана и отлажена программа моделирования на ЭВМ динамики .ппхения манипулятора с учетом проскальзывания объекта в схЕате. Проведена серия расчетов, выявлены эффекты влияния яроскальзыЕаяня объекта в охвате на характер цвижения манипулятора ПР в режиме торможения. Результаты расчеты твляются основой для выработки рекомендаций по Еыбору параметров схвата и формированию законов управления высокоскоростными ПР.

12. Разработки и отлажен пакет программ для математического «оделироЕания процесса захватывания. В большом объеме проведено «ачекатичесиое моделирование задач двнамики захватывания на ЭВМ. 5а ом ore анализа результатов'моделирования получены оценки влия-1ия комплекса геометрических, кинематических и силоеых факторов а? '.арактер процесса захватывания, даны практические рекомендации по шбору параметров быстродействующих схватов высокоскоростных ПР.

13. Построена классификация составных частей схвата, сформу-жроЕаян критерии Еыбора составных частей и компоновок охвата, роведеяа декомпозиция задачи синтеза схвата и на её основе созда-ы методы выбора схем и параметров схвата до совочугноети тгеш-ескях чребог-%'<пй, разработана структура системы аромата зировак-ого проектирования схваток. По ней раэр^ботвн пак»т программ для

2Ь.

14. Поставлена к частично реализована проблема комплексной стандартизация захватных устройств ПР; разработаны и введены в действие стандарты СССР, стандарты СЭЬ »1 другие нормативно-технические документа, устанавлпизэдде единые нормы и требования к захватным устройствам ПР; определены пути уц/.Тлкащ/: и модульного построения схватов, разработаны методы ах экспериментальных исследований, внедренные прй создании испытательных стендов и установок.

Основные научные результаты опубликованы в следующих работах:

I. Насчет упругих; характеристик сборочного робота/ Л.: ЛТЫ,

1979.- 17с. - Деп. в ЬЖЛ'а, Я ЗЗЪ-79.

Ъ. Оптимизация параметров упругой конструкции манипуляторов робогоз/Я.: ЛЯЛ, 1979. - 12 с. - Дед. в ВЖТ.ч, )Ъ 3,314-79.

3. Задачи механики .охвата манипуляцию иного робота/ Л.: ЛТК,

1980.- 10 с. - Деп. в Ь.ШТ/., & ЗЭЭ4-вО.

4. Исследование точностных свойств соорочных роботов/ Л.:ЛТХ^, 19-Ю.- 9с.- Деп. в ЪШГ'А, И 3818-30.

о. Требования к аттестационным испытаниям ПР. Экспериментальное исследование и диагностирование ПР.-М.: Наука, 1981,- С.32-38.

6. Обеспечение надежности захватывания в динамических ре.тпмаг// Робототехника. Вып.З.- Л.: Л1Ш, 1981,- С.61-66.

7. механ;.да и управление процессами сборки при применении ро-ботов/Тр. международно:'! конференции "Проблема управления промышленными роботами", Варна, НРБ, 1931, ¿'¡ТКР 810054 Ъ 9,- Юс.

8. Зыбор характеристик упругого элемента сборочной головни ро-бота/Тр. ;ШИ - Л.: 1932.- И 382.- С.63-67.

9. Расчет точности позиционирования упругого механизма манипулятора по линейным и угяивым перемещениям/' Дромьииенше роботы. Вы-. 2.- Я.-.Калиносгроеняе, 1982.- С.60-65.

10. Анапиз олпбок позлцасшрованая, возникающих: а процессе захватывания и отпускают объекта мандпул>:ровакия//Тр. ШУ,- ....: 1-^3

' - № 404.- С.44-Ы.

11. Задачи определения погрешностей базирования обьекта б охвате робота/ Л.: ЛТУ1, 1934.- 17 е.- Яеп. в БЖ4Т/1 .4' 545-34. '

12. Задачи механики захватных устройств манипуляциоюшх роботон/ Известия АН СССР, Механика твердого тела.- гл.: 13.:4.-.? 4.- С.32-36,

13. ¿¿иды л методы испытаний ИгУ/С тандар ты и качество.-1934.-,'5 9 26.

14. Стандартизация я унификация захватных устройств ^//Стандарты и качество.-198Ь.-)5 9.

15. Прлнципи проектирования захватных устройств ПР для работы з гибких автоматизированных системах/Дрошалешше роботы для гибких азг<яйаг»:зцровающх производств.- Ky/iöuaeu: КШ-, 1335.-U.3-8.

16. Задечд механики в автоматической сборка с применением ПР// Роботлзацая сборочних производств.-.'«1.: Наука, 1935.-C.IÜÜ-I89.

17. Стандартизация испытаний ПР л задачи метрологии пря их организации и проведен>ш//Стандарты а качество.-1985.- й 5.

18. Особенности расчета усилия знхватнЕЗння пневматических схватов ПР/ Л.; ЛПЙ, 1966.- Деп. в вНИмТЭ&Р, й 459-мш-86.

19. Задачи механики схватов с электроприводов/ Л.:ЛШ, 1986.-Деп. в 420-МШ-86.

20. Нормирование точностных характеристик lLf пр.. комплексной стандартизации их пспытан;1й//Сгандаргы и качество.-1986.3.

21. Проблема-метрологического обеспечения испытаний ПР и ГПС. //Стандарты л качество „VI0, 1986.

22. Проектирование унифицированных схватов' ПР//Проблемы машиностроения а автоматизация. Вып.8., ¡.ЩНТ;1, 1986,- С.80-85.

23. Техническая диагностика захиа"чых устройств ПР /Испытания и диагностика промышленных роботов// Серия "Опыт внедрения LCOTTJ Вып. 23,- М.; Изд-во Стандартов, IS86.- С.23-30. ■

24. Стандартизация проектирования модульных схватов роботов// Тр.ЛПл, - Л.:1986, Ii 419.- С.35-42.

2Ь. Унифицированные методы расчета несущей способности захватных устройств ПР/ Л.: ЯШ, 1986.- 21 е.- Деп. в ЖяИТЭКР № 4X0--мщ-86. х

26. Модульные промышленные роботы// Проблемы машиностроения и автоматизации, Выя.16,1387, йЦНТй.

27. Принципы создания измерительных роботов//Испытания, контроль л диагностирование ГОС.- М.: Наука, 1937- С.63-70.

28. Расчет несущей способности ехзагоп ПР/ Л.: ЛПп, 1937. -50с.- Деп. в BHKITOIP )£. 195-мт-07.

29. Оптимизация структуры сборочных устройств ПР//Промидлен-ные роботы. Вып.4.- Л.: йашлностроенко, 1987.- С.18-25.

30. Задачл и методы расчета упругих механизмов ехзатов ПР// Промы.иенкые роботы. Вып. А,- Л.: ¿Лааияострооние, 1937.- С. 8627.

31. Схеыц и конструкции схватов ПР./ Сердя I. Автоматизация производства. ГНС и робототехника, Вып.З, I98J.'- 50 с.

32. Проблемы оценки точности позиционирования объектов в захватных устройствах ШУ/Проблемы малиносгроения и автоматизации, бкп.23, 19 ¿9, 'ийЩТл,- С. 13-25.

33. Схваты арош'ашенны! роботов. Л.: ктностроенле, 1939.'- 233 с.

34. Расчет параметров взапмод Гютзля охвата ПР с объектом. Механика Пг// Под ред. К.З.йролова, Е.К.Воробьева//т.2 ,М.: шсиая школа, 1983. ■

35. Сотрудничество стран-членов СЭВ в области стандартизации захватных устройств ПР//Проблемы машиностроения и автоматизации,вып.¿8, 1933, .\ЩКГи,- C.3-II.

36. Изделия робототехники. Временные норматизно-техничзскяе документы, 4.1:4.2. - М.: -зд-so Стандартов, 1984. - 278с.

37. Р 50-54-IGI-88. Методы расчета г^новаых показателей захватных устройств ПР.-¡Л.: Изд-во Стандартов, 1983.- 68 с.

33. ПР. Термины и определения. Классификация, Номенклатура основных показателе^.- ¡Л.: Изц-eo Стандартов, 1982.- 2G с.

39. ГОСТ 25685-85 ПР. Термины и определения.

40. ГОСТ 21685-83 ПР. Классификация.

41. ГОСТ 25204-82 ПР. Ряд номинальных грузоподъемостей.

42. ГОСТ 25373-82 ПР. Номенклатура основных показателей.

43. ГОСТ 26050-84 ПР. Обдяе технические требования.

44. ГОСТ 26053-84 ПР. Правила приемки. Методы испытанна.

45. ГОСТ 26062-84 ПР. Устройства исполнительные. Ряды основных параметров.

46. ГОСТ ¿6063-84 ПР. Устройства захватные. Типы, присоединительные размеры.

47. ГОСТ ¿6058-85 ПР. Гидродвягателн исполнительных устройств. Типы, основные параметры и присоединительные размеры.

48. ГОСТ 26059-85 ПР. Пневмо.-дгигагели исполнительных устройств. Типы, основные параметры и присоединительные размеры.

49. ГОСТ 4.480-87 СПКП. ПР. Номенклатура основных показателей.

50. ГОСТ 27351-87 ПР. Исполнительные модули. Обще технические условия.

51. РД оО-3555-82 Обшие положения роботизации.

52. Классификатор ШЭД.Класс .4. Оборудование технологическое специфическое.- 1л.: Изд-во Стандартов, 1986.

26.

53. MP 208-86 Стандартизация испытаний ПР. Контрольные испы--■ания. М.: Изд-во Стандартов, 1986,- 57 с.

54. СТ СЭВ 5334-85 ПР. Классификации.

55. СТ СЭВ 5335-85 ПР. Номенклатура основных показателей.

56. СТ СЭВ 5336-85 ПР. Ряды номинальной грузоподъемности.

57. СТ CdB 5460-85 ПР. Устройства захватные. Номенклатура ос-ювных параметров, присоединительные размеры.

58. СТ СЭВ 5048-87 ПР. Термины и определения.

59. А.с. 1273242 СССР. Устройство для автоматической сыоиы ин-грументальных оправок,- Опубл. Б.Л. JS 44, 1986.

60. А.с. I293IOI СССР. Устройство для автоматической сменк ин-трументалькых оправок.- Опубл. Б.И. JS 2, IS87.

61. Attestation of industrial robots/Proc. 10th ISIfi,Italy, 1980 p. 433-446.

62. ¿'oraalizati on of roquire.rionts imposed on clastic charact»-iati03 and control laws of manipulators of aaasmbly robots/Proc. at ICCA, Brighton, Uii, 1980, I КЗ, pp.325-330.

63. Я10 ргоЪ1а.п8 of mechanics of industrial robot grippeтз/ roc. 4th CI3«i-IFToLlii,Y/ar3zr.wa, Poland, 1901, pp.223-230.

64. Defining of 3ChODO t-.nd tho parameters of an industrial obot grippsr by a group of spscificationa/Proc. 11th I3IH, Tokyo, span, 1931, pp.301-309.

6i>. РгоЫалз with the mechanics of industrial robot grippers/ schanisn and llaahin 'ihoory ,vol. 18, ilo 4, 1983, pp.295-299.

6o. Algorithms of automatic asaombling by robots/Proc. 10th ongr^ss on Cybernetics, liamur, Bslqua, 1903.

67. Al^oritmy automatizovanaj montage uskutocnoven®j poraooou obotov/Trend Vumn, По 2, 1934, pp.26-33.

63. Thsory of gripping devices with elastic orgnns/Proc.16th Jl.i, Tokyo, Japan, IPS, 1985, pp.597-604.

69. Tanks and 'not hods of constructing raochnnical facilitijs nd control syatama of induatrial robots with ttking into account heir fores intnrnctlon in rospect of aquipmsnt/Proc. 6th СТЗЛ-PTo:.i;.i, Krakov, Polrmd, 1986, pp.517-523.

70. Goal.i of robot gripper mechanic в Alechanisioi nnd Kfishin li»ory,.vol, 22, if о 5, 1967, pp.401-487.

71. Robot UrippsrFi (Intsrnaticnsl trfndo in manufacturing t»~ hnology)/If\>, Bedford, UK, 1986, 443 p.

7?. Industrial robot grasping davicen: Principlte of gr«.np5r>g

29.

securing and positioning of objects/Advanced Manufacturing Engineering, vol. 1 October 1989, pp. 277-286.

73. Calculation and design principles of high-speed robot grippers /Mechanism and. Mashin Theory, vol. 25, Ho 2, 1990, pp. 149-160.

74. Mechanical features of gripper in industrial robot/Proc. 13th ISIR, Chicago, U3A, 1983, vol. 2, 111, 18/77-18/90.

Тезисы двадцати научных докладов по теме диссертации опублнко ~ ваны в грудах международных, всесоюзных и республиканских научных съездов, совещаний и конференций.

Соавторами отдельных работ являются: Аветиков Б.Г./61/, Белоликов С.Б./26/, Конюхов А.Г./5.61/, Корытко 0.Б./5,9/, Кукушкин H.A./60/, Макаров А.Б./II,32,59,60/, Полевой А. П./16/, Смехов Е.В./13,25,23/, Стоянов М.М./7,8,16/, Сафонов Г.И. /27/, ТрубШ К.А./10/, даурин А.З./19,24,25,28/, qeлпaнoв и.Б./о-34,61-74/, Шолуха Г.М./13,17,27/, коллектив авгоров/36-59,61/.