автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Повышение точности позиционирования манипуляционной системы робота путем уменьшения ускорений второго порядка

Введение.

1. Обзор и анализ работ, посвещенных исследованию ускорений второго порядка. Состояние робототехники к концу XX -началу XXI веков. Погрешности промышленных роботов.

1.1 Использование ускорений второго порядка при анализе механизмов.

Ф 1.2. Учет ускорений второго порядка при анализе и синтезе манипуляционных систем роботов.

1. 3. Состояние робототехники к концу XX - началу

XXI веков.

1.4. Погрешности промышленных роботов.

2. Определение ускорений второго порядка # точек звеньев манипуляционных систем и анализ влияния расписания включения приводов на величины ускорений второго порядка.

2.1 Определение ускорений второго порядка точек звеньев манипуляционных систем.

2.2 Анализ влияния расписания включения приводов на величину ускорения второго порядка для плоской манипуляционной системы.

2.3 Анализ влияния расписания включения приводов на величину ускорения второго порядка для пространственной манипуляционной системы.

3. Влияние метрических соотношений в манипуляционной системе на величины и характер изменения ускорений второго порядка.

3.1. Влияние метрических соотношений в двухзвенной плоской манипуляционной системе на величины и характер изменения ускорений второго порядка.

3.2. Влияние метрических соотношений трехзвенной пространственной манипуляционной системе на величины и характер изменения ускорений второго порядка.

4. Учет упругости звеньев и переходного процесса при определении истинных значений положения рабочего органа, ускорений второго порядка и динамической нагрузки.

Тема диссертации относится к малоизученной области, которая теперь становится все более актуальной в связи с массовым внедрением роботов в различные сферы человеческой деятельности и с повышением, во многих случаях динамических режимов их работы.

Для обеспечения требуемой точности робота важное значение имеют не только величины ускорений звеньев манипуляционной системы, от которых зависят инерционные нагрузки, действующие на звенья, но и законы изменения этих ускорений, определяющие законы ф изменения инерционных нагрузок от времени. Ускорения второго порядка характеризуют изменения нарастания инерционных нагрузок и нагрузок ударного характера. Ускорения второго порядка представляют собой векторную производную от ускорения по времени.

Поскольку ускорения второго порядка характеризуют изменения инерционных нагрузок в процессе работы манипуляционной системы, # то они играют существенную роль при рассмотрении колебательных процессов. Кроме того, ускорения второго порядка в сочетании с упругостью звеньев влияют на точность и динамический режим манипуляционной системы. Знание законов изменения ускорения второго порядка позволяют удовлетворять высокие требования к точности роботов.

При изучении динамики манипуляционных систем необходимо иметь математическое описание в виде уравнений движений сил и моментов, действующих в сочленениях, уравнений скоростей и Ш w ускорении.

Обычно временной интервал движения выходного звена манипулятора складывается из времени разгона и времени торможения (режим установившегося движения соответствует, в большинстве случаев, минимальному интервалу времени). Ускорения в этих режимах достигают наибольших значений. В таких условиях важное значение имеет интенсивность нарастания ускорения, то есть приемистость робота (в режиме разгона) или уменьшения ускорения (в режиме торможения).

Дальнейшее повышение качества манипуляционной системы неразрывно связанно с внедрением новейших научных исследований, в том числе в отношении ускорений высших порядков, следовательно, изучив возможность влиять на характер изменения ускорений второго порядка путем целенаправленного метрического синтеза манипулятора, получим способы уменьшения динамических нагрузок, в том числе ударных, что, соответственно, приведет к повышению точности робота.

Из выше сказанного вытекает, что актуальность темы определяется необходимостью улучшения динамических и точностных свойств робота. Одним из путей достижения этого является снижение интенсивности нарастания инерционных сил, то есть снижение причин, вызывающих колебательные процессы.

В настоящей диссертации предложены теоретические предпосылки к решению задач уменьшения инерционных нагрузок звеньев, сил взаимодействия в сочленениях манипуляционной системы, путем получения соответствующего характера изменения ускорений второго порядка в процессе работы манипуляционной системы.

На защиту выносятся следующие теоретические разработки:

1. Возможность минимизации ускорений второго порядка путем целенаправленного метрического синтеза манипуляционной системы.

2.Улучшение свойств манипуляционной системы за счет уменьшения ускорений второго порядка.

3. Возможность изменять ускорения второго порядка путем рационального включения приводов манипуляционной системы.

4. Определение влияния режимов работы манипуляционной системы (законов движения звеньев) на ускорения второго порядка.

5. Связь колебательных процессов манипуляционной системы с характером изменения ускорений второго порядка.

Заключение

1. В работе даны рекомендации по возможности снижения экстремальных значений ускорений второго порядка и достижения плавного характера их изменения в течение кинематического цикла движения рабочего органа манипулятора, что является важным условием для улучшения динамических качеств манипулятора.

2. Показано, что особое значение имеет изменение ускорений внутри цикла движения, так как эти изменения связаны с возрастанием или уменьшением инерционных нагрузок, которые вызывают дополнительные нагрузки на звенья и кинематические пары. Эти нагрузки приводят к возникновению колебательных процессов, что, в свою очередь, приводит к ухудшению точности позиционирования.

3. Циклические изменения ускорений второго порядка рабочих органов манипуляторов описаны характерными для каждой структуры манипулятора семействами кривых для различных типоразмеров данного манипулятора. Приведена связь ускорений и ускорений второго порядка рабочего органа, построены годографы ускорений и ускорений второго порядка, которые наглядно иллюстрируют характер изменения ускорений второго порядка по величине и направлению. Эти годографы дают возможность определить положение, где ускорения второго порядка резко возрастают, что приводит к скачку ускорений, следовательно, и инерционных нагрузок.

4. Показано, что для улучшения условий позиционирования необходимо иметь плавное нарастание или уменьшения ускорений, что определяется характером изменения ускорений второго порядка.

5. Также показано, что величина, ускорения второго порядка зависит от последовательности включения приводов в степенях подвижностей. Таким образом, видно, что в зависимости от характера выполняемых роботом работ, от времени разгона и торможения робота можно назначить такую последовательность включения приводов, которая удовлетворяла бы поставленным условиям, то есть получить ту интенсивность нарастания или уменьшения ускорения, при которой были бы наилучшие условия работы, обусловленные характером изменения инерционных нагрузок.

6. Величины инерционных сил, характер их изменения определяют нагрузки в кинематических парах, а так же величины моментов сопротивления. Следовательно, можно сказать, что изменениями ускорений, определяемыми ускорениями второго порядка, можно получать уменьшения необходимой мощности привода.

7. Показано, что при одновременном включении всех приводов в степенях подвижностей пространственного манипулятора больших величин достигают Кариолисовы ускорения второго порядка, что может привести к развороту манипуляционной системы относительно вертикальной оси, что крайне нежелательно. Поэтому, если манипуляционная система обладает большими массами, то возникают большие инерционные нагрузки, поэтому «скачок» этих ускорений для таких систем приведет не только к ошибкам позиционирования, но и к изменению конфигурации манипулятора из-за стремления Кариолисова ускорения развернуть манипуляционную систему вокруг вертикальной оси.

8. Характер изменения ускорения второго порядка на рабочем органе манипулятора носит монотонный характер, причем численные значения меняются в зависимости от метрических соотношений звеньев манипулятора.

9. Показано, что при рациональном выборе метрических соотношений звеньев, можно получить внутри цикла движения такой характер изменения ускорений второго порядка, при котором не будет скачков ускорений, а, следовательно, скачков сил инерции (ударов).

10. Показано, что при решении задачи определения точности позиционирования робота, необходимо учитывать упругость звеньев и наличие переходных процессов при их движении.

11. Приведены формулы, используя которые, при наличии всех выходных данных манипуляционной системы, можно, произведя последовательный расчет, получить:

- численные значения, характеризующие ошибку положения рабочего органа,

- максимальное значение дополнительной динамической нагрузки и интенсивность ее изменения, возникающие в манипуляционной системе, когда звенья робота работают в режиме переходного процесса (начало и конец движения).

12. Проделанная работа позволяет на стадии проектирования робота улучшить динамические характеристики рабочего органа манипулятора путем метрических преобразований манипулятора. Проведенные расчеты показали, что метрические соотношения звеньев манипулятора существенно влияют как на величину ускорений второго порядка, так и на их направления. Таким образом, появляется возможность путем метрического синтеза получить такой характер изменения ускорений второго порядка, чтобы в момент разгона получить более интенсивное нарастание ускорения, то есть увеличить приемистость. С другой стороны, в конце цикла движения получить такое ускорение второго порядка, чтобы иметь возможность уменьшить время торможения.

1. Белянин П. Н. Состояние и развитие техники роботов // Проблемы машиностроения и надежность машин. РАН. - 2002. - №2. - с. 85-96.

2. Белянин П. Н. Робототехнические системы для машиностроения. -М.: Машиностроение, 1986.

3. Белянин П. Н. Кинематические схемы, системы и элементы промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1992.

4. Челпанов И.Б. Устройства промышленных роботов. Спб.: Политехника, 2001.

5. Болотин J1.M. Аттестация геометрических параметров промышленного робота, программируемого аналитическим способом. Механизация и автоматизация ручного труда. М.: 1984. - с. 88-94.

6. Калибровка промышленных роботов / Корзун А.Н., Кукороко Е.И. и др. Минск: БелНИИТИ, 1990.

7. Точностные модели промышленных роботов / Никофоров С.О., Мархадаев Б.Е. Томск, 1998.

8. Исследование влияния конфигурации манипулятора на ошибки позиционирования схвата. Робототехника / Иовлев В.Ю., Кормуков А.Н. -Л.: МПИ, 1979.-с. 57-64.

9. Илюхин Ю.В. Синергетический (мехатронный) подход к проектированию систем управления технологических роботов // Мехатроника. 2000. - №2. - с. 25-29.

10. Ю.Подураев Ю.В. Основы мехатроники. Уч. Пособие. М.: МГТУ Станкин, 2000.

11. Система технического зрения / Михайлов Б.Б. Письменный Г.В., Корнеев А.Ю. М.: Машиностроение, 1991.

12. Основы динамики промышленных роботов / Коловский М.З., Слоущ А.В. М.: Наука, 1998. - 240 с.

13. Коловский М.З. О точности механизмов промышленных роботов // Технология легкой промышленности. 1986. - №1.- с. 109-114.

14. Расчет механических систем приводов с зазорами / Вейц B.JL, Кочура А.Е., ЦаревГ.В. М.: Машиностроение, 1979. - 183 с.

15. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях / Граковский В.А., Сирая Т.Н. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

16. Управление движением манипулятора с учетом упругих колебаний стрелы / Болотник Н.И., Гукасян А.А // Изв. АНСССР. Механика машин. 1976.-вып. 51,с. 66-99.

17. Влияние изгибностной упругости «руки» робота на его движение при релейном управлении / Воробьев Е.И. // Механика машин. вып. 51. -1976.-с. 66-99.

18. Динамика управляемых движений упругого манипулятора / Черноусько Ф.Л. // Изв. АНСССР. Техн. Кибернетика. №5. - 1981. -с. 142-152.

19. Моделирование динамики манипулятора с упругими звеньями / Акуленко Л.Д., Михайлов С.А., Черноусько Ф.А. И Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1981. - №3. - с. 118-124.

20. Белоножко П.А. К математическому описанию динамики манипулятора с упругими звеньями. Киев, 1984.

21. Метод расчета на жесткость сверхлегких промышленных роботов / Кравченко Н.Ф. //Вестник машиностроения. 1986. -№ 1.-е. 9-13.

22. Корытко О.Б. Юдин В.И. К расчету собственных частот манипулятора промышленного робота в общем случае. В кн.: Управление робототехническими системами и их очувствление. - М.: Наука, 1983 .-с. 224-231.

23. Моделирование динамики манипулятора при вибрациях основания / Аксельрод Б.В., Вуйич Д., Вукобратович М., Черноусько Ф.А. // Механика твердого тела. 1987. - №2. - с. 59-64.

24. Динамика управляемых движений упругого робота-манипулятора. / Гуляев В.И., Завражина Т.В. // Механика твердого тела. № 5. - 1998. -с. 57-64.

25. Кинематическая точность механизмов относительного манипулирования / Морозов А.В., Афонин В.А., КовалевВ.Е. // Проблемы машиностроения и надежности машин. -1990. №1, с. 61-68.

26. Динамика промышленных роботов // Кочетков JI.B., Челпанов И.Б., Бржозовский Б.М. Саратов: Сарат. гос. тех. ун-т, 1999. - 136 с.

27. Пшихопов В.Х. Математические модели манипуляционных роботов. Уч. пособие. Таганрог: Из-во ТРГУ, 2004. - 112 с.

28. К теории ускорений высших порядков. Теоретическая механика. / Кононенко Т.Н. // Сб. статей. Высшая школа, 1976. - с. 44-48.

29. История проблем ускорений высших порядков / Боголюбов А.И. // Сб. статей. М.: Наука, 1981. - с. 114-127.

30. Боголюбов А.И. Советская школа механики машин. М.: Наука, 1975.-е. 174.3306 ускорениях разных порядков / Сомов О.И. // Записки имп. академии наук. 1864. - т. V, приложение №5. - с. 1-50.

31. Note sur les princines de la mecanique / Transon A. // Journal de ^ Mathematiques pures et appliquees publie par Joseph Loiuville. Tome X.1. Paris.: 1845. p. 320-326.

32. Лигин В.Н. Заметка об ускорениях высших порядков в движении неизменяемой системы. Одесса, 1873. - 23 с.

33. Лигин В.Н. Обобщение некоторых свойств движения системы. -• Одесса, 1873. 36 с.

34. Burmester L. Lehrbuch der Kinematik. Leipzig, 1888.