автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Промышленные роботы с новыми типами пневмоприводов и вакуумными устройствами

Введение

Глава 1. ПНЕВМПРИВОДЫ В СХВАТАХ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ i.i. Уравнения движения тшевм одвигателя одностороннего действия

1.2. Уравнения движения пнев модвигателя двустороннего действия

1,3. Требования к пневмодвигателям схватов ПР

1.4, Типовые схемы механизмов плоских схватов и задачи их синтеза

Выводы по главе

Глава 2. ТРАНСПОРТНЫЕ ПНЕВМОДВИГАТЕЛИ И СИСТЕМЫ Л Г\

2.1. Трубопро водные пневмотранс поршые устройства и системы

2.2. Пневмотранспортная система с магнитным взаимодействием поршня с кареткой

2.3. Пневмотранспортная система фирмы SMC

2.4. Математическая модель механики пневмотранс-портной системы

Выводы по главе

Глава 3. ПНЕВМОМУСКУЛЫ И ВАКУУМНЫЕ ЗАХВАТНЫЕ УСТРОЙСТВА

3.1. Схемы и конструкции пневмомускулов

3.2. Некоторые задачи расчета пневмомускулов

3.3. Вакуумные захватные устройства промышленных роботов

3,4, Пути расширения функциональных возможностей вакуумных захватных устройств

3.5. Системы создания вакуума в робототехнике

Выводы по главе

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕ-ЧЕИСКАТЕЛЯ ДЛЯ ИНСПЕКЦИОННОГО ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА

4.1. Типаж магниторазрядных течеиекателей

4.2. Физическая модель магниторазрядного течеискате- ля

4.3. Методика расчета порога чувствительности

4.4. Исследование характеристик насоса УО

4.5. Исследование характеристик селективной мембраны

4.6. Исследование характеристик устройства зажигания разряда

4.7. Исследование характеристик отка много поста

4.8 Испытание модели

4.9. Определение порога чувствительности модели

Выводы по главе

В общем парке промышленных роботов (ПР) значительную долю всегда составляли и составляют роботы с пневмоприводом [2, 8, 9, 12, 14, 23, 46, 49, 53, 57, 68, 81, 85, 91, 93, 96, 102]. Этот класс ПР занимает вполне определенную нишу. Чаще всего это вспомогательные (обслуживающие) ПР малой грузоподъемности, до 10 кг и с цикловым управлением. Очень часто пневмопривод по степеням подвижности является двухпозиционным, перемещение осуществляется от упора до упора, причем при отключении давления обеспечивается надежное позиционирование на этапах выстоя.

В восьмидесятых годах XX века достаточно простые по конструкции и относительно дешевые вспомогательные ПР с пневмоприводом составляли около 40 % [85, 91]. Такие ПР использовались и используются чаще всего для обслуживания быстродействующего технологического оборудования (например, кузнечно-прессового). Кроме того, пневмопривод преимущественно используется в самобалансирующихся манипуляторах (манипуляторах с автоматическим уравновешиванием груза) [11, 57, 82], которые хотя формально не относятся к ПР, но сходны с ними по конструкции. Необходимо отметить, что даже в тех случаях, когда основные приводы по степеням подвижности не являются пневматическими, для некоторых механизмов (например, схватов) пневмоцилиндры оказываются незаменимыми. Особое внимание к пневмоприводам в робототехнике выразилось, в частности, в том, что в этой области было утверждено и действует большое число государственных стандартов [25-30, 33, 35].

Важными достоинствами пневмопривода всегда считалась большая удельная мощность (мощность на единицу массы двигателя), возможность работы от центральной пневмомагистрали, нечувствительность к таким факторам, как большие перепады температур, а при действующей системе подготовки воздуха - как загрязнение среды. В некоторых отраслях техники важны свойства пожаробезопасности (при работе во взрывоопасных средах), санитарной безопасности (для предприятий пищевой промышленности), экологичности. Методы расчета и проектирования пневмоприводов хорошо разработаны [19, 20, 21, 22, 40, 48, 57, 70, 71, 77, 78, 79]. К числу отрицательных качеств пневмопривода обычно относят сжимаемость воздуха, что значительно осложняет управление.

Однако в последнее десятилетие появились новые типы пневмопривода. К их числу относятся бесштоковые пнемоцилиндры и транспортные системы, а также пневмомускулы. Они были изобретены достаточно давно, они существовали в макетах в течение десятилетий, но пригодные для эксплуатации конструкции на основе новых технических решений и применения новых материалов были созданы только в последние годы, после чего некоторые ведущие фирмы стали выпускать их серийно. Серийный выпуск сопровождается рекомендациями по выбору и применению. Однако теория подобных пневматических устройств к настоящему времени не была разработана.

Низкий вакуум (порядка нескольких сотых МПа) традиционно находил применение в рабочих органах, а именно, в вакуумных схватах ПР [53, 97]. В робототехнике имеются перспективы более широкого применения низковакуумных технологий, в том числе и в приводах. Высокий вакуум не может быть использован в приводах ПР, однако в последние годы вакуумные устройства стали находить применение в качестве рабочих органов технологических ПР. К их числу относятся вакуумные течеискатели [13, 18, 86, 87]; оснащенные ими ПР выполняют роль контрольных автоматов, предназначенных для контроля герметичности и поиска микротрещин вакуумных камер путем сканирования их поверхностей. Применительно к использованию течеискателей в качестве рабочих органов контрольных и инспекционных ПР оказалась необходимой доработка теории, а также их конструкций и элементов.

Материал диссертации, в которой приводятся результаты проработки теории новых типов пневмоприводов и устройств объединен идеей нетрадицинного использования (применительно к новым конструкциям и устройствам) в робототехнике воздуха как рабочего тела. В силу всего сказанного выше тема данной диссертации представляется актуальной.

Целью диссертации является разработка инженерной теории и научных основ методик расчета новых пневматических и вакуумных устройств вспомогательных и специальных контрольных промышленных роботов.

Для достижения указанной цели в диссертации поставлены следующие задачи:

- систематизация необходимых сведений по технической теории пневмоприводов, построение и оптимизация пневмоприводов с механизмами преобразования движений;

- получение и обоснование рекомендаций по выбору принципиальных и схемных решений пневмоприводов захватных устройств;

- построение математических моделей и теоретическое исследование пневматических бесштоковых транспортных роботов и транспортных систем с магнитной связью между поршнем и кареткой;

- построение математических моделей и аналитическое исследование характеристик пневмомускулов, построенных на упругих армированных оболочках;

- доработка теории вакуумных захватных устройств, их схемных и конструктивных решений и источников вакуума для них; совершенствование течеискателей применительно к их использованию как рабочих органов контрольных промышленных роботов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- методика синтеза пневмоприводов схватов;

- рекомендации по выбору параметров и применению бесштоковых пневматических систем;

- рекомендации по выбору параметров вакуумных захватных устройств, обеспечивающих базирование захватываемых объектов различных форм;

- методика расчета и результаты испытаний магниторазрядных течеискателей высокой чувствительности.

Материал диссертации разделен на четыре главы.

В первой главе значительное место уделяется сведениям по математической теории и методике анализа динамики пневмопривода. В качестве основной рассматривается задача синтеза пневмопривода, разрабатывается методика определения параметров пневмодвигателей и выбора схемных решений механизмов для схватов, захватных устройств зажимного типа. Проводится сопоставительный анализ различных принципиальных и схемных решений.

Во второй главе рассматриваются бесштоковые пневмоцилиндры и бесштоковые транспортные системы. Их отличительной особенностью является то, что связь поршня, находящегося внутри цилиндра, и каретки, перемещающейся снаружи, осуществляется не через механическую связь, а через магнитное взаимодействие. Это позволяет формировать длинные трассы, имеющие как прямолинейные, так и криволинейные участки, полностью герметизировать внутренние полости, но порождает ряд проблем, связанных, в первую очередь, с ограничением несущей способности и появлением новой упругой степени подвижности. Строятся математические модели, на которых затем исследуются движения, получающиеся в механических системах рассматриваемого типа, формулируются рекомендации по выбору параметров.

В третьей главе рассматриваются пневмомускулы и вакуумные захватные устройства ПР. Пневмодвигатель нового типа одностороннего действия - пневмомускул - представляет собой надувную армированную оболочку из легко деформируемого материала. Получены условия сокращения или удлинения при подаче давления, построены механические характеристики. Вакуумные захватные устройства чаще всего используются для захватывания плоских деталей, в данной главе основное внимание обращается на свойства базирования по некоторым координатам, и способы создания низкого вакуума, в том числе и нетрадиционными способами, с помощью сильфонов.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчета магниторазрядного течеискателя, предназначенного для использования в качестве чувствительного датчика контрольного робота, предназначаемого для контроля герметичности. На базе проведенных экспериментальных исследований предложены конструкции двух вариантов вакуумных модулей и малогабаритных блоков измерения портативного течеискателя. Исследованы мембранные кварцевые течи, определены характеристики насоса, проведено испытание модели по определению чувствительности, порога чувствительности.

Основные результаты работы представлены в двух опубликованных статьях. Диссертация прошла апробацию на кафедрах «Автоматы» и «ИМТ» СПбГПУ.

Основные результаты диссертационной работы формулируются следующим образом.

1. Установлена специфика статических расчетов при проектировании певмоприводов для схватов ПР: в первую очередь определяется требуемая энергия за один ход, а затем подбирается механизм передачи. Исходя из условий надежности удерживания объектов заданной номенклатуры, задается зависимость усилия захватывания от параметра раскрытия схвата. Проведенный сопоставительный анализ механизмов передачи дает возможность обоснованно выбирать схемы и основные параметры схватов ПР.

2. Пневмотранспортные бесштоковые системы с магнитной связью между поршнем и кареткой позволяют осуществлять перемещения на большие расстояния по сложным трассам. Показано, что силовые возможности пневмотранспортных систем определяются как пневмоприводом, так и магнитным взаимодействием поршня с кареткой. В построенной модели рассматриваемого привода, как колебательной системы, необходимо учитывать значительное увеличение объема рабочей полости трубопровода и вследствие этого значительное снижение низшей собственной частоты.

3. Исследована возможность использования в качестве двигателей роботов с цикловым программным управлением пневмомускулов, армированных ромбической сеткой корда. Показано, что в зависимости от угла укладки корда пиевмомускулы могут работать или на стягивание, или на раздвижение.

4. Предложена система приемов, которые позволяют значительно расширять область применения вакуумных захватных устройств за счет профилирования контура камеры и установки упоров, обеспечивающих базирование переносимых объектов.

5. Показано, что в некоторых случаях целесообразно применение в пневмодвигателях низкого вакуума вместо сжатого воздуха. При этом целесообразно применять сильфоны, деформируемые при выполнении движений.

6. На базе проведенных исследований предложены конструкции двух вариантов вакуумных модулей и малогабаритных блоков измерения портативного течеискателя. Исследованы характеристики насоса, проведено испытание модели по определению чувствительности, порога чувствительности, срока службы.

7. Исследованы характеристики разработанного магниторазрядного насоса, исследованы мембранные кварцевые течи, течей с прогревом до 250

С.

8. Определена теоретическая и экспериментальная чувствительность модели течеискателя по парциальному давлению гелия в атмосфере или величине потока гелия. Разработан и изготовлен откачной пост безмасляной откачки на сорбционных насосах, предназначенный для предварительной откачки и тренировки модели.

Публикации автора по теме диссертации

А1. Челпанов. И.Б; Ле Дык Тхинь. Пневмомускулы в робототехнике: пневмодвигатели на основе армированных упругих оболочек // В сб. Вакуумная техника и технология, Т12, 2002, № 4.

А2. Jle Дык Тхинь. Современное вакуумное оборудование в робототехнике//

В сб. Вакуумная техника и технология, Т12, 2002, № 4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Автоматизация дискретного производства.// Под ред. Е.И.Семенова и Л.И.Волчкевича. М.: Машинотроение; София: «Техника», 1987.

2. Андре П., Кофман Ж-М., Лот Ф., Тайар Ж-П. Конструирование роботов. М.: Мир, 1986.

3. Алексеев П.В. Разработка методов расчета и проектирования линейных электромагнитных приводов средств автоматизации технологических процессов. Кандидатская диссертация. СПбГТУ, 2000.

4. Алексеев П.В., Волков А.Н. Цикловые приводы технологического оборудования. Тр. П всероссийской н.-т. конф. «Фундаментальные исследования в технических университетах». СПб.: СПбГТУ, 1998.

5. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975.

6. Артоболевский И.И., Эделыитейн Б.В. Сборник задач по теории механизмов и машин. М.: Наука, 1975.

7. Артоболевский. И.И. Механизмы в современной технике. Справочное пособие для инженеров, конструкторов, изобретателей. В 7-ми томах. М.: Наука, 1979.

8. Белянин П.Н. Промышленные роботы и их применение. М.: Машиностроение, 1983.

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

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

11. Белянин П.Н. Состояние и развитие техники роботов. // Проблемы машиностроения и надежность машин. РАН, 2000, № 2, с. 85 96.

12. Бурдаков С.Ф., Дьяченко В.А., Тимофеев А.Н. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. М.: Высшая школа, 1986.

13. Вакуумная техника. Справочник. Е.С.Фролов, В.Е.Минайчев,

14. A.Т.Александрова и др./ Под ред.Е.С.Фролова.М.: Машиностроение, 1985. М.Великович В.Б., Жаппаров Н.Ш., Кагановский И.П. Робототехника в1. России. М.; 1992.

15. Веселовский В.В. Кинематика манипуляторов. М.: изд. МИЭРА, 1991.

16. Волков А.Н., Гончаров Б.Н., Дьяченко В.А., Клюкин В.Ю. Целевые механизмы автоматов. Учебн. пособие. Л.:ЛПИ, 1988.

17. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971.

18. Востров Г.А., Большаков О.И. Проницаемость стекол для гелия, ПТЭ, №2, 1966,, т. 10, №3.

19. Герц Е.В. Динамика пневматических систем машин. М.Машиностроение, 1985.

20. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Синтез пневматических приводов. М.:Машиностроение, 1966.

21. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. М.Машиностроение, 1975.

22. Герц Е.В., Кудрявцев А.И., Ложкин О.В. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник. М.: Машиностроение, 1981.

23. Гибкие производственные комплексы/ Под ред. П.Н.Белянина и

24. B.А.Лещенко. М.: Машиностроение, 1984.

25. В. В. Голоскоков, В. Е. Кузьмина, Л. Е. Левина, В. В. Панюшкин, В. В. Пименов Магниторазрядный индикатор гелия. ПТЭ №1, 1973.

26. ГОСТ 12449-80 Пневмоприводы. Номинальные расходы воздуха.

27. ГОСТ 15608-81Е Пневмоприводы поршневые. Технические условия.

28. ГОСТ 17752-81 Гидропривод объемный и пневмопривод. Термины и определения.

29. ГОСТ 18460-91 Пневмоприводы. Общие технические требования.

30. ГОСТ 19862-93 Пневмоприводы. Методы измерения параметров.

31. ГОСТ 21251. Пневмораспределители пятилинейные золотниковые.

32. ГОСТ 25685-83 Роботы промышленные. Классификация.

33. ГОСТ 25686-85 Манипуляторы, автооператоры и промышленные роботы. Термины и определения.

34. ГОСТ 26059-89 Роботы промышленные. Пневмодвигатели исполнительных устройств. Типы, основные параметры и присоединительные размеры.

35. ГОСТ 26063-84 Роботы промышленные. Устройства захватные. Типы, номенклатура, основные параметры, присоединительные размеры.

36. ГОСТ 30008-93 Пневмоприводы. Пневмоцилиндры. Диаметры цилиндров и размеры резьбовых отверстий.

37. ГОСТ 30097-93 Роботы промышленные. Системы координат и направления движений.

38. ГОСТ 4.480-87 СПКП. Роботы промышленные.Номенклатура основных показателей.

39. ГОСТ 30286-94 Роботы промышленные. Представление характеристик

40. Динамика машин и управление машинами.// Под ред. Г.В.Крейнина. М.: Машиностроение, 1988.

41. Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение, 1973.

42. Дубина А.Г. Машиностроительные расчеты в среде EXCEL. СПб: «bhv», 2000.

43. Дьяконов В.П. Mathematica 4. Учебник. СПб: «Питер», 2001.

44. Дьяконов В.П. Mathcad 8 PRO в математической физике и Internet. М.: "Нолидж", 2000.

45. Дьяконов В.П. Mathlab. Учебный курс. СПб: «Питер», 2001.

46. Дьяконов В.П, Круглов В.Г. Математические пакеты расширения Mathlab. Спец. справочник. СПб: "Питер", 2001.

47. Жавнер B.JI., Крамской Э.И. Погрузочные манипуляторы. М.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1975.

48. Жданович В.Ф., Гай Л.Б. Комплексная механизация и автоматизация в механических цехах. М.: Машиностроение, 1976.

49. Ибрагимов И.А., Фарзане Н.Г., Ильясов Л.В. Элементы и системы пневмоавтоматики М.Машиностроение, 1984.

50. Иваненко И.Б., Радченко Г.Ф. Механика промышленных роботов. Киев: Общ-во «Знание», 1981.

51. Иванов А.А. Гибкие производственные системы в приборостроении. М.: Машиностроение, 198851 .Кинематика, динамика и точность механизмов. Справочник. Под ред. Крейнина Г.В. М.: Машиностроение, 1984.

52. Кобринский А.А., Кобринский А.Е. Манипуляционные системы роботов: Основы устройства, элементы теории. М.: Наука, 1985.

53. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы. Справочник. М.-.Машиностроение, 1983.

54. Коловский М.З., Слоущ А.В. Основы динамики промышленных роботов. М.: Наука, 1988.

55. Колпашников С.Н., Тимофеев А.В., Челпанов И.Б. Стандартизация промышленных роботов. М.: изд. Стандартов, 1990.

56. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. и др. Манипуляционные системы роботов. М.: Машиностроение, 1989.

57. Королев В.А. Пневматические приводы роботов. Учебное пособие. Л: ЛПИ, 1986.

58. Кочетков А.В., Челпанов И.Б., Бржозовский Б.М. Динамика промышленных роботов. Изд. СГТУ: Саратов, 1999.

59. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. М.: Машиностроение, 1981.

60. Крутенко В.Л., Акинфиев Т.С., Бабицкий В.И. Манипуляционные системы резонансного типа // Машиноведение, 1982.

61. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000. М.: ДМК-Пресс, 2001.

62. Кукушкин А.П. Расчет пневмопривода. Л: ЛПИ, 1969.

63. Курс теоретической механики. //Под ред. К.С.Колесникова. М.: изд. МГУ им. Н.Э.Баумана, 2000.

64. Лазарев Ю.Ф. Mathlab 5Х. СПб: «bhv», 2000.

65. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. М.; Наука, 1979.

66. Маркеев А.П. Теоретическая механика. М. «ЧеРо», 1999.

67. Матросов А.С. Maple 6. Решение задач высшей математики и механики. СПб: «bhv», 2001.

68. Механика машин.// Под ред. Г.А.Смирнова. М.: Высшая школа, 1996.

69. Механика промышленных роботов. В трех книгах./ Под ред. К.В.Фролова и Е.И.Воробьева. М.: Высшая школа, 1988.

70. Механические системы вакуумно-космических роботов и манипуляторов. Теория, расчет, проектирование, применение. Учебное пособие для вузов/ Под ред. Н.В.Василенко и К.Н.Явленского. Красноярск, МГП «РАСКО», 1998.

71. Навроцкий К.Л. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1991.

72. Нагорный B.C., Денисов А.А. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем. М.: Высшая школа, 1991.

73. Панфилов Ю.В., Рябов В.Т., Цветков Ю.Б. Оборудование производства интегральных микросхем и промышленные роботы. Учебник для техникумов. М.: Радио и связь, 1988.

74. Пеньков В.Б. Механика манипуляционных систем. Тула: изд. ТПИ, 1990.

75. Петров Б.А. Манипуляторы. М.: Машиностроение, 1984.

76. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник под ред. Е.В.Герц. М.: Машиностроение, 1981.

77. Пневмоавтоматика. Учебное пособие. Международные курсы.СПб: SMC, 2001.

78. Погорелов В.И. Газодинамические расчеты пневматических приводов. M.-JL: Машиностроение, 1971.

79. Попов В. Ф. Компьютерная аттестация магниторазрядных микронасосов. Материалы 9-ой конференции «Вакуумная наука и техника», 2002.

80. Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники: введение в специальность. Учебник для вузов. М.: Высш. Шк. 1990.

81. Попов М.В. Сбалансированный манипулятор с уравновешиванием груза. Вестник машиностроения, 1999, № 2.

82. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов Mathlab 5.Х. МММ.: «Диалог-МИФИ», 2000.

83. Проектирование и разработка промышленных роботов./.Под ред. П.Н.Белянина и Я.А.Шифрина. М.: Машиностроение, 1989.

84. Промышленные роботы. Каталог. М.: ВНИИИМаш, 1981.

85. Розанов J1.H. Вакуумная техника. М.: Высшая школа, 1982.

86. Розанов Л. Н. Тенденции развития течеискания, ВТТ, 2000 , т. 10, №3.

87. Рыжиков Ю.И. Решение научно-технических задач на персональном компьютере. СПб: "Корона-принт", 2000.

88. Слюсарев А.Н., Малахов М.В., Нейбергер Н.А. Механические системы промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1992.

89. Смольников Б.А. Проблемы механики и оптимизации роботов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991.

90. Современные промышленные роботы. Каталог. //Под ред. Ю.Г.Козырева и Я.А.Шифрина. М.: Машиностроение, 1983.

91. Спиваковский А.О., Дьячков В.К. Транспортирующие машины. М.: Машиностроение, 1983.

92. Справочник по промышленной робототехнике: В 2 книгах. Пер. с англ. /Подред. Ш. Нофа. М.: Машиностроение, 1990.

93. Тахвелидзе Д.Д. Методы исследований и расчета исполнительных механизмов манипуляционных роботов. Тбилиси: Изд-во ун-та, 1984.

94. Цывильский В.Л. Теоретическая механика. М.: Высшая школа, 2001. 97.Челпанов И.Б. Устройство промышленных роботов. 2-ое изд. СПб,

95. Политехника», 2001. 98. Челпанов И.Б., Колпашников С.Н. Схваты промышленных роботов.

96. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1989. 99.Челпанов И.Б., Бржозовский Б.М., Кочетков А.В., Колпашников С.Н. Стандартизация и испытание промышленных роботов. Изд. СГТУ, Саратов, 1998.

97. Челпанов И.Б., Колпашников С.Н. Проблемы метрологического обеспечения испытаний промышленных роботов и гибких производственных систем // Стандарты и качество, 1986. N 1.

98. Черноусько Ф.Л., Болотник Н.Н., Градецкий В.Г. Манипуляционные роботы. М.: Наука, 1989.

99. Шисман В.Е. Точность роботов и робототехнических систем // Киев, Вища школа. 1988.

100. Юревич Е.И. Робототехника. Учебное пособие. СПб: изд. СПбГТУ, 2001.

101. SMC Пневматик ООО. Каталог продукции. СПб, 1998.