автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Рациональной выбор параметров звеньев манипулятора робота на основе анализа статических и динамических характеристик

Введение

Обзор литературы

1. Промышленные роботы и манипуляторы

1.1 Назначение область применения

1.2 Классификация промышленных роботов

1.3 Принципиальное устройство промышленного робота.

1.4 Основные понятия и определения структуры манипуляторов. Геометро- кинематические характеристики.

1.5 Жесткостные характеристики манипуляторов промышленных роботов.

1.6 Задачи статики упругих механизмов промышленных роботов.

1.7 Выводы по главе I

2. Анализ статической погрешности роботов со сферическими координатами при различной длине звеньев и конструктивных сечениях.

2.1 Расчетные схемы упругих элементов манипуляторов промышленных роботов.

2.1.1 Учет влияния сил тяжести и распределенной податливости звеньев.

2.1.2 Пример статического расчета.

2.2 Напряжение и статическая деформация пространственного манипулятора в его втором положении.

2.3 Напряжение и статическая деформация пространственного манипулятора в его третьем положении. 2.4 Выводы по главе П

3. Определение резонансной частоты манипулятора робота со сферическими координатами при различной длине звеньев и конструктивных сечениях

3.1 Расчетная схема упругого манипулятор.

3.2 Частотное уравнение поперечного колебания балок.

3.3 Метод начальных параметров.

3.4 Расчет свободных колебаний балки, состоящей из нескольких однородных участков матрица переноса).

3.5 Результаты исследования иллюстрирующего применение предложенного подхода.

3.6 Уравнение свободных колебаний в плоскости YZ.

3.7 Колебания неплоских стержневых систем.

3.8 Пространственные стержневые системы.

3.9 Выводы по главе Ш

4. Результат исследования

4.1 Пример статического и динамического расчета.

4.2 Сравнение с промышленным роботом манипулятором - модель IRP-6L.

4.3 Сравнение с промышленным роботом манипулятором - модель IRp

4.4 Выводы по главе IV

Проектирование манипуляторов роботов предполагает проведение расчетов и экспериментальных исследований, их механических характеристик, таких как прочность,жесткость, частоты и др.

Если при проведении прочностных расчетов могут быть в основном использованы традиционные методы, применяемые в машиностроении, то для расчета частотных , жесткостных, динамических, и некоторых других характеристик требуется создание дополнительных методов расчетов, обеспечивающих контроль конструкторской проработки по основным специфическим (точность позиционирования, минимум материалоемкости и др.), для такого класса машин, как манипуляторы роботов, характеристикам.

Актуальной является задача разработки эффективных методов расчета частотных и жесткостных характеристик манипуляторов роботов , которые позволили бы существенно сократить сроки проектирования новых и анализ существующих конструкций манипулятора робота (MP).

К современным ПР предъявляются комплекс жестких и во многом противоречивых требований. Требуются высокое быстродействие при заданной плавности движения, высокая точность отработки программных движений, минимальные масса и габаритные размеры исполнительных механизмов. Для повышения точности приходится прибегать к увеличению массы и моменты инерции подвижных частей .

Утяжеление конструкции роботов приводит к ухудшению их характеристик, снижению собственных частот. В результате это снижает производительность сборочных и транспортных операций.

Тяжелые механические конструкции требуют также применения мощных приводных механизмов, которые во многих случаях дополнительно нагружают предшествующие звенья, тем самым еще больше увеличивают общий вес системы . Так как динамические и статистические ошибки возникают при воздействии сил инерции ( и тяжести ), прямой метод повышения жесткости является недостаточно эффективным. Опыт роботостроения показывает , что для достижения приемлемого компромисса между этими противоречивыми требованиями упругая податливость элементов механизма MP в целом остается важнейшим фактором. Целенаправленные изменения некоторых параметров могут в значительной степени улучшить динамические характеристики системы в целом, т.е. можно говорить о выборе оптимальных жестко-стей основных конструктивных элементов. Для этого необходимы соответствующе методики и специализированные программные средства, учитывающие особенности кинематических схем и узлов конструкций MP. обычно существуют только общие качественные рекомендации о целесообразности увеличения жесткости и уменьшения масс и моментов инерции. Решение задачи оптимизации дополнительно усложняется из-за структуры механизмов MP, которые представляют собой, преимущественно, открытые, незамкнутые кинематические цепи относительно малой жесткости , по сравнению, например , со станками и другим технологическим оборудованием.

Все это определяет актуальность темы диссертации и обуславливает необходимость дальнейшего развития существующих методов расчета динамики упругих механизмов , с целью проектирования и синтеза оптимальных конструкций манипуляторов роботов ,что обеспечивает за счет расчета и анализа собственных частот пространственного упругого многозвенного манипулятора , создания методик определения угловых жесткостей при действии изгибающего и крутящего моментов, разработки способов повышения жесткости звеньев манипулятора робота, при этом методики , алгоритмы и программные средства должны быть удобны для исследования динамики упругих MP на этапе проектирования и при оптимизации их конструкций .

Для решения поставленных задач используются методы теоретической и аналитической механики , теории механических колебаний , сопротивления материалов, метод начальных параметров и программирования. Широко применение нашли в известной программе система mathcad.

Научная новизна:

1. На основе метода начальных параметров разработан метод расчета собственных частот пространственного многозвенного шарнирного манипулятора , содержащего упругие и абсолютно твердые элементы.

2. Разработана методика расчета угловой жесткости при действии внешнего изгибающего момента.

3. Созданы программы по определению частотных и жесткостных характеристик MP.

4. Решена задача снижения материалоемкости конструкции манипулятора при обеспечении требуемой жесткости за счет податливости манипулятора с одновременным уменьшением радиусов и веса звеньев MP.

5. Разработка методик построения динамических моделей пространственных частот , исследование зависимостей частот от конструктивных параметров.

Практическая значимость:

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при анализе конструкции MP на стадии проектирования, при оптимизации конструктивных параметров манипулятора. Применение программ расчета частотных и жесткостных характеристик позволяет повысить качество и сократить сроки проектирования новых конструкций манипуляторов . Методика определения собственных частот может также применяться для различных конструкций, представленных в виде многомассовой модели с заданными жесткостными характеристиками.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Построение расчетной модели упругого манипулятора и определение деформации манипулятора в абсолютной системе координат .

2. Расчет собственных частот упругого пространственного трехзвен-ного манипулятора с использованием начальных параметров метода.

3. Разработка программы на система mathcad по определению собственных частот манипулятора и проверка полученных результатов на контрольных вариантах.

4. расчет угловой жесткости звеньев манипулятора при действии на него изгибающего и крутящего момента.

5. Предложен алгоритм исследования модульных роботов. Определено влияние отдельных модулей на частоты колебаний и податливость звеньев робота.

6. Разработка методики и расчет влияния местных деформаций стенок тонкостенных конструкций выдвижной руки на упругую податливость механизма манипулятора.

7. Исследование зависимости частоты нелинейных свободных колебаний от постоянной нагрузки.

Диссертационная работа включает в себя: введение, обзор литературы, четыре главы , заключение и список литературы.

4.4 Выводы по главе IV

1. Приведён пример статического и динамического расчета, иллюстрирующего применение предложенного подхода, где показано что, для выбора сечения звена манипулятора с данной силовой нагрузкой, лучше выбирать второе положение (в котором четвертое звено вращается на 90° вокруг оси Y4 ) , для того что, бы конструкция манипулятора выполнила её задачи и не дала деформацию на конце последнего звена больше допустимой.

2. Сделано сравнение с промышленным роботом модель IRP-6L ,где показано что, можно уменьшить масса конструкции робота на 15кг если сделать сечение звеньев трубы как предложено.

3. Сделано сравнение с промышленным роботом модель IRP-60 , где показано что, третье положение звеньев робота (где третье и четвёртое звенья вращается но 90° вокруг Y3) дает самый максимальной размер профиля звена и самый большой вес между остальными результатами и этот профиль должен соблюдаться при выполнении конструкции робота, для того что бы погрешность центра захвата была в пределах допустимого и тогда, сделав сечение звеньев, как предложено мы сможем уменьшить вес конструкции модель IRP-60 на 125кг.

110

Заключение

1. Проанализировано влияние упругих свойств звеньев манипулятора робота, в зависимости от формы сечений звеньев, на погрешности позиционирования. И разработано методика учета этого влияние на величину погрешности позиция.

2. Разработана методика для определения упругих характеристик звеньев манипулятора робота. Применительно к трех звенному манипулятора робота со сферической системой координат предложены методы расчета, позволяющие определять местные деформации и учить податливость звеньев.

3. Решена задача статики упругой конструкции звеньев манипулятора с учетом упругости. В результате показано что, звено манипулятора робота с кольцевым сечениям при кручении является наиболее рациональным для использовании при проектирование робот в сравнении с другими формами сечений звена.

4. Предложены методики определении резонансных частот свободных колебаний манипулятора в зависимость от координаты положения конечного звена с учетом упругих характеристик звеньев. Разработана методики оценки влияние упругих характеристик на статические ошибки позиционирования и на частоты свободных колебаний.

5. Предложена общая методика определения упругих характеристик манипулятора робота, а так же отдельных звеньев и комбинаций их соединений.

6. Проведенное сравнении расчетов по предложенном в работе методикам показало, что применительно к моделям ПР (IRp-6L)h(IRp-60), использовании предложенных методик при проектировании этих роботов позволило бы при сохранения технических параметров уменьшить их массу более чем на 15%.

7. Предложена методик, особенно важны при проектирование роботов для экстремальный сред с ограниченным энергоресурсом , на пример для космических и подводный роботов.

Ill

1. Уикер Дж.Дж. Динамика пространственных механизмов . Часть 1, Малые колебания относительно положения равновесия . Часть 2, Конструирование и технология машиностроения. М. , Мир, 1969, № 1 с.264-278.

2. Гореневский Д.М. Динамике манипулятора с учетом податливости шарниров . Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1983, № 6 ,с.43-48.

3. Градецкий В.Г. , Гукасян А.А., Груздев А.И., Черноусько Ф.Л. Овлиянии упругой податливости конструкции роботов на их динамику. Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1985, № 3, с.63-71.

4. Иовлев В.Ю. Учет влияния сил тяжести и распределенной податливости звеньев на частоту свободных колебаний механизмов манипулятора. -Труды ЛПИ, 1982, № 386, с.134-138.

5. Исполов Ю.Г., Саблин А.Д., Сорин В.М. Упругие колебания электромеханического робота .- В кн: Робототехника, Л., 1977, с.81-87.

6. Котов Е.А., Попов Е.П. Исследования многочастотных колебаний в механических системах манипуляционных роботов. 2 Все союзный съезд по теории машин и механизмов: Тезисы докладов, киев: Наук. Думка, 1982. с.43.

7. Гребенников О.П., Коловский М.З., Миркина А.С. Определение динамических ошибок механизмов промышленных роботов. Машиноведение, 1980, № 3, с.33-39.

8. Осадченко Н.В. Динамический анализ сложных механических систем на УВМ. В кн: Роботы и робототехнические системы., М., 1982 , с. 112-115 (Тр. МВТУ им. Н.Э. Баумана, № 383).

9. Промышленная робототехника /Под ред. Я.А. шифрина /-М., Машиностроение, 1982-С.415.

10. Иовлев В.Ю., Смольнков Б.А. Исследование колебательных свойств двухзвенного манипулятора. В кн: Робототехника., JL, 1977, с.66-72.

11. Воробьев Е.И., Махортых Ж.К. Колебания упругой " руки" промышленного робота при позиционировании. Науч. Труды ВЗМИ , том II, 1975, вып. 2, с.180-184.

12. Бутырин С.А. , Елисеев С.В. Управление манипулятором с учетом динамики исполнительного органа.- В кн: Управляемые механические системы. Иркутск, 1980, с. 130-146.

13. Солдаткин Е.П., Критский Д.Р. , Найманов В.Я. Методика составления имитационной модели шарнирных механизмов. Изв.вузов. машиностроение, 1983, № 10,с.46-48.

14. Черноусько Ф.Л., Динамика управляемых движений упругого манипулятора. -Изв. АН СССР. Техн. Кибернетика, 1981, № 5, с.142-152.

15. Болотник Н.Н., Гукасян А.А. Управление движением манипулятора с учетом упругих колебаний стрелы. -Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1984, №4, с.38-46.

16. Воробьев Е.И. Влияние изгибной упругости "руки" робота на его движение при релейном управлении. -Механика машин., 1976, вып.51, с.66-69.

17. Воробьев Е.И. динамика и моделирование пространственных механизмов роботов и манипуляторов с упругими звеньями. Всес. Совещание по робототехническим системам. Владимир, 1978, Тезисы докладов, М., Наука, с. 188.

18. Кузнецов Н.К. О демпфировании упругих колебаний манипуляторов. -В кн: Управляемые механические системы .Иркутск. 1978, с.89-101.

19. Попов А.Н. , Тимофеев А.Н. Вопросы выбора параметров несуших конструкций промышленных роботов 2 всесоюзный съезд по теории машин и механизмов : Тезисы докладов, Киев: Наук. Думка ,1982, с. 104.

20. Кравченко Н.Ф. Метод расчета на жесткость сверхлегких промышленных роботов. Вестник машиностроения, 1986, № I, с.9-13,

21. Вернигор В.Н., Кравченко Н.Ф., Потеев М.И. О выборе некоторых конструктивных параметров руки манипулятора . -Изв.Вузов. Машиностроение, 1982, № 2, с.52-55.

22. Белоликов С.В., Корытко О.Б., Челпанов И.Б. Жесткость манипуляторов промышленных роботов. В кн: Оборудование с ЧПУ.,М, НИИМАШ, 1980,ввып.9,с.6-7.

23. Михайлов С.А. Собственные колебания упругого двух звенника с точетной массой . Изв. АН СССР , Механика твердого тела. 1983, № 2, с.72-75.

24. Михайлов С.А.,Черноусько Ф.Л. Исследование динамики манипулятора с упругими звеньями. -Изв. АН СССР. Механика твердого тела, № 2, с.51-58.

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

26. Белоножко П.А. К математическому описанию динамики манипулятора с упругими звеньями. Киев, 1984, с.22-30.

27. Конюхов А.Г. , Челпанов И.Б. Частоты и формы свободных колебаний упругих конструкций манипуляторов. В кн: Всес. Совещание по робототехническим системам. Владимир. Тезисы докладов . М., наука , 1978, с.190.

28. Book W. Y. Analysis of mass less elastic chains with servo controlled joints, ASME journal of dynamic systems, measurement and control of dynamic systems, Measurement and control, vol. 101, sept. 1979, pp.187-192.

29. Заремба A.T. Динамическая модель плоского упругого манипулятора. Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1985, № 5, с.22-30.

30. Филлипов Ю.И., Фомченко М.М. Расчет колебаний многозвенных упругих систем. В кн: Вопросы прочности и долговечности элементов авиационных конструкций. Куйбышев, 1979, вып. 5, с.90-95.

31. Томпсон B.C. Вариационный принцип описания упруго динамического движения плоских механизмов. -Конструирование и технология машиностроения., 1976, № 4, с. 159-167.

32. Харти B.C. Динамический анализ конструкций, основанный на исследовании форм колебаний отдельных элементов. Ракетная техника и космонавтика, 1965, № 4, с. 130-139.

33. Осолотков И.П., Краснов В.А. Частотный анализ систем с упругими распределенными звеньями. -В кн : Динамика и прочность конструкций. Челябинск, 1977, №201, с. 107-112.

34. Вернигор В.Н. Исследование колебаний руки промышленного робота. -В кн : Динамика и устойчивость механических систем. JI.,1984, с. 100-105.

35. Лолер М. Динамические уравнения движения манипуляционных систем с учетом упругих свойств звеньев. Теор. И прил. Механика, 1984, № 2, с.23-32.

36. Radosarljeric Ljubodeag К расчету низших частот собственных колебаний системы с многими степенями свободы методов последовательных приближений. Зб.рад. Матем. Институт, Београд, 1984, № 4, с.181-190.

37. Попов Ю.Б., Рылов С.н. Исследование собственных колебаний свободных пространственных объектов. -Труды УШ научных чтений посвященных развитию идей К.Э. Циалковского. Калуга, 1974, с. 147-162.

38. Малиновский А.П. Численный метод расчета стержней на прочность, устойчивость и колебание. В кн : Исследования по расчету сооружений. Томск, 1978, с.85-96.

39. Иткин В.М. , Слиеде П.Б. расчет упругих колебаний манипулятора методом конечных элементов . -В кн : Вопросы динамики и прочности . Рига . Зинайте , 1983 , вып.41 с.74-83.

40. Слиеде П.Б., Иткин В.М., Аузинын Я.П. Алгоритм расчета на ЭВМ колебательных характеристик манипуляционных механизмов-Машиностроение, 1984, №2, с.48-53.

41. Лакота Н.А., Рахманов Е.В., Стрелков А.Н., Швецов В.Н. метод конечных элементов в динамики упругого манипулятора .-Изв. Вузов Машиностроение , 1985, № 5, с.51-55.

42. Гриненко Н.И.,Мокеев В.В. О задачах исследования колебаний конструкции методом конечных элементов. -Прикладная механика, 1985, № 3, с.25-30.

43. Арясов Г.П. , Ясулович Б.Н. О приближенном методе расчета свободных колебаний упругих систем. В кн: Вопросы прочности и оптимизации конструкций. Тр. По математике и механике. Тарту, 1982, с.84-89 (учен. Зап. Тарт. гос. Ун-та, вып. 627).

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

45. Такахасси С. Поперечные колебания Г-образной балки с одним заделанным , а другим свободным концом. Механика, 1964, № 2, с. 11-19.

46. Чернявская С.С. Уравнения собственных колебаний свободной системы двух тел, связанных упругими штангами. -В кн : Динамические задачи механики сложных систем. Киев, 1984, с.16-22.

47. Harten berg R.S., Denarit J. Kinematic Synthesis of Linkages, Mc. Graw-Hill, New-York, 1964.

48. Павлов Б.И. Матричный метод исследования механизмов. В кн : Методы решения задач машиноведения на вычислительных машинах, 1979, с.95-104.

49. Вяххи Н.Э. , Корытко О.Б., Юдин В.И. Определение собственных частот манипулятора промышленного робота. III Все союзное совещание по робототехническим системам. Воронеж. Тезисы докладов, часть 4, 1984, с. 44-45.

50. Вяххи Н.Э., Орлов С.А., Юдин В.И. Синтез динамических характеристик в системе автоматизированного проектирования промышленных роботов. -В кн : Автоматизация сборочных процессов- путь интенсификации производства . Л., ЛДНТП, 1986, с.38-45.

51. Вяхии И.Э. , Юдин В.И. Метод расчета собственных частот пространственного п- звенного манипулятора, содержащего упругие и абсолютно твердые элементы- Прикладная механика, 1988, т.24, № 3, с.104-111.

52. Дистанционно управляемые роботы- манипуляторы. Под ред. Е.П.Попова, М.Б.Игнатьева, М.: Мир, 1976, 460с.

53. Иванов А.С. , Жиленко М.А. Выбор применительно к роботам и подобным техническим средствам длины консоли балки, установленной на двух упругих опорах. -Изв.Вузов. Машиностроения , 1986, № 1, с.18-22.

54. Кобринский А.А. податливость манипулятора. Доклады АН СССР, 1978 том 238, №5, с.1071-1074.

55. Белоликов С.В. , Челпанов И.Б., Влияние контактной податливости манипуляторов ПР на упругие погрешности позиционирования, Оборудование с числовым программным , выпуск 8, Москва 1980, с. 10-11.

56. Судникович Г.Б., Челпанов И.Б., Задачи и методы определения собственных частот и форм колебании упругих механизмов манипуляторов, Автоматизация электронного машиностроения сборник научных трудов, труды Л.П.И., №. 382, 1982, с.68-72

57. Коловский М.З., Суханов А.А., Терешин В.А., Динамика управляемого упругого робота, Автоматизация электронного машиностроения сборник научных трудов, труды Л.П.И., №.382, 1982,с.72-76.

58. Попов А.Н., К определению конструктивных параметров несущей системы манипуляторов промышленных роботов, Автоматизация электронного машиностроения сборник научных трудов, труды Л.П.И.,№.382, 1982, с.83-88.

59. Аксельрод Б.В., Вуйич Д, Вукобратович М., Градецкий В.Г., Черноусько Ф.Л., Моделирование динамики манипулятора при вибрациях основания, Механика твердого тела, № 2 ,1987, с.59-65.

60. Бурков И.В., Заремба А.Т., Динамика упругого "манипулятора с электроприводом, Механика твердого тела, №. 1, 1987,с.57-64.

61. Гуляев В.И., Завражина Т.В., Динамика управляемых движений упругого робота манипулятора, механика твердого тела, №.5, 1998, с. 19-28.

62. Морозов А.В., Афонин В.Л., Ковалев В.Е., Кинематическая точность механизмов относительного манипулирования, Проблемы машиностроения и надежности машин, №.1 ,1998,с.61-68.

63. Чебоксраов В.В., Филаретов В.Ф., повышение жесткости манипуляторов с легкими звеньями, Проблемы машиностроения и надежности машин, №.5,1999,с.77-83

64. Fei-Yue Wang, Jeffery L.Russem, Minimum -weight robot arm for s specified fundamental frequency,IEEE, 1993,c.490-495.

65. Fei-Yue Wang, On the extremal fundamental frequencies of one- link flexible manipulators, The international journal of robotics research, Vol.13, №.2, April 1994,p.l 62-170.

66. Ou Ma , Jorge Angeles, Optimum design of manipulators under dynamic isotropy conditions, IEEE, 1933, c.470-475.

67. J.Lin, F.L. Lewis ,A symbolic formulation of dynamic equations for a manipulator with rigid and flexible links, The international journal of robotics research, vol.13, №.5,1994, p.455-466.

68. Камышный Н.И. , Автоматизация загрузки станков. М., "Машиностроение", 1977, с.288.

69. Камышный Н.И., Павленко И.И., Жесткость промышленных роботов. В кн.: Изв. вузов. Машиностроение, 1974, № II, с.171-174.

70. Нахапетян Е.Г., Оценка быстроходности механизмов позиционирования манипуляторов и промышленных роботов.М., "Вестник машиностроения", вып.2,1976.

71. Нахапетян Е.Г., Сравнительные характеристики быстроходных механизмов одностороннего прерывистого движения современных машин-автоматов. В сб. "механика машин", М.,"Наука", вып. 11-12,1967.

72. Кондратьева Т.С., Исследование точности позиционирования промышленных роботов, применяемых при выполнении токарных операций. Автореферат дисс. На соискание ученой степени канд. Тех. Наук. Л., 1977, с. 16 .

73. Беляев Н.М., Сопротивление материя . М., " Наука", 1976, с.607.

74. Расчет сооружений с применением вычислительных машин. Колл. авторов. М., Стройиздат, 1964, с.380.

75. Работнов Ю.Н., Сопротивление материалов , М., Физматгиз,1962, с.455.

76. Тимошенко С.П., Гудьер Дж.Н., Теория упругости, М., "Наука", 1975, с.575.

77. Феодосьев В.И., Сопротивление материалов. М., " Наука" , 1979, с.559.

78. Филин А.П., Матрицы в статике стержневых систем. JL, Стройиздат, 1966, с.438.

79. Martin Н.С. Introduction to matrix methods of structural analysis . Mc Craw Hill book Co, 1966, pp.331.

80. Решетов Д.Н., Детали и механизмы металлорежущих станков. М., "Машиностроение" ,1972, с.520.

81. Ривин Е.И., Динамика приводов станков. М., "Машиностроение" , 1966,с.204.

82. Троицкий В.А., Матричные методы расчета колебаний стержневых систем, Т.Л.П.И., № 210, 1960, с. 220-255.

83. Бруевич Н.Г., Правоторова Е.А., Сергеев В.И. Основы теории точности механизмов. М., Наука, 1988, с.240.