автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Разработка и исследование энергетически эффективного робототехнического комплекса для пакетирования грузов



ПУХОВА Ольга Владимировна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОГО РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПАКЕТИРОВАНИЯ ГРУЗОВ

Специальность 05.02.05- Роботы, мехатроника и робототехнические системы

-2 ДЕН 2010

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2010

004614983

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Жавнер Виктор Леонидович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Балюбаш Виктор Александрович, кандидат технических наук Смирнов Карим Асенович

Ведущая организация: ООО «Рекупер», Москва

Защита состоится «7» декабря 2010 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.12 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, 1-й учебный корпус, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан «03» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

кандидат технических наук

Евграфов А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка энергосберегающих технологий является одним из приоритетных направлений развития промышленного комплекса на ближайшие десятилетия. Известно, что предприятия этого комплекса являются одними из основных потребителей энергии. Если их продукция представляет собой штучные грузы, то ее перевозка, как правило, производится в пакетах, установленных па стандартные поддоны. Учитывая существующие стандарты ГОСТ 11320-65, ISO 3676 и другие, все пакеты с грузами имеют ограниченный ряд размеров, определяемый стандартизованным размерным рядом тары. Поэтому операция формирования пакетов на стандартном поддоне - пакетирование, является массовой и типовой для большинства видов грузов.

На современных промышленных предприятиях до 80% погрузочно-разгрузочных операций осуществляется с применением ручного труда. Применение средств автоматизации при пакетировании сдерживается их высокой стоимостью и существенным энергопотреблением. Анализ применения промышленных роботов для осуществления операций по пакетированию грузов показывает, что в общей доле областей использования она составляет не более 5 %

В настоящее время на рынке представлено большое количество универсальных роботов, которые могут быть использованы, в частности, для осуществления операции пакетирования. Однако универсальность этих роботов предъявляет к ним завышенные требования по точности и жесткости конструкции, увеличивая при этом массу подвижных частей, усложняя систему управлении и значительно увеличивая их стоимость. Увеличение массы подвижных частей робота приводит к излишнему энергопотреблению, которое в масштабах всего комплекса промышленных предприятий приводит к существенным экономическим потерям. Все это является причиной того,

что промышленные роботы (ПР) редко используются для осуществления такой массовой технологической операции как пакетирование.

Перечисленные выше соображения показывают, что для операции пакетирования целесообразна разработка специализированных робототехнических комплексов (РТК) с одновременным решением задачи снижения энергопотребления. Однако их развитие и внедрение сдерживается недостатком исследований в этой области, позволяющим перейти к их разработке.

Материал данной диссертации объединен задачей снижения энергопотребления в РТК, предназначенных для пакетирования грузов, посредством системного подхода при их проектировании. В силу всего сказанного выше тема данной диссертации представляется актуальной.

Цель работы. Целью диссертации является разработка методик проектирования, исследования и расчета энергетически эффективных РТК для пакетирования грузов, а также вспомогательного оборудования к ним.

Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

1. Анализ типовых технологических процессов пакетирования грузов и оценка их параметров, в том числе энергетических; разработка критериев энергетической эффективности процесса пакетирования; исследование путей минимизации энергозатрат при пакетировании.

2. Анализ распределения энергетических затрат в технологическом оборудовании для пакетирования грузов; разработка основных рекомендаций по повышению энергетической эффективности РТК для пакетирования; разработка новых принципов построения и работы РТК с использованием предложенных рекомендаций.

3. Разработка системы управления региональными перемещениями ПР, отвечающей требованиям к технологическому процессу пакетирования, а также рекомендациям по снижению энергозатрат в РТК.

4. Разработка методики построения грузовых платформ на базе пневматического и пружинно-пневматического аккумуляторов путем построения и исследования их математических моделей.

5. Экспериментальное исследование макета манипулятора для осуществления предложенного технологического процесса пакетирования и сопоставление результатов исследования с теоретическими результатами.

Методы исследований: при разработке математических моделей и

проведении расчетов использовались методы теоретической механики,

теории механизмов и машин, а также вычислительной математики. Научная новизна работы состоит в следующем:

— показано, что существенное снижение энергозатрат при пакетировании грузов может быть достигнуто путем рационального построения технологического процесса пакетирования;

— предложены новые принципы построения и схемные решения энергетически эффективных РТК для пакетирования грузов;

— предложены новые принципы рекуперации энергии в грузовых платформах, являющихся частью РТК;

— разработана методика проектирования грузовых платформ оснащенных рекуператорами энергии на базе пружинно-пневматического и пневматического аккумуляторов;

Основные положения, выносимые на защиту:

— снижение энергопотребления в РТК для пакетирования грузов достигается за счет оптимального построения технологического процесса, определяющего выбор, как структурной схемы робота, так и вспомогательного оборудования;

— специализация робототехнических комплексов на процессе пакетирования грузов с учетом конкретных особенностей операции пакетирования позволяет существенным образом снизить

энергозатраты по сравнению с энергозатратами универсального оборудования.

Практическая ценность работы. Разработан новый технологический процесс пакетирования грузов, позволяющий существенно снизить затраты энергии в технологическом оборудовании. Предложен новый инженерный подход к построению РТК для пакетирования. Разработаны новые схемы РТК для пакетирования, позволяющие минимизировать затраты энергии. Предложены новые схемы грузовых платформ с рекуператорами энергии, пригодные к применению в РТК для пакетирования грузов, а также в пакетоформирующих машинах. Разработана методика проектирования этих платформ. Разработана система управления промышленным роботом осуществляющим пакетирование грузов, которая решает задачу плотной укладки грузов, а также задачу энергосбережения.

Публикации. По материалу диссертации опубликованы 4 печатные работы. Из них одна в издании, входящем в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук»

Апробация работы. Результаты работы докладывались в Санкт-Петербургском государственном Политехническом университете на XXXVII международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбГПУ».

Структура и объем работы. Материалы диссертации изложены на 144 страницах, включая 54 рисунка, 7 таблиц и состоят из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 93 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, приведен перечень научных задач, требующих решения

для достижения поставленных целей, дан краткий обзор диссертации по главам.

В первой главе проводится анализ применения средств автоматизации для осуществления операции пакетирования грузов. Проводится обзор научно-технической и патентной литературы, посвященной промышленным роботам. Отмечено, что оборудование для пакетирования грузов разделяется на три класса: -шарнирно балансирные манипуляторы, пакетоформирующие машины, и промышленные роботы в составе робототехнических комплексов.

Отмечено, что применение промышленных роботов ограничено их высокой стоимостью и существенным потреблением энергии. Манипуляторы ведущих мировых производителей, входящие в состав промышленных роботов для пакетирования грузов, имеют очень высокое соотношение между массой подвижной части исполнительного устройства и грузоподъемностью.

Число публикаций, посвященных исследованию энергетических свойств промышленных роботов, невелико. Особого внимания заслуживают работы А.Е. Кобринского, Ю.А. Степаненко. В этих работах было показано, что затраты энергии приводами исполнительных устройств промышленных роботов зависят от выполняемой рабочей операции, программы ее реализации и кинематической схемы исполнительного устройства робота, было впервые введено понятие о диссипативных свойствах системы приводов исполнительных устройств, под которыми следует понимать неспособность системы приводов накапливать потенциальную энергию.

Во второй главе исследованы различные технологические процессы укладки грузов с точки зрения их энергетической эффективности. На рис. 1 .а представлен технологический процесс, наиболее часто встречающийся в технологическом оборудовании, характеризующийся тем, что поддон установлен неподвижно во время всего цикла формирования пакета

укладка первого укладка второго укладка последнего слоя слоя слоя

а)

укладка 2-го слоя

платформа укладка 1-го слоя

После укладки каждого слоя грузов платформа опускается на высоту одного слоя грузов Ис

б)

укладка последнего слоя (осуществляется без перемещения платформы)

Это обусловлено тем, что как правило, грузы поступают на ПР по конвейеру

(осуществляется без ^ перемещения платформы)

Рисунок 1. Схемы технологических процессов пакетирования грузов, а) - типовой технологический процесс; б) - технологический процесс, предложенный фирмой И^аЬ; в) - технологический процесс, предложенный

в диссертации

На рис. 1.6 представлен технологический процесс укладки грузов, предложенный в 70-х годах XX века шведской фирмой Яе1аЬ, характеризующийся тем, что для осуществления вертикальных перемещений использовалась грузовая платформа, оснащенная приводами. Использование грузовой платформы позволяет производить укладку каждого слоя грузов на одной и той же высоте, а соответственно сократить обслуживаемый объем ПР. На рис.1.в представлен предложенный в диссертации технологический процесс укладки грузов, характеризующийся применением грузовой платформы, а также последовательной укладкой рядов груза при формировании каждого слоя. Укладка каждого ряда грузов осуществляется из различных начальных положений. Были введены критерии энергетической эффективности технологического процесса, а именно:

— минимизация расстояния, проходимого захватом с грузом в вертикальной плоскости;

— минимизация расстояния, проходимого захватом без груза в вертикальной плоскости;

— минимизация расстояния, проходимого захватом с грузом в горизонтальной плоскости;

— минимизация расстояния, проходимого захватом без груза в горизонтальной плоскости;

— ориентация технологического процесса на использование исполнительного устройства промышленного робота, построенного по схеме с использованием поступательных пар, поскольку известно, что такие устройства обладают наилучшими диссипативными свойствами. Показано, что предложенный технологический процесс укладки грузов

наиболее хорошо соответствует введенным критериям и позволяет в значительной степени сократить затраты энергии в технологическом оборудовании.

В третьей главе проведено исследование распределения энергии в РТК для пакетирования грузов на примере комплекса, включающего промышленный робот и грузовую платформу, которое показало, что лишь незначительная часть потребляемой РТК энергии расходуется на осуществление полезной работы. Под полезной работой понимается работа по преодолению сил полезных сопротивлений, а именно, сил тяжести грузов. На основании этого исследования были выработаны следующие общие рекомендации по снижению энергетических затрат в РТК:

— использовать исполнительное устройство робота, построенное по схеме с использованием трех поступательных пар (ППП), поскольку в нем отсутствуют так называемые зоны диссипации энергии, обусловленные работой приводов в тормозном режиме при подъеме грузов;

— построить схему технологического процесса используя критерии энергетической эффективности, предложенные в главе 2;

— минимизировать массу звеньев исполнительного устройства робота;

— разработать и использовать грузовые платформы, оснащенные рекуператорами энергии;

— эффективно использовать кинетическую энергию захвата с грузом, полученную им в процессе разгона.

Схемы РТК, построенные с использованием приведенных выше рекомендаций, представлены на рис.2. На рис.2.а представлена схема, в состав которой входит манипулятор 1, со структурной схемой ППП. Схват манипулятора захватывает грузы из четырех различных положений на конвейере 3 и устанавливает их на поддон 4 согласно схеме, предложенной в главе 2. Поддон установлен на платформу 5, которая перемещается вдоль направляющих 6. Платформа соединена с пневматическим или пружинно-пневматическим аккумулятором. В состав РТК, схема которого представлена на рис.2.б, входит манипулятор с модифицированной схемой ППП, в которой

прямолинейное движение параллельно оси У, заменено движением рамы 7 по дуге окружности.

В этом случае для привода качающейся рамы может быть использован двигатель, обеспечивающий небольшой ход звена 9, который вписывается в проекцию сформированного пакета на плоскости 7Х.

Отметим, что изменение углового положения рамы осуществляется при отсутствии груза в захвате, что позволяет снизить затраты энергии в пневмоцилиндре 1. Также в схеме б) снижение энергетических затрат осуществляется посредством частичного уравновешивания рамы пружиной 8.

Технологический процесс, предложенный в главе 2, позволяет для обеих схем построить работу комплекса таким образом, чтобы в каждый момент времени в системе работал только один привод. Это приводит к отсутствию требований по синхронизации приводов и существенно упрощает систему управления. Для управления перемещением захвата вдоль оси X предложена схема системы управления, основанная на информационно-измерительной системе представленной на рис.3. Для предложенных схем может быть использован двигатель любого типа, но здесь, для конкретного

б)

Рисунок 2. Схемные решения РТК.

примера, выбран пневматический цилиндр, управляемый пятилинейным трехпозиционным распределителем, открытым в нейтральном положении. На захвате ПР установлен индуктивный датчик, который перемещается вместе с ним вдоль оси X. На неподвижном основании с шагом 8ш установлены головки из магнитного материала.

Движение Движение с включенным по инерции приводом

X

Рисунок 3. Система управления горизонтальными перемещениями звеньев робота.

При перемещении захвата вдоль оси X, с датчика на контроллер поступает импульсный сигнал. При достижении расчетного значения числа импульсов система управления переводит распределитель в нейтральное положение. Поскольку в нейтральном положении распределитель открыт, то захват с грузом продолжает свое движение вдоль оси X по инерции до столкновения с соседним грузом или упором. Соответственно, система управления может рассчитать расстояние переключения, так чтобы сила соударения оставалась в пределах допустимой для данного вида грузов. Таким образом обеспечивается плотная укладка грузов при сохранении производительности. Длина выбега определяется из зависимости (1)

где V-скорость захвата в момент переключения распределителя в нейтральное положение; Ртрц - сила трения в цилиндре, / - коэффициент трения в направляющих. Вдоль оси У плотная укладка обеспечивается коротким импульсным перемещением захвата, поэтому для пневмоцилиндра обеспечивающего перемещение вдоль оси У выбирается закрытый в нормальном положении распределитель.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке грузовых платформ с рекуператорами энергии. В процессе производства или упаковки грузам, как правило, сообщена определенная потенциальная энергия. Предложено использовать эту энергию для осуществления вертикальных перемещений платформы, а также, преобразуя ее в энергию сжатого воздуха, направлять в РТК. В диссертации разработаны схемы грузовых платформ с пружинно-пневматическим и пневматическим аккумуляторами.

1 - платформа; 2 - грузы; 3 - направляющие; 4 - фиксатор; 5 - датчик положения

Рисунок 5. Схема грузовой платформы с пружинным аккумулятором.

На рис.5 представлена схема грузовой платформы с рекуператором

энергии на базе пружинно-пневматического аккумулятора. Основным

преимуществом пружинно-пневматического аккумулятора является

обеспечение линейной зависимости текущего положения платформы от

массы грузов на ней. Это позволяет сохранять постоянное положение

13

рабочей плоскости и, соответственно, использовать для укладки грузов манипулятор с меньшим обслуживаемым объемом.

Показано, что математическая модель процесса опускания платформы под действием силы тяжести слоя грузов (без учета трения в цилиндре) описывается выражением:

__2

тс8К= ^

(2)

где тс - масса одного слоя грузов; Ис - высота одного слоя грузов; \>оп -скорость опускания платформы, г - текущая координата платформы; с -суммарная жесткость пружин.

Математическая модель возврата платформы в исходное положение без учета сил трения описывается выражением

—= —^— + ЯК, 1п

+ +

(3)

2 2

где 2тах - максимальная высота платформы, Рп -начальное давление в системе; Ко - начальный объем системы; г - текущая высота платформы; ь -текущая скорость платформы; т„я - масса пустой платформы; 5 - площадь поршня пневмоцилиндра;

Тз

а

а

а. 4

Текущая высота подъема платформы,м

----Подъем пустой платформы

-Опускание с грузом на каждом шаге

Рисунок 6. График изменения скорости платформы на фазовой плоскости

Исследование построенной математической модели позволило определить пути рационального выбора параметров платформы, обусловленные максимальной эффективностью использования потенциальной энергии грузов. Получены законы движения платформы, а также зависимости необходимые для расчета компонентов пневмосистемы. На

рис.6 представлен график изменения скорости платформы на фазовой плоскости при ее опускании и подъеме. В диссертации решена задача устранения колебательного процесса при опускании платформы.

Основными преимуществами разработанной грузовой платформы с рекуператором энергии на базе пневматического аккумулятора является отсутствие колебаний в системе и более высокий КПД. Схема такой платформы представлена на рис.7. Основной особенностью схемы является наличие в ней баллонов, которые поочередно подключаются к системе на различных шагах опускания платформы. С помощью подключения данных баллонов решена задача сохранения постоянного положения рабочей плоскости. На рис.8 представлены кривые, одна из которых соответствует перемещению платформы при последовательно подключаемых баллонах при опускании четвертого и пятого слоев грузов, а вторая, соответствует ее перемещению в случае, если баллон постоянно подключен к пневмоцилиндру.

К

V

\

Н.....* в

/пневмосистему робота

№

в

1су

(роУ-!

"" и

(рр)

ЕОГ> щи

1 - платформа; 2 - грузы; 3 - датчик установки слоя; 4 - направляющая; 5 - датчик положения; 6 - фиксатор штока

Рисунок 7. Схема платформы с пневматическим аккумулятором

В данной системе имеют место два процесса: сжатие воздуха под действием веса грузов и выравнивание давлений при соединении баллонов с пневмоцилиндром, а также с ресивером РТК. Составленная математическая модель системы описывает оба этих процесса и выражена в виде системы

уравнений (4). Исходя из ее решения, можно определить требуемые для проектирования параметры системы.

тёк = (р.К + УМРЛ 1п—-

• пф. = (Р*(У4 +У„)+УюР„)-1пУ< + 1Г"+Г»

. УЫ + Ь2 , (4)

Рл^+к2)+рресурес=рь0(уь,+гь2 + урес)

где Уы>Уь2~~ объемы баллонов; Урес- объем ресивера Р3,Р4 - давление в бесштоковой полости пневмоцилиндра после укладки третьего и четвертого слоев, соответственно, Рьа - начальное давление в баллонах; ¡''4 - объем бесштоковой полости пневмоцилиндра после укладки четвертого слоя грузов без подключения баллонов, У5 - объем бесштоковой полости

пневмоцилиндра после укладки пятого слоя; Рк ~ максимальное давление в цилиндре и баллонах.

Рисунок 8. График перемещения Рисунок 9. Макет робота

платформы

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям выбега захвата, при построении системы управления ПР, разработанной в главе 3. Для экспериментальных исследований был изготовлен макет робота, фотография которого представлена на рис.9. Целью экспериментальных исследований

было определение правильности допущений, заложенных при математическом моделировании системы управления в главе 3 данной работы. Было проведено измерение выбега каретки для различных скоростей от 0,4 до 0,8м/с и при различных массах нагрузки от 2 до 26кг.

Результаты измерений хорошо согласуются с расчетными данными, полученными на основе зависимости (1).

Рассогласование составляет не более 5%. При шаге магнитных головок 8ш=20мм, для всех проведенных измерений длина выбега значительно превышает шаг магнитных головок. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что при построении модели системы управления региональными перемещениями ПР были заложены корректные допущения, и предложенная система управления является пригодной для использования в ПР в составе РТК для пакетирования грузов.

Основные результаты работы и выводы

1. Исследованы различные технологические процессы пакетирования грузов; предложен метод их анализа на основе разработанных в диссертации критериев энергетической эффективности; разработан наиболее рациональный технологический процесс пакетирования грузов, отвечающий введенным критериям.

2. Исследовано распределение энергетических затрат в технологическом оборудовании для пакетирования грузов; на основе этого исследования разработаны основные рекомендации по повышению энергетической эффективности робототехнических комплексов для пакетирования грузов; предложены новые схемы РТК для пакетирования грузов характеризующиеся пониженными затратами энергии.

3. Предложена система управления региональными перемещениями ПР

обеспечивающая плотную укладку грузов, а также снижающая

энергозатраты в РТК за счет эффективного использования

17

кинетической энергии схвата с грузом, сообщенной ему в процессе разгона.

4. Обосновано применение грузовых платформ с рекуператорами энергии в РТК для пакетирования грузов; построены математические модели грузовых платформ с рекуператорами на базе пружинного и пружинно-пневматического аккумуляторов; проведено исследование этих моделей и анализ их характеристик; разработана методика проектирования и расчета предложенных грузовых платформ.

5. Проведено экспериментальное исследование макета манипулятора для осуществления предложенного технологического процесса пакетирования, которое доказало работоспособность предложенной в диссертации системы управления горизонтальными перемещениями ПР, а также корректность допущений заложенных при построении математической модели системы управления.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Пухова О.В. Грузовые платформы с рекуператорами энергии // Научно-технические ведомости СПбГТУ. - №3(47). - 2010. - С.67-73.

2. Пухова О.В., Жавнер В.Л. Особенности технологического процесса пакетирования грузов // XXXVII международная научно-практической конференция «Неделя науки СПбГПУ»: материалы. - СПб, 2010.-С.28-30.

3. Пухова О.В. Энергетически эффективный робототехнический комплекс для пакетирования грузов // Вестник Московского Государственного Университета Печати. - №2. - 2010. - С.161 - 164.

4. Жавнер В.Л., Пухова О.В., Мацко О.Н. Мехатронные устройства в упаковочных линиях автоматизированных производств: учебное пособие. - СПб: Издательство СПБГПУ, 2008г. - 130 с.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 01.11.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 6645Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПАКЕТИРОВАНИЯ ГРУЗОВ.

2.1 Особенности технологического процесса пакетирования грузов.

2.2 Исследование различных вариантов осуществления укладки грузов.

ГЛАВА 3. РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПАКЕТИРОВАНИЯ ГРУЗОВ.

3.1 Анализ энергетических затрат в технологическом оборудовании.

3.2 Структурная схема энергетически эффективного РТК для пакетирования грузов.

3.3. Построение технологического процесса укладки грузов.

3.4 Расчет уравновешивающей пружины.

3.5 Система управления манипулятором.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГРУЗОВЫХ ПЛАТФОРМ С РЕКУПЕРАТОРАМИ ЭНЕРГИИ.

4.1 Платформа с рекуператором энергии на базе пружинно-пневматического аккумулятора.

4.2 Грузовая платформа с рекуператором энергии на базе пневматического аккумулятора.

4.4. Сравнение свойств рекуператоров на базе пружинно-пневматического и пружинного аккумуляторов.

ГЛАВА.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Макет для экспериментального исследования свойств системы управления приводом каретки.

5.2 Измерение скорости каретки.

5.3. Измерение выбега каретки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

Разработка энергосберегающих технологий является одним из приоритетных направлений развития промышленного комплекса на ближайшие десятилетия. Если продукция предприятий промышленного комплекса представляет собой штучные грузы, то ее перевозка, как правило, производится в пакетах, установленных на стандартные поддоны. Учитывая существующие стандарты ГОСТ 11320-65, ISO 3676 и другие, все пакеты с грузами имеют ограниченный ряд размеров, определяемый размерным рядом тары, который также стандартизован. Учитывая также объем пакетных перевозок, который исчисляется сотнями миллиардов тонн в год [55] можно сказать, что операция формирования пакетов на стандартном поддоне -пакетирование, является массовой, практически одинаковой для большинства грузов и ее автоматизация является, несомненно, актуальной задачей.

На современных промышленных предприятиях до 80% погрузочно-разгрузочных операций осуществляется с применением ручного труда. Применение средств автоматизации при пакетировании сдерживается их высокой- стоимостью и высоким энергопотреблением. Анализ применения промышленных роботов для осуществления операций по пакетированию грузов показывает, что в общей доле областей использования она составляет не более 5 %.

В настоящее время на рынке представлено большое количество универсальных роботов, которые могут быть использованы в частности для осуществления операции, пакетирования. Однако универсальность этих роботов предъявляет к ним высокие требования по точности и жесткости конструкции, увеличивая при этом массу подвижных частей и стоимость. Увеличение массы подвижных частей робота приводит к излишнему энергопотреблению, которое в масштабах всего комплекса промышленных предприятий приводит к значительным экономическим потерям. Все это является причиной того, что промышленные роботы (ПР) редко используются для осуществления такой массовой технологической операции как пакетирование.

Перечисленные выше соображения показывают, что для операции пакетирования целесообразна разработка специализированных робототехнических комплексов (РТК) с одновременным решением задачи снижения энергопотребления. Однако их развитие и внедрение сдерживается недостатком исследований в этой области, позволяющим перейти к их разработке.

Материал данной диссертации объединен задачей снижения энергопотребления в робототехнических комплексах, предназначенных для пакетирования грузов посредством системного подхода при их проектировании. В силу всего сказанного выше тема данной диссертации представляется актуальной.

Целью диссертации является разработка методик расчета, проектирования и исследования энергетически эффективных робототехнических комплексов для пакетирования грузов, а также вспомогательного оборудования к ним.

Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

1. Анализ типовых технологических процессов пакетирования грузов и оценка их параметров, в том числе энергетических; разработка критериев энергетической эффективности процесса пакетирования; исследование путей минимизации энергозатрат при пакетировании.

2. Анализ распределения энергетических затрат в технологическом оборудовании для пакетирования грузов; разработка основных рекомендаций по повышению энергетической эффективности РТК для пакетирования; разработка новых принципов построения и работы РТК с использованием предложенных рекомендаций.

3. Разработка системы управления региональными перемещениями промышленного робота ПР, отвечающей требованиям к технологическому процессу пакетирования, а также рекомендациям по снижению энергозатрат в РТК.

4. Разработка методологии построения грузовых платформ на базе пневматического и пружинно-пневматического аккумуляторов путем построения и исследования их математических моделей.

5. Экспериментальное исследование макета манипулятора для осуществления предложенного технологического процесса пакетирования и сопоставление результатов исследования с аналитическими результатами.

Научная новизна работы состоит в следующем: показано, что существенное снижение энергозатрат при пакетировании грузов может быть достигнуто путем рационального построения технологического процесса пакетирования; разработаны основные рекомендации по снижению энергетических затрат в РТК для пакетирования; предложены новые принципы построения и схемные решения энергетически эффективных РТК для пакетирования грузов; разработана методика проектирования грузовых платформ оснащенных рекуператорами энергии на базе пружинно-пневматического и пневматического аккумуляторов; предложены новые схемные решения грузовых платформ с рекуператорами энергии на базе пневматического и пружинно-пневматического аккумуляторов;

В первой главе работы проводится анализ применения средств автоматизации для осуществления операции пакетирования грузов.

Проводится обзор научно-технической и патентной литературы посвященной промышленным роботам. Основное внимание уделено исследованию публикаций, посвященных энергетическим затратам в промышленных роботах и РТК.

Во второй главе работы исследуется технологический процесс пакетирования грузов, определяются его основные параметры. Вводятся критерии энергетической эффективности технологического процесса пакетирования. Предложен оптимальный машинный технологический процесс пакетирования грузов, удовлетворяющий введенным критериям. Формулируются основные требования к роботам и вспомогательному технологическому оборудованию, в частности к грузовым платформам.

В третьей главе проводится анализ распределения подводимой энергии в оборудовании для пакетирования* грузов. На основе результатов этого анализа разработаны рекомендации по снижению потребления энергии в РТК. Предлагаются схемные решения энергетически эффективного РТК для пакетирования грузов. Разрабатывается система управления промышленным роботом РТК, позволяющая-решить проблему плотной загрузки поддона-, а также снизить энергопотребление РТК.

В четвертой главе разрабатываются и исследуются схемные'решения грузовых платформ, которые могут быть использованы, как в составе РТК, так и в составе пакетоформирующих машин. Основной особенностью этих платформ является наличие в них рекуператоров энергии на базе пружинно-пневматического или пневматического аккумулятора, позволяющих использовать потенциальную энергию грузов для их вертикального перемещения. Для- каждой из платформ составляются математические модели, на основе исследования которых разрабатывается, методика их проектирования. Для платформы с пневматическим аккумулятором решается задача получения квазилинейной характеристики перемещения платформы.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям предложенного РТК. Приводятся результаты опытной проверки адекватности предложенных в главе 3 методов расчета параметров системы управления.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Проведен анализ типовых технологических процессов пакетирования грузов и определены основные особенности операции пакетирования. На основе этого анализа определены основные пути оптимизации технологического процесса в сторону снижения потребления энергии при его осуществлении.

Показано, что рациональное построение технологического процесса позволяет в значительной степени снизить потребление энергии в оборудовании доля пакетирования.

Разработаны критерии энергетической эффективности технологического процесса пакетирования, которые позволяют из множества вариантов построения технологического процесса выбрать наиболее рациональный.

Предложен наиболее рациональный технологический процесс пакетирования грузов.

Исследовано распределение энергетических затрат в технологическом оборудовании для пакетирования грузов; на* основе этого исследования разработаны основные рекомендации по повышению энергетической эффективности робототехнических комплексов для пакетирования грузов.

Предложены новые схемные решения РТК для- пакетирования грузов характеризующиеся пониженными затратами энергии. Предложена система управления региональными перемещениями ПР отвечающая требованиям к технологическому процессу пакетирования, а также снижающая энергозатраты в РТК.

Разработана методика проектирования грузовых платформ на базе пружинного и пружинно-пневматического аккумуляторов на основе построения и исследования их математических моделей.

9. Предложены схемные решения платформ с рекуператорами энергии на базе пневматического и пружинно-пневматического аккумуляторов.

10. Проведено экспериментальное исследование макета манипулятора для осуществления предложенного технологического процесса пакетирования.

11. Проведены экспериментальные исследования предложенной системы управления региональными перемещениями РТК, которые доказали работоспособность системы, а также корректность допущений, заложенных при построении математической модели.

1. Аветиков Б.Г., Смольников Б.А., Сорин В.М. Некоторые вопросы синтеза кинематических схем манипуляторов. — В кн.: Теория, принципы устройства и применения роботов и манипуляторов. Л.Машиностроение, 1974. 231 е.: ил.

2. Андре П., Кофман Ж.-М. и др. Конструирование роботов / под редакцией д.т.н. A.M. Домова. М.: Мир, 1986. - 352 е.: ил.

3. Андреенко С.И., Ворошилов М.С., Петров Б.А., Проектирование приводов манипуляторов Л. Машиностроение, 1975, 312с. 7

4. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е. Робототехника: современное состояние, проблемы. Вестник АН СССР, 1974 №9, с.32-45. 2

5. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е. Роботы. — Машиноведение, 1970, №5 с.3-11. 11

6. A.C. 1283083 (СССР) Привод перемещения звеньев / В.Л. Жавнер, Г.Г. Ежов, H.A. Феоктистова // Б.И. 1987 , №2.53

7. A.C. 1414630 (СССР) Привод перемещения звеньев / В.Л. Жавнер, С.П. Зинкевич// Опубл. в Б.И., 1988, №29 .58

8. A.C. 1187985 (СССР) Вакуумное захватное устройство / Н.Г. Двужилов. опубликован в Б.И., 1985, №40. 51

9. A.C. 1303399 (СССР) Привод робота /Т.С. Анкифриев. Опубл. в Б.И., 1987, №11 54

10. Белов С.Ю., Егоров Ю.Н., Эскенази М.С., Синтез алгоритма управления приводами манипулятора с упругими звеньями // Робототехника. JL, 1981. - с.15-19. 66

11. Бойцов. Ю.А. Механизация погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ в пищевой промышленности. СПб.: СПбГУНиПТ, 2003.-326 с.

12. Болотин Л.М. Анализ кинематических структур промышленных роботов. — Машиноведение, 1984, №2, с.33-39.78

13. Бурдаков С.Ф., Дьяченко В.А., Тимофеев А.Н., Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. М.: Высшая школа, 1986, 262с.

14. Виноградов М.Б., Кобринский А.Е., и др. Методы объемов и «сервис» манипуляторов. Машиноведение, 1969, №3, с. 17-20. 91

15. Водопьян, П.О., Нехода B.F. Выбор оптимальных параметров позиционного гидропривода автоматического манипулятора // Вестник машиностроения. №4. - 1979. - С. 7-11.

16. Говзман Б.И., Водопьян П.О., Новик A.M. Анализ энергетического баланса гидросистемы автоматических манипуляторов. В кн. Промышленные роботы. Л.: Машиностроение, 1977, с. 74-77.

17. Говзман Б.И., Костюк Состояние и перспективы применения промышленных роботов и манипуляторов в пищевой промышленности,

18. Говзман Б.И., Проектирование гидроприводов и систем управления промышленными роботами: Методические рекомендации. М.: НИИМаш, 1979. - 62 с.

19. ГОСТ 11320 — 65. Система размеров ящиков и потребительской тары для товаров народного потребления М.: Изд-во стандартов, 2001. — 22 е.: ил

20. ГОСТ 9078 84. Поддоны плоские. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2001. - 8 е.: ил

21. ГОСТ 21140 88. Тара. Система размеров. М.: Изд-во стандартов, 2001.-10 е.: ил

22. ГОСТ 24597 81. Пакеты тарно-штучных грузов. Основные параметры и размеры. М.: Изд-во стандартов, 2001. — 12 е.: ил

23. Динамика манипулятора и адаптивное управление /В.А. Малышев, A.B. Тимофеев. Автоматика и телемеханика, 1981, №8, с.90-98. 110

24. Егоров Ю.Н. Системы привода роботов. Л.:ЛГУ, 1982.336 с. 115

25. Елимелих Е.М., Жавнер В.Л., Наумова А.Б. Универсальный полиграфический робот.// Всесоюзное совещание по методам расчета полиграфических машин-автоматов. Тезисы докладов. Львов 1987, с.87. 117

26. Ерош И.Л., Игнатьев М.Б., Адаптивные системы управления промышленными роботами. М.: НИИМаш, 1976. 59 с.

27. Жавнер В.Л. Крамской Э.И. Погрузочные манипуляторы. Под редакцией проф. А.И; Колчина. Л.: Машиностроение, 1975. 160 е.: ил.

28. Жавнер В.Л., Макаренко A.B., Ежов Г.Г. Система управления промышленного робота для пакетирования тарно-штучных грузов. Холодильная техника. 1987, №9, с. 10-12. 136

29. Жавнер В.Л., Сорокин ТО.П., Исследование энергетических свойств манипулятора. Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума «Проблема человек-машина на морских судах». Л;: Судостроение, 1975, с. 160-161. 125

30. Жавнер В.Л., Феоктистова . I.A. Применение приводов: с аккумулированием энергии в промышленных роботах для автоматизации ручных и вспомогательных работ в пищевой промышленности. Л.: 1985.

31. Жавнер В.Л. Павлова Г.В. Тенденции механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ с помощью промышленных роботов и манипуляторов в мясной промышленности. -М.: АфоНИИТЭИММП, 1989.-36 с.

32. Жавнер М.В. Методы расчета и проектирования исполнительных устройств робототехнических систем на базе пружинных механизмов: дис. канд. техн. наук: 02.05.02: защищена 24.06.2003 / Жавнер Милана Викторовна. СПб, 2003. - 132 с. - Библиогр.: с. 125-130.

33. Камышный Н.И., Павленко И.И. Кинематика промышленных роботов. Вестник машиностроения;, 1975, №1,с63-65.Г50>

34. Кобринский A.A., Никомаров Я.С. О геометрических свойствах плоской манипуляционной системы.-В 130, 1979, с.124-134. 161

35. Кобринский А.Е., Степаненко Ю.А. Некоторые проблемы теории манипуляторов. В кн.: Механика машин. М.: Наука, 1967, вып. 7-8, с.4-23.

36. Козырев Ю.Г. Житомирский C.B., Сидоренко И.А., Выбор геометрических параметров робота с шарнирной рукой. Станки и инструмент 1980, №6, с.3-4.

37. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. М.: Машиностроение, 1983, 376 с. 172

38. Корендясев А.И. Автоматические манипуляторы с приводом на основании. Станки и инструмент, 1980, №12, с.5-8. 183

39. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. и др. Принципы построения двигательной системы автоматических манипуляторов с программным управлением (промышленных роботов) Станки и инструмент, 1976, №4, с.3-10. 186

40. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Особенности кинематических схем автоматических манипуляторов с программным управлением. Станки и инструмент, 1981, №2, с. 15-19.

41. Крайнев А.Ф., Словарь-справочник по механизмам. М.: Машиностроение, 1981. —438 е.: ил.

42. Кулешов B.C., Лакота H.A. Динамика систем управления манипуляторами. М.: Энергия, 1971. - 304с.: ил.

43. Кулешов B.C., Ющенко A.C. Некоторые алгоритмы позиционного управления манипуляционными роботами. Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, 1977, №1, с 67-70. 194

44. Медведев В. С., Лесков А.Г., Ющенко A.C. Системы управления манипуляционных роботов. Под редакцией Е.П. Попова. М.: Наука, 1978,-416 с.

45. Метод определения минимальной длины манипулятора робота, обслуживающего рабочую зону с препятствием. — Аветиков- Б.Г., Корытко О.Б., Барт М.Е. и др. В кн.: Промышленные роботы. JL: Машиностроение, 1977 с.48-54. 211

46. Михайлов С.А. Черноусько Ф.Л. Исследование динамики манипулятора с упругими звеньями. // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1984. - №2. — с.51 — 58.

47. Нагорный B.C., Денисов. A.A. Устройства гидро- и пенвмосистем: Учебное пособие техн. вузов. -М.: Высшая школа, 1991. 367 е.: ил.

48. Никифоров С.О., Смольников Б.А. Оптимизация параметров трехзвенного манипулятора. В 104, с. 45-50.

49. Никомаров Я.С. Об одном свойстве многозвенного манипулятора. -Машиноведение, 1981, №4, С. 10-15.

50. Основы проектирования следящих-систем / Под ред. H.A. Лакоты. М.: Машиностроение, 1978, 391 с.

51. Павленко И.И. Конструктивные и кинематические варианты промышленных роботов. М.: Вестник машиностроения, 1980, №11, с.3-5.

52. Пашков А. К., Полярин Ю. Н. Пакетирование и перевозка тарно-штучных грузов. М: Транспорт, 2000, 254с

53. Пакетоформирующие машины. / А.П-. Кривопляс, A.A. Кукибный, А.П. Беспалько и др. М.: Машиностроение, 1982. — 239 с.

54. Пейсах Э.И. Метод кинематического анализа манипуляторов произвольной структуры. В кн.: Промышленные роботы. JL: Машиностроение, 1977, с. 54-63.

55. Пневматические комплектующие для автоматизации и механизации в промышленности : каталог : разработчик и изготовитель Pneumax S.p.a. / версия 27.06.2008. М., 2008. -700 с.

56. Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора: пер. с английского. М.: Наука, 1976.-104 е.: ил.

57. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов. Учеб. для вузов. — М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2002. — 320с.: ил.

58. Попов Е.П. Управление роботами-манипуляторами. Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, 1974, №6. 241

59. Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зинкевич C.JI. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы. М.: Наука, 1978, 398 с. 242

60. Принцип наименьшего принуждения Гаусса для моделирования на ЦВМ динамики роботов-манипуляторов. «Доклады АН СССР», 1975, т. 220, №1,с.51-53:88

61. Промышленные роботы для сварки. Патон Б.Е., Спыну Г.А., Тимощенко В.Г. Киев: Наукова думка, 1977. - 288с.

62. Сбалансированные манипуляторы. Под ред. Белянина.

63. Ратмиров В.А. Управление станками гибких производственных систем. М:Машиностоение, 1987. -272 е.: ил.

64. Смольников Б.А. Векторно-матричный аппарат в кинематике составного тела. Динамика и прочность машин. Сборник научных трудов.Д.: ЛПИ им.Калинина, 1982, С. 24 - 29. 254

65. Степаненко Ю.А. Некоторые вопросы оптимального управления-манипуляторами. В'кн.: Механика машин. М.: Наук, 1969, вып.21-22, с. 86-96. 257

66. Сурнин Б.Н. Баранов А.Г. и др. Промышленые роботы. Структура, типы, характеристика. Машиноведение, 1973, №6, с. 6-10. 260

67. Сурнин Б.Н., Степанов В.П., Калабин И.В. и др. Особенности конструкции роботов модульного типа. Станки и инструменты, 1978 №7 с.10-15. 261

68. Тетяев Е., Волегов А., Таран А. Частотно регулируемый электропривод крановых механизмов. Силовая электроника, 2007, №4(14), СПб.: Файнстрит.

69. Тимофеев A.B. Адаптивные робототехнические комплексы. JL: Машиностроение, 1988. 332 с.:ил.

70. Тимофеев A.B. Построение адаптивных систем управления программным движением. М.: Энергия, Ленинградское отделение, 1980, 88 с. 264

71. Тимофеев А.Н. Принципы и алгоритмы построения адаптивных систем управления роботов. В кн. Робототехника. Л.:ЛПИ, 1977, с.35-43.

72. Устройство промышленных роботов / Е.И. Юревич, Б.Г. Аветиков, О.Б. Корытько и др. М.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1980. -333 с.

73. Управляющие системы промышленных роботов / Ю.Д. Андрианов, Л.Я. Гейзер, М.Б. Игнатьев и др. Под общей ред. Н.П. Макарова, В.А. Чиганова. -М.: Машиностроение, 1984. 288с.

74. Фролов К.В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиноведения. -М.: Машиностроение, 1984. 280

75. Челпанов И.Б., Колопашников С.Н. Схваты промышленных роботов. Л.: Машиностроение, 1989, 326 с.

76. Челпанов И.Б. Устройство промышленных роботов. Л.Машиностроение, 1991. — 139 е.: ил.

77. Шахинпур М. Курс робототехники: пер. с англ. М.: Мирб 1990. - 527 е.: ил.

78. Юревич Е.И. Аветиков Б.Г. Корытько О.Б. Классификация промышленных роботов // Промышленные роботы. — Л.: Машиностроение, 1977. С. 4-12.

79. Юревич Е.И. Телешев Н.С. Проблемы очувствления роботов. В кн. Промышленные роботы. - М.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1979, вып.2, с.11-20. 292

80. ISO 3676 Packaging unit load sizes Dimensions. Электронный ресурс. - Режим доступа:http://www.iso.org/iso/cataloguedetail.htm?csnumber=9136 Дата обращения: 10.10.2010.

81. ISO 6780:2003 Flat pallets for intercontinental materials handling -Principal dimensions and tolerances Электронный ресурс. Режим доступа:http://www.iso.org/iso/isocatalogue/cataloguetc/cataloguedetail.htm7csn umber=30524 Дата обращения: 10.10.2010.

82. ABB: Product selector Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.abb.com/product/ap/seitp327/885acba02219182bcl257066003f8 63a.aspx Дата обращения: 10.10.2010.

83. Fanuc: Industrial Robot A to Z Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.fanucrobotics.com/products/robots/AtoZ.aspx Дата обращения: 10.10.2010.

84. Kawasaki Robotics Line -Up Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.kawasakirobotics.com/products/?page=robots Дата обращения: 10.10.2010.

85. Kuka: Our Industrial Robots Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.kuka-robotics.com/usa/en/products/industrialrobots/ Дата обращения: 10.10.2010.