автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Синтез электромеханического схвата промышленного робота для захватывания валов

'ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ!! ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Махмуд Бани аль-Нардае

УДК 621.865.8

СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОХВАТА ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА ДЛЯ ЗАХВАТЫВАНИЯ ВАЛОВ

05.02.05 - Роботы, манипуляторы и

робототехнические систеиы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

Работа выполнена в Харьковском ордена Ленина и ордена Октябрьской револоции политехническом институте им. В.И.Ленина

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент В.П.Изюыский

Официальные оппоненты; доктор технических наук,

профессор И.Б.ЧЕЛПАНОВ кандидат технических наук, доцент В.Н.ГОНЧАРЕНКО-

Ведущая организация МсПО "Красный пролетарий" им. А.И,Ефремова

Занята диссертации состоится "15 " января 1991 г. в часов на заседании специализированного совета К 063.38,28 п Ленинградской государственно!,: техническом университете (195251), Ленинград, ул. Политехническая, дом.29, корпус I, аудитория /¡ь 39 )•

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Ленинградского государственного технического университета.

Автореферат разослан "^'/г 199 От.

Ученый секретарь специализированного совета,

кайдадат техлич.наук,доцент

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ | Актуальность тепы. Перспективным средством комплексной автоматизации производственных процессов являются промышленные роботы (ПР). Благодаря возможности перепрограммирования ПР, они успешно используются в гибких производственных системах /ГПС/, предназначенных для механической обработки и сборки. В последние годы возрастает удельный вес электрических приводов, которые отличаются доступностью энергоносителя, легкостью регулирования, простотой монтажа, наладки и обслуживания при эксплуатации, а такяе высоким коэффициентом полезного действия.

Одной из важных задач является обоснование выбора структуры охвата и определения его параметра для ИР, работающих в составе ГПС и осуществляющих вспомогательные операции по переноске валов от технологического оборудования в накопительные устройства и обратно. Поэтому разработанная методика синтеза электромеханического схвата для захватывания валов является актуальной для роботостроения задачей.

Цель и задачи исследования. Разработана методика синтеза электромеханического схвата для объектов, представляющих собой ступенчатые' валы. Выбор типа губок схвата и разработка определения геометрических параметров рабочих элементов по заданным условиям. Разработка методики оценки погрешности позиционирования схвата, обусловленной профилированием рабочих элементов, сшибками изготовления рабочих элементов и деформациями схвата, при его функционировании. Определение усилий^ необходимых для надежного зажима объекта. Обоснование выбора параметра кинематической цепи, обеспечивающей функционирование губок с целью уменьшения поперечных габаритов схвата. Обоснование выбора структуры передаточного механизма привода губок. Разработка

методики профилирования кулачкового механизма. Разработка методики определения передаточного отношения зубчатого механизма передачи и выбора электродвигателя. Анализ динамики механизма схвата при зажиме и разжиме объекта.

Научная новизна работы. Она определяется выбором структуры схвата, обеспечивающего требования, предъявляемые к ПР,функционирующему в условиях ГПС, разработкой методики синтеза схвата по условиям обеспечения заданного быстродействия, точности, надежности функционирования, минимизации поперечных габаритов схвата, минимизации массы электродвигателя, разработкой динамической модели механизма, разработкой методики оценки точности позиционирования схвата, обусловленной ошибками изготовления рабочих элементов и упругостью звеньев, разработкой средств компенсации этих ошибок.

На защиту выносятся следующие основные положения. Методика выбора параметров рабочих элементов схвата и параметров механизма привода даухэвенных губок. Расчет точности позиционирования вала с учетом систематических и случайных ошибок,обусловленных профилированием рабочих элементов, податливостью звеньев и изготовлением. Методика синтеза схвата ПР для захватывания валов и условий ГПС. Динамический расчет схвата при зажиме и разжиме вала.

Практическая ценность работы. Разработанная методика синтеза может быть использована прежде всего для ПР, работающих в условиях ГПС. Наличие пакета прикладных программ обеспечивает ее применение в конструкторских бюро и предприятиях для выполнения практических расчетов. Результаты обеспечивают снижение металлоемкости, способствует повышении надежности. 4.

Методика исследования. Она включает аналитические исследования, математическое моделирование динамики механизма схвата и экспериментальные исследования на схвате ЛР ХШР-001.

Внедрение полученных результатов. Результаты выполненных исследований переданы Московское станкостроительному производственному объединению "Красный пролетарий" им. А.И.Ефремова.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции Харьковского политехнического института (1989), а также в Харьковском филиале семинара по теории механизмов и машин (1990), и на кпфедре "Автоматы" ЛПИ им.А.И,Калинина (1990), по результатам работы опубликованы две статьи.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Она содержит 2.1 о страниц машинописного текста, 40 рисунков,# таблиц и список литературы, включающий 96 наименований работ советских и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ ДОСЕРТАВДИ

Во введении приводится аннотация работы, основные научные положения, которые выносятся на защиту, обосновывается актуальность и научная новизна работа.

В первой главе рассматриваются особенности схватов ПР, используемых в условиях ГПС, и сформулированы предъявляемые к таким схватам требования. Проведен обзор литературы по совокупности вопросов, касающихся как синтеза схватов, так и отдельных его аспектов. Наиболее значительные результаты по механике и проблемам их синтеза получены в работах И.Б.Челпанова,С.Н.Кол-пашнккова, И.А.Трубина, А.В,5игурина. В этих работах исследова-

5.

но взаимодействие схвата с объектом, определена несуцая способность схвата на основе построения области надежного захватывания, исследованы процессы захватывания, разработаны методики построения области надежного функционирования схвата, разработан обЕщй алгоритм синтеза схвата по определенным требованиям. Имеются публикации по вопросу профилирования рабочих элементов, обширная литература посвяцена описанию различных конструкций схватов. Приведенный обзор и анализ литературных источников показал, что имеющиеся результаты дают надежную основу для проектирования схвата, однако проблема синтеза электромеханического схвата для захватывания валов с учетом условий ГШ имеет свои особенности и требует дополнительных исследований. В соответствии с изложенный, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматривается профилирование рабочих элементов схвата и силовой расчет губок. Обсуядается вопрос о выборе типа движения губок и выбран тот из них, где каждая из губок совершает поворот. Рабочие элементы губок профилируются дугами окрулвдетеЯ, при определении параметров рабочих элементов, кроме условий центрирования с заданной точностью. Используется условие ограничения контактных напряжений между рабочими элементами и объектом.

С целью уменьшения поперечных габаритов схвата при раскрытии губок, введены двухзвенные игубки, наседая из губок состоит из двух двеньев 8,13 и 22,17 шарнирно связанных метсду собой (рис.1). Механизм привода каждоР губки от рычага 4 имеет переменную структуру, при закиме объекта какдая из губок образует жесткое звено. Данк рекомендации по определению параметров этого механизма. Проведен анализ взаимодействия схвата с объектом при зажиме объекта и построения, определен» соответствующие области нормального функционирования. При силовом расчете губок 6.

Двухзвенные губки

г

определялись Р£ ( С- = 1,2,3,4) давления рабочих элементов губок схвата на объект для случаев трехточечного и четырехточечного контакта внешней момент М на рычаге 4, необходимый для

того, чтобы удовлетворить условию надежного зажима объекта. Ц

у п, — т а -к

57-' «>

где /71 - масса объекта, С( - максимальное ускорение объекта в направлении его оси, ^ - коэффициент трения между объектом и рабочими элементами, К - коэффициент запаса.

Получены расчетные формулы для определения погрешности позиционирования из-за случайных ошибок изготовления рабочих элементов:

"4=

тЬр (2)

бч= I, К • « 41 (ым

ГПХвЛ-р математическое ожидание смещения координат центра объекта О в направлении оси схвата к в перпендикулярном ему направлении; Сд^р, - средне-квадратические отклонения этих величин; величины2)( J «= 1,2, Ь ~ 1,2,3) - коэффициенты, зависящие от геометрических параметров рабочих элементов л ди-8.

аметра объекта; величины ГП и (5 в правой части (2) -математические олидания и средне-квадратические отклонения соответствующих ошибок изготовления.

На основе формул (2) проанализировано влияние предварительных регулировок губок на повышение точности позиционирования и даны соответствующие рекомендации. Произведена оценка влияния упругости звеньев на погрешность позиционирования.

В третьей главе рассмотрена проблема синтеза передаточного механизма и выбора электродвигателя. Выбрана структура передаточного механизма (рис.2). В состав механизма входит кулачковый и зубчатый механизм, имеющий в своем составе самотормозящую кинематическую цепь, состоящую из червя .ка 3 и червячного колеса 4. Кулачковый вал 9 шарнирно связан с водилом 10, и поэтому в целом передаточный механизм имеет две степени подвижности,что необходимо для зажима объекта двумя парами губок от одного электродвигателя Д.

Рассмотрена задача профилирования различных участков профиля кулачка.

Рабочий участок профиля может определяться с учетом особенностей номенклатуры объектов так, чтобы суммарная сила зажима объекта засисила от его габаритов.

Передаточное отношение зубчатого механизма при неподвижном водиле, должно удовлетворять неравенству

. / . ' М

ГДР М максимальный момент электродвигателя; ^ - кпд передаточного механизма, передаточное отношение кулачкового механизма; М - момент сил, передающихся со стороны кулачков

9.

Cxei:a схвата.

на коромысла II и 12. Выбор конкретного электродвигателя из числа электродвигателей определенного типа производится по условию минимизации его массы с ограничением на время сведения губок Т, при этом выполняется условие ^ = Су . Рассмотрены случаи, когда в качестве привода применяется асинхронный электродвигатель, двигатель постоянного тока с независимым возбуждением,который мояет иметь обратную связь по скорости.

В четвертой главе рассмотрена динамическая модель схвата и произведено исследование движения его звеньев на этапах зажима и разжима объекта. Исследования выполнены на основе методов динамического расчета самотормозящихся механизмов, разработанных В.Л.БеРцем. Расчеты проводились для случая, когда в качестве привода используется электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением и с обратной связью по скорости. Для такого двигателя связь меяду угловой скоростью ротора (р* и моментом двигателя М^ подчинена зависимости

и,

где ^С Я - постоянная времени электродвигателя; /7 и В постоянные.

При исследованиях предполагалось, что членом (4), со-

ймд

держащим ^ - , мотао пренебречь, проводились дополнительно расчеты и с учетом зтого члена, которые подтвердили правомерность такого допущения. Процесс золима с учетом реальных значений параметров схвата мотло списать системой уравнений

О, Щ + сч>а = Мд ,

—

Сэ • С с _ Сг С

где ~ приведенный к валу дшг&теля момент инерции касс

ротора, зубчатых колес 1,2 и червяка, 1рд , Ч?г и - угли

поворота - вела, двигателя, червячного колеса и кулачкового вала, С / , и - коэффициенты, зависящие от жесткости кинематической цепи и ее КПД.

ч

Из системы уравнений (5) получены аналитические выражения для СРд. . к и определен момент М , характеризующий суммарную силу зажима объекта.

где - угол поворота червяка в момент ¿Рц = 0; пере-

даточное отношение между кулачком и коромыслом; - приведенная к кулачковому валу жесткость кинематической цепи между губками и этим валом.

Разжим объекта возникает, если выполняются полученные В.Л.Вейцем неравенства

С1 • I? 'Сэ >0

э, -¡и • -Зе > 0 ' <7)

где уи - коэффициент растормаживания, определяемый по формуле

и - Ъчг-г)

■р - Ц Г

уО - угол трения; ^ - угол подъема винтовой линии червяка С - приведенная к валу двигателя жесткость кинематической цепи между двигателем и червяком;!^-коэффициент, зависящий от жесткости кинематической цели между червяком и губками;

- момент инерции червячного колеса и зубчатого колеса 5 (рис.2).

Учитывая, что угол трения покоя J3 , введем коэффициент

. = ш^Р Ч i

Первый этап разжима начинается в момент включения двигателя и заканчивается в момент соударения полумуфт разгонной муфты. Второй этап заканчивается, когда упругий момент, равный

достигает величины, необходимой для растормаживанил червячной пары, то-есть

где Сg - коэффициент, аналогичний С j , в (5), а ^Р^g ~ угол tp^ в конце второго этапа.

На третьем этапе происходит переход червяка от покоя к движению, а на четвертом - растормаживание объекта. Получены формулы, по которкм определяются (fig , LQ^ , (ftк .

В пятой главе описан алгоритм синтеза схвата. Синтез приводится по исхрднкм данннм, полученным на пути анализа характеристик ШС, предмета производсгра и IIP. К числу этих данных относятся диапазон диаметров объектов, их масса, габариты, точность позиционирования объекта, быстродействие схвата, тип привода, требования " габаритам схвага. При синтеза губок определяются геометрические параметры рабочих элементов, находится число съемных узлов, несущих губки, определяются из условия минимизации поперечние габаритов схвата геометрические параметры кинематической цепи, управляющей дзитением двухзвенных гу-бо:(, производится оценка погрешности гозициониропгния, обуслов-

13.

ленной случайными ошибками изготовления рабочих элементов и ошибками от упругих деформаций звеньев, находится внешний момент М ,приложенный к губкам для надежного заташа, опреля-ются области надежного функционирования. Затем производится синтез передаточного механизма и выбирается приводной электродвигатель. Исходя из требований, предъявляемых к схвату, выбирается структура передаточного механизма. Доказала целесообразность применения самотормозящегося механизма с двумя степенями подвижности с использованием кулачкового и зубчатого рычажного механизма планетарного типа. Профилирование кулачка в определенных случаях целесообразно проводить с учетом массы и геометрических параметров объектов. Передаточное отношение зубчатого механизма (при неподвижном водиле) определяется совместно с выбором электродвигателя из условия минимизации массы электродвигателя при ограничении на время сведения губок. Указанные операции по синтезу схвата в значительной части выполняются на ЭВМ, но расчетидолжны сопровождаться также конструкторскими проработками отдельных узлов.

В шестой главе описаны результаты экспериментального исследования процесса зажима и разжима объекта цилиндрической формы схвагом ПР ХШР-001. Осциллограммы, полученные в экспериментах, показаны на рис.3. Здесь I и 2 - показания гензодатчи-ков, пропорциональны моментам М^ и М£ , приложенным к коромыслам губок со стороны кулачков схвата, 3 - кривая напряжения на тахогекераторе, пропорционального угловой скорости двигателя, 4 - кривая изменения тока якоря, пропорционального момету двигателя М 14.

8 '

Рис.3

Результаты экспериментов сопоставлялись с результатами динамических расчетов, выполненных по формулам главы 4. Сравнение расчетных данных с экпериментальными показало их удовлетворительное совпадение.

В заключении приведены следующие итоги и выводы по работе:

1. Сформулирована постановка задачи о синтезе электромеханического схвата ПР для захватывания валов. Схват предназначен для ПР, функционирующего в составе ГПС. Это определяет целый ряд требований, предъявляемых к охвату, влияющих на его структуру и конструктивные особенности. В число требований входит широкодиапазонность схвата, центрирование объектов, зажим объекта двумя парами губок от одного электродвигателя, ограничения на габариты схвата и массу, на быстродействие и на точность позиционирования, возможность автоматической смены узла, несущего губки схвата, надежность зажима на различных режимах, включая и аварийные, надежность разжима.

2. Разработана методика синтеза схвата. Составлен алгоритм расчетом, которые на определенных этапах дополняются проведением конструкгурских работ, Расчеты выполняются на ЭВМ, программы расчетом проведены в приложении. Расчеты иллюстрируются на примере схвата средней грузоподъемности (64 кг).

3. После исходных данных, необходимых для проектирования схвата, рассматривается совокупность задач, связанных с проектированием затамннх губок. В число этих задач входит выбор типа движения губок, определение диапазона центрирования объектов, профилирования рабочих элементов, определения параметров, двухзвенных губок и кинематической цепи их привода, силовой расчет губок, оценка точности позиционирования с учетом погрешностей изготовления рабочих элементов и податливости звень-

16.

ев, определение областей надежного функционирования при взаимодействии схвата с объектом и с приемо-ввдающими устройствами.

4. Получение результаты по синтезу губок позволяют обоснованно выбрать число сменных узлов, несущих губки, для обеспечения работы модуля при заданной номенклатуре изделий, уменьшить (на 17-20$) поперечные габариты схватов, обоснованно выбрать точность обработки рабочих элементов губок.

5. Выбор типа передаточного механизма связан с требованием реализовать зажим объекта двумя парами губок от одного электродвигателя, с необходимостью иметь возможность автоматического съема захвата. Эти требования привели к целесообразности иметь в составе передаточного механизма кулачковый механизм, зубчатый механизм дифференциального типа с двумя степенями подвижности, черЕЯчну» передачу. Такая схема передаточного механизма реализовать в схвате ПР ХШР-ГО1.

6. На первой стадии синтеза передаточного механизма производится профилирование кулачкового механизма. Показано, что определение профиля кулачкового механизма, может осуществляться с учетом особенности номенклатуры объектов. За счет профилирования кулачка можно изменять силу зажима объекта в зависимости от их габаритов.

7. Обоснована методика определения передаточного отношения зубчатого механизма и выбора электродвигателя, при этом такой электродвигатель должен быть наименьшей маасы, чтобы обеспечивалась заданная сила зажима, объекта и удовлетворялось требование по быстродействию.

8. Составлена динамическая модель схвата, и выведены

расчетные формулы для исследования динамики схвата при зажиме

и разжиме объекта. Для конкретности рассмотрен случай, когда в

17.

качестве привода исследуется электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением и обратной связью по скорости.

9. Проведены эксперименты на схвата ПР ХШР-001 по изучению процессов зажима и разжима объекта. Получено удовлетворительное совпадение расчетных данных с экспериментальными. Эксперименты подтверждают, в частности возможность использования статической характеристики двигателя постоянного тока для динамических расчетом.

10. Предложенная методика синтеза электромеханического охвата для захватывания валов ПР, работающего в условиях ГПС позволяет выбрать структуру схвата, определить основные конструктивные параметры, выбрать электродвигатель, проверить работоспособность схвата и на этой основе провести его проектирование.

- Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бани аль-Мардже И., Изюмский В.П. Динамика захватного устройства с электроприводом для деталей типа вала. - Теория механизмов и машин, 1990, вып. 49, с.60-69.

2. Бани аль-Мардже М., Изюмский В.П. Влияние погрешности изготовления рабочих элементов рычажных губок схвата .на точность позиционирования объектов цилиндрической формы - Теория механизмов и машин, 1991, вып. 50 (принято в печать).

_Ответственный за выпуск КТН 0 .еЛ~~_

Подл.и Dtч./f■ Формат 60Х84'/ц Бумага тип. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. С

Уч.-нэд, л. 1 .0 Ткраж экз. Зак. № Бесплатно.

Харьковское межвузовское арендное полиграфическое предприятие. 310093, Харьков, ул. Свердлова, 115.