автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Системы приводов технологических роботов вертикального перемещения

АЗЭРБАГЧАН РЕСПУБЛИКАСЫ ТЭЬСИЛ НАЗИРЛШИ АЗЭРБАГ4АН ТЕХНИКИ УНИВЕРСИТЕТИ

Э/уазма Ьугугунда

мэммэдов закир гасумович

солт деформасшаедичи штамп поладларьшын расионал лекирлэнмэси

вэ моькэмлэндирилмэсинин

эсас принсиплэринин и1ш1энш1мэси Ихтисас 05.02.01 - Машынга)ырмада материалшунаслыг

Техника елмлэр доктору алимлик дэрэчэси алмаг учун тэгдим едилмиш диссертасиданын

АВТОРЕФЕРАТЫ

Б А К Ы - 1 9 9 7

РГБ ОД

на правах рукописи

Рачков Михаил Юрьевич

СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РОБОТОВ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Специальность: 05.С2.03. - Системы приводов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -

1997

Работа выполнена в Институте проблем механики Российской Академии Наук.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Градецкий Валерий Георгиевич

Официальные оппоненты:

1. Доктор технических наук, профессор

Дмитриев Вадим Николаевич

2. Доктор Технических наук, профессор

Евдокимов Александр Иванович

3. Доктор физико-математических наук, профессор

Гораздовский Тадеуш Янушевич

Ведущая организация - Институт машиноведения им. Благонравова Российской Академии Наук.

диссертационного совета ВАК России Д 053.30.03 при Московском Государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: 125829, ГСП-47, Москва, Ленинградский проспект, д. 64, МАДИ.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Справки по телефону: 155-01-59

Автореферат разослан « __1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Защита состоится

¿/1997 г. на заседании

кандидат технических наук

М.А. Потапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мобильные роботы в настоящее время используются в промышленности и в средах, недоступных или опасных для человека, например, в космическом пространстве, под водой, а также в условиях высокой температуры и радиации. Одним из относительно новых направлений в развитии мобильных роботов является создание технологических роботов вертикального перемещения (ТРВП). Эти роботы способны выполнять технологические операции на поверхностях с произвольным углом наклона.

Последние несколько лет в развитых странах мира, таких как Япония, США, Англия и Германия, а также в России ведутся интенсивные исследования, направленные на создание ТРВП, которые могут перемещаться по горизонтальным, наклонным или вертикальным поверхностям. Такие роботы способны преодолевать или обходить препятствия, встречающиеся на пути их следования, выходить в требуемую начальную позицию и осуществлять различные технологических операции. Актуальность создания систем приводов ТРВП и робототехнических комплексов на их базе определяется необходимостью автоматизации широкого ряда работ, выполняемых в экстремальных ситуациях, а также возросшими требованиями к производительности и качеству технологических операций в условиях, где человеку опасно находиться или сложно выполнять действия самому.

Создание роботов для экстремальных сред предусматривается европейскими, японскими и американскими национальными программами по робототехнике. Актуальность и важность применения ТРВП для различных целей послужила основой для создания в 1996 году международного координационного центра по роботам вертикального перемещения CLAWAR на базе Портсмутского университета (Великобритания).

Экономическая эффективность использования ТРВП достигается за счет выполнения работ на больших высотах без специальных строительных лесов, навесов и других приспособлений, а также за счет экономии времени при выполнении операций. Однако, сохранение здоровья и жизни людей при использовании ТРВП имеет приоритетное значение.

Анализ характеристик разработанных ТРВП показывает, что они имеют повышенный вес приводной системы. Ограниченность функциональных возможностей определяется использованием педипуляторов, не способных адаптироваться к неровностям поверхности перемещения. Для сочетания мощности, надежности и возможности регулирования скорости при относительно небольших габаритах и массе необходимо применять комбинированные приводы ТРВП, позволяющие с помощью малых мощностей управлять силовыми элементами системы. При этом, широкий диапазон регулирования скорости позволит использовать один привод как для транспортных, так и для технологических движений робота, что приведет к повышению его производительности.

Учитывая специфику работы систем приводов ТРВП (СП ТРВП) на вертикальных поверхностях, где существенными являются ограничения на

собственный вес робота при необходимости обеспечения требуемой грузоподъемности, целесообразно использовать пневматические приводные системы, отвечающие указанным свойствам. Вопросам исследования приводных систем, в частности, пневматическим, применяемым в робототехнике, посвящены работы Е.В. Герц, Г.Н. Крейнина, В.Н. Дмитриева, В.Г. Градецкого, Б.Н. Бажанова, В.А. Королева, В.В. Баскарева, В .Я. Краснослободцева и др. Наличие неравномерных и знакопеременных нагрузок на СП ТРВП в процессе его транспортных и технологических движений требует решения задач оптимизации его параметров.

Большой вклад в исследование вопросов оптимизации и разработки робототехнических систем внесли Ф.Л. Черноусько, И.М. Макаров, Д.Е. Охоцимский, Е.П. Попов, B.C. Кулешов, В.Г. Градецкий, Е.И. Воробьев, А.И. Корендясев, И.Б. Челпанов, H.H. Болотник, A.B. Синев и др. Были решены некоторые задачи по устойчивости шагающих механизмов на горизонтальной поверхности. Для повышения надежности функционирования ТРВП необходимо дополнительно провести анализ устойчивости СП ТРВП на вертикальной поверхности на основе измерения линейных и угловых скоростей его элементов, а также действующих сил и моментов, и оптимизировать режимы работы СП ТРВП по быстродействию. Для СП ТРВП в ряде случаев важно учитывать влияние упругой податливости в исполнительном звене привода при выводе оптимального закона управления для сохранения точности позиционирования, а также влияние величины максимально допустимого тока привода, что повышает надежность функционирования робота при любых режимах работы, вызывающих повышение потребляемого тока, без перегрузки двигателя привода.

Принципиальную важность в СП ТРВП имеют системы безопасности, которые обеспечивают возможность устранения сбоя в процессе движения робота или транспортировку робота в начальное положение с места нахождения робота во время отказа одной из систем. В известной литературе не определены взаимосвязи между условиями выполнения технологической операции и методом, обеспечивающим безопасность ТРВП. В связи с этим целесообразно разработать общий подход к созданию систем безопасности ТРВП.

Известны СП ТРВП для очистки металлических и бетонных поверхностей, однако, представляет большой практический интерес развитие разработок вариантов СП ТРВП для операций очистки стеклянных поверхностей, а также применение СП ТРВП в составе робототехнического комплекса дезактивации с перемещением технологического оборудования по выбранной траектории, в частности, в условиях неопределенности внешней ситуации при аварийных работах. Производительность выполнения операций дезактивации и очистки может бьгп. повышена за счет совмещения приводных систем захвата и технологического инструмента. Не разработаны СП ТРВП для выполнения таких трудоемких операций, как сверление, монтаж дюбелей и других, требующих повышенных технологических усилий. Одним из вариантов выполнения инспекции, покраски, сверления, монтажа дюбелей, очистки, шлифовки и других операций является использование универсального ТРВП со сменными технологическими модулями. В связи с этим, ТРВП могут найти свое место в гибких автоматизированных производствах, особенно при обработке поверхностей большой площади. Создание ТРВП для проведения

противопожарных операций путем автоматического вырезания отверстий в стенках горящих резервуаров с целью введения средств тушения в область открытого огня позволит исключить использование людей в такой экстремально опасной для жизни ситуации. Система приводов в этом случае должна выдерживать работу в условиях высоких температур.

Разработка усовершенствованных схем и методов расчета рабочих режимов систем приводов ТРВП является решающим фактором повышения производительности роботов при выполнении ими технологических операций.

Таким образом, развитие теории расчета систем приводов для ТРВП и создание на ее основе специализированных систем приводов ТРВП, обладающих повышенной производительностью и расширенными функциональными возможностями при выполнении технологических операций, является научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Цель работы - разработка специализированных систем приводов роботов вертикального перемещения для повышения их производительности и расширения функциональных возможностей при выполнении технологических операций.

Цель работы достигается путем решения следующих задач:

- построение расчетных математических моделей СП ТРВП с учетом влияния упругой податливости и крутильной жесткости в исполнительном звене привода,

- обоснование выбора схем СП ТРВП в зависимости от решаемой технологической задачи,

- разработка методов расчета силовых элементов СП ТРВП,

- оптимизация режимов работы СП ТРВП по быстродействию,

- создание адаптивных схем вакуумных педипуляторов транспортной СП ТРВП,

- разработка и исследование СП ТРВП при совмещении транспортных и технологических движений,

- выбор и расчет приводных систем безопасности ТРВП,

- испытание я анализ функционирования разработанных СП ТРВП для различных технологических применений.

Объектом исследования в работе являются системы приводов технологических роботов вертикального перемещения. Методы исследования, использованные в работе:

- математический анализ для построения расчетных математических моделей СП ТРВП,

- методы теоретической механики и методы теории оптимального управления для оптимизации режимов работы СП ТРВП,

- численные методы моделирования и методы газодинамики при расчете силовых элементов СП ТРВП и исследовании комбинированного привода для совмещения транспортных и технологических движений,

- методы экспериментальной оптимизации для создания адаптивных схем вакуумных педипуляторов транспортной СП ТРВП и при расчетах рабочих режимов приводных систем.

Научная новизна. К основным научным результатам работы относятся:

- обобщение и развитие теории методов расчета элементов СП ТРВП, состоящее в получении условий устойчивости робота на вертикальной

поверхности и определения его грузоподъемности, а также в оптимизации по быстродействию движений исполнительных звеньев СП ТРВП,

- разработка принципов построения СП ТРВП и их классификация по различным технологическим критериям,

- получение экспериментальных характеристик транспортной и захватной систем приводов СП ТРВП, необходимых для использования графических методов расчета, учитывающих конкретные условия эксплуатации робота,

- разработка структуры приводных систем безопасности ТРВП, а также метода двухступенчатого захвата, позволяющего повысить грузоподъемность СП ТРВП при работе на поверхностях с существенными неровностями,

- разработка алгоритмов функционирования и настройки СП ТРВП для расширения функциональных возможностей ТРВП,

Практическая_ценность работы определяется созданием

специализированных СП ТРВП, обладающих повышенной производительностью и расширенными функциональными возможностями, для автоматизации широкого ряда технологических операций. Устройства разработанных СП ТРВП и способы их функционирования защищены авторскими свидетельствами.

Реализация работы была проведена путем применения созданных систем на различных предприятиях, в частности, в АО «МНТК РОБОТ», ВНИИПО МВД РФ и ГосИФТП, а также использованием полученных результатов в учебных заведениях, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы - основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 26-ти Всесоюзных и Республиканских конференциях, а также на 1.8-ти Международных конференциях и симпозиумах. Разработанные образцы приводных систем и технологических роботов вертикального перемещения демонстрировались на 3-х Всесоюзных выставках (три медали) и 4-х Международных выставках, а также на 1-ой Международной Олимпиаде роботов (две медали).

Публикации - по теме диссертации опубликовано более 100 печатных работ, включая 26 международных публикаций и монографию. Получено 39 авторских свидетельств и 3 патента.

Содержание и объем диссертации. Работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 216 страниц компьютерного текста с использованием шрифта Times New Roman Cyr 12, а также 147 рисунков, 5 таблиц и включает библиографию из 161 источника. Содержание диссертации полностью основано на опубликованных лично автором или в соавторстве работах, приведенных в библиографии. Ссылки на совместные результаты даны в соответствующих местах диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается анализ существующих разработок по теме и на его основе формулируются цель и задачи исследований. Приводятся сведения о публикациях, апробации и реализации результатов, а также краткий обзор содержания по главам.

В первой главе производится построение расчетных математических моделей СП ТРВП для различных точностных приближений. Определяются условия

равновесия робота на поверхности, обеспечивающие отсутствие отрыва и проскальзывания захватов. Рассматриваются модели, учитывающие продольную упругую податливость и крутильную жесткость элементов СП ТРВП. Даются алгоритм расчета грузоподъемности и правила оптимального выбора параметров жесткости конструкции системы.

Рис. 1 Рис. 2

Робот состоит из корпуса и педипуляторов с захватами. Важной задачей механики, решение которой обеспечивает надежное функционирование робота, является определение условий, гарантирующих надежный контакт педипуляторов с поверхностью при заданных внешних силах, приложенных к роботу. Свяжем декартову систему координат Охуг с неподвижной плоской поверхностью, по которой перемещается робот. Через п (х„уи0) обозначим радиусы-векторы центров стоп, 1 =1,...,п. На робот в состоянии равновесия действуют следующие силы.

1) Внешние активные силы (вес, реакции со стороны коммуникаций и других внешних объектов); главный вектор этих сил обозначим через Я, а их главный момент относительно точки 0 - через М0.

2) Нормальные реакции поверхности; силу реакции, приложенную к 1-й стопе, обозначим через Ы,к, где к-орт оси г, а N1 > О, I = 1,..., п.

3) Касательные реакции поверхности (силы сухого трения); силу трения, действующую на ¡-ю стопу, обозначим через Р;, 1 =1,...,к. Силы трения лежат в плоскости Оху и удовлетворяют закону сухого трения Кулона при коэффициенте трения Г

|Р(|«/ЛГ„ к)=0. (1.1)

4) Силы - Ф;к, с которыми педипуляторы прижимаются к поверхности из-за наличия вакуума, 1 =1,...,п, равны

1—1,..., п. (1.2)

Здесь р - атмосферное давление, р; - давление под ¡-м захватом ; - площадь

этого захвата. Запишем условия равновесия робота под действием приложенных сил

Я,+2(ЛГ,-Ф,)=0, ЛГ=[+2у,(М-Ф|)=0, Ф,)=0; (1.3)

Здесь через Лу, и Мх, Му, М2 обозначены проекции на оси х, у, ъ векторов Я и М0 соответственно, а через Х„ У, - проекции сил Р| на оси х, у.

Отметим, что уравнения (1.3) для определения >}; образуют совокупность трех уравнений с п неизвестными. Поэтому при п > 3 система в общем случае статически неопределима, и реакции N. определяются неоднозначно. В статически неопределимых случаях в механике для нахождения реакций N1 часто привлекают дополнительные соображения: учитывают упругие деформации и геометрические неидеальности. При этом распределение нормальных реакций оказывается существенно зависящим от жесткости тела и опоры, а также от геометрических неидеальностей.

Для абсолютно жесткой модели дополнительная информация о жесткости конструкции робота и о погрешностях изготовления не учитывается, так что система остается статически неопределимой. В этом случае робот считается абсолютно жестким, и распределение реакций N1 может быть любым, удовлетворяющим условиям (1.3). При этом условие отсутствия проскальзывания представится в виде

яирк.,.*,^!«/. (1.5)

Здесь

е^м.-л^+^хХд^,)-1, (1.6)

д =[(*-*,)2+(у-у1)2]1Я,/а=1,...,я. (1.7)

Учет малой продольной упругой податливости педипуляторов робота производится с использованием зависимости

ЛГ<=-сА, с(>0, 1=1.....п, (1"8)

где - удлинение ¡-го педипулятора, с; - его жесткость. Обозначим через Ь смещение вдоль оси г некоторой точки корпуса робота, находящейся на оси Ог, а через а, ¡5 - малые углы поворота корпуса вокруг осей х, у соответственно. Тогда удлинение 1 - го педипулятора робота представится в виде

(а у(-М. (1.9)

Здесь £ ■, - малое удлинение, обусловленное конструктивными причинами: разным уровнем точек крепления педипуляторов или отличием их длины от некоторого среднего значения, определяемого погрешностью изготовления.

Для иллюстрации учета крутильной жесткости в точках крепления педипуляторов рассмотрим проекцию ТРВП на плоскость симметрии, данную на рис. 2. Точки крепления педипуляторов к корпусу лежат в вершинах прямоугольника АВСР, штоки параллельны оси ъ. Контакт каждого захвата с плоскостью ху ограничен окружностью радиуса г. Действующие на робот силы, распределены симметрично относительно плоскости, перпендикулярной Оху и проходящей через одну из средних линий прямоугольника АВСБ. Обозначим через Аь А? проекции точек крепления педипуляторов первой и второй пар к захватам, В], Вг - проекции точек крепления этих педипуляторов к корпусу

робота и выберем начало прямоугольной системы координат А].хг в точке А]. Обозначим: 1 = | А, В, | = )-длина педипуляторов ; а =| А,А2 |= |5,В2 | - расстояние между педипуляторами; М - величина (с учетом знака) главного момента относительно точки В| внешних сил, приложенных к корпусу; , Рг(|), М(|), ¡=1,2- проекции на оси х, г главного вектора и величина главного момента относительно точки А; сил, приложенных к захватам ¡-ой пары педипуляторов со стороны штоков. Условия равновесия робота под действием внешних сил и реакций захватов представляют собой совокупность трех уравнений относительно шести неизвестных

Для снятия статической неопределимости предположим, что педипуляторы обладают малой упругой податливостью на растяжение и сжатие, а их соединения с корпусом и захватами - малыми упругими податливостями на кручение. Вследствие этого корпус робота может претерпевать малые смещения относительно системы координат А]хг. Обозначим через х, г -компоненты вектора смещения точки В[, <р - угол поворота корпуса относительно системы координат А1хг, с* - коэффициенты продольной жесткости педипулятора ¡-й пары, 1 = 1, 2; к|, кг, кз, кд - коэффициенты крутильных жесткостей соответственно в точках Аь Вь Вг Аг. Потенциальная

энергия малых упругих смещений робота равна «

П=Х,П„ П,=с,22, П2=с2(2+0ф)г, Па=Ат,(х/г)г, п11)

П4=^2 (г/2-Ьф)2, 11,=*:, (х/2+ф)\ Т1,*=ЫхДУ.

Здесь Пь П2 - потенциальные энергии продольных деформаций первой и второй пар педипуляторов, Пз, ГЦ, П5, Пб - потенциальные энергии деформаций кручения в узлах соединений Аь В|, В?, Аг соответственно.

Условия равновесия корпуса робота под действием внешних сил и упругих сил с потенциальной энергией (1.11) имеют вид

дЩдх=Нх, дТЦду=Н„, дЩд<р=М. (1.12)

Для одной ¡-ой стопы условия равновесия и условие непроскальзывания записываются в виде:

Рассмотренные расчетные схемы могут быть реализованы на ЭВМ и служить для проверки надежности контакта робота с поверхностью на всем пути его движения. При этом проверяемые неравенства должны выполняться с достаточным запасом, учитывающим неточность исходных данных.

Определение расчетных моделей производится с учетом конкретных схем СП ТРВП, выбранных в зависимости от решаемой технологической задачи и вида объекта обработки.

Во второй главе приводится обоснование выбора схем СП ТРВП в зависимости от решаемой технологической задачи и вида объекта обработки. Все СП ТРВП можно классифицировать, как показано в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Принцип классификации Класс СП ТРВП Вид СП ТРВП Технологическое применение

1. По принципу фиксации на поверхности перемещения вакуумные эжектор ные, с вакуумным насосом, вентиляторные Любые формы и материалы объекта, малый, средний и тяжелый вес ТРВП

магнитные электромагнитные, с постоянными магнитами Плоские формы, ферромагнитные материалы объекта, малый и средний вес ТРВП

реактивные пропеллерные, с реактивным двигателем Любые формы и материалы объекта, малый и средний вес ТРВП

механические на трении, на промежуточной фиксирующей среде Любые формы и материалы объекта, малый вес ТРВП

2. По функциональным возможностям универсальные со сменным оборудованием, с комплексным оборудованием Для нескольких техноло гических операций

специал изиро ванные для несиловых операций, для силовых операций Для одной технологической операции

3. По виду обслуживаемого технологического объекта для плоских поверхностей без возможности перехода, с возможностью перехода На стенах зданий и помещений

для изогнутых поверхностей для монотонных изгибов, для немонотонных изгибов На стенах резервуаров и бортах кораблей

для труб для прямых труб, для труб с изгибами На внутренних и внешних поверхностях трубопроводов

4. По виду движения продольно-шаговые одноплатформенные, двух платформ ен ные На плоских поверхностях На изогнутых поверхностях, переход на другую поверхность

колесно-гусеничные колесные, гусеничные, комбинированные На плоских и изогнутых поверхностях, переход на другую поверхность

циркульные однозвенные, многозвенные На плоских и изогнутых поверхностях, переход на другую поверхность

5. По траектории движения универсальные, сканирующие, диагональные с одним инструментом, со сдвоенным инструментом Любое Инспекция Монтаж

6, По скорости движения дискретная, непрерывная, постоянная транспортные, технологические Покраска Инспекция Сварка

По принципу фиксации на поверхности перемещения наиболее универсальными и компактными системами являются вакуумные эжекторные системы, которые и получают на практике наибольшее распространение. Магнитные системы могут использоваться только для ферромагнитных поверхностей и критичны к степени их загрязнения.

Универсальные системы обеспечивают выполнение широкого круга технологических операций благодаря возможности реализации любой желаемой траектории движения робота.

Специализированные системы реализуют заданный вид траекторий для выполнения специфических технологических операций. К ним, в частности, относятся сканирующие системы.

В зависимости от решаемой с помощью ТРВП задачи, структура его системы приводов видоизменяется при сохранении модульности построения комплекса в целом.

Иллюстрация общей модульной структуры СП ТРВП дана на примере рис. 3.

Она состоит из транспортного модуля 1 СП ТРВП, из технологического модуля 2 СП ТРВП, из приводов инструмента 4 и из приводов педипуляторов 5. Корпус модуля управления 3 также может иметь свою систему приводов, если в системе используется кабельная связь 6 модуля управления с бортом, ограничивающая диапазон горизонтального перемещения робота. Модуль безопасности 7 обеспечивает страховку ТРВП в случае сбоя одной из его систем.

Транспортный модуль СП ТРВП обеспечивает движение робота вдоль поверхности перемещения.

Технологический модуль СП ТРВП обеспечивает выполнение технологической операции.

Привод инструмента в общем случае реализует управление исполнительными органами инструмента.

Привод педипуляторов осуществляет фиксацию захватов на поверхности перемещения во время транспортного движения робота и выполнения им технологических операций на вертикальных поверхностях.

Рис.3

Система приводов модуля управления обеспечивает его перемещение в соответствии с шириной рабочей зоны робота.

В некоторых случаях модуль управления устанавливается на самоходном транспортном средстве, которое также может быть использовано для оперативной перевозки самого робота и установки его в начальную позицию на поверхности перемещения с помощью дополнительной системы перегрузки.

Выбор схемы СП ТРВП зависит от вида требуемой технологической траектории движения инструмента. Для реализации дискретной траектории

движения инструмента, например при решении задач зачистки участков поверхности, используется схема, показанная на рис. 4.

Система приводов выполняет попеременное движение транспортного и технологического модулей во время осуществления операции. Первая группа захватов 1 и вторая группа захватов 2 перемещаются пошагово. После каждого шага задействуется привод 3 технологического модуля, и манипулятор 5 реализует перемещение инструмента 4 по дискретной траектории 6.

Для реализации непрерывной траектории движения инструмента, например при решении задач покраски поверхности, используется схема, показанная на рис. 5.

В рассматриваемом случае вертикальный участок технологической траектории 5 выполняется с помощью привода 2, перемещающего платформу 1 с приводом 3 технологического модуля и инструментом 4 при очередном шаге робота.

Обе приведенные схемы имеют прерывистую скорость перемещения платформы, так как в них имеется транспортный привод только для одной группы захватов.

Для реализации непрерывной скорости движения платформы, например, при решении задач сварки поверхностей, используется схема, показанная на рис. 6.

В этом случае каждая группа захватов 1 и 2 должна иметь независимые приводы 4 и 5. В результате появляется возможность иметь непрерывную скорость движения платформы 6 с произвольной траекторией 7 инструмента при наличии привода 3 технологического модуля.

Рис.4

Рис. 5

Рис. 6

Вид обслуживаемого технологического объекта определяет возможности робота по движению вдоль поверхностей различной геометрической формы. В связи с этим рассматриваются схемы СП ТРВП, определяемые видом обслуживаемого технологического объекта.

Рассмотрены разработанные конструктивные схемы роботов повышенной мобильности для перемещения по изогнутым поверхностям, а также для перехода с одной поверхности на другую, и даны рекомендации по их применению.

При разработке конструкций роботов необходимо пользоваться методами расчета силовых элементов системы приводов, учитывающих специфику ТРВП.

В третьей главе осуществляется разработка методов расчета силовых пневматических элементов СП ТРВП для основных параметров конструирования.

Даны расчетные диаграммы для определения расхода воздуха СП ТРВП. Получены отношения между тангенциальной и нормальной силами захвата в зависимости от разницы давлений для различных материалов рабочих поверхностей, а также при разных плечах приложения сил отрыва. Рассматриваются характеристики зависимости уровня вакуума в СП ТРВП от вида поверхности перемещения, а также от формы и высоты неровностей под захватом.

Для оптимального выбора стандартных элементов для СП ТРВП и упрощения расчета параметров разрабатываемых элементов СП ТРВП целесообразно пользоваться специальными методами расчета, учитывающими специфику ТРВП и йозволяющими ускорить процесс конструирования СП ТРВП.

К силовым элементам транспортной системы относятся приводы поступательного движения робота. Поскольку специфическими требованиями к СП ТРВП являются минимально возможный вес при небольших габаритах и заданной мощности, то рассматриваются методы расчета пневматических приводов ТРВП, которые в наибольшей степени отвечают указанным требованиям.

Суммарная сила транспортного пневматического цилиндра, который в общем случае может выполнять также функции технологического привода, рассчитывается по формуле

^ = ^ (3.1)

где Р) - грузоподъемность ТРВП, Бг- сила трения, Р, - технологическое усилие. Расчетные составляющие могут быть определены теоретически, однако, из-за сложности учета всех действующих на привод факторов, использование экспериментальных диаграмм является предпочтительным в смысле надежности получаемого результата.

Например, для того чтобы упростить вычисления параметров системы вакуумных захватов (ВЗ) целесообразно использовать диаграмму, приведенную на рис. 7.

Номера линий на рис. 7 соответствуют числу ВЗ для следующих значений: 1 -2,2-3,3-4,4-8,5-15.

Величинам коэффициентов трения номера линий соответствуют как: 6-0,3; 7 - 0,5; 8 - 0,7; 9 -1,0; 10 -1,5; 11 - 2,0.

Расчетная диаграмма построена для разницы давлений между объемом ВЗ и окружающей средой равной 0,5 МПа, которая является оптимальной в смысле глубины получаемого вакуума для большинства стандартных эжекторных систем.

Метод расчета поясняется на примере определения параметров системы при заданной тангенциальной силе отрыва, которая может быть принята равной массе робота для вертикальной поверхности.

нормальная сила отрыва, Н

диаметр ВЗ, мм тангенциальная сила отрыва, Н

Рис. 7

Экспериментальная диаграмма для графического расчета параметров системы вакуумных, захватов

Для тангенциальной силы отрыва 500 Н и коэффициенте трения ВЗ с поверхностью, равном 0,7, по диаграмме находится соответствующая нормальная сила отрыва 715 Н.

Далее к полученной нормальной силе отрыва прибавляется величина, определяемая коэффициентом запаса ОД. В результате, получается нормальная сила отрыва в 787 Н.

Теперь легко определить эффективный диаметр ВЗ для их желаемого количества. Например, для количества ВЗ, равном 8, эффективный диаметр каждого ВЗ должен быть не менее 50 мм.

Найдена зависимость уровня вакуума в СП ТРВП от типа поверхности перемещения, а также от формы и высоты неровностей под захватом, из которой следует, что чем более гладкой и монотонно изменяющейся является форма неровности, тем выше сохраняется уровень вакуума при одной высоте неровности.

После расчета основных параметров конструкции СП ТРВП можно оптимизировать режимы его работы по критерию быстродействия для повышения производительности.

В четвертой главе рассматривается оптимизация режимов работы СП ТРВП по критерию быстродействия.

Проводится анализ устойчивости СП ТРВП на основе измерения линейных и угловых скоростей его элементов, а также действующих сил и моментов. Выводятся условия максимальной устойчивости робота с учетом конкретных параметров СП ТРВП. Рассматривается влияние упругой податливости в исполнительном звене привода, в качестве которого может выступать педипулятор СП ТРВП или технологический манипулятор, при выводе

оптимального закона управления для сохранения точности позиционирования, а также влияние величины максимально допустимого тока в двигателе привода.

В частности, с целью увеличения быстродействия комбинированных систем приводов с электродвигателями была разработана автоматическая система управления положением выходного звена СП ТРВП. Структура указанной системы приведена на рис. 8.

Закон изменения напряжения на входе электродвигателя СП ТРВП для оптимального по быстродействию перевода выходного звена из произвольного начального положения в заданное конечное положение с торможением двигателя в конце процесса при ограничении на максимально допустимое напряжение имеет вид

тах

у/* О

у = 0 и ф < О ! у/ = 0иф>0

(4.1)

где итгх - максимальное значение управляющего напряжения,

27

24

15

Ц. ¡7

Я>

2{

' 23

— 22 .

& "1

33

да

цш

гз:

- 26 ■

а

ЧЗ^В-

Ж-

Зк

ш

ш

Рис.8

1 - датчик угла, 2 - датчик угловой скорости, 3 - объект, 4, 22, 23, 25 - инвертор, 5, 14,

15 - реле, 6,11 - блоки возведения в квадрат, 7,10, 13, 18, 20 - сумматоры, 8 - блок абсолютного значения, 9,16,21,24 - умножители, 12 - компаратор, 17 - привод, 19 -блок логарифмирования, 26 - задатчик

Значение у/ вычисляется как

у/ = —Ср-¥

о/2«3

signф (4.2)

где I - момент инерции звена манипулятора относительно оси вращения; 1 -момент инерции якоря, электродвигателя и вращающихся частей редуктора; п -передаточное число редуктора; II - омическое сопротивление обмотки якоря; ё и с - постоянные, являющиеся техническими параметрами электродвигателя; <р - угол поворота выходного звена робота.

Для реализации управления вида (4.1) формируется значение величины^/ на выходе блока 13 после преобразования сигналов с датчиков 1 и 2 на блоках 4,5,8,9,18,19,20,21,25 и 26 в соответствии с выражением (4.2). При положительном, отрицательном или нулевом значении величины у/ соответственно занимается один из трех выходных контактов релейного элемента 14, и в соответствии с выражением (4.1) релейный элемент 15 подает на блок исполнительных органов 17 управляющие сигналы, сформированные блоками 5,16,22,23,24 и 26. Процесс позиционирования выходит на конечный участок, когда отрабатывается заданный угол поворота при гашении скорости поворота <р с заданной точностью.

В ряде практических случаев для обеспечения возможности оптимального по быстродействию позиционирования робота необходимо учитывать величину максимально допустимого тока в обмотке якоря двигателя системы приводов, что повышает надежность функционирования системы при любых режимах работы, вызывающих повышение потребляемого тока, без перегрузки двигателя привода, в частности, при его реверсировании. Разработанная для этого случая система оптимального по быстродействию перевода объекта манипулирования из произвольного начального положения в заданное конечное положение с торможением двигателя в конце процесса при ограничении на максимально допустимые напряжение и ток, реализует следующее управление

ит(ф)-ит(ф) . и«\ф) + и™(ф) ------+--- при V 56 О

2

ит(ф) при ^ = 0и ф>0 (4.3)

{ф) при у = 0 иф < О

и 9 \<Ьгф- при - (итая - Д/т„ ) = апф < иал + Шта

(2) / \йп<Р + ПРИ " ("та* + * <1Пф < - Л^

'(&) = { , . „. (4.5)

К» при ит„ - Югт < с!п<р < итах + Д|т„

, (1+п~1)ф~

цг{<р,<р) = (р -<Р----;-5!%П<Р (4.6)

2 с«'тах

гДе "тах " максимальное значение управляющего напряжения, гт.к -максимально допустимый ток в цепи якоря электродвигателя.

Доказано также, что учет влияния упругой податливости в исполнительном звене привода при выводе оптимального закона управления повышает точность его позиционирования до 30%.

Дальнейшее усовершенствование СП ТРВП связано с созданием адаптивных схем вакуумных педипуляторов.

В пятой главе рассматриваются адаптивные схемы вакуумных педипуляторов (ВП) транспортной СП ТРВП, и приводятся результаты их испытаний для различных условий внешней среды. Дается классификация ВП и их обобщенная структура. Излагаются методы механической адаптации под неровности поверхности перемещения ТРВП и пневматической адаптации для обеспечения постоянства величины усилия со стороны ВП при наличии неплотностей под захватом. Определяются способы настройки ВП, позволяющие оптимально по технологическому заданию выбрать их структуру и параметры.

В составе роботов вертикального перемещения педипулятор, кроме опорно-двигательных функций, должен также выполнять функции фиксации робота на поверхности перемещения. Из всех известных способов фиксации ТРВП наиболее универсальным в смысле количества видов поверхностей перемещения, на которых возможна работа ТРВП, является вакуумный способ фиксации. Таким образом, разработка и исследование вакуумных педипуляторов (ВП) имеют важное значение для развития механики ТРВП и их технологических применений. В общем случае ВП можно классифицировать следующим образом:

• по типу источника вакуума - эжекгорные, с вакуумным насосом, термосорбционные и с вентиляторным двигателем;

• по сложности - простые, с контролем, адаптивные, с аварийной фиксацией, со встроенным технологическим инструментом;

• по виду рабочей поверхности - однородные, специальные;

• по типу используемых датчиков - с датчиками наличия поверхности, качества поверхности, степени вакуума, температуры поверхности, проскальзывания.

Метод пневматической адаптации вакуумных педипуляторов показан на примере схемы, представленной на рис. 9. Она предназначена для обеспечения постоянства величины усилия со стороны ВП при наличии неплотностей под захватом. Принцип работы основан на использовании внутри нижней части захвата дополнительных герметичных полостей.

При фиксации ВП опора вводит в контакт захват и герметичные полости с поверхностью одновременно, что обеспечивается их установкой на одном уровне. После включения источника сжатого воздуха кольцевой эжектор вакуумирует объем, герметизируемый вакуумным захватом. При этом, если под захватом отсутствуют неплотности, то мембрана под действием глубокого вакуума прогибается внутрь опоры и прижимает упругий участок канала питания к упору, полностью перекрывая канал питания эжекторов герметичных полостей, и ВП работает в номинальном режиме.

Рис. 9

1 - опора, 2 - захват, 3 - герметичные полости, 4 - эжекторы герметичных полостей, 5 - канал питания, 6 - источник сжатого воздуха, 7 - упругий участок канала, 8 - мембрана, 9 - упор, 10 - кольцевой эжектор, 11 и 12 - выходные каналы

Если под захватом имеются неплотности от неровностей поверхности фиксации, то степень вакуумирования объема, герметизируемого вакуумным захватом, снижается. В результате мембрана открывает соответствующее проходное сечение канала питания эжекторов герметичных полостей для их вакуумирования. Таким образом компенсируется потеря усилия фиксации, причем чем больше величина неплотностей, тем больше адаптивное компенсационное усилие.

На специально разработанном стенде была исследована статика и динамика ВП по выработанной методике.

В частности, определено, что в случае замасленной поверхности фиксации усилие отрыва ВП уменьшается на 7%. Максимальное усилие сдвига на сухой поверхности на 5% меньше, чем соответствующее максимальное усилие отрыва, однако характеристика имеет более пологую форму, что расширяет диапазон рабочих давлений питания на 25%. В случае замасленной поверхности усилие сдвига снижается более, чем на 10%. Таким образом, при сдвиге уменьшение коэффициента трения более критично, чем при отрыве. Как правило, в реальных условиях работы отрывающее и сдвигающее усилия действуют на ВП одновременно. Из сравнения характеристик для отдельного и комбинированного воздействия усилий отрыва и сдвига показано, чгто реальный запас надежности удержания можно определять по результатам моделирования отдельных воздействий с поправкой в сторону увеличения запаса надежности на 30% от полученного усилия в оптимальной зоне давлений питания эжекторов, которая находится в районе (0,4 - 0,5) МПа.

Увеличение несущей способности робота при его перемещении вдоль поверхностей с существенными неровностями достигается за счет использования двухступенчатой системы захвата ВП.

Стандартные силовые захваты имеют фиксирующие усилия, превышающие 1000 Н, однако для них необходимо начальное усилие прижатия порядка 150 Н для того, чтобы уплотнить неровности поверхности перемещения. С другой стороны, существует эластичные захваты, которые могут уплотнять неровности без существенного начального усилия прижатия. Однако, они не в состоянии развивать значительное захватывающее усилие из-за недостаточной прочности своих рабочих поверхностей.

Комбинация двух указанных видов захватов делает возможньм осуществление высоких захватывающих усилий на поверхностях с существенными неровностями.

Принцип двухступенчатой системы захвата проиллюстрирован на рис. 10.

Сила захвата, Н 3 4

0 2 4 6

Рис. 10 Двухступенчатая система захвата

1 - динамическая характеристика уплотняющего захвата, 2 - динамическая характеристика силового захвата, 3 - ступень уплотнения, 4 -ступень силового захвата, 5 - рабочая зона, БЬ - уровень уплотнения, ?Ь - уровень силового захвата

В начальный момент задействуются только уплотняющие захваты. Они уплотняют неровности под силовыми захватами, обеспечивая необходимый для

этого начальный момент прижатия. Таким образом осуществляется первая ступень захвата. Переходное время данной ступени составляет около 1,7 с. Далее задействуется вторая ступень захвата. В результате силовые захваты осуществляют фиксацию робота на поверхности перемещения. Переходной период силовой фиксации составляет около 2 с. Общее время двухступенчатого захвата лежит в районе 4 с, после чего начинается рабочая зона перемещения одной группы педипуляторов относительно другой. Благодаря разделению источников вакуума для силовых и уплотняющих захватов достигается двойная страховка по питанию. Испытания системы показали, что она позволяет удерживать нагрузки до 1100 Н на вертикальной поверхности с неровностями до 9 мм для одной группы ВП, состоящей из силовых и уплотняющих захватов фирмы Schmalz (Германия) SPM 160 и 75 соответственно.

Рассматриваются приводы захватов, позволяющие при фиксации одновременно выполнять технологические функции, что значительно повышает производительность ТРВП. Это показывает целесообразность совмещения также транспортных и технологических движений в СП ТРВП.

В шестой главе исследуется структура привода ТРВП при совмещении транспортных и технологических движений, дается ее реализация и динамические характеристики. Построена расчетная модель комбинированного привода, и проведено моделирование, а также экспериментальное исследование изменения скорости на валу двигателя при различных значениях нагрузок. Даются рекомендации по использованию комбинированных характеристик привода для стабилизации скорости на рабочем диапазоне нагрузок.

Для совмещении транспортных и технологических движений был разработан комбинированный привод, схема которого приведена на рис. 11.

Рис. 11

1 - шток; 2 - пневмоцилиндр, 3 - зубчатая рейка; 4 - шестерня; 5 -механическая передача; б - управляемая муфта; 7 - червячное колесо; 8 -червяк; 9 - управляющий электродвигатель; 10 - корпус ТРВП; 11 -педипуляторы

Мощность привода при относительно небольших размерах обеспечивается использованием силового пневмоцилиндра, а его управление осуществляется

электродвигателем. Надежность привода определяется применением самотормозящей червячной передачи в регуляторе скорости с оптимизированным передаточным отношением. Принцип работы заключается в передаче управляющего момента от электродвигателя через самотормозящую червячную передачу, редуктор и реечную передачу на шток силового пневмоцилиндра. Пневмоцилиндр закрепляется на корпусе робота, а на его штоках размещаются педипуляторы. После подачи давления в соответствующую полость пневмоцилиндра включается управляющий электродвигатель. Направление его вращения выбирается таким образом, чтобы шестерня имела вращение, совпадающее по направлению с движением зубчатой рейки. При этом управляющая муфта включена и связывает вал с червячным колесом. Таким образом, силовое воздействие пневмоцилиндра при включенной муфте гасится до величины, обеспечивающей заданную скорость движения штока пневмопривода. Механическая передача позволяет задавать величину скорости поступательного движения штока пневмоцилиндра. Рассмотренная конструкция привода реализует как замедленную непрерывную скорость передвижения корпуса транспортного робота при функционировании установленного на нем технологического оборудования, так и ее скоростное дискретное перемещение, которое необходимо для оперативной доставки технологического оборудования в рабочую зону. Режим скоростного движения реализуется отключением управляемой муфты.

При моделировании уравнение движения привода имело следующий вид:

где т - масса нагруженного поршня, х - перемещение поршня, р| - давление в рабочей полости, рг - давление в выхлопной полости, Б - эффективная площадь поршня, Бтр - значение силы сухого треняя в пневмоцилиндре и редукторе, О -коэффициент вязкого трения в пневмоцилиндре, ц/ д - перемещение вала электродвигателя, ср - коэффициент упругости редуктора, ¡р - передаточное число редуктора, Я,к - радиус зубчатого колеса, входящего в зацепление с рейкой.

Семейство характеристик зависимости скорости перемещения штока пневмоцилиндра от напряжения питания управляющего двигателя при рабочих давлениях питания пневмоцилиндра в режиме холостого хода приведено на рис. 12. Полученные характеристики представляют собой параллельные прямые, в соответствии с которыми можно производить линейное изменение скорости привода от 0,5 см/с до 3,6 см/с в рабочем диапазоне напряжений питания двигателя от 9 В до 33 В.

В номинальном силовом диапазоне давлений от 0,4 МПа до 0,6 МПа нижняя граница скорости привода располагается в районе 1,0 см/с. При малых давлениях в пневмоцилиндре граница устойчивости работы привода лежит в районе 9 В.

Верхняя граница работы привода 33 В определяется величиной управляющего тока электродвигателя. После превышения давлением питания пневмоцилиндра величины 0,075 МПа происходит увеличение нагрузки на двигатель и соответственное снижение скорости привода.

^•=(ргр2) К В8 - Ктр - °-Вк |дк -Ц

х

Б Зс

(6.1)

V, СМ/С

га ю •..о ю о

a ts гч п и, в

Рис. 12

Семейство характеристик зависимости скорости перемещения штока пневмоцилиндра от напряжения на управляющем электродвигателе при рабочих давлениях: 1 - Р - 0,075 МПа; 2 - Р - 0,1 МПа; 3 - Р- 0,2 МПа; 4 - Р- 0,4 МПа; 5 - Р-0,6 МПа; 6 - нижняя граница скорости в номинальном силовом диапазоне давлений; 7 - верхняя граница рабочих напряжений: 8 - нижняя граница рабочих напряжений

Основными эксплуатационными характеристиками привода являются зависимости скорости от нагрузок на штоке при различных давлениях питания пневмоцилиндра н различных величинах управляющего напряжения и на электродвигателе (рис. 13). Соответствующие направления векторов нагрузок, скорости Ки давлений Р показаны на рис. 11.

Кривые 1-5 получены при противоположных знаках скорости и нагрузки, при этом давление питания - 0,6 МПа. Напряжение на двигателе для кривой 1 равнялось 33 В, для кривой 2-27 В, для кривой 3-20 В, для кривой 4-10 В, для кривой 5 - 8 В. В данном случае действие давления питания преодолевает действие нагрузки и тем самым результирующая сила на штоке, регулируемая двигателем, представляет собой разность указанных воздействий. Причем, до величины нагрузки - 60 кгс шестерня зубчатой рейки работает в режиме движущегося упора. В районе нагрузки - 60 кгс происходит максимальная разгрузка двигателя при переходе из режима движущегося упора в режим толкателя. В этот момент величина скорости становится наибольшей при любых напряжениях на двигателе.

При дальнейшем увеличении нагрузки двигатель в режиме толкателя затрачивает энергию не на удержание усилия пневмоцилиндра при преодолении нагрузки в процессе регулирования скорости, как в режиме движущегося упора, а на создание дополнительного усилия, направленного в сторону действия давления пневмоцилиндра. Данный режим является менее благоприятным, что выражается в большей крутизне наклона кривой.

Смена режимов работы привода приводит к смене рабочих поверхностей зубьев шестерни при контакте с рейкой. Максимальная отрицательная нагрузка на привод равняется -150 кгс (кривая 1). При смене знака нагрузки на положительный, результирующая сила на штоке, регулируемая двигателем, нарастает и в районе +50 кгс приводит к проскальзыванию муфты.

Рис. 13 Механические характеристики привода

1 - и - 33 В, Р - 0,6 МПа; 2 - и - 27 В, Р - 0,6 МПа; З-и-20 В, Р -0.6 МПа, 4-Ц-

10 В; Р - 0,6 МПа; 5-и- 5 В, Р-0,6 МПа: 6- и-33 В, Р" - 0.1 МПа; 7 - и - 27 В, Р' - 0,2 МПа; 8 -и-12 В, Р"- 0,2 МПа; 9 - Р - 8 В, Р" 0,2 МПа;

10 - граница проскальзывания муфты при Р+, 11 - граница проскальзывания муфты при противодавлении Р"

Для того, чтобы расширить диапазон допустимых положительных нагрузок и уменьшить вариации скорости при изменении величин и знаков нагрузки, целесообразно использовать режим работы привода с противодавлением, характеристики которого отражены зависимостями 6-9. При положительных значениях нагрузки напряжение на двигателе соответствует следующим значениям: кривая б - 33 В, кривая 7 - 27 В, кривая 8 - 12 В и кривая 9 - 8 В. Значение противодавления для рассматриваемых зависимостей равно 0,2 МПа. Эта величина противодавления позволяет организовать близкий к симметричному диапазон допустимых положительных нагрузок при отсутствии Р" относительно рассмотренного режима работы привода с отрицательными нагрузками при соответствующих напряжениях на двигателе. С возрастанием величины положительной нагрузки шестерня зубчатой рейки работает в режиме толкателя до достижения нагрузкой значения 40 кгс. При этом значении нагрузки происходит компенсация величины противодавления, и двигатель максимально разгружается, что приводит к достижению максимальной скорости привода при всех возможных значениях напряжения на двигателе. В процессе дальнейшего увеличения положительной нагрузки шестерня зубчатой рейки работает в режиме движущегося упора до границы проскальзывания муфты в районе 140 кгс. При положительных нагрузках так же, как и при отрицательных, режим движущегося упора предпочтительней для двигателя, так как противодействующие силы гасятся червячной передачей и форма характеристик становится более пологой.

Используя полученные зависимости, можно путем комбинации соответствующих участков характеристик для положительных и отрицательных нагрузок получить желаемый режим работы привода на всем диапазоне возможных знаков и величин нагрузок. Например, для зависимостей, соответствующих напряжению двигателя 33 В (кривые 1 и 6), комбинированная характеристика привода в режиме движущегося упора представляет собой кривую, соединяющую точки BCflEF. Смена знака давления в пневмоцилиндре при этом производится в точке Д. Для снижения диапазона изменения скоростей на рабочем диапазоне нагрузок в допустимых пределах использования режима толкателя рекомендуется использовать комбинированную характеристику по точкам ABCEF. Смена знака противодавления в данном случае осуществляется в точке С, а диапазон изменения скорости при изменении нагрузки от - 100 кгс до +140 кгс равен 1,8 см/с. При необходимости можно реализовать и более высокие отрицательные нагрузки до -150 кгс. Таким образом, получены оптимальные по диапазону изменения скоростей характеристики привода.

Экспериментально были определены границы получения непрерывной скорости при комбинированных характеристиках (кривые 4 и 8). Ниже этой границы лежит область прерывания скорости, обозначенная на рис. 13 одинарной штриховкой. Кривые 5 и 9 определяют границу устойчивости работы привода при минимально возможном напряжении. Соответствующая область неустойчивости обозначена двойной штриховкой.

Полученные результаты позволяют качественно оценить также характеристики указанного класса приводов с конструктивными данными, выходящими за ряд рассмотренных. Например, при увеличении мощностей пневмоцилиндра и электродвигателя соответственно возрастут рабочие диапазоны привода с сохранением рассмотренных закономерностей изменения параметров.

Комбинированный привод может быть использован как для расширения функциональных возможностей транспортного робота по выполнению различных технологических операций, так и для увеличения точности и надежности его работы путем возможности регулирования и синхронизации движения одновременно задействованных приводов. Однако принципиальную важность для надежности функционирования ТРВП в целом имеют приводные системы безопасности.

В седьмой главе рассматриваются приводные системы безопасности ТРВП, даются методики их расчета и классификация программных и аппаратных мер обеспечения безопасности функционирования приводных систем. Определяются взаимосвязи между условиями выполнения технологической операции и методом, обеспечивающим безопасность ТРВП. Рассматриваются конструкции приводов систем безопасности, обеспечивающие надежность работы в зависимости от условий эксплуатации ТРВП.

Системы безопасности дают возможность устранения сбоя в процессе движения робота или транспортировку робота в начальное положение с места нахождения робота во время отказа одной из его систем. В общем случае все меры по безопасности функционирования ТРВП могут быть подразделены на две группы: программные меры и аппаратные меры. Эта классификация является условной, так как меры из обоих групп могут пересекаться или комбинироваться.

Аппаратные меры безопасности реализуются с помощью приводных систем. Эти меры могут быть классифицированы на следующие категории: I. Положение питающих коммуникаций относительно робота

1. Сверху

а) коммуникации в качестве страховки

б) независимая страховка

2. Снизу

3. Без питающих коммуникаций (дистанционное управление с источниками питания на борту)

II. В соответствии с принципом функционирования А) с сохранением контакта с поверхностью перемещения или с сохранением уровня нахождения робота на поверхности перемещения

1. Вакуумные

а) контрольные клапана

б) вакуумный ресивер

в) бортовой источник давления

г) вентиляторные

2. Магнитные

3. Реактивные

Б) Без сохранения контакта с поверхностью и без сохранения уровня нахождения робота

1. Тормозной парашют

2. Демпфер

а) под рабочей зоной

б) бортовой

3. Комбинированный

III. В соответствии с рабочим уровнем

1. Высокий уровень (более б м)

2. Низкий уровень ( менее 6 м)

IV. В соответствии с весом ТРВП

1. Тяжелый (более 40 кг)

2. Средний (от 10 до 40 кг)

3. Легкий (до 10 кг)

V. В соответствии с видом отказа

1. Пневматический

2. Электрический

3. Механический

4. Механические

а) рельсовые направляющие

б) зацепление

в) заклеивание

г) удержание на выступающих элементах поверхности

д) с помощью другого робота

5. Дублирование

VI. В соответствии с типом поверхности перемещения

1. Магнитная (сталь)

2. Немагнитная:

а) мягкая (дерево)

б) твердая (бетон)

в) хрупкая (стекло)

г) непрочная (пластик)

VII. В соответствии с качеством поверхности перемещения

1. Неровная

2. Ровная

3. Структурированная

4. Скользкая

Рекомендуемые взаимосвязи внутри классификации приводных систем безопасности относительно принципа функционирования приведены на рис. 14. Они отражают общий подход к созданию систем безопасности. Например, для реактивного принципа целесообразно использовать ТРВП легкого веса против сбоев в пневматической системе на немагнитной структурированной поверхности перемещения. Демпфер может быть рекомендован для ТРВП легкого веса, работающего на низком уровне.

Между типом поверхности и методом, обеспечивающим безопасность, существует определенная взаимосвязь. Зацепление с поверхностью может быть

Рис. 14

применено при мягких материалах поверхности перемещения. Магнитный метод возможен только при наличии металлических ферромагнитных поверхностей перемещения и т.д.

Были разработаны и исследованы конкретные схемы приводных систем безопасности.

Сравнительный анализ областей применения вакуумных приводных систем безопасности дан в табл. 7.1.

Таблица 7.1

| № Тип системы безопасности 1 Область применения

1 Контрольный клапан Ровные поверхности перемещения (неровности до 1 мм), вес робота с технологическим оборудованием от легкого до тяжелого.

2 Вакуумный ресивер Поверхности перемещения средней неровности (до 3 мм), вес робота с технологическим оборудованием от легкого до среднего.

3 Бортовой источник питания Автономный транспортный модуль, поверхности перемещения средней неровности, вес робота с технологическим оборудованием от легкого до среднего.

4 Вентиляторный Поверхности перемещения с существенными неровностями (>3 мм), вес робота с технологическим оборудованием - легкий.

Сравнение свойств вакуумных приводных систем безопасности относительно других видов систем безопасности приведено в таблице 7.2.

Таблица 7.2

№ Вид системы безопасности Область применения

1 Вакуумная Поверхности перемещения из любого материала, вес робота с технологическим оборудованием от легкого до тяжелого.

2 Магнитная Поверхности перемещения из ферромагнитного материала, вес робота с технологическим оборудованием от легкого до среднего.

3 Реактивная Поверхности перемещения из любого материала, вес робота с технологическим оборудованием - легкий.

4 Механическая Поверхности перемещения из любого материала, вес робота с технологическим оборудованием от легкого до тяжелого.

Таким образом, рассмотренная структура приводных систем безопасности вырабатывает общий подход к их созданию и применению.

Приводные системы безопасности необходимо включать в состав СП ТРВП при конструктивной реализации данного вида роботов для обеспечения их надежного функционирования.

В восьмой главе приводятся конструктивные реализации, результаты испытаний и анализ функционирования разработанных на базе представленной теории расчета СП ТРВП для операций очистки стеклянных, металлических и бетонных поверхностей, а также применение ТРВП в составе робототехнического комплекса дезактивации с перемещением технологического оборудования по выбранной траектории, в частности, в условиях неопределенности внешней ситуации.

Рассматриваются ТРВП для сверления, монтажа дюбелей, покраски, инспекции, проведения противопожарных операций и для подводных технологических операций.

СП ТРВП для подводных технологических операций предназначена, в частности, для выполнения технологических операций в реакторных цехах. Наиболее сложной частью робота в смысле его дезактивации являются пневматические соединения приводов. Для того чтобы упростить дезактивацию пневматических коммуникаций могут быть использованы три различные схемы питания системы приводов.

Первая схема, приведенная на рис. 15, имеет центральное расположение блока управления приводами.

Питающие коммуникации соединены с каждым приводом от центра платформы робота. Эта схема является наиболее компактной и не дорогостоящей, однако требует максимального количества дезактивируемых защитных оболочек, в которых проходят коммуникации.

Во второй схеме используется децентрализованная положения блока управления приводами (рис. 16).

--у----

5 I I 6

а

3

3

3

Рис. 15

Рис. 16

1- внешняя платформа, 2 - внутренняя платформа, 3 - приводной элемент, 4 -блок управления, 5 - коммуникации, 6 -

1- внешняя платформа, 2 - внутренняя платформа, 3 - приводной элемент, 4 -

элемент блока управления, 5 -

защитная оболочка

коммуникации, 6 - защитная оболочка

Каждый управляющий клапан, как элемент блока управления, находится рядом с соответствующим приводом. Это позволяет минимизировать количество защитных оболочек, но является более дорогостоящим.

Третья схема использует вместо защитных оболочек герметический защитный корпус, который полностью закрывает как систему коммуникаций, так и систему приводов робота (рис. 17).

1- внешняя платформа, 2 - внутренняя платформа, 3 - приводной элемент, 4 - блок управления, 5 - коммуникации, 6 - герметический защитный корпус, 7 -эластичная часть корпуса

Эта схема является наиболее простой в смысле осуществления дезактивации. К ограничениям данной схемы можно отнести наличие эластичной нижней части корпуса, которая деформируется во время движения внутренней платформы. Выбор оптимальной схемы зависит от условий эксплуатации робота и уровня радиационных загрязнений.

В Приложении даны акты об использовании результатов диссертационной работы в промышленности и в учебных заведениях.

Рис. 17

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Общим итогом работы является обобщение и развитие теории расчета систем приводов для ТРВП и создание на ее основе специализированных систем приводов ТРВП для повышения их производительности и расширения функциональных возможностей при выполнении технологических операций. В работе получены следующие основные результаты:

1. Построены математические модели ТРВП для расчета системы приводов, и определены условия равновесия робота на поверхности, обеспечивающие отсутствие отрыва и проскальзывания захватов. Получены формулы для определения несущей способности СП ТРВП, и приведены численные примеры ее расчета для различных математических моделей.

2. Проведен анализ устойчивости СП ТРВП на основе измерения линейных и угловых скоростей его элементов, а также действующих сил и моментов, и получены условия максимальной устойчивости робота с учетом конкретных параметров СП ТРВП.

3. На основе решения задач оптимизации определены схемы систем СП ТРВП с оптимальным по быстродействию управлением. Доказано, что учет влияния упругой податливости в исполнительном звене привода при выводе оптимального закона управления повышает точность его позиционирования до 30%. Определена структура системы управления СП ТРВП, учитывающая величину максимально допустимого тока привода, что повышает надежность функционирования робота при любых режимах работы, вызывающих повышение потребляемого тока, без перегрузки двигателя привода.

4. Построена расчетная модель комбинированного привода, а также проведено моделирование и экспериментальное исследование изменения скорости выходного звена при различных значениях нагрузок. При сравнении теоретических и экспериментальных зависимостей выявлено, что расхождение результатов не превышает 10%. Широкий диапазон регулирования скорости позволяет использовать один привод как для транспортных, так и для технологических движений робота.

5. Определен принцип модульности СП ТРВП, сохраняющийся при решении различных технологических задач. Разработаны схемы СП ТРВП в зависимости от вида требуемой технологической траектории движения инструмента и в зависимости от вида обслуживаемого технологического объекта. Даны рекомендации по применению соответствующих схем приводов при проектировании ТРВП.

6. Получены статические и динамические характеристики СП ТРВП для различных режимов их работы. На основе полученных экспериментальных характеристик разработаны графические методы расчета транспортной и захватной СП ТРВП для определения рабочих параметров системы.

7. Созданы методы механической адаптации ВП к неровностям поверхности перемещения и пневматической адаптации для обеспечения постоянства величины усилия со стороны ВП при наличии неплотностей под захватом. Разработана двухступенчатая система захвата, позволяющая выдерживать нагрузки до И 00 Н на вертикальной поверхности с неровностями до 9 мм на одной группе ВП.

8. Получены экспериментальные характеристики зависимости коэффициента трения захвата при разных шероховатостях поверхности и материалах захватов. Установлено, что при этом коэффициент трения для одного и того же материала возрастает монотонно, но меняется нелинейно в диапазоне до 55%. Найдена зависимость уровня вакуума в СП ТРВП от вида поверхности перемещения, а также от формы и высоты неровностей под захватом.

9. Разработан общий подход к созданию приводных систем безопасности ТРВП. Определены взаимосвязи между условиями выполнения технологической операции и методом, обеспечивающим безопасность функционирования ТРВП. Построены схемы приводных систем безопасности ТРВП, а также даны методики их расчета и анализ применения.

10. На основе проведенных исследований созданы варианты СП ТРВП для операций очистки, дезактивации, покраски, инспекции, монтажа дюбелей и противопожарных операций. Дан анализ их работы, и представлены технические характеристики.

П. Разработана и реализована система приводов подводного ТРВП для контактного дугового сверления и резки стальных конструкций. Получены экспериментальные характеристики технологического модуля, способного высверливать и прорезать под водой до 10 см3 объема стального материала за 1,5 минуты. Для упрощения дезактивации робота разработаны различные схемы питания системы приводов при работе в условиях радиоактивности.

Основные положения работы отражены в следующем выборочном списке

публикаций по диссертации:

1. Рачков М.Ю., Устройство для управления приводом передвижения грузоподъемного средства, а. с. N 1204546, БИ N 2,1986,4 с.

2. Рачков М.Ю., Электронное устройство обработки информации, обеспечивающее гибкость выполнения сварочной операции, Приборы, средства автоматизации и системы управления, М., Информприбор, вып. 1, 2,1987, с. 11-18.

3. Градецкий В.Г., Москалев B.C., Рачков М.Ю. и др., Захватное устройство для фиксации положения транспортного средства, а.с. N 1318506, БИ 27, 1987,4 с.

4. Аветисян В.В., Болотник H.H., Рачков М.Ю. и др Система управления положением объекта., а.с. N 1409975, БИ N 26, 1988,4 с

5. Абаринов A.B., Аксельрод Б.В., Рачков М.Ю. и др., Робототехнический комплекс для вертикального перемещения, Техническая кибернетика, АН СССР,N4, 1988,с. 58-73.

6. Рачков М.Ю., Вешников В.Б. и др., Вакуумный захват, а.с. N 1390022, БИ N 15, 1988,4 с.

7. Абаринов A.B., Вешников В.Б., Рачков М.Ю., Способ настройки вакуумного захвата, а.е. N 1390023, БИ N 15, 1988,4 с.

8. Рачков М.Ю, Методы и средства испытаний захватных устройств РВП, Сб. конф. по надежности мех. систем, Свердловск, СДНТ, 1988, с. 17.

9. Рачков М.Ю, Системы очувствления ПР с пневматическими датчиками в схватах, Вестник машиностроения, Машгиз, М., N 5,1989, с. 9-12.

10. Рачков М.Ю.. Градецкий В.Г., Шагающий робот для перемещения по наклонной поверхности, а.с. N 1800777, 1989, 5 с.

11. Gradetsky V.. Rachkov М., Wall climbing robot and its application. Proc. of the 7th Int. Simp, on Automation and Robotics in Construction, Bristol, UK. 1990, pp. 111-117.

12. Рачков М.Ю., Испытания захватных устройств РВП посредством моделирующих систем, Сб. сессии ко дню Радио, М., Радио и связь, 1990. 2, с. 22.

13. Рачков М.Ю., Демяшов А.И., Захватное устройство, а.с. N 1588932, БИ N 32, 1990,4 с.

14. Вешников В.Б., Гомозов А.В., Рачков М.Ю. и др., Применение РВП в противопожарных операциях, препринт N 469, ИПМ АН СССР, М., 1990. 44с.

15. Gradetsky V., Rachkov М., Some trends in designing and application of wall climbing robots, Proc. of the 21st Int. Simp, on Industrial Robots, Copenhagen, Denmark, 1990, pp*311-316.

16. Рачков М.Ю., Методы и средства испытаний приводных устройств РВП, Сб. конф. по расчету и управлению надежностью механических систем, Кобулетти, НС АН СССР, 1990, с. 132.

17. Градецкий В.Г., Рачков М.Ю., Москалев B.C., Робототехнические комплексы вертикального перемещения и их применение, Проблемы машиностроения и автоматизации, МЦНТИ, Москва-Будапешт, N 4, 1990, с. 7-12.

18. Рачков М.Ю., Система оптимального управления положением звена манипулятора. Сб. конф. по управлению в механических системах, Свердловск, СДНТ, 1990, с. 87.

19. Градецкий В.Г., Москалев B.C., Рачков М.Ю. и др., Устройство регулирования скорости пневмопривода, а.с. N 1589261, БИ N 32,1990,4 с.

20. Gradetsky V., Rachkov М., Wall climbing robot and its application for building construction, Mechatronic System Endineering, Kluwer Academic Publishers, 1990,1, pp. 225-231.

21. Рачков М.Ю., Рабочая поверхность захватного устройства, а.с. N 1684225, БИЫ38,1991,5 с.

22. Болотник Н.Н., Рачков М.Ю., Система управления положением объекта, а.с. N 16220996, БИ N 2, 1991,4 с.

23. Рачков М.Ю., Шагающее транспортное средство, а.с. N 1688546, БИ N 40, 1991,4 с.

24. Рачков М.Ю., Оборудование и основы построения ГАП, М., Высшая школа, 1991, 166 с.

25. Gradetsky V., Rachkov М., Uljanov S., Nandi G., Robots for cleaning and decontamination of building construction, Proc. of the 8th Int. Simp, on Automation and Robotics in Construction, Stuttgart, Germany, 1991, pp. 257266.

26. Градецкий В.Г., Рачков М.Ю., Ульянов C.B. и др., Мобильный робототехнический комплекс для очистки, Технология, ГПС и робототехника. Вып. 4, М., Машгиз, 1991, с. 21-28.

27. Вешников В.Б., Градецкий В.Г., Рачков М.Ю. и др., Способ перемещения шагающего транспортного средства и устройство для его осуществления, a.c.N 1633691, БИЫ 9,1991,8 с.

28. Зак B.J1., Пирумов Г.У., Рачков М.Ю., Устройство для управления приводом робота, а.с. N 1646852, БИ N 17, 1991, 7 с.

29. Рачков М.Ю., Рабочая поверхность захватного устройства, а.с. N 1684225, БИ N 38, 1991, 5 с.

30. Рачков М.Ю., Измеритель уровня нагретой жидкости, а.с. N 1691688, БИ N 42, 1991,4 с.

31. Абаринов A.B., Вешняков В.Б., Рачков М.Ю. и др., Способ контроля надежности фиксации транспортного средства, а.с. N 1667328, БИ N 28, 1991, 5 с.

32. Рачков М.Ю., Шагающее транспортное средство, а.с. N 1688546, БИ N 40, 1991,4 с.

33. Рачков М.Ю., Шагающее транспортирующее устройство, а.с. N 1688547, БИ N 40,1991,5 с.

34. Рачков М.Ю., Градецкий В.Г., Шагающий робот для перемещения по наклонной поверхности, а.с. N 1800777,1989, 5 с.

35. Рачков М.Ю., Самохвалов Г.В., Шагающий робот для перемещения по произвольно ориентированной в пространстве поверхности, а.с. N 1782849, 1989, 8 с.

36. Градецкий В.Г., Рачков М.Ю., Крейнин Г.Н. и др., Захватное устройство транспортного средства, а.с. N 1796580, 1990, 6 с.

37. Батанов А.Ф., Градецкий В.Г., Рачков М.Ю. и др., Самофиксирующееся чистящее устройство для наклонных и вертикальных поверхностей, а.с. N 2003527,1991,9 с.

38. Аветисян В.В., Акуленко Л.Д., Рачков М.Ю. и др., Устройство для управления приводом манипулятора, а.с. N 1821356, 1991,7 с.

39. Градецкий В.Г., Рачков М.Ю., Самохвалов Г.В. и др., Внутритрубное шагающее транспортное средство, ах. N 1710430, БИ N 5, 1992,7 с.

40. Веншиков В.Б., Градецкий В.Г., Рачков М.Ю. и др., Мобильные роботы вертикального перемещения, Механизация и автоматизация производства, Машгиз, М., N 7, 1991, с. 16-19.

41. Градецкий В.Г., Рачков М.Ю., Черноусько Ф.Л. и др., Мобильные системы с РВП, Техническая кибернетика, АН СССР, N 6,1991, с. 171-191.

42. Рачков М.Ю., Шагающий робот для перемещения по наклонной поверхности, а.с. N 1706155, BHN 2, 1992, 5 с.

43. Рачков М.Ю., Семенов Е.А., Исследование пневматического привода для роботов вертикального перемещения, Вестник машиностроения, N 2, Машгиз, 1992, с. 22-28.

44. Рачков М.Ю., Демяшов А.И., Автоматическое транспортное средство, а.с. N 1757190, BHN 1,1992,6 с.

45. Рачков М.Ю., Шагающий робот для перемещения по наклонной поверхности, а.с. N 1706155, БИИ 2, 1992, 5 с.

46. Вешников В.Б., Климов Д.М., Рачков М.Ю. и др., Система управления шагающим транспортным средством, а.с. N 1739607, БИ N 21,1992,11 с.

47. Москалев B.C., Рачков М.Ю., Устройство для осуществления способа перемещения шагающего транспортного средства, ах. N 1755508, БИ N 30, 1992,4 с.

48. Градецкий В.Г., Мелентьев А.Г., Рачков М.Ю. и др., Способ очистки поверхности, а.с. N 1761311, БИ N 34,1992, 7 с.

49. Gradetskv V., Rachkov M. G. Nandi, Vacuum pedipulators for climbing robots, Proc. of the 23rd Int. Simp, on Industrial Robots, Barcelona, Spain, 1992, pp. 517-522.

50. Климов Д.М., Градецкий В.Г., Рачков М.Ю. и др., Транспортное средство для перемещения по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям, патент N 2042558, 1992,9 с.

51. Рачков М.Ю., Градецкий В.Г., Мобильный шагающий робот, патент N 2057046, 1992,5 с.

52. Градецкий В.Г., Рачков М.Ю., Семенов Е.А., Транспортное средство для сканирования вертикальных поверхностей, патент N 2042559, 1992, 6 с.

53. Градецкий В.Г., Рачков М.Ю., Нанди Г.Ч. и др., Механика вакуумных педипуляторов, препринт N 507, ИПМ РАН, 1992,45 с.

54. Кантор П.С., Рачков М.Ю., Семенов Е.А. и др. Построение обратных связей в пневмоприводах РВП на базе пропорционально регулируемого клапана, Обработка динамической информации в интеллектуальных системах, М., ИФТП, 1992, с. 52-73.

55. Рачков М.Ю., Мониторинг систем РВП. Сб. IX Международная шк. по расчету и управлению надежностью больших систем машин, Екатеринбург, НИЦ УрО РАН, 1992, с.21-24.

56. Кантор П.С., Лескин Г.С., Рачков М.Ю. и др., Пропорциональный электропневматический регулятор и перспективы его применения, Медицинская техника, Медгиз, N 1,1993, с. 24-29.

57. Рачков М.Ю., Семенов Е.А., Экспериментальная оптимизация характеристик комбинированного привода для транспортных роботов, Техническая кибернетика, РАН, N 3,1993, с. 32-39.

58. Yamafuji К, Gradetsky V., Rachkov М., Semenov Е., Mechatronic drive for intelligent mobile wall climbing robot, Robotics and Mechatronics, Fuji Technology Press, 1993, 5 (2), pp. 164-171.

59. Rachkov M., Wall climbing robots: development and trends of application in Russia, Proc. of the Int. Conf. on Mechatronics and Robotics, Aachen, Germany, 1994, pp. 157-174.

60. Rachkov M., Optimal control of the transport robot, Proc. of the 20th Int. Conf. on Industrial Electronics Control and Instrumentation, Bologna, Italy, 1994, 2, pp. 1039-1042.

61. Haferkamp H., Bach Fr.-W., Ogawa Y., Rachkov M., Climbing robot for underwater cutting, Proc. of the Int. Conf. on Oceans Engineering, Brest, France, 1994, l,pp. 602-607.

62. Haferkamp H., Bach Fr.-W., Rachkov M., Seevers J., Climbing robot for underwater cleaning, Proc. of the 5th Int. Conf. on Offshore and Polar Engineering, The Hague, Netherlands, 1995, 2, pp. 305-311.

63. Rachkov M., Semenov E., Drive system for climbing robots, Intelligent Mechatronics: Design and Production, METU, 1995, 1 (2), pp. 69-75.

64. Bach Fr.-W., Seevers J., Hahn M., Rachkov M., Wall climbing robot for inspection and maintenance, Proc. of the 3rd Int. Conf. on Mechatronics and Robotics, Paderborn, Germany, 1995, pp. 286-300.

65. Bach Fr.-W., Rachkov M., Seevers J„ Hahn M., High tractive power wall-climbing robot, Automation in Construction, Elsevier Science, 4 (3), 1995, pp. 213-224.

66. Bach Fr.-W., Rachkov M., Seevers J., Hahn M., Technological wall climbing robot of light skeleton design. Intelligent Mechatronics: Design and Production, METU, 1995, 1 (3), pp. 144-155.

67. Bach Fr.-W., Haferkamp H., Rachkov M-, Seevers J., Wall climbing robot for mounting of expansion bolts, Proc. of the 7th Int. Power Electronics & Motion Control Conf., Budapest, Hungary, 1996, v.3, pp. 327-331.

68. Bach Fr.-W., Haferkamp H., Rachkov M., Seevers J., Wall climbing robot for drilling and screw driving, Proc. of the 7th Int. Conf. on Machine Design and Production, Ankara, Turkey, 1996, pp. 615- 625.

69. Gradetsky V., Rachkov M., Kalinichenko S., Climbing robots for underwater technology, Proc. of the 6th Int. Conf. on Underwater Robotics, Toulon, France, 1996, s.2, pp. 1-27.