автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Выбор и оптимизация передач модульных промышленных роботов с электроприводом

ШКТ-ПЕТЕРБУРГСКИа ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ка правах рукописи УДК 621.865.8

НОВИКОВ Евгений Анатольевич

выбор и опишагвдя передач модальных промышленных роботов с электроприводом

Специальность 05.02.05 - Роботы, манипуляторы и

робототехнические систе:лы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена на кафедре "Автоматы" Санкт-Петербургского государственного технического университета .

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор И.Б.Челпанов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент С.О.Бурдаков

кандидат технических наук, доцент А.А.Алексеев

Ведущая организация - Акционерное общество "СТИНТ" (Санкт-Петербург)

Защита состоится "I?" 199^г. ъ 16 часов

на заседании специализированного совета К 063.38.28 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, корп. I ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 1992 года.

Ученый секретарь специализированного соеюм^

кандидат технических наук, доцент г7/__Н.М.Чесноков

СБ^-Я хтасгЕгИСПзи РлЕсты

Актуальность тс:1.! .у,:с:е?1сг,!. Доля промгалошкх робсгсэ с электроприводом год от года возрастает. Зто объясняется удобство:.: стыковки с устройствам упрлзленпя и простотой эноргсс>лй;/.с;:л. Однако применение обычных вь:ссксобсротшх электродвигателей требует установки редуктороз. При относительно низкой энергозоор7:;е;;:-;остл манипулятороз с электроприводом быстродействие не монет быть сделано очень высоким, показатели быстродействия существенно зависят ст выбора двигателей и передаточнкх отноаскай редукторов. Методы оптимизации параметров электроприводоз разработаны, сд;ако сщ обычно приводятся к сложным и громоздки!! вычислительным процедурам. 3 аналитической форме результаты получена лть для некоторых частных мс-целей одиночных прпзодоз. При этом совершенно ке учитывается специфика работы электропризодов промышленных роботов, которая заключается в переменности задаваемое пересечений, в существенном различии условий работы приводов по различшм степеням подвижности, в изменении нагрузок и инерционных характеристик в зависимости ст обсб-ценннх координат. Применительно к модульным промышленным роботам задачи оптимизации еще белее осложняются: нуико иметь з в;щу, что в различных модификациях роботов модули одного типа могут находиться з различных условиях, при различном нагружении. Наконец, еще большее число факторов неопределенности нужно учитывать при оптимизации зтруктурно-гибких производственных систем, в которых одни и те >::е подули приводов могут иметь смем-ые редукторы и могут выполнять различные функции. Вследствие сказанного тему диссертации, посвященной оптимизации структур и параметров механических передач прокупленных роботов с электроприводом, следует считать актуальной. Знедреше результатов диссертации в новых-разработках и использование в учебном процессе подтверждается соответствующими документами.

Целью диссертант является создание научных основ методов проектирования механических частей электроприводов (в перзуа очередь, зыбора параметров передач) на основе оптимизации режимов работы модульных промышленных роботов по критериям быстродействия.

Нсвизга. сснсзнглу результатов лиссертн:тпп. Основные новые результаты в диссертации формулируются следующим образом:

- определены и представлена в систематизированном виде осксэкые качественные особенности модуль них промышленных роботов;

- - обобщены сведения о механических, электрических и кнерциоин-тх

I

характеристиках электродвигателе!'. различных типов, используемых в серп"по выпускаемых и проектируем прсмгглекиых роботах;

- сформулирована, формализована и рспена садача определения оп-ти:,ильного передаточного отнесения редуктора, походя из требования тксималького быстродействия при переносе объекта из начальной точки в заданную конечную;

- исследовано влияние отклонений различимте параметров от их номинальна значений, определены коэффициенты чувствительности, установлено, б каких пределах допустимо изменение передаточного отношения редуктора без существенного снижения быстродействия;

- впервые сформуянрозаиа и решена задача оптимизации по передаточным отношениям и-некоторым другим параметрам совокупностей приводов прокгллекшх роботов по нескольким степеням подвижности;

- предложен метод оптимизации передач приводов структурно-гибких производственных систем, в которых приводи могут занимать различное место и "выполнять различнее функции;

- ка примере серийно выпускаемых промышленных роботов показано, каким образом должна бить осуществлена модернизация, чтобы реализовать рекомендации по оптимизации.

Достоверность и обосно'пккость осног1Н"х результатов. Достоверность результатов диссертации определяется тщательным анализом существующего положения в области роботостроения, подробным обсуждением исходных ттематических моделей и упрощающих предложений, корректностью математических выводов и в целом хорошим соответствием с рекомендациями, вытекающими из практики проектирования. Ценность для практики заключается в том, что при ьспол^^оигл-«- ме-

тодов оказывается возможным унифицировать приводы роботов или структурно-гибких производственных систем при достаточной близости показателей быстродействия к оптимальным.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации докладывались на двух научно-технических конференциях и на семинарах кафедры "Автоматы" СИбГТУ. По теме диссертации написаны две статьи, одна из них опубликована в сборнике трудов ЛШ, а другая - депонирована во ВИНИТИ. Новизна схемных решений защищена двумя авторскими свидетельствами.

Структура, и объем диссертации, ВАбота состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных 'на 145 страницах машинописного текста, 39 рисунков, 2-таблиц и списка использованной литературы из 37 наименований.

2

ССДПЕППЗ РАБОТЫ

Зо впеденни обооковысастся актуальность ?е.\к дизсортапип на сс-юве анализа современных ТЕКдеи;.;:': машиностроения, определяется основная цель работы, формулируется сскозкмо положения, щ:носи."1:е на защиту, кратко излагаете:» содержание диссертационной работы.

Псгут г,-«.<п посз~епа вопросам агрсгдтно-ксдульного построения 1Р к РГК. 0|ор:|удзрозаш сонеии:.:е прининпч и поклт:пт концепции агре-^атно-модульного построения со сквозной иерархической структуро;Ч. Ъссмотрсиы некоторые особенности мздулоП различных урозке.Ч. Прод-:тавлепн способы реализации концепции в конструкциях ПР. Выделены :пецн''ические особенности медульплн П? различного казтчекпя.

БророденньтГ! анализ литература показывает, что принцип агрегат-ю-мздульного построения достаточно кироко используется з конструкциях роботоз. Наибольшее распространение получили оцкотнпжо ПР на -скове ыодулеГ: 3-го уровня (узлоз), соединяемых по естествен:-:!::.! изъегам. Отмечено, что дглькг&ая разработка принципа мо;хет сказа ть-;я весьма перспективной. Сред:! медулыш:: роботов значительна деля юботоз с электромеханическим приводом. Принципы построения призодез хдульннх ПР з основном не отличается от принципов построения призо-,ов остальных ПР, однако типы и виды модулей имоят судестзепнугз специфику. В литературе не ндйдено рекомендаций, кроме обцих, по выбору араметров электропризсдоз с учетом агр-згзтко-модульного принципа :остроения.

В связи с изложенным поставлены следующие задачи:

- определение критериев, по котором монет Сыть оценена з-Дектиз-ость работы системы приводов ПР, построенной с применением агрегат-о-мо.дульного принципа;

- разработка метода оценки зл;!яния ка выбранные критерии раз-ичных параметров механизма привода и нагрузки;

- выработка рекомендаци;"! по выбору оптимальных параметров с-ло-ентов систем,! электроприводов ПР и других сбслу.'^захнмх механизмов ПС, исходя из принципа агрегатно-модульного построения.

Зтогля глава посвяцена анализу элеменгоз привода и функциональ-ых механизмов промышленных роботов. В робототехнике заедена сиотегд оказателей, включаемых в документацию эсех видов и справочную лите-1ТУРУ. Эта система слуг.ит основой для оценки ПР различ;?-х типов и конечном счете основой для выбора комндсктукцих (модулей) ПР. Ло ОСТ 25370-82 перечпелотл и охарактеризован-! сскоих^ пок-п-гзт.: -'-Р.

Рассу.отрекы методы определения численных значений показателей, приведены типовые значения некоторых из них для различных типов роботов.

Сначала рассмотрен привод одной степени подвижности промьгален-кого робота. Привод ПР является одной из самис сложных и ответственных йунпкиокалыкс чютей, от которой зависит в больаой степени ка-честзо ПР в целом. Дана краткая классификация приводов, используемых в ПР. Показана многофакторность выбора типа привода для степеней подвижности ПР. Из всех типов приводов наибольший интерес для применения в роботах средней грузоподъемности на сегодня представляет алектрнческий (электромеханический). Электромеханический привод имеет достоинства доступности энергоносителя, легкости регулирования, достаточно высокой надежности, высокого коэффициента полезного действия и др. Приведен краткий обзор и сравнительный анализ применяе-:.кх в робототехнике комплектных электроприводов, выпускаемых отечественной промышленностью.

В главе подробно рассмотрены ряд показателей электродвигателей, 1р. основе которых проведен сравнительный анализ серий отечественных электродвигателей. Приведены примеры применения некоторых типов электродвигателей в конкретных моделях роботов. Показано, что значительную их долю составляют высокоскоростные низкомоментные двигатели, что требует применен:« механических передач (редукторов) для согласования их с нагрузкой.

. Рассмотрены передаточные устройства, используемые в составе электроприводов ПР. Они представляют собой механические передачи, как правило, с неизменяемыми структурой и параметрам! и выполняют в приводах функции преобразования вида и параметров механического движения и передачи механического движения на расстояние. Дана краткая характеристика основных видов механических передач,применяемых ■в робототехнике.

Описаны принципы разгрузки и статического уравновешивания степеней подвижности ПР, рассмотрены различные уравновешивающие устройства, приведены их кинематические схемы. Обсуждены проблемы применения уравновешивающих устройств.в различных степенях подвижности роботов.

3 третьей главе анализируются возможности применения агрегатно-модульного принципа при построении системы приводов манипуляторов ПР со многими степенями подвижности. Сформулирован общий подход к построению модульных ПР, согласно которому, в составе ПР в целом присутствуют разнотипные модули третьего уровня (узлы) нескольких типораэ-4

мероз по несколько па.гдсго т,:лер1з:.::ра. 3 p.v:-:ax с^дсго гудхсд- р:з-чет и яросктгфсззияо робота п~н известной его кс:.г.о::сз;;о к

определенно типоразмеров л кедичезт, модуле: третьего уро"::л п.> выбранным кр::геркям качеств',, г; ;:не;.: выбор од.-:сг.:""-: модулей (п частности, модулей з ссзт.'зо призодоз) полег разе:.бривать ся Ki:t отдсль.:г.я, саыестелтельпля глг,г~». С^ср.'-л-нрсзанг 3 со/;о:: виде вт.дач\ вкбера парднегрез с.:сто:и гризедез лозтреелнол с применен;:см лгрегатес-ксдульксго пеннллна. Пр.: о?с:.*. ечнг-отел, что система призодоз на;::::::::, А/ сгсполеЛ под-,:::'несен, содержит П групп призодоз г.о С( прнпо.-сз одного типоразмера в kv.-дой группе ( £.=» /,2,...,h) • Ка-дая L-.i грузла призодоз с^злу^ггаег едку из П групп механизмов степеней подвиг-негти, ха-дяя из которых содержит Л1( механизмов, бл;:з:-:::х по парам.зтр-л-:. Сйсткэ колн.чгстзс с; призодоз 1-й группы разно количеству /TrL тлохяг.имоз степеней подвижности ссотаетстзухцсЯ L -ой групп::. Сдн i:-:o судестзулт техклчез-кие решения (A.C. 1673297, заявки 48-13c25/?ci, положительное решение от 18.09.31г; .V-1 4C-j3533/0o, гсло-игельксе ролонло от СИ. 01.92 г), по которым механизмы сгопонэ.1 г.одгнт.нсстл ползеддеел з дз::.:ск!3 мобильными пригодными блока;ii, хванядныися отдельно :: ик&г-лт возможность быть перепелле'ллм при пс:«~ц транспортного средства илл человеком - оператором и стыкуеелыо о нужнжго: мзхи-'.зма::;:. Т.'.ннз технические релекия дспуска::т различие между количестве:.: ебслужн.еюжез: механизмов и количеством приводных блокоз (призодоз).

На оскозакиа вкгеззлогмнхго, об-ля задача выбора систем: приводов шеийх молот выглядеть следующим образом: определить необходимое количеотзо П типоразмеров призодоз и количество il призедез каждого из П типсрао;.:зроз, а та:с::е определить ксличезтзо ¡71; и состав каждой - L -он из П групп механизмов степеней подз.ежнестн, сб-слуаимегаас соответствующими гркзодля I -го типоразмера таким образом, чтобы полученная систезд удовлетворяла выбрлнмм критериям качества. Еаынейыимн показателям: качества ПР, которые зависят з первую очередь от свойств призодоз степеней подзижнеоти, язляэтся показатели. быстродействия.- Показатели быстродействия используются как главные критерии техннко-зкснсмнческсго обоснования приемлемости данной модели П? в конкретных условиях производства. Часто невозможно сделать биотродейотало сбслупсизлкд:'.!: роботов та;::«: :-.о, как и быстродействие обслуживаемого оберудоз ш,:я. Результаты обследования сущестзувдих роботизиревашмх комплексов штзгздат, что среди-;: производительность металлороку^»: станков у и;;: ссслз>'с0-- Oi-oO'.'

ст потенциально зозмо.хкой, а лрсссоз - 6*10^. 3 значительной мере такое положение складызасгся из-за низкого быстродействия ебелужи-ьахщнх П?. Показатели быстродействия важны не только для вспомогателен; -х ПР с циклопам управлением, обслуг.:шаьщих высокопроизводительное технологическое оборудование, но и для многих технологических, ьшример, предназначена для точечной сварки и сборки. Сокращение 'длительности холостых ходоз г.ри переносе рабочих органов также важно и для многих других ПР.

В главе принято быстродействие оценивать временем перемещения подвижной части по степей;; подв^хпости на фиксированное расстояние (пли угол). Для ПР возможности повьяев1я быстродействия за счет увеличения мощности электродвигателей приводов ограничены тем, что двигатели не могут составлять слишком большую долю масс подвижных частей. Псзыденне показателей быстродействия до потенциально возмогшего уровня при заданной конструкции манипулятора и ограниченной мощности двигателя возможно за счет улучшения согласования нагрузки с двигателем, т.е. за счет правильного выбора передаточного отношения передачи, а также за счет уравновешивания или разгрузки подвижных частей модуля степени подвижности. .

Прозеден анализ существующих методов оптимизации привода по быстродействия. Задачи оптимизации показателей быстродействия привода по передаточному отнезеклю редуктора в частных постановках . формулировались и резались многократно. Истоды нахождения оптимального передаточного отношения редуктора каждый раз определялись тре-беванпяж, предъявляемыми к приводам, а также рядом допущений. Обычно считалось, что двигатель привода способен обеспечить постоянный момент при разгоне, и таким образом, закон управления принимался трапецеидальным (треугольным). Другим допущением являлось то, что внелше нагрузки на привод считались постоянными и не зависящими от положения, скоростей и ускорений подвижных звеньев привода.

Анализ существующих методов оптимизации призода по быстродействию показывает, что эти методы - это различные постановки одной задачи, однако остается неясной их взаимосвязь.

В главе описывается предложенный обобщенный метод определения показателей быстродействия привода и оптимизации его по быстродействию. Рассматривается задача определения оптимального передаточного отношения редуктора привода при выбранном двигателе и заданной нагрузке. При этом предполагается, что регулирование двигателя привода по напряжению или по току отсутствует, и осуществляется только вклю-6

чение и вккяочение дт)игатоля. ¿ехипмескдя характеристика двигателя считается лаисПноЗ. йизозгя расчетная сх&:а призера соответствует врл'цгтельвсП стопсьи псг,:-:п и.'озти ПР. Пгредача от двигателя i: гж-сед-но:гу звену осуществляется через pcv*?cp с переда-тсч:г.п:

L , инерция ояск ;::гоз редуктора э расчет ке ирн:лмастсл. Бпсо^хсс ззено характеризуется моментом инерции 1в и к:::жсм статической нагрузки Мь кг згодном галу. Этот момент считается г.сгтсдшолл.Дг.я базовой расчетной схе::,т р1сс:.74тр;гйдстся задхча поворота эчхедк.го звена ::з состояния г.скоя на угол без учета тср:кг-:сшя. Тормозе-кие производится специальными тормоз:-""'.'.; устройстза:.^, с большим ускорение:.:, и угол торможения и время торможения можно считать постоянными .

При принятых начальных уздезня:: выражение для угла поворота tf, в момент веемого: Ti имеет знд: «

|0 , . LVu-1-h/т ,. ЬчЧаГЛ i'^T. t

„ ^ ""т^г "Tv^ri1 а)

Это выражение является ссотиеагошсм, связывающим три осневм:^ величины: Ц0, , Т, "и Mi,7 . 1'зхсдя из этого состяогекм получается оптимальнее значение 1а . 3 ci-зм виде, без упрощений значение по •мпет бить получено. Процедуры численной ептпмиз:ц.:н могут быть г.сс-тросш в трех вариантах* 3 пзрвом варианте при заданном моменте двигателя Ми максимизируется угол поворота за заданное время 1t , во втором - при заданных и tf. мпкиммируетея ¡( , в третьем -при заданных ^ и TJ минимизируется И±п ■ Для получения приближен-ннх оценок более всего подходит первый вариант. При этом оптимальное значение 10 передаточного отношения V определяется из условия:

[ с L *

При нахождении при5лк.:ек1:лх режекил необходимо раздельно рассматривать случаи малых и больших значений ^ " h • ".алым: считаются такие значенная этих величин, при которых установившаяся скорость (;иш частота вращения) ке достигается, и остановка происходит ¡разу после разгона, который приближенно можно считать равноусксрек-км. При этом приближенно

tp. LMm-Mi Т,

Границей ipr между области:.« малых и больших перемещений услсз-ю считается таксе значение рабочего перемеще^:я (угла поворота) , :оторое отзечает условна

-г Swl

Здесь мо:лст быть получено п-з (I), если пренебречь экспонентов з с::с5кл:< (большие интервалы врекгкл х-рахтеризузтея тем, что скорость з-1 npct.ii движения практически достигает установившегося значения), Тмал находится из (3).

Отмочено, что величин:: Lf>r малы, поэтому решим малых персмеце-гий d реальности встречается лиаь в немногих задачах (например, при точечно сварке в близко отстоящих точках).

Определен:' опииияьное передаточное отнсаекио редуктора привода Со и его быстродействие Ti -на малых перемещениях ( ^ Фг) . Пои условии

MiJ h (5)

сгоа:::акдем преобладание статических тгрузок на привод, получается:

; Me' .T„TfaÏL Aie ]i

где = i j - величина с размерностью углового перемещения. При уел ОБИИ

(М±.)\ к

Ы L <7>

отранаицем преобладание динамических нагрузок на привод, получается:

• u,*(ir)1 ; ' <в)

Условие оптимальности (2) для больших перемещений (Ч5, 4V ) записывается в виде громоздкого уравнения четвертой степени. При условии (5) для оптимального передаточного отношения получается первое из вктадений (ô), а время Ti определяется выражением

Min Ч>* у (9)

При условии (7) приближенно получается

Ll/ ' (ю)

. Следует иметь в виду, что эти выражения справедливы при ограниченных . При достаточно больших , когда получается (.оц < î-oi , следует вместо Loi, брать значение i01 .

Приведенные выражения для io встречались в литературе. Однако здесь они получены для одной механической модели, кроме того, впер-• вые получены простые оценки времени Т\ ' 8

Аналогичные фор.\-улы получены для расчетной механической модели, которой двигатель является вращательным, а выходное звено псрсме-ается линейно поступательно.

3 глазе предлсжс.чы методы определения изменения показателя быс-родействия и запаса привода по перегрузке в условиях, отличающихся т расчетных, в частности, при отклонении от расчетных значений пе-едаточного отношения редуктора и изменении нагрузки.

При определении эффективности устройства по любому критерию меется в виду, что существует определенный диапазон значений кри-ерия, в пределах которого эффективность считается приемлемой. Дна- • азен значений критерия задается конструктором из различных сосбра-ений. Применительно к показателю быстродействия, которое монет быть спользовано в качестве критерия эффективности, можно потребовать, тобы время перемещения степени подвижности не превышало более, чем а 10% (или 201!) оптимальное время перемещения (соответствующее оп-имальксму передаточному отношению [0 ).

В результате расчетов найдены пределы допустимого отклонения ередаточного отношения С редуктора привода степени подвижности гнссительно С0 при условии, что показатель быстродействия ухудшит-и относительно оптимального значения не больше, чем на 20%. Полу-енкые оценки показывают, что во всех случаях (для разных режимов аботы привода) отклонение передаточного отношения механизма степеш одвижности от оптимального для данного режима на в сторону

нижения и на 50^100^ в сторону увеличения не приводит к существен-ому ухудшению быстродействия. Оценки были сделаны для наихудших со-етаний влияющих факторов.

Необходимость исследования чувствитальности привода к перегрузам определяется тем фактом, что реальтя нагрузка на привод обычно тличается от той, для которой бьшо найдено оптимальное передаточное тнотеше 1о редуктора привода степеш подвижности.

Снижение нагрузок на привод степени подвижности до нуля вызовет ишь относительно небольшое увеличение быстродействия модуля, так как оля пассы переносимого груза в массе подвижных частей составляет коло 1СЙ для степени подвижности наиболее близкой к схвату. Для сте-еней подвижности, более близких к основанию, это отношение будет еще еньше. Увеличение же нагрузок на привод дает ухудшение быстродейст-ия модуля.

Запас по перегрузке привода модуля степени подвижности Км мож-о выразить как отношение максимально допустимой внешней нагрузки •

9

, при которой быстродействие модуля степени подвижности, выраженное через "П , остается не хуже определенной величины [Т] }Т| , к номинальной внешней нагрузке Мм , для которой определено оптимальное передаточное стпсде.'гле ¿о . 3 предположении, что передаточное отношение механизма привода модуля степени подвижности отличается от оптимального, очевидно, интересен СК I < 10 , потому что увеличение передаточного отношения С относительно оптимального (¿По) вызовет безусловное увеличение запаса по перегрузке Кц хотя прл этом произойдет некоторое ухудшение быстродействия Т| относительно оптимального То .

Задаваясь величиной допустимого ухудшения быстродействия не более, чем на 221 и веллчлкой запаса по перегрузке , в ре-

зультате расчетов определены для наихудшего сочетания внешних нагрузок, параметров привода и везичаш перемещения доаустюсге от-клонети передаточного стнсшекщ от оптимального. Они оказались равными 20-^201 от величины оптимального передаточного отношения для различных режимов работы привода. Прл более благоггрлятлтх сочетаниях внешних нагрузок, параметров привода и величии перемен;екля допустимые отклонения могут быть больше.

Таким образом, для модуля степени подвижности допустимо отклонение передаточного стнсшекш от оптимального в большую сторону в среднем до 53^1001 и в меньшую сторону до 20*231, причем ухудшение быстродействия будет не больше, чем на 20!? и запас по перегрузке привода будет не хуже, чем 1,1.

Проведен анализ влияния пассивных уравновешивающих устройств различгс-гх типов к., оптимальное передаточное отношение редуктора привода и быстродействие призода. Прлмоне;;:е уравневешизакгцлх устройств целесообразно, как правило, лишь в приводах, нагруженных преобладающими статическим нагрузкам./.. Однако присоединение к механизму степени подвижности дополнительного механизма уравновешивающего устройст ва вызовет увеличенле инерционностл механизма привода в целом.

Получены условия, прл которых применение уравновешивающих устройств целесообразно. 3 рамках принятых допущений относительно деления режимов работы приводов степеней подвижности, применение уравновешивающих устройств с целью снижения оптимального по быстродействию передаточного'отношения механизма привода цатесообразно в случае преобладания статических нагрузок над динамическими. В случае преобладания , .лвамлческих нагрузок над статически;.« и невозможности для привода работать в ре;киме больших перемещений при оптлмальком пере-10

аточном отношении (Цм/Ц,) такте целесообразно применение урав-:овешивапцих устройств с целью дости-хепш возможности для привода аботать при оптимальном -передаточном отнеи^нни и увеличения быстрс-ействия степени подвижности. Для снижения [0 и увеличения быстро-ействия степени подвижности достаточно иметь уравновешивающее уст-ойство с.коэффициентом уравновешивав«!, большим чем 4-М(п1а/М|11 . ели оно пружинного или пневматического типов, и большим чем "/""ПжлГь/ИаI> есл" око гравитационного типа. Применение уразно-езиваицего устройства увеличивает запас степени подвижности по пе-егрузке. При значениях коэффициента уразнозешивакия, близких к динице, запас по перегрузке определяется моменте« (усилием) сил рения в опорах.

В четвертей главе изложена общая концепция использования уни-пярсванкых приводов в модулях различных степеней подзнхнеети и :лее подробно рассмотрены некоторые частные случаи.

Предложено обоснование применения одинаковых приводов з различи степенях подзпжности. Лгрегатнс-мсдульный принцип, используем,:й 1зработчиками ПР, заключается в утфикации в той или иной степени инструкций и элементов ПР различного назначения. 3 последнее время :лучили распространение несколько версий построения комплексов на гой оснсзе. ¡'.аждая из версий предполагает построение ПР из у шлифованных узлов различного уровня сложности, начиная с модулей це-•!Х степеней подвижности, включая элементы системы управлении 1«.«, кончая набором стандартных деталей, из которых можно конструиро-1ть все необходимые модификации ПР в зависимости от требований тех-;логического процесса. Наиболее простой представляется версия пос-юения ПР, по которой все модули, входящие в его состаЕ, одинаковы ) схеме и параметрам. Очевидно, что при этом для всех приводов сте-;ней подвижности целесообразно выбрать такие двигатель и механизм :редачи, чтобы обеспечивались достаточно эффективная работа каждого 1ивода и их достаточная перегрузочная способность.

Выше определено,-что для привода модуля степени подвижности явится возможным некоторое отклонение передаточного отношения меха-,31.п от оптимального, причем ухудшение быстродействия и запас по регрузке будет оставаться в допустимых пределах. Поэтов способ строения манипуляционной системы ПР из совершенно идентичных молей полностью приемлем в тех случаях, когда оптимальные передаточ-е отношения мехашзмов калэдой степени подвижности достаточно близ. Для всех механизмов может быть тазначено одно передаточное отно-

ii

кете, причем отклонение этого передаточного отноаекш от оптимального для каждого мекакизкг степеней подвижности лезит в допустимых пределах. Указаншй подход подробно рассмотрен на примере П? с двумг степе:л:'л подвижности, рюсмотрещ условия, допускающие такой подхо;

Проведен анализ быстродействия робота с двумя линейными степенями подвижности, оснащенная одинаковыми привода:;!. Анализ существующих конструкций показывает, что доля массы подвижных частей в общей массе модуля составляет примерно 25т 30.1. Зеличи;;.! инерционных нагрузок приведоз соседних модулей может различаться еще больше (5т 10 раз). Белее нагруженным, как правило, сказывается привод того модуля, который ближе к основания. Поэтому можно создать, что оптимальные передаточные отношения механизмов приводов модулей степеней подвижности и соответствующие им быстродействия будут достаточно сильно различаться. Наибольшим передаточным отношением и наихудшим быстродействием, чаще всего, будет обладать привод самого тл/лел о нагруженного ближайшего к основан.® модуля. Если предположит»-, что П? имеет цикловую или позиционную систему управления, то быстродействие его определяется быстродействием привода модуля самой медленной степени подвижности. Передаточное отношение механизмов приводов модуле; следует назначать равным оптимальному для привода самого медленного модуля - ближайшего к основата (базового). Найдено быстродействие второго модуля в этих услсзиях в сравнении, с быстродействием базового. Рассматриваются те ситуации, когда быстродействие рассматриваемого модуля не хуже быстродействия базового. Найдено, при каких значениях величины перемещения рассматриваемого модуля быстродействие его будет не хуже, чем базового. Показано, что максимальную величин; перемещения рассматриваемого модуля при сохранении быстродействия робота в целом можно получить, выбрав для конструирования П? такие модули, для которых коэффициенты статической (К^гМв/МигдО и динамической ^Кх =1в/Хв едз) нагрузок были близки к нулю.

В главе рассматриваются призоды рсбстотехнических систем со многим степенями подвижности. Преимущества агрегатко-медульного подхода при выборе приводов оборудования ГОС проявляются в тех случаях, когда требуется большое число приводов. С этой точки зрени, удобно рассматривать не роботы и другие единицы оборудования по отдельности, а все их в комплексе. В этом случае можно говорить о том, что рассматриваемая механическая система имеет сухарное число степеней г.о" зпюности, и к ней применима постановка задачи об определении параметров приводов в виде, сформулированном в третьей главе.

fia примере технического решения по заявке № 4860539/08 (струк-урно-гибкая производственная система) подробно рассмотрена задача ибора параметра (передаточного отношения редукторов) системы приво-ов робототехнических систем со многими степенями подвидности. Общая онцепция организации структурно-гибкой производственной систем СГПС) может быть представлена в следующем виде: все количество А/ зпслнительных механизмов разбито на Л групп по ftli механизмов, лизких по параметрам и обслуживаемых приводами (или одним приводом) пределенного типоразмера в каждой. Здесь П . С учетом та-

ого представления СГПС, задача мо^кет быть сформулирована в следую-ем виде: определить количество П групп механизмов СГПС, количест-о Шг механизмов в какдой группе, количество ¿1 приводов L -го ипоразмера (обслуживающих L -ю группу механизмов) и параметры риводов I-го типоразмера таким образом, чтобы полученная система риводов отвечала требованиям к выбранным критериям качества.

Рассмотрена система приводных блоков (приводов) СГПС, имеющая ксокуи степень 'унификации. Приводные блоки состоят из одинаковых злев, за исключением редуктора. Таким образом, типоразмер мобилыю-о приводного блока будет определяться типоразмером редуктора.

Предложена такая последовательность решения задачи. Предварп-ельно для каждого привода степеней подвижности определяется опти-альное по быстродействию передаточное отношение редуктора, пока-атель быстродействия и границы допустимых отклонений передаточного тношения от оптимального (диапазон допустимых значений передаточ-:ого отношения). Далее определяются группы механизмов степеней под-ижности, диапазоны допустимых значений передаточных отношений ре-укторов приводов которых перекрываются попарно для всех приводов руппы. Для всех приводов ка-кдой такой группы назначается одно пере-аточное отношение с таким расчетом, чтобы каящый привод удовлетво-ял требованиям по быстродействию и запасу по перегрузке. Предложена :етодика разбиения системы приводов j-n. группы и определения их пара-;етров.

В главе рассмотрен робот с несколькими вращательными степенями подвижности. Проведен анализ обобщенной динамической модели. Пред-ожен ряд упрощающих допущений с целью упрощения задачи определения цраметров передаточных механизмов и быстродействия приводов сгепе-юй подвижности и рассмотрены следствия такого подхода.

В качестве примера, рассмотрен антропоморфный робот RM-01 . )пределены расчетные нагрузки ьа приводы, определены оптимальные пе-

редатсчные отношения редукторов приводов. Проведено разбиение механизмов на группы. В рамках описанной методики предложено передаточное отнспекие редукторов приводов поворота колонны и наклона предплечья тзкачить равным 20; передаточное отношение редуктора привода наклоьа глечз назначить равным Ш. Применение уравновешивания позволяет обойтись одним типоразмером привода для всех трех степеней подвижности к одновременно значительно повысить быстродействие привода наклона плеча.

Исследованы также механизмы приводов переносных степеней подвил нести робота 1,20П.40.01. Па сснозе анализа механизмов предложено два варианта модернизации приводов ПР. модернизация позволяет увеличить быстродействие приз ода поворота колонны белее,, чем в 3 раза. Пров еде на укрупненная конструкторская проработка вариантов.

CCIIOSIDE РКм'ЛЪТДТь РАБОТЫ

- I. 3 работе изложен обобщенный метод определения быстродействия электропривода манипулятора промышленного робота и оптимизации его по быстродействию. Предложега расчетные формулы для определения оптимального передаточного отношения редуктора привода и оптимального показателя быстродействия, выаедешие для различных сочетаний статических и динамических составляющих внеаней нагрузки, параметров электродвигателя и величины перемещения.

2. Проведен анализ изменений показателя быстродействия привода модуля степени подвижности робота в услсзиях, отлича-оцкхся от расчетных, в частности, ггри отклонениях передаточного отношения редуктора и момента нагрузки от номинальных значений. На основе анализа предложена, методика определения допустимых отклонений передаточного отношения редуктора привода при ограниченном ухудшении быстродействия привода и снижении запаса привода по' перегрузке. Получены численные оценки допустимых отклонений передаточного отношения редуктора при ухудшении показателя быстродействия привода на 20^ и снижении запаса привода по перегрузке до 1,1 для различных сочетаний статических и динамических составляющих внелней нагрузки, параметров электродвигателя и величины перемещения. Расчеты показывают, что допустимы отклонения передаточного отношения редуктора от -оптимального в бсльыую сторону з среднем до 50*1003 и в меньшую сторону до 20*2:$. ".

3. Проведен анализ влияния уравновешивающих устройств различных

шов ia быстродействие привода и оптимальнее перс-даточное отношение дуктора. Получен.; условия, при которых применение уравновешивающих :трсйств целесообразно и эффективно. Анализ показывает, что приме-:ние уравновешивающих устройств целесообразно в степенях подвижно-'п, нагруженных преобладающими статически:/;! нагрузками или ш.гру-!нкых пресбладаылиш динамическими нагрузками, ко работаицих на шьших перемещениях, когда оптимизация передаточного отношешя ректора привода невозможна. При этом снижается оптимальное переда-■чное отношение редуктора привода, увеличивается быстродействие, еличизается запас по перегрузке.

4. Рассмотрено две последовательные степени подвижности. Сфор-лированы требования к услозиям, при которых допустимо для них при-нение полностью унифицированных приводов.

5. Проведен анализ быстродействия робота с двумя линейными степями подвижности, оснащенными полностью унифицированными приводами.

основе анализа предложена методика определения предельных рабочих ремещений из условия одинаково эффективной работы обоих приводов.

6. Предложена общая концепция организации многоприводных ИС на имере СГПС. Призедено описание технического решения по заявке 4850539/08, положительное решение от 09.01.92 (структурно-гибкая зизводствешая система - СГПС).

7. Изложена общая концепция использования унифицированных при--;ов в модулях различных степеней подвижности. Рассмотрена задача 5ора передаточного стно-дения редукторов совокупности призодсв ро-готехнических систем со многи!.»! степеням подвижности. Предложена годика решения указанной задач;!.

0. Предложена методика определения расчетных нагрузок на приво-ПР с несколькими вращательными степенями подвижности. Получены зощенные оценки расчетных нагрузок. Рассмотрены следствия такого (хода.

9. Приведен анализ приводов переносных степеней подвижности 'ропоморфного роботов RM-D1 и Iv¡20n.40.0I. lía основе анализа ди-!ики перемещений даны оценки правильности выбора передаточных от-¡ений редукторов. На основе общей концепции агрегатно-модульного ¡троения приводов сформулированы рекомендации по применению уни-[Ированных приводов. Проведет укрупненная конструкторская прора-'ка двух предложенных вариантов переделки конструкций приводов Ъта LÍ20n.40.0I.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:.

15

1. Выбор электродвигателей и передач промышленных роботов с электроприводом. Новиков Е.А., Тейтельбаум З.Д., Челпанов И.Б.// Труды ЛПИ. 1903. ,',ь_420. с. 33-35. ■ ).'« 30 - МШ 927

2. Новиков Е.А. Аюлиз возможностей применения унифицированных приводов в степенях подвижности промышленных роботов. 3 библ. указ. ВЖГГИ депонир. научные работы, 1992, Г» 7, с. 55.. М32~МШ

3. Структурно-гибкая производственная система: Заявка

№ 4843525/08 га выдачу авторского свидетальства. Реяение о вцдаче авторского свидетельства от 18.09.91./ Л.Н.Тимофеев, Е.Л.Новиков.

4. Стру1стурно-гибкая производственная система: Заявка

?.« 4333539/00 на выдачу авторского свидетельства. Решение о вьщаче авторского свидетельства от 04.01.92./ А.Н.Тимофеев, Е.А.Новиков.

I

Подписано к печати 2? /о 4-Заказ

ОтпечатаГэ на ротапринте СПбГТУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 16

Тира-ч 100 экз. Бесплатно