автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Задачи и методы осуществления роботизированного пассивного силового базирования об-тов

I t Эзн^градский государственный технический университет

Ha правах рукописи

'ГОДОЮВ ТОДОР николов

УДК 621.665.8

ЗАДАЧ!! И МЕТОД] ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РОБОТИЗИРОВАННОГО ПАССИВНОГО СИЛОВОГО БАЗИРОВАНИЯ ОБШСГОВ

Специилыюсть 05.02.05 - роботы, манипуляторы и

робото1'вхннчвск150 системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград 1930

Работа выполнена в Ленинградском государственном техническом университете.

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

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. А.В.Тимофеев,

к.т.н., доц. С.Ф.Бурдаков.

Ведущая организация: ВНИИЭСО.

Защита состоится " М^Я^ЬЯ 1990 года в /Сг часов на заседании специализированного совета К 063.38.28 Ленинградского госу дарственного технического университета (195251, Ленинград, Политех-ническ&ч ул., 29 " _/ " учебный корпус, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотека института.

Автореферат разослан "._•>/ " $ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Н.М.Чесноков

¿ТЕМ ¡'

. > ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РОБОТИЗИРОВАННОГО ПАССИВНОГО СИЛОВОГО БАЗИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ

тд«л

--ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сборочные операции относятся к числу наи-олеа трудоемких и ответственных. При автоматической сборке должна ить использовала прогрессивная технология, создание которой требует ■лубокого изучения сущности.сборочных процессов для выявления каче-твенных и количественных закономерностей их протекания с целью эф-юктивного управления имя. Автоматизация сборочных процессов тради-рюнными средств«,« и методами нередко оказывается технически и эко-юмически нецелесообразной. сффективным средством решения задач автоматизации мелкосерийного и среднесерийного производства являются фомышленныа роботы (ПР) и создаваемые на их основе роботизированные 'ехнологическиа комплексы. Правильный выбор ПР для выполнения конкрет-шй сборочной операции должен основываться на глубоком анализе тре->овалий к выполнению сборки и сопоставлении их с техническими характеристиками роботов.

При автоматизации сборки с помощью ПР часто наибольшую труд-юсть представляет сопряжение собираемых деталей. В большинстве слу-гаев это сопряженно не сводится только к перемещению собнраз1.:ых деталей или одной из них в заданные положения, обычно бывает необходимо прижимать одну деталь к другой по базам (линиям или поверхностям). Гаков сопряжение деталей, при котором обеспечивается заданный уро-зень контактных усилий по всем базам (точкам, линиям или поверхностям) в диссертации называется силовым базированием. При ручной сборке силовое базирование осуществляется сначала интуитивно, по ощуще-;шю, а затем это закрепляется в трудовых навыках. При автоматизации гиирау.бния с силовым базированием нужно учитывать упругие свойства механизмов П^ и формировать специальные законы управления сборочнши дви^ипшил». Теория силового базирования к настоящему времени не разработана. Разработка теории силового базирования позволит использовать на простых сборочных операциях многие серийно выпускаемые ПР.

вследствие сказанного тема данной работы является актуальной.

Основная п.)ль работа. В данной диссертации поставлено целью сформучир-лзять и классифицировать задачи силового базирования при

автоматической сборке, разработать теорию силового базирования, сформулировать соответствующие требования к сборочным ПР, разработать методы коррекции управляющих программ при сборке. Для достижения поставленной цели получения адаптивного поведения ПР с программным управлением необходимы предварительный анализ геометрии собираемых деталей, составление математико-механической модели процесса сопряжения собираемых деталей, формирование (на базе решения соответствующих статических задач механики) ограничений на составляющие сил и моментов, приложенных к переносимой детали со стороны робота (исходя из условий положительности нормальных реакций во всех точках контакта объекта с базами," отсутствия заклинивания и заедания, жесткого удерживания объекта в схвате, не превышения контактными усилиями допустимых значений и т.д.)»преобразование полученных огра ничений к силам и (или) моментам, развиваемыми двигателями приводов механизма манипулятора и (или) к приращениям линейных перемещений или углов поворота звеньев манипулятора.

Методы исследования. Аналитические исследования в работе вштог нены с применением методов теории малин и механизмов, теоретической механики, сопротивления материалов, теории автоматического управления. При составлении алгоритмов и программ использовались методы вь числительной математики и программирования. При экспериментальной проверка теоретических результатов использовались методы макетного моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые введено понятие роботизированного силового базирования с пассивной адаптацией;

- собраны и систематизирована сведения о конкретных задачах и лового базирования при сборке в машиностроении и приборостроении и выполнена классификация этих задач;

- получены статические условия силового базирования для разли них сочетаний баз как для плоских, так и для пространственных зада

- разработаны методы, обеспечивающие выполнение условий силов го базирования при роботизированной сборке;

- получены условия силового базирования, выполняемого с помощ ПР, при задании или измерении сил или моментов в кинематических па pax; в виде ограничений на линейные комбинации сил и (или) моменто

- получены условия силового базирования, когда по степеням по

вяжноети задаются добавочные перемещения по обобщенным координатам, а Риде ограничений на линейные комбинации программных перемещений;

- решены типовые задачи силового базирования при роботизированной сборке.

Новизна разработанного способа роботизированного пассивного силового базирования объектов защищена авторским свидетельством НР8.

Практическая ценность работы. Разработанные методы коррекции управляющих программ ПР позволяют расширить их функциональные возможности, повысить качество и надежность выполняемых сборочных операций, требующих приложения сборочных усилий, путем принудительного базирования по всем или только по нескольким обобщенным координатам собираемых деталей, независимо от погрешностей позиционирования ПР, погрешности захватывания детали в охвате, погрешностей форм и расположений поверхностей деталей, упругих свойств манипулятора и деталей и т.д.

Конечные рекомендации представлены в форме, удобной для практического использования.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертации реализованы на фирма "КАМ", г. Пловдив, НРБ. Разработанные методы и алгоритмы легли в основу проектироваяия, изготовления и испытания действующего макета. Стенд с макетом установки, иллюстрирующей эффективность предложенных методов силового базирования при роботизированной сборке и пригодной для наладки устройств управления сборочных роботов, был экспонирован на международной выставке в г. Пловдив в ноябре 1989 г. и получил высокую оценку научной комиссии.

Практическое значение результатов работы подтверждается документами о внедрении на предприятиях НРБ.

Апробация работа. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Первой международной конференции по технологиям и роботизации "ГЕХРО•88" (Дши, НРБ, 1988), на Второй научно-технической конференции "Автоматизация сборки" (Пловдив, НРБ, 1989), на Шестой и Седьмой научно-практических конференциях болгарских аспирантов и студентов в Ленинграда (1988-1989), на Десятой, Одиннадцатой и Двенадцатой научных конференциях болгарских аспирантов а СССР (Москва, 1988-Г990), на научно-технической конференции "Автоматизация в леа-кпм машиностроении" (Саласяилс, 1988), на Национальном семинара "Ав-

3

томатизация" (Пловдив, 1987). По итогам докладов получены Диплом и право членства в банке научно-технических идей "АЛЬФА" Института по изобретениям и рационализация»* НРБ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и приложений; всего на 159 страницах; из них 36 страниц рисунков, 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш, определяется основная цель работы, формулируются основные положения, выносимые на защиту, отмечаются главные результаты работы.

В первой главе приводится общее описание, дается анализ и осуществляется классификация процессов автоматической сборки. Отмечена сложность решения задач собираемости изделий в автоматизированном процессе сборки на сборочных автоматах и автоматических яик>1ях. В изучении условий относительного расположения деталей перед сборкой, перед сопряжением заключается важный раздел теории автоматической сборки. Созданию методик расчетного определения допустимых относительных перекосов, угловых разворотов и линейных смещений поверхностей собираемых деталей предшествовала большая работа, в результате которой были выявлены причины их возникновения, которые классифицированы по различным погрешностям. Намечены пути решения .проблем автоматической сборки при использовании средств контроля, машин и роботов с активной и пассивной адаптацией. В обзоре литературы, посвященной практическому решению задач выполнения сборочных операций указано два подхода. Первый подход предполагает уменьшение погрешностей положения собираемых деталей посредством воздействия на их источники, При втором подходе осуществляется компенсация погрешностей в процессе сборки.

Исходя из анализа большого числа используемых сборочных средств, сделан вывод, что наиболее простыми и надежными для осуществления базирования объектов являются пассивные средства адаптации.

Во второй главе сформулировали и формализованы задачи роботизировал изго пассивного силового базирования объектов.

Определены общие понятия, термит, определения, даны классификации соединений деталей и задач базирования. Исходя из этого рассмотрены некоторые наиболее часто встречающиеся конкретные примеры ■осуществления соединений с базированием деталей, а также с'-силовым взаимодействием:

- базирование в приспособлениях для сборки, при которой детали подвергаются нагреву (сварка, пайка, склеивание при использовании клеев горячего отверждения);

- сборка при отсутствии центрирущих и базирущих элементов;

- сборка при наличии центрирующих элементов;

- склеивание деревянных, пластмассовых и других изделий, сувениров и т.д.;

- сварка при изготовлении конструкций из листового проката (резервуары, емкости, отсеки, обмивки, облицовки, бункера и т.д.), из труб и профильного проката (рамные конструкции, фермы, колонны, стойки и т.д.);

- сварка корпусных и базовых деталей;

- установка заготовок в приспособлениях или на станках, базирование заготовки при ее механической обработке и др.

Далее в диссертации предложены основные подходы и построены математические модели механики процесса базирования деталей при выполнении сборки промышленными роботами, предложены способы управления, при которых базирование может быть осуществлено. Предлагается задачи базирования решать в несколько этапов. На первом этапе следует задать управляющие воздействия так, чтобы схват взял деталь и подал её на сборочную позиции. На втором этапе нужно задать управляющие воздействия таким образом, чтобы они удовлетворяли условиям полного силового базировавши. Для получении условий такого базирования, базы представляются в общем виде, как совокупности точек, в которых из-направления нормальных составляющих реакций. Требования полного силового базирования обьекта, т.е. существования контакта во всзх точках, налагают ограничения на силы и моменты, действующе на обьект и, следовательно, на управлявшие воздействия. Задача определения этих воздействий разделяется также на несколько отапов. На гюрвсм этыто формулируются требования к составляющий сил и моментов,

приложенных к объекту; они приводятся к центру объекта и к осям прямоугольной системы координат, не связанной с манипулятором ПР. Например при базировании плоского объекта по двум взаимно перпендикулярным направлениям с помощью робота с вращательными кинематическими парами, работающего в ангулярной системе координат имещий две переносные и одну ориентирующую степень подвижности, по предлагаемому методу получаются следующие ограничения на сборочные усилия и Ра по направлению осей координат X и У :

~ > о;

^а > 0 >

где £ коэффициент трения скольжения.

Ограничения на момент Мг относительно оси 2 получаются, исходя из условия отсутствия опрокидывания детали:.

где 0. и Ь - линейные размеры детали вдоль осей X и У соответственно. ,

Да^ее приводится анализ этих ограничений в зависимости от значений и взаимного влияния формирующих их параметров. Ограничиваются такке ^ и Ту сверху по условиям жесткого базирования объекта в схвате ПР.

На втором этапе полученная область допустимых изменений преобразуется к силам и (или) моментам, развиваемым двигателями приводов механизма манипулятора. Это преобразование осуществляется на основе использования уравнений статики механизма манипулятора ПР. Задача снова решается поэтапно. Первоначально подбирается такой момент двигателя ориентирующей степени подвижности ПР Мс чтобы он обеспечивал соблюдение условия силового базирования, вытекающего из ограничений на момент Мг :

где ^ - расстояние от центра объекта в схвате до оси двигателя ориентирующей степени подвижности.

Затем определяются ограничения на моменты двигателей переносных тепеней подвижности Ма и Mb исходя из соблюдений условий базиро-алия, вытекатаще из ограничений на усилии Fx и Fy :

(4)

M«>HtMA,

■де Мд и Мв - моменты приводных двигателей первого и второго звена кинематической цепи манипулятора, считая их от неподвижного основания. I - ih'b . ü - Й4- Цз • ц - -MfJ?- ;

I - ttfoiß- е,И>}£ . ,, - Sin ß ■

Bietst (£+ß) ' ( '

j _ (Ciaь * , 4 . е<гх sin (c+ß) .

где €1 , Ct - длины первого и второго звеньев; £ , ß - углы

отклонения спрямо горизонтали первого и второго звена соответственно.

Видно, что области ограничения на моменты Мл и Ма изменяются по рабочей зоне манипулятора IIP в зависимости от конфигураций кинематической цепи механизма манипулятора.

На третьем этапе нужно учитывать два возможных варианта построения алгоритма управления.

1. Привода степеней подвижности непосредственно задают требуемые силы или моменты. Тогда найденные на втором этапе условия непосредственно определяют ограничения на управляющие воздействия. Для реализации этого способа необходимо иметь в системе управления датчики силового очувствления или косвенно измерять силы или моменты, развиваемые двигателями (например, для электродвигателей косвенное измерение момента осуществляется по силе тока).

2. Приводы степеней подвижности задают требуемые линейные перемещения или углы поворота. Тогда на следящие приводы задаются такие приращения перемещений, чтобы в условиях контакта объекта с базами упругие деформации механизма манипулятора возникали такие силы и моменты, которые удовлетворяют условиям полного силового базирования. Для реализации этого способа необходимо знать и использовать матри-

цу упругой податливости); в случав необходимости в механизм манипулятора перед захватным устройством могут быть введены упругие элементы со специально подобранными упругими характеристиками.

В третьей гладе описана методика определения управляющих воздействий, которые должны вырабатываться устройствами управления роботов при осуществлении силового базирования с учетом требований конкретного сборочного процесса. Построены алгоритм и блок-схема реализации предложенных алгоритмов сборки. Сформулированы рекомендацш по составлению алгоритмов расчетов для серии конкретных пространственных задач, охватывающих наиболее часто встречащиеся случаи силового базирования, а именно:

- Базирование призматического объекта в угол, ограниченный тремя взаимно перпендикулярными плоскостями;

- Базирование призматического объекта на плоскость (полное и неполное). Расчеты снова начинались с выполнением силового анализа плоских задач силового базирования в общем виде. Учитывались также условия прочности объектов и угловые ошибки захватывания деталей в схвате робота. Намечены пути устранения этих ошибок, основывающихся на введении в кинематическую цепь манипулятора упругих элементов между рукой робота и охватом. При этом показано, что нет необходимости для конкретных деталей устанавливать на робот определенные специально рассчитанные упругие элементы, а достаточно только заложить характеристики имеющегося у робота упругого элемента в формулы для определения ограничений на управляющие воздействия.

- Базирование жестких деталей или установка упругой длинномерной детали на жестких базах.

- Базирование цилиндрического объекта на плоскость. Условия силового базирования обобщены на случай произвольной формы основания объекта.

В четвертой главе изложены результаты проделанной автором работы по проектированию, изготовлению и испытаниям действующего стенда-макета, на котором практически и наглядно иллюстрировалась эффективность разработанного в диссертации метода введения корректирующих поправок при силовом базировании объектов. Приведены технические характеристики используемых устройств. Описана последовательность демонстрационной программы и проанализированы основные отащд испыталиI Помимо демонстрации стенд может быть использован для наладки ует-8

юйств управления сборочных роботов.

В приложениях приводятся: копия акта, подтверждающего использо-зание разработанных методов; копия решения о ввдачв авторского свидетельства; справка о том, что соискатель был руководителем теорети-;еских расчетов, активно участвовал в научных исследованиях и проект-га-конструкторских работах электромеханических систем изделий и ро-5отов типа " 5САЙА производимых фирмой "КАМ" г. Пловдив; проспекта этих роботов,в том числе и награжденного дипломом и золотой медаль» на международной ярмарке; диплом за большой вклад в научно- исследовательской работе и активное участие в конференциях болгарских аспирантов, обучающихся в СССР.

ШВОДЫ

Основные результаты работы:

В диссертационной работе получены следующие основные результат

ты:

1. Сформулирована общая задача силового базирования объекта, устанавливаемого с помощью промышленного робота (ПР) на неподвижные поверхности заданной ориентации.

2. Получены условия положительности нормальных реакций во всех точках контакта объекта с поверхностью при силовом базировании в виде ограничений на линейные комбинации составляющих силы и момента, приложенных к объекту.

3. Получены условия силового базирования объекта в виде ограничений на линейные комбинации моментов, создаваемые двигателями приводов в кинематических парах.

4. Для ПР с позиционным и контурным управлением получены ограничения на дополнительные (по сравнению с программным положением) перемещения по обобщенным координатам, при которых обеспечивается силовое базирование объекта.

5. Решена серия типовых задач силового базирования прямоугольного объекта для плоской задачи.

6. Решена серия типовых пространственных задач силового базирования объектов произвольной конфигурации.

7. Разработан и испытан действующий макегг , на котором иллюстрируется эффективность разработанного метода введения корректирующих

поправок при силовом базировании упругого объекта.

Таким образом, в работе создана теория и разработаны метода, позволяющие повысить технический уровень роботизированных технологических комплексов с пассивной адаптацией, обеспечиващей широкие функциональные возможности при низкой стоимости и высокой надежности

Практическая значимость диссертационной работы состоит в созда кии предпосылок для осуществления силовых операций автоматической сборки» выполняемых с помощью простых ПР. Придание адаптивных свойств 'серийно выпускаемым роботам первого поколения, позволяет эффективно использовать их в составе гибких производственных систем.

В заключение следует отметить, что разработанные теоретические методы позволили значительно развить теорию автоматической сборки. Описанные метода теоретического анализа являются составной частью общей теории точности выполнения производственных операций и углубляют понимание сущности процессов, происходящих при сборке. Практическое значение результатов работы подтверждается документами о внедрении на производстве.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: \

1. Т.Н.Тодоров, И.Б.Челпанов Силово базираяе на обектите при устшю-вяването им на зададени позиции с помощта на промишлени роботи/ У1 научно-практическа конференция на българските аспиранта и студент« в Ленинград: Тез. докл. - София, 1988. - С. 22.

2. Т.Н.Тодоров Условия базирования деталей при выполнении сборки промышленными роботами - В сб.: Аннотации выступлений, X научная конференция болгарских аспирантов в СССР с международным уча;;ткем - Москва, 1988. - С. 56.

3. И.Б.Челпанов, Т.Н.Тодоров Задачи и методи за осъществяване на ро-ботизирано силово базираяе/ УП научно-практическа конференция на българските аспиранта и студенти в Ленинград: Тез. докл. - София, 1989. - С. 18.

4. Челпанов И.Б., Тодоров Т.Н. Формирование управляющих воздействий программируемых сборочных роботов при выполнении силовых операций/ XI научная конференция болгарских аспирантов в СССР с международным участием: Тез. докл. - Москва, 1989. - С. 59.

5. Т.Н.Тодоров Силово базираяе при ионтажт операции, иопълняваяк от промишлени роботи - Пьрва международна конференция по технология

и роботизация "ТЕХРО'88", Септември 19-26, 1988, Ваканционно селище "ДШИ", НРБ.

6. Челпалов Я.Б., Тодоров Т.Н. Установка и силовое базирование деталей при сборке, выполняемой с помощью промышленных роботов/

П научно-техническая конференция "Автоматизация сборки" с международным участием: Тез. докл. - Пловдив, НТО, 1989. - С. 22.

7. Т.Н.Тодоров Управление силовым базированием деталей при их роботизированной сборке/ ХП научная конференция болгарских аспирантов в СССР "Актуальные проблемы современной науки-90" с международным участием: Тез. докл. - Москва, 1990. - С. 62.

8. Т.Н.Тодоров, М.С.Сергеев Условия силового базирования объектов автоматическим манипулятором с позиционным управлением/ Научно-техническая конференция "Автоматизация в лесном машиностроении": Тез. докл. - Саласгалс, 1988. - С. 16.

9. Т.Н.Тодоров, С.А.Бушаков и др. Применение роботов и манипуляторов на лесоперерабатывающих предприятиях. - София, 1988. - 10 с. (Рукопись деп. в ЩШТИ НРБ № ВД 4858/88).

10. Т.Н.Тодоров, И.Б.Челпанов Силовое базирование объектов при их установке на заданные позиции с помощью промышленных роботов. -

- София, 1988. - II с. (Рукопись деп. в ЩНТИ НРБ в июне 1988).

11. Т.Н.Тодоров Условия базирования деталей при выполнении сборки промышленными роботами. - София, 1988. - 14 с. с ил. (Рукопись деп. в ЩНТИ НРБ № 4857/88).

12. Бушаков С.А., Тодоров Т.Н. и др. Основные проблемы автоматизации лесозаготовительного производства. Выбор объекта автоматизации.

- София, 1988. - 15 с. (Рукопись деп. в ЦИНГИ НЕБ в июне 1988).

13. Иаринчев М.Г., Тодоров Т.Н. и др. Някои средства за подобряване на кинемагичнага точност на монтажните роботи от телгьк тип/ Национален семинар "Автоматизация", Пловдив, 1987. - С. 151.

14. Челпенов И.Б., Тодоров Т.Н., Маринчев М.Г. Управление силовото базиране на детайлите при техния роботизиран монтаж. - София, 1990. - 7 с. (Рукопись деп. в ЦИНТИ НРБ в тане 1990).

15. Тодоров Т.Н., Бушаков С.А., Петров С.И. и др. Изпоязуване на робота и манипулатори'в дървообработващите предприятия/ X научна конференция на бьлгарските аспиранти в СССР с международно участие - Москва, 1988. - С. 56.

16. И.БЛелпаяов, Т.Н.Тодоров Задачи и методы осуществления роботизированного силового базирования. - София, 1989. - 8 с. (Рукопись

II

деп. В ЦИНТИ НРБ в шона 1989).

17. Решениа о выдаче авторского свидетельства НРБ по заявке

№ 89299/ЕБ от 27.03.1990 г. В 25 3 9/00, 13/00^ Способ роботизированного пассивного силового базирования объектов/ Челпа-нов И.В., Тодоров Т.Н. и др. Заявлено 21.07.1989 г.

Подписано к печати 23.10.90. Тираж 100 экз.

Заказ 612. Бесплатно .

Отпечатано на ротапринте ЛГТУ

196251, Ленинград, Политехническая ул., 29.

12