Оптимизация конструктивных параметров промышленных роботов позиционного типа

В последние десятилетия бурное развитие получила новая отрасль техники — роботостроение, создающая и производящая новую разновидность автоматических машин — промышленные роботы (ПР).

Повышенный интерес к роботам объясняется тем, что с их помощью могут быть решены важные социальные и экономические проблемы.

С одной стороны, промышленный робот является универсальным средством автоматизации самых разнообразных процессов производства, играющим важную роль в проблеме, преодоления дефицита рабочей силы, а с другой — специальным средством, позволяющим устранить тяжелый, монотонный, вредный для здоровья, ручной труд.

Роботы нашли экономически целесообразное применение во многих отраслях народного хозяйства и явились важным фактором в деле повышения производительности труда. Они оказались тем недостающим звеном, появление которого позволило решить задачи комплексной автоматизации на более высоком уровне, объединяя средства производства предприятия в единый автоматизированный комплекс.

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года», принятых на ХХУ1 съезде КПСС, одной из главных признана задача «. и на основе использования достижений науки и техники развивать производство и обеспечить широкое применение автоматических манипуляторов (промышленных роботов).», которые совместно с системами автоматического управления с использованием микропроцессов и мини-ЭВМ станут базой для создания автоматических цехов и заводов.

Таким образом, промышленные роботы (автоматические манипуляторы с программным управлением) являются одним из основных средств комплексной автоматизации производства и решения проблемы трудовых ресурсов.

Ближайшими по назначению прототипами для ПР послужили автооператоры и механические руки, которые были созданы для нужд массового производства и имели небольшое число степеней подвижности. К их недостаткам следует отнести недостаточную переналаживаемоеть, небольшое число выполняемых функций и ограниченную область применения.

Промышленные роботы приобрели качественно новые свойства: автономность и способность работать по заданной программе в автоматическом режиме, универсальность, т. е. способность перемещаться в пространстве по сложным траекториям и оперировать с деталями различного типа, хорошую сопрягаемость с технологическим оборудованием и быструю переналаживаемость на различные виды работ.

Универсальность роботов позволяет автоматизировать с их помощью самые разнообразные операции, выполняемые сегодня еще человеком, а быстрота переналадки обеспечивает необходимую мобильность при частой смене и большой номенклатуре выпускаемой продукции.

Эффективность применения ПР в значительной мере определяется соответствием выбранного типа робота и его конструктивных параметров данному технологическому процессу. Поэтому большое значение при проектировании имеет начальная стадия, которая состоит в предварительном анализе различных вариантов.

Широкое внедрение промышленных роботов в производство тесно связано с повышением требований к их функциональным возможностям, что требует проведения дополнительных работ по их усовершенствованию. Это усовершенствование может осуществляться как за счет рационального выбора конструктивных параметров (распределения масс узлов или модулей ПР, соотношения длин его звеньев и т. д.), так и за счет улучшения характеристик приводов.

Однако вопросы выбора конструктивных параметров следует считать первичными, так как они «жестко» заложены в конструкцию и не могут быть изменены в процессе функционирования. Правильный выбор этих параметров определяет во многом взаимодействие робота с обслуживаемым оборудованием.

Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется проблеме оптимального проектирования ПР и его отдельных элементов. В частности, ставится задача об обоснованном выборе значений масс узлов и отдельных модулей робота с точки зрения влияния их на точность позиционирования и быстродействие.

Процесс проектирования является, как правило, неформализованным и часто носит итеративный характер, требуя больших затрат времени.

Применение в этом случае автоматизированных методов и программ выбора оптимальных конструктивных параметров ПР с использованием ЭВМ значительно сократило бы время реализации технического предложения в металл и избавило бы от необходимости проведения дорогостоящих и трудоемких натурных экспериментов.

Однако следует отметить, что поиск оптимальных параметров ПР должен вестись с учетом снижения общей металлоемкости конструкции. Проведенный Мишкиндом С. И. анализ различных моделей промышленных роботов показал, что соотношение Ч /Р у них, где Омасса манипулятора, Р — масса переносимого груза, заметно ниже, чем у родственных грузоподъемных и землеройных машин.

Таким образом, в настоящей работе ставится и решается задача создания методики и пакета программ автоматизированного выбора оптимальных конструктивных параметров ПР с точки зрения снижения общей металлоемкости его конструкции и улучшения показателей качества.

Диссертация состоит из пяти глав.

Первая глава посвящена анализу задач, возникающих при исследовании тинамики, управлении движением и выборе оптимальных параметров промышленного робота. Определены цель и задачи данной работы, а также рассмотрены функциональные средства, применяемые при их решении.

Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой математической (динамической) модели промышленного робота с жесткой кинематической связью между отдельными звеньями. Выбирается расчетная схема, основанная на рассмотрении системы шести твердых тел. На основе использования уравнений Лагранжа второго рода осуществляется вывод уравнений движения четырехподвижного робота. Как частные случаи выделены уравнения, описывающие движение ПР с одной степенью подвижности, в то время как остальные заторможены.

Моделирование динамики промышленного робота осуществляется численными методами с помощью универсальной программы МОДС (Моделирование и Оптимизация Динамических Систем), написанной на проблемно-ориентированном языке.

Проверке адекватности разработанной математической модели робота посвящена третья глава. В ней приведены методика и результаты экспериментального измерения угловых перемещений ПР. В качестве датчиков перемещения используются многооборотные проволочные потенциометры серии ПЛП-ПС. Регистрирующей аппаратурой служат два двухкоординатных самописца фирмы «Брюль и Къер». Основным результатом этой главы явились подтверждение адекватности разработанной модели ПР и возможность использования ее при решении поставленных в диссертации задач.

В четвертой главе формулируются теоретические основы выбора оптимальных массовых характеристик промышленного робота с точки зрения современной теории оптимального проектирования. При решении этой задачи используется методика, предложенная в работах Соболя И. М. и Статникова P.E. Оценка точности позиционирования и быстродействия производится с учетом всей зоны обслуживания, что особенно важно для роботов с позиционной системой управления. В диссертации показано, что решение поставленной задачи связано с существенными затратами машинного времени, в связи с чем в основу реализации его на ЭВМ положена линеаризованная модель динамики ПР, в которой учитывается инерционность привода.

В пятой главе описываются алгоритмы построения программ автоматизированного определения динамических характеристик робота. Приведены результаты испытания (машинного эксперимента) модульного промышленного робота РПМ-25. Анализ полученных данных позволил выбрать оптимальный вариант распределения масс его основных узлов, а также оценить влияние их на точность позиционирования и быстродействие.

Научная новизна работы заключается в разработке способа оценки динамических характеристик промышленного робота по множеству «конечных» точек его сервисной зоны, что особенно важно для ПР с позиционной системой управления, составляющих большую часть всех существующих сегодня роботов.

В заключении содержатся выводы по всей работе.

Тексты пакета программ на языке Ф0РТРАН-1У, созданные при решении задачи выбора оптимальных конструктивных параметров ПР, и документы, подтверждающие практическое значение настоящей работы (акты о внедрении), помещены в приложении.

ВЫВОДЫ к главе 5.

1. Проведенный путем сканирования пространства параметров машинный эксперимент позволил найти оптимальное распределение масс узлов серийно выпускаемого мо, пульного промышленного робота с точки зрения одновременного улучшения всех его показателей качества.

2. Анализ результатов расчета показал, что в пространстве оптимизируемых параметров существуют точки не улучшающие одновременно все критерии, однако дающие существенное улучшение какого-либо динамического показателя (точность порционирования или быстродействия). Поэтому в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к технологическому процессу, в котором планируется использование указанного робота, может быть выбран один из компромиссных вариантов, позволяющий значительно (на 30 $) улучшить один из показателей при незначительном (5−7 $) ухудшении другого.

3. Построенные на основе специально спланированных машинных экспериментов регрессионные зависимости показателей качества от варьируемых масс позволили установить следующие закономерности: а) увеличение масс Л7*, т3, являющихся составными частями «руки» манипулятора ИМ-25, приводят к увеличению быстродействия робота. Это объясняется тем, что конструкция руки является статически неуравновешенной, относительно точки, А (рис. 2.1.) поэтому незначительное увеличение рассматриваемых масс приводит к статическому равновесию конструкций, и в этом случае весь момент двигателей затрачивается на движение. В противном же случае, часть момента расходуется на статическое уравновешиваниеб) аналогичные причины (статическое уравновешивание) приводят к тому, что увеличение массы т. е. «расположенной на противоположном конце «руки» по сравнению с массами } т3 «вызывает уменьшение быстродействия роботав) увеличение массы т9 приводит к повышению быстродействия, что объясняется следующим обстоятельством. В конструкции манипулятора РПМ-25 имеется специальное устройство — торсион, предназначенный для компенсации момента неуравновешенности, возникающего вследствие движения робота и появления инерционных сил. Величина компенсирующего момента выбирается средней с учетом всей зоны обслуживания ПР. Ввиду же рассмотрения ограниченной сервисной зоны, значение момента оказалось несколько завышенным. Таким образом, при движении робота в рассматриваемых пределах его сервисной зоны увеличение массы л? г приводит к компенсации излишка момента, создаваемого торсиономг) выбор зазоров в кинематических парах осуществляется с помощью специального устройства — торсиона, введенного в конструкцию манипулятора РПМ-25 и обеспечивающего безлкфтовую передачу движения. Увеличение масс т6 уменьшает значение создаваемого им момента, что в конечном итоге ухудшает точность позиционирования РПМ-25 из-за возникающих люфтов в кинематических парах.

4. Целесообразно для более эффективной работы РПМ-25 усовершенствовать его конструкцию (например, путем перераспределения масс) за счет полного статического уравновешивания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате проведенных исследований решена актуальная научно-техническая задача оптимизации конструктивных параметров промышленного робота позиционного типа на основе анализа его динамической модели.

2. Разработана динамическая модель промышленного робота с жесткой кинематической связью между отдельными звеньями, наличие которой позволяет сохранять ориентацию схвата перемещаемого груза при любых пространственных перемещениях манипулятора в зоне обслуживания ПР. Моделирование динамики осуществлено с помощью универсальной программы МОДС на проблемно-ориентированном языке, что значительно сократило время подготовки и отлаживания программы расчета на ЭЦВМ.

3. Предложенный способ и методика измерения угловых перемещений ПР позволяет исследовать движение робота, не нарушая целостность его конструкции. Проведенный эксперимент полностью подтвердил адекватность разработанной динамической модели робота и возможность использования ее для оптимизации расчетов. Сравнительный анализ зависимостей, полученных в результате моделирования динамики ПР на ЭВМ, и аналогичных, полученных с помощью натурных экспериментов, показал, что их расхождения не превышают 5−8%.

4. Предложен способ оценки динамических показателей роботов позиционного типа, для которых-важно не отработка какой-либо траектории, а попадание в заданную «конечную» точку с максимально возможными точностью позиционирования и быстродействием. Основанный на вычислении осредненных по множеству «конечных «точек рассматриваемых показателей такой способ позволяет объективно оценить динамические характеристики ПР.

5. Выбор оптимальных значений конструктивных паршетров масс узлов промышленного робота РПМ-25 осуществлен в соответствии современной теорией оптимального проектирования, на основе решения многокритериальной задачи оптимизации, что позволяет найти компромиссный вариант с учетом нескольких критериев качества, в том числе противоречивых друг другу. Разработаны методика и пакет программ расчета оценок критериев оптимальности ПР, что значительно сокращает время расчетов и позволяет целенаправленно совершенствовать конструкцию манипулятора.

6. Проведенный машинный эксперимент позволил найти оптимальное распределение масс узлов РПМ-25, а также оценить влияние их на показатели качества. Использование основ регрессивного анализа позволил найти количественные зависимости рассматриваемых характеристик.

7. Полученные материалы и результаты исследований были переданы в научно-технологический институт ЦНИТЙ (г. Москва). Их внедрение позволило сократить сроки проведения ресурсных испытаний промышленных роботов. Рекомендации по выбору количественных значений масс узлов модульного робота были учтены при усовершенствовании конструкции серийно выпускаемого модульного промышленного робота РПМ-25. Годовой экономический эффект от внедрения составил 5500 рублей.