Методы расчета и проектирования манипуляционных систем с импульсными двигателями

Актуальность темы

диссертации. После подъема конца прошлого столетия отечественная, российская робототехника в настоящее время переживает тяжелый период. В СССР наиболее высокие темпы роста продукции роботостроения приходились на вторую половину семидесятых — первую половину восьмидесятых годов. Тогда темпы прироста выпуска промышленных роботов (ПР) были намного выше, чем для любой другой продукции отечественного машиностроения и выше, чем в других промышленно развитых странах. К 1985 году парк ПР в СССР составлял много десятков тысяч штук (по разным оценкам от 50 тысяч до 150 тысяч экземпляров), в 1986 году годовой выпуск ПР составлял 12 тысяч единиц и был выше, чем в любом из ведущих зарубежных государств (например, тогда в Японии годовой выпуск составлял 10 тысяч, а в США — 6 тысяч). Прогнозировалось, что к 2000 году во всем мире будет около 900 тысяч роботов, из них половина — в СССР. Однако дела сложились иначе.

Сведения о реальном положении дел на протяжении девяностых годов содержатся в обзорной статье П. Н. Белянина [16]. Еще до перехода к рыночной экономике внедрение ПР сильно отставало от их выпуска, спрос на них падал, вследствие чего в последующие годы, даже еще до развития кризиса народного хозяйства в России их стали выпускать меньше: в 1989 году — менее 5 тысяч, в 1990 году — менее 2 тысяч. Ведущие специалисты в области робототехники полагают, что, начиная с 1991;92 годов, в связи с всеобщим развалом народного хозяйства в нашей стране ПР вообще перестали выпускать. В настоящее время, когда отмечается рост промышленного производства, неясно, в какой мере это коснулось роботостроения, достоверные данные отсутствуют.

В тот же период в ведущих странах роботостроение продолжало интенсивно развиваться, темпы прироста годового выпуска в среднем были не ниже 15%- по данным [15] к концу 1995 года мировой парк роботов превышал.

650 тысяч, а по оценкам в 2000 году превышал 1 миллион. По оценкам специалистов на 2003 год эта цифра близка к 1,3 миллиона. Таким образом, прогнозные показатели середины восьмидесятых годов на конец тысячелетия оказались не только сбывшимися, но и перекрытыми и притом без участия России. Таким образом, перспективность робототехники подтверждена мировым опытом.

Потребность в промышленных роботах в нашей стране не исчезла, однако в первую очередь требуются достаточно простые по устройству и дешевые роботы с цикловым управлением, способные работать в быстром темпе и приспособленные для обслуживания быстродействующего технологического оборудования. Большинство таких быстродействующих роботов в прошлом имело линейный пневмопривод (пневмоцилиндры), позволявший достигать высокого быстродействия. При этом приходится мириться с хорошо известными недостатками пневмопривода, к числу которых относятся: необходимость подключения к пневмосети и очистки воздуха, сложности с размещением трубопроводов, трудность получения плавных движений, невозможность работы в следящем режиме при контурном управлении, шум при работе, невысокий ресурс. В последние два десятилетия в робототехнике все более широкое применение находит электропривод, имеющий много преимуществ. Известно, что электропривод с новыми типами двигателей постепенно вытесняет другие типы приводов. Необходимо отметить, что по конструктивным соображениям подавляющее большинство манипуляторов с электроприводом имеет только вращательные кинематические пары. Однако даже современные электродвигатели сильно проигрывают по удельным энергетическим показателям (в первую очередь, по такому показателю, как отношение мощности к массе).

Для роботов с любыми приводами самые серьезные трудности при проектировании связаны с размещением двигателей. Традиционное размещение двигателей вместе с редукторами на подвижных звеньях у кинематических пар манипуляторов приводит к значительному увеличению $ пар манипуляторов приводит к значительному увеличению подвижных масс и моментов инерции, вследствие чего возникают жесткие ограничения по быстродействию. Оказывается невозможным снижение периодов циклов до значений, меньших трех-четырех секунд, или повышение средних скоростей свыше полутора метра в секунду. Проведенные теоретические исследования и эксперименты на макетах показали, что при любых типах приводов даже небольшое улучшение показателей быстродействия по сравнению с этими величинами требует недопустимо большого увеличения мощностей двигателей приводов. Кроме того, важно, что двигатели и устройства подвода энергоносителей на подвижных звеньях работают при перегрузках, часто значительных, что снижает их надежность.

Выходы из этих трудностей специалисты искали на разных путях.

В ряде организаций, в первую очередь, в Институте машиноведения АН СССР в течение многих лет прорабатывалась идея размещения всех двигателей на неподвижном или только поворотном основании со специальными механизмами для передачи усилий и движений через кинематические пары. Соответствующая проблематика достаточно полно отражена в научной литературе [60]. Манипуляторы с двигателями на неподвижном (или основании, поворотном вокруг вертикальной оси) основании разрабатывались в ряде организаций, были созданы и испытаны экспериментальные образцы. Однако наличие гибких звеньев механизмов передач всегда снижает жесткость, а при использовании надежных технических решений (соосные трубчатые валы) вынужденно значительное утяжеление конструкций. Во всех случаях отрицательным является эффект взаимосвязи движений по степеням подвижности. Развязыванию движений (кинематическому и динамическому) всегда уделялось значительное внимание, такие приемы были предложены и обоснованы [65], однако их использование всегда приводит к дальнейшему усложнению конструкций и, в конечном счете, к снижению надежности.

Некоторые новые, нетрадиционные схемы манипуляторов с вращатель.

Of ными парами были подробно исследованы B. J1. Жавнером и его сотрудниками [33−36]. Специалистам-механикам, работающим в области робототехники, принадлежит идея использования свободных движений. Смысл заключается в том, чтобы при совершении рабочих движений максимально использовать естественные динамические свойства механизмов в соответствии с широко и обобщенно понимаемым принципом «наименьшего принуждения», обычно трактуемого строго математически в форме вариационного принципа Гаусса [59]. Идеи о практическом использовании свободных движений неоднократно высказывались [60, 67, 101], однако эти идеи достаточно редко доводились до конструктивных предложений.

Когда речь идет об использовании свободных движений, то можно пойти по двум путям: или использовать традиционно используемые механизмы, как они есть, или их дополнить новыми конструктивными элементами, придающими им желаемые свойства.

Применительно к манипуляторам, звенья механизмов которых совер-¦ф шают движения попеременно в одну и другую сторону между двумя точками позиционирования, второй путь был проработан и доведен до работающих образцов в работах. [52] научного коллектива, возглавляемого В. И. Бабицким в конструкциях, в которые были введены новые элементы: упругие пружины и фиксирующие устройства в точках позиционирования и работающих по полупериодам свободных колебаний. При этом упругие элементы играют роль накопителей потенциальной энергии, которая при переходах между точками позиционирования переходит в кинетическую энергиюроль двигателей заключается только в компенсации неизбежных потерь от сил трения. Для простейших схем с одной степенью подвижности, когда единственное звено с рабочим органом на конце вращается вокруг неподвижной оси, реализация описанного принципа оказалась плодотворной, построенные по такой схеме роботы-перекладчики могли работать с большими ^ средними скоростями, до 4 м/с. Однако для манипуляторов с двумя и более степенями подвижности обнаружились серьезные трудности.

Все же использование принципов рекуперации энергии позволяет увеличивать средние скорости всего раза в два, что часто недостаточно. Значительное увеличение числа операций в единицу времени дает использование многоруких манипуляторов, в частности, роторных [49]. Однако, ни один из этих и иных способов не свободен от серьезных недостатков и поэтому не является универсальным.

Своя оригинальная тематика в области роботостроения сложилась в се-мидесятых-восьмидесятых годах до последнего десятилетия двадцатого века в лаборатории робототехники Бурятского института естественных наук Сибирского отделения АН СССР (в последние годы БИЕН СО РАН): теория циклоидальных манипуляторов, простых по конструкции, имеющих простые системы управления. Признание значительного научного вклада коллектива лаборатории БИЕН СО РАН в развитие отечественной робототехники выразилось в частности, в том, что БИЕН был включен в ряд общесоюзных программ по робототехнике. В течение двух десятков лет под руководством д.т.н. С. О. Никифорова здесь ведутся теоретические исследования по теории быстродействующих роторных или циклоидальных манипуляторов, опубликовано несколько десятков работ, из которых в списке литературы указаны [70−83] лишь те, которые имеют прямое отношение к данной работебыли защищена докторская и две кандидатские диссертации [75, 59, 107].

В лаборатории робототехники БИЕН СО РАН в течение многих лет прорабатывался другой путь принципиального и технического решения проблемы значительного повышения быстродействия манипуляторов с цикловым программным управлением, основанный на построении механизмов, в которых ведущие звенья, приводимые в движение роторами электродвигателей, вращаются в одну и ту же сторону от неуправляемых электродвигателей, а выходные звенья механизмов передачи задают рабочему органу движения по траекториям, удовлетворяющим поставленным ограничениям, с мгновенны ми остановками в заданных точках позиционирования.

Проще всего этот принцип реализуется в плоских механизмах, в которых производится сложение двух равномерных вращений вокруг параллельных осей, при этом траектории, воспроизводимые рабочими органами, относятся к классу циклоид, поэтому такие роторные манипуляторы называются циклоидальными [75]. Для механизмов с большим числом звеньев и воспроизводящих пространственные траектории в этой диссертации наименование «циклоидальные» сохраняется, хотя траектории уже не относятся к классу циклоид, а лишь имеют черты сходства с ними. Возможности значительного повышения быстродействия таких манипуляторов обусловлены тем, что их двигатели не разгоняются, не останавливаются и не реверсируются, а сокращение времени цикла достигается просто увеличением постоянных угловых скоростей.

Циклоидальные манипуляторы как правило должны сохранять обязательные и типовые для роботов свойства переналаживаемости, программи-руемости, что требует усложнения, а иногда и изменения во время движения структур и кинематических схем механизмов, использования нескольких приводов и систем автоматического управления. В этом плане научным консультантом данной работы д.т.н. С. О. Никифоровым для циклоидальных манипуляторов была предложена [75] серия оригинальных усовершенствований, подлежащих серьезному и многостороннему научному анализу. Усложнение кинематических схем, введение нескольких регулируемых приводов, значительное увеличение динамических нагрузок при сохранении высоких требований к точности и надежности выполнения технологических и вспомогательных операций потребовало проведения целого комплекса системных и целенаправленных научных исследований, начатых в серии работ [70−83], а затем продолженных в [107−111].

Первоначально теория циклоидальных манипуляторов строилась на ¦ ¦ предположении, что приводы обеспечивают постоянство угловых вращений $ звеньев. Тогда для требуемых периодических движений вращающие моменты также должны были быть периодическими, причем в пренебрежении силами сопротивления и при постоянстве массо-инерционных характеристик механизмов средние значения моментов должны быть равны нулю. Однако в дополнение указанным исследованиям для ряда схем исследовалась динамика периодических движений и при равенстве нулю вращающих моментов двигателей во время движения, т. е. свободных движений, что послужило начальным импульсом для исследований данной диссертационной работы.

Данная диссертационная работа близка к проработкам, которые представлены циклом перечисленных выше теоретических и экспериментальных научных исследований по теории циклоидальных манипуляторов, но идея использования свободных движений механизмов находит более последовательное развитие. Имеется в виду, что, с одной стороны, для реализации свободных движений как будто приводы не нужны, а с другой стороны, иначе, чем с помощью приводов невозможно задание начальных скоростей для свободного движения.

Предлагаемый путь нахождения компромисса между этими противоречивыми требованиями заключается в том, чтобы обычные двигатели, постоянно включенные в кинематические цепи, заменить специальными импульсными двигателями, выходные звенья которых сохраняют контакт со звеньями механизма лишь на коротких интервалах времени задания импульсов.

Определение необходимого числа и расположение этих импульсных двигателей представляет одну из задач исследования в данной диссертации. При этом, как и для циклоидальных манипуляторов, остается общая цель упрощения конструкций на основе немногих типовых базовых схем, но для этих схем анализируются возможности получения требуемых траекторий перемещения рабочего органа из заданных начальных точек в заданные конечные при устранении приводов по некоторым степеням подвижности, а для -, необходимых приводов на основе импульсных двигателей — размещения их на неподвижном основании. Этим полностью устраняются типичные конструктивные трудности, связанные с необходимостью вкомпоновывания двигателей в подвижные звенья механизма передачи или применения длинных цепей передач от двигателей, установленных на неподвижном основании к подвижным звеньям. Принципиально важно, что воспроизводимые траектории формируются из отрезков, участков свободного движения, причем переход от очередного участка к последующему осуществляются под действием импульсов. Таким образом, механизм манипулятора в процессе движения изменяет свою структуру, неудерживающие механические связи с двигателями и упорами то устанавливаются, то пропадают, а получаемое движение является составленным из фрагментов, «кусочно-свободным».

Необходимо отметить, что в дополнение к импульсным двигателям требуется целый комплекс средств, еще другие устройства, такие, как фиксирующие упоры и демпферы, поглощающие энергию. Размещением импульсных двигателей, упоров и демпферов того или иного типа, обеспечивается выход в заданные точки позиционирования и требуемый выстой.

Поэтому тема данной диссертации, посвященной обоснованию возможностей построения манипуляторов без обычных приводов, размещаемых у кинематических пар, а вместо этого со стационарно устанавливаемыми импульсными двигателями и другими устройствами, выбору схем установки и параметров этих двигателей и устройств, исходя из требований к траекториям и расположению точек остановки и исследованию возможностей их практического использования, представляется актуальной.

Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа продолжает цикл исследований, проведенных в соответствии с Координационным планом научно-исследовательских работ АН РФ «Проблемы механики и управления в робототехнических системах и автоматизированных производствах» (шифр 1.11.3), а также по специальной теме «Исследование и разработка быстродействующих циклоидальных манипуляторов», утвержденной Постановлениями ГКНТ И 108 от 20.04.87 и ОФМТН Президиума АН СССР И 11 000−194−1216 от 05.12.85.

Цель диссертационной работы. Основной целью диссертации является обоснование возможностей построения манипуляторов, в механизмах которых исключены приводы во всех кинематических парах, за исключением первой, а движение осуществляется на интервалах времени как свободное, под действием импульсов, сообщаемых специальными импульсными двигателями, устанавливаемыми на неподвижных основаниях, а также упорами различного типа, и теоретическое исследование кинематики и динамики типовых кинематических схем подобных манипуляторов.

В соответствии со сформулированной целью в диссертации поставлены следующие основные задачи исследования.

1. Определение числа импульсов и соответственно числа импульсных двигателей, необходимых для осуществления переносов объектов с помощью механизма манипулятора из заданных положений в заданные конечные.

2. Исследование возможностей использования различных физических принципов и схемных решений при создании импульсных двигателей и других устройств (фиксирующих и отражательных упоров), необходимых для реализации манипуляторов рассматриваемого типа.

3. Разработка научных основ методики построения математических моделей кусочно-свободных движений манипуляторов рассматриваемого типа на основе использования интегралов кинетической энергии и момента количества движения, а также выражений для обобщенных импульсов сил.

4. Построение математических моделей для типовых кинематических схем и исследование свойств свободных движений по результатам расчетов траекторий механизмов манипуляторов рассматриваемого типа с целью использования участков этих траекторий для построения программ движения.

5. Синтез траекторий переноса объектов с помощью манипуляторов рассматриваемого типа на основе сопряжения участков траекторий свободных движений и (или) движений при задаваемом вращении первого звена при фиксировании определенных конфигураций с помощью упоров на некоторых интервалах.

6. Разработка методики и анализ динамики упругих колебаний механизма манипулятора под действием импульсов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Во вспомогательных (обслуживающих) манипуляторах могут быть исключены двигатели, обычно устанавливаемые у кинематических пар механизмов. Вместо этого используются только неподвижно устанавливаемые обычный двигатель по первой степени, импульсные двигатели по другим степеням подвижности, тормозные устройства, отражательные и фиксирующие упоры.

2. При построении импульсных двигателей могут быть использованы различные физические принципы. Наиболее перспективными представляются механические пружинные двигатели, которые одновременно выполняют функции тормозных амортизаторов и рекуператоров энергии.

3. Законы движения и программные траектории переноса объектов для манипуляторов рассматриваемого типа строятся сопряжением участков свободных движений после импульсов, выстоев в заданных конфигурациях с помощью фиксирующих упоров. При рациональной установке импульсных двигателей и упоров обеспечивается приход рабочего органа в заданное положение даже при значительных погрешностях задания импульсов.

4. По результатам синтеза программных траекторий для наиболее распространенных кинематических схем манипуляторов получены рекомендации по расстановке импульсных двигателей и упоров различных типов и задании абсолютных значений и направлений импульсов.

5. Импульсные воздействия в конструкциях манипуляторов рассматриваемого типа могут приводить к возбуждению свободных колебаний достаточно больших амплитуд. Необходимо выполнение проверочных расчетов динамики упругих колебаний с целью исключения соударений и обеспечения надежности удерживания объекта в захватном устройстве.

Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем.

1. Предложен новый способ взаимодействия выходных звеньев короткохо-довых двигателей со звеньями механизмов манипуляторов, при котором воздействия осуществляются кратковременно, после чего кинематические связи разрываются и движение осуществляется по инерции.

2. Сформулирована и для типовых кинематических схем манипуляторов решена задача синтеза траекторий кусочно-свободных движений, происходящих под действием импульсов, которые прикладываются в определенных конфигурациях к звеньям механизмов манипуляторов при заданных начальных и конечных условиях.

3. На основе разработанных математических моделей динамики свободных движений предложена методика решения задач программирования траекторий, основанная на использовании интегралов энергии и моментов количества движения и выражений для обобщенных импульсов сил.

4. Разработаны методики учета таких факторов, как погрешности задания модулей и направлений импульсов, силы и моменты трения, упругость звеньев манипуляторов и их соединений.

Таким образом, в диссертации определены преимущества новых схем, сформулированы и решены новые задачи механики, возникшие при проектировании манипуляторов, в которых исключены приводы, обычно размещаемые у кинематических пар. Перспективность создания манипуляторов, выполненных по новым схемам, подтверждена результатами математического моделирования.

Манипуляторы, предназначенные для обслуживания прессового оборудования, использованы на автоматизированных участках изготовления деталей, сборки узла машины Улан-Удэнского приборостроительного объединения (У-УГТПО), а также в Улан-Удэнском авиационном производственном объединении (У-УАПО) (г. Улан-Удэ). Использование и внедрение результатов диссертации подтверждается официально оформленными актами.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. В первой главе сначала анализируются особенности работы типовых обслуживающих промышленных роботов. Отмечается, что размещение приводов у кинематических пар манипуляторов значительно усложняет и утяжеляет конструкции, что приводит к увеличению приведенных масс и в конечном счете к ухудшению показателей быстродействия. В главе произведен анализ известных способов устранения указанного недостатка (размещение двигателей на неподвижном или вращающемся вокруг вертикальной оси основании, использование рекуператоров энергии). Далее излагается основная идея предлагаемого подхода. При работе пневмоприводов большинства вспомогательных промышленных роботов выделяются участки быстрого разгона, установившегося движения с медленно изменяющейся скоростью и быстрого торможения. На относительно длительном среднем участке двигатель по существу не выполняет активную роль. Отсюда возникает идея использования короткоходовых (условно — импульсных) устройств разгона и торможения с тем, чтобы прохождение среднего этапа происходило в режиме свободного движения механизма, по инерции. При этом на среднем этапа происходит разрыв приводной кинематической цепи, в главе приводятся известные примеры, обсуждаются последствия этого. Далее рассматриваются возможности использования различных физических принципов для создания импульсных двигателей, и проводится их сопоставительный анализ. В заключение главы формулируются задачи исследования в диссертации.

Основные результаты, полученные в диссертации, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Показано, что для вспомогательных роботов-манипуляторов с цикловым управлением принцип задания движений, как свободных, получающихся в результате приложения коротких импульсов является перспективным, поскольку двигатели и тормозные устройства можно устанавливать на неподвижном основании и открываются возможности значительного увеличения перемещений рабочих органов манипуляторов без использования длинноходовых линейных двигателей.

2. Для построения механизмов, способных воспроизводить требуемые траектории кусочно-свободного движения, необходимо иметь следующие устройства: импульсные двигатели, фиксирующие упоры с демпферами-амортизаторами, отражательные упоры. Возможно сочетание в одних и тех же устройствах нескольких функций. Импульсные двигатели могут быть построены на различных физических принципах, выполнен их сопоставительный анализ.

3. В большинстве задач определение параметров импульсов, воздействующих на звенья механизма манипулятора, требует самостоятельного рассмотрения. Способы преобразования работы, совершаемой импульсными двигателями, и потенциальной энергии, накопленной аккумуляторами, в силовые импульсы, а затем в кинетическую энергию существенно различаются по основным параметрам.

4. Соотношения, полученные на простейшей одномерной математической модели трехмассовой или двухмассовой динамической системы при учете разных вариантов силового взаимодействия масс позволили установить качественный характер взаимосвязей массо-инерционных и энергетических параметров со скоростью, приобретаемой массой после действия импульса.

5. Использование интегралов импульсов и энергии для уравнений Лагранжа при упрощениях, обычных при описании ударных процессов, позволяет получать выражения для обобщенных скоростей произвольных механизмов, что решает проблему определения обобщенных скоростей по степеням подвижности после действия импульса.

6. На основе разработанного унифицированного общего алгоритма могут решаться задачи синтеза системы задания и обеспечения качества импульсных режимов манипуляторов, выполняемых по различным схемам.

7. Рассмотрение задач механики импульсных и комбинированных движений на примере плоских механизмов манипуляторов, построенных по типовым схемам, позволяет выявить возможности формирования различных траекторий переноса объектов.

8. На примере двухстепенных манипуляторов, работающих в прямоугольной, полярной и ангулярной системах координат, определены и аналитически описаны задачи определения направления импульса, задающего заданное направление скоростианализа возможностей формирования траекторий, типичных для обычных манипуляторов, при импульсных движениях и движениях при заданных законах вращения.

• первого звена с помощью фиксирующих упоровсформулированы рекомендации по расстановке фиксирующих и отражательных упоров.

9. Сформулированы задачи формирования законов движения и исследования динамики при наличии ориентирующих степеней подвижности. Предложены подходы к решению задач динамики манипуляторов рассматриваемого типа при учете упругости элементов конструкции.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Сосоров Е. В., Никифоров Б. С. Матрично-кодовый метод анализа механизмов роторных манипуляторов // Материалы II научно-практической конференции «Будущее Бурятии глазами молодежи» — Улан-Удэ: Изд. БГУ, 2002. С.45−48.

2. Сосоров Е. В., Никифоров С. О. Особенности формирования компоновочных структур циклоидальных манипуляторов // Материалы II Международной конференции «Проблемы механики современных машин» -Улан-Удэ: Изд. ВСГТУ, 2003. — ч.З. С. 80−83.

3. Сосоров Е. В., Челпанов И. Б., Никифоров С. О. Классификационные признаки манипуляторов с импульсным заданием движений // Материалы II Международной конференции «Проблемы механики современных машин» -Улан-Удэ: Изд. ВСГТУ, 2003. — ч.З. С. 84−88.

4. Сосоров Е. В., Никифоров С. О. Способы автоматического управления циклоидальных мехатронных устройств // Материалы II Международной конференции «Проблемы механики современных машин» — Улан-Удэ: Изд. ВСГТУ, 2003. — ч.З. С. 89−93.

5. Сосоров Е. В. Манипуляционные системы с импульсным заданием движением. Улан-Удэ: Изд. БНЦ СО РАН, 2003. 24 с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.