Дипломная работа на тему Исследование рабочей зоны робота типа “Версатран” с 4-степенями подвижности

Исследование рабочей зоны робота типа Версатран с 4степенями подвижности

Введение

Для воспроизведения двигательных функций человека в процессе трудовой деятельности созданы манипуляторы – многозвенные механизмы с управляемыми приводами на каждом звене. Манипуляторы разделяются на биотехнические и автоматические. Биотехнические манипуляторы управляются оператором дистанционного или непосредственно в результате перемещения рабочего органа манипулятора.

В автоматических манипуляторах рабочие функции выполняются без участия человека.

Промышленный робот – это автоматический манипулятор промышленного применения, имеющий систему программного управления, обеспечивающую быструю переналадку для выполнения задач, различающихся последовательностью и характером манипуляционных действий.

В роботизированных технологических комплексах ПР выполняют функции восприятия внешней среды, принятия решений и выполнения манипуляционных действий.

Манипуляторы ПР характеризуются грузоподъемностью, объемом рабочей зоны, числом звеньев, погрешностью позиционирования, системой координат, конструктивной и компоновочной схемой, типом системы управления.

Первые промышленные роботы появились в США сравнительно недавно, в 1962 г. Это были роботы типов «Версатран», «Юнимейт», «Универсал», «Циклон», оснащенные устройствами ЧПУ позиционного типа. Первые ПР были манипуляционными и использовались для обслуживания прессов, штампов, нагревательных печей и другого технологического оборудования в цехах с вредными условиями труда. Наибольшее распространение получили манипуляционные роботы грузоподъемностью до 20 кг с цикловым двухпозиционным управлением.

Планирование обработки информации действий манипуляционного робота – один из важнейших путей, который повышает эффективность работы всей системы управления манипуляционного робота. Оно включает определение последовательности этапов с преобразованием модели внешней среды робота, обеспечение мультипроцессорного режима обработки данных, планирование последовательности опроса систем очувствления как перед началом выполнения роботом технологических операций, так и в ходе ее выполнения с указанием приоритета каждой из операций.

робот версатран серводвигатель кинематика

1. Кинематическое исследование робота

1.1 Определение численных значений параметров , S, a и кинематической пары и составление таблицы кинематических пар

В основу получения математической модели кинематики робота положим специальные системы координат и преобразования Денавита-Хартенберга [1].

Введем необходимые обозначения кинематических звеньев и пар робота (рис. 1) в соответствии с правилами, предложенными Денавитом и Хартенбергом. Неподвижному звену присвоим нулевой номер, первому подвижному звену, соединенному со стойкой, номер 1 и далее по порядку до пятого оконечного подвижного звена, на котором закреплен схват.

Рис. 1. Кинематическая схема робота типа «Версатран»

Кинематические пары обозначим символом Ai, у которого нижний индекс i равен меньшему из номеров звеньев, образующих данную кинематическую пару. Таким образом, индекс i, связанный с кинематическими парами, будет принимать значения от 0 до 3.

Важным в методологии Денавита-Хартенберга является выбор расположения осей Zi и Xi специальных систем координат и их начала Oi (i = 0,… 4). Ось Yi назначается так, чтобы система координат была правой.

Оси Zi (i=1,2,4) должны быть направлены по осям вращения кинематических пар (рис. 3).Ось Z3 направлена по направляющей кинематической пары А2. Начало координат O0 инерциальной (базовой) системы координат расположим на оси Z0 в основании манипулятора (рис. 1). Так как ось Z1 пересекается с осью Z0, а ось Z1 – с осями Z2,3,4, то начала координат O0 и O1, O2, O3, O4 необходимо расположить в точках пересечения названных осей координат (рис. 1). Оси X1 и X2 X3 X4 направляются перпендикулярно плоскостям, образуемым соответственно осями Z0, Z1 и осями Z2, Z3, Z4. Введенные системы координат позволяют определять положения четырех подвижных звеньев в неподвижной инерциальной системе координат O0X0Y0Z0.

Систему координат O4X4Y4Z4, связанную с четвертым подвижным звеном и определяющую положение схвата в инерциальной системе координат, следует расположить на этом звене особым образом. Начало координат O5 поместим в центр (в характерную точку) схвата (рис. 1), ось X4 направим перпендикулярно оси Z3, так чтобы она лежала в плоскости, образованной осью Z3 и характерной точкой схвата. Ось Z4 расположим параллельно оси Z3 и сонаправлено с ней.

В основу методики Денавита-Хартенберга положено определение положения i-й системы координат в (i-1) – й (i=1,…, 4) с использованием четырех параметров, а именно, с помощью:

1) угла цi поворота (i-1) – ой системы координат вокруг оси Zi до совпадения направлений осей Xi-1 и Xi;

2) перемещения на величину Si (i-1) – ой системы координат по оси Zi до совпадения осей Xi-1 и Xi;

3) перемещения на величину ai (i-1) – ой системы координат по оси Xi до совпадения начал координат (i-1) – ой и i-ой системы координат;

4) угла бi поворота (i-1) – ой системы координат вокруг оси Xi до совпадения направлений осей Zi и Zi-1.

Значения этих постоянных параметров зависят, во-первых, от конкретной конструкции робота, а во-вторых, от принятого расположения систем координат.

Для описания кинематики робота целесообразно использовать специальную таблицу кинематических пар, в которой для конкретного робота проставляются определенные значения параметров Иi, Si, ai, бi, а переменные параметры, являющиеся обобщенными координатами, отражаются буквой qi.

Табл. 1. Таблица кинематических пар

Номер (i-1) – й кинематической пары

Тип (i-1) – й кинематической пары

Номер i-го подвижного звена

Параметры кинематической пары

Иi

Si

ai

бi

0

Вращательное

1

45°

100

0

90°

1

Поступательное

2

200

0

90°

2

Поступательное

3

100

0

3

Вращательное

4

45°

200

0

1.2 Составление математической модели робота

После того как в лабораторно-практической работе №1 определены параметры i, Si, аi, i и заполнена табл. 3, следует записать матрицы перехода для каждой кинематической пары в виде [3]

,

Подставляя действительные значения параметров i, Si, аi и i, а также значения обобщенных координат, соответствующие начальному положению манипулятора, и заменяя в зависимости от типа кинематической пары символы i или Si на обозначение обобщенной координаты qi (символы С и S здесь означают тригонометрические функции cosinus и sinus).

Под математической моделью кинематики робота будем понимать перечень матричных формул, позволяющих определять координаты центров всех кинематических пар, начиная с 1-й, в инерциальной системе координат, которые в свою очередь дают возможность строить кинематическую схему робота при текущих значениях обобщенных координат.

Так как начала координат кинематических звеньев совпадают с центрами соответствующих им кинематических пар и с характерной точкой схвата, то положение центра i-й кинематической пары и ориентацию i-го звена в инерциальной системе координат будут определять наддиагональные элементы матрицы 4х4.

Для упрощения расчетов будем использовать математическую систему MathCAD.

Подставляя действительные значения параметров i, Si, аi и i, а также значения обобщенных координат в матрице перехода для каждого звена получаем:

Для определения положения любого промежуточного -го звена робота относительно стойки надо перемножить соответствующее число первых слева матриц перехода.

Перемножая необходимое число матриц перехода для кинематических пар и, выделяя в конечной матрице наддиагональные элементы, записываем в табл. 2 координаты центров всех кинематических пар робота в его начальном положении, а также углы, определяющие ориентацию звеньев (схвата) робота.

Табл. 2. Координаты и ориентация звеньев манипулятора в начальном положении

Номер звена манипулятора

X, мм

Y, мм

Z, мм

X0Zi, град

Y0Zi, град

X0Yi, град

1

0

0

100

90°

90°

135°

2

0

0

300

45°

135°

90°

3

70,711

-70,711

300

45°

135°

90°

4

212,132

-212,132

300

45°

135°

120°

1.3 Построение диаграмм относительных перемещений, скоростей, ускорений, кинетической мощности, диаграмм максимальных коэффициентов скоростей и ускорений

Диаграммы относительных перемещений ж (k), скоростей д(k), ускорений о(k) и кинетической мощности d(k) следует построить для всех пяти степеней подвижности (здесь k – относительный коэффициент времени, относительное время).

Вначале строится, по приведенным в исходных данных аналитическим зависимостям, диаграмма ж (k). Для построения диаграмм д(k) и о(k) необходимо продифференцировать соответствующее число раз зависимость ж (k).

Выбираем закон движения для каждой степени подвижности манипулятора [2]: Закон движения – Степенной закон движения (4-5-6-7)

ж= 35k4 -84k5 +70k6 -20k7

Построение диаграмм по относительным координатам

k

ж

д

о

0

0

0

0

0,02

5,33565E-06

0,001096

0,163213

0,04

8,12818E-05

0,008593

0,63633

0,06

0,000391492

0,028486

1,400323

0,08

0,001176279

0,066466

2,443583

0,1

0,002728

0,12806

3,7616

0,12

0,005369264

0,218775

5,356634

0,14

0,009433863

0,344229

7,237399

0,16

0,01525028

0,510274

9,418736

0,18

0,02312764

0,723119

11,92129

0,2

0,033344

0,98944

14,7712

0,22

0,046136813

1,31649

17,99975

0,24

0,061695472

1,712194

21,64308

0,26

0,080155784

2,185248

25,74182

0,28

0,101596244

2,745201

30,34083

0,3

0,126036

3,40254

35,4888

0,32

0,153434351

4,168761

41,238

0,34

0,183691677

5,056438

47,64392

0,36

0,216651652

6,079284

54,76494

0,38

0,252104619

7,252208

62,66202

0,4

0,289792

8,59136

71,3984

0,42

0,329411607

10,11417

81,03923

0,44

0,370623726

11,8394

91,65129

0,46

0,413057853

13,78715

103,3026

0,48

0,456319933

15,9789

116,0623

0,5

0,5

18,4375

130

0,52

0,543680067

21,18722

145,1857

0,54

0,586942147

24,25371

161,6894

0,56

0,629376274

27,66404

179,5807

0,58

0,670588393

31,44665

198,9288

0,6

0,710208

35,63136

219,8016

0,62

0,747895381

40,24933

242,266

0,64

0,783348348

45,33304

266,3871

0,66

0,816308323

50,91628

292,2281

0,68

0,846565649

57,03404

319,85

0,7

0,873964

63,72254

349,3112

0,72

0,898403756

71,01912

380,6672

0,74

0,919844216

78,96221

413,9702

0,76

0,938304528

87,59123

449,2689

0,78

0,953863187

96,94657

486,6082

0,8

0,966656

107,0694

526,0288

0,82

0,97687236

118,0018

567,5667

0,84

0,98474972

129,7864

611,2533

0,86

0,990566137

142,4665

657,1146

0,88

0,994630736

156,0857

705,1714

0,9

0,997272

170,6881

755,4384

0,92

0,998823721

186,318

807,9244

0,94

0,999608508

203,0198

862,6317

0,96

0,999918718

220,838

919,5557

0,98

0,999994664

239,8168

978,6848

1

1

260

1040

1.4 Построение диаграмм обобщенных координат, скоростей и ускорений

Для построения диаграмм обобщенных координат q(t), скоростей, ускорений следует воспользоваться зависимостями [2]:

qi(t)= жi (k) · qи,i; i =1,2,3 = дi(k) · qи,i/ tu; i=1,2,3

= оi(k) · qи,i /t2и; i=1,2,3

qи,i= qк i qн i; i=1,2,3 t = k · tи,

где qн i и qк i – соответственно начальное и конечное значения i-й обобщенной координаты.

Табл. 3

Время движения

Начальные и конечные значения обобщенных координат

q1н

q1к

q2н

q2к

q3н

q3к

10

0

45

1300

1400

80

160

Построение диаграмм по обобщенным координатам.

Первая степень подвижности.

g

t

q(t)

45

0

0

0

0

45

0,2

0,00024

0,004931

0,073446

45

0,4

0,003658

0,038668

0,286348

45

0,6

0,017617

0,128189

0,630145

45

0,8

0,052933

0,299097

1,099613

45

1

0,12276

0,57627

1,69272

45

1,2

0,241617

0,984489

2,410485

45

1,4

0,424524

1,54903

3,256829

45

1,6

0,686263

2,296232

4,238431

45

1,8

1,040744

3,254033

5,364582

45

2

1,50048

4,45248

6,64704

45

2,2

2,076157

5,924204

8,099888

45

2,4

2,776296

7,704874

9,739384

45

2,6

3,60701

9,833616

11,58382

45

2,8

4,571831

12,35341

13,65337

45

3

5,67162

15,31143

15,96996

45

3,2

6,904546

18,75942

18,5571

45

3,4

8,266125

22,75397

21,43976

45

3,6

9,749324

27,35678

24,64422

45

3,8

11,34471

32,63494

28,19791

45

4

13,04064

38,66112

32,12928

45

4,2

14,82352

45,51378

36,46765

45

4,4

16,67807

53,27732

41,24308

45

4,6

18,5876

62,04219

46,48619

45

4,8

20,5344

71,90504

52,22805

45

5

22,5

82,96875

58,5

45

5,2

24,4656

95,34248

65,33355

45

5,4

26,4124

109,1417

72,76021

45

5,6

28,32193

124,4882

80,81132

45

5,8

30,17648

141,5099

89,51795

45

6

31,95936

160,3411

98,91072

45

6,2

33,65529

181,122

109,0197

45

6,4

35,25068

203,9987

119,8742

45

6,6

36,73387

229,1232

131,5026

45

6,8

38,09545

256,6532

143,9325

45

7

39,32838

286,7514

157,19

45

7,2

40,42817

319,586

171,3002

45

7,4

41,39299

355,3299

186,2866

45

7,6

42,2237

394,1606

202,171

45

7,8

42,92384

436,2596

218,9737

45

8

43,49952

481,8125

236,713

45

8,2

43,95926

531,0083

255,405

45

8,4

44,31374

584,039

275,064

45

8,6

44,57548

641,0991

295,7016

45

8,8

44,75838

702,3854

317,3271

45

9

44,87724

768,0963

339,9473

45

9,2

44,94707

838,4309

363,566

45

9,4

44,98238

913,5893

388,1843

45

9,6

44,99634

993,7711

413,8001

45

9,8

44,99976

1079,175

440,4082

45

10

45

1170

468

Вторая степень подвижности

g

t

q(t)

100

0

0

0

0

100

0,2

0,000534

0,010957

0,163213

100

0,4

0,008128

0,085928

0,63633

100

0,6

0,039149

0,284865

1,400323

100

0,8

0,117628

0,66466

2,443583

100

1

0,2728

1,2806

3,7616

100

1,2

0,536926

2,187753

5,356634

100

1,4

0,943386

3,442289

7,237399

100

1,6

1,525028

5,102738

9,418736

100

1,8

2,312764

7,231185

11,92129

100

2

3,3344

9,8944

14,7712

100

2,2

4,613681

13,1649

17,99975

100

2,4

6,169547

17,12194

21,64308

100

2,6

8,015578

21,85248

25,74182

100

2,8

10,15962

27,45201

30,34083

100

3

12,6036

34,0254

35,4888

100

3,2

15,34344

41,68761

41,238

100

3,4

18,36917

50,56438

47,64392

100

3,6

21,66517

60,79284

54,76494

100

3,8

25,21046

72,52208

62,66202

100

4

28,9792

85,9136

71,3984

100

4,2

32,94116

101,1417

81,03923

100

4,4

37,06237

118,394

91,65129

100

4,6

41,30579

137,8715

103,3026

100

4,8

45,63199

159,789

116,0623

100

5

50

184,375

130

100

5,2

54,36801

211,8722

145,1857

100

5,4

58,69421

242,5371

161,6894

100

5,6

62,93763

276,6404

179,5807

100

5,8

67,05884

314,4665

198,9288

100

6

71,0208

356,3136

219,8016

100

6,2

74,78954

402,4933

242,266

100

6,4

78,33483

453,3304

266,3871

100

6,6

81,63083

509,1628

292,2281

100

6,8

84,65656

570,3404

319,85

100

7

87,3964

637,2254

349,3112

100

7,2

89,84038

710,1912

380,6672

100

7,4

91,98442

789,6221

413,9702

100

7,6

93,83045

875,9123

449,2689

100

7,8

95,38632

969,4657

486,6082

100

8

96,6656

1070,694

526,0288

100

8,2

97,68724

1180,018

567,5667

100

8,4

98,47497

1297,864

611,2533

100

8,6

99,05661

1424,665

657,1146

100

8,8

99,46307

1560,857

705,1714

100

9

99,7272

1706,881

755,4384

100

9,2

99,88237

1863,18

807,9244

100

9,4

99,96085

2030,198

862,6317

100

9,6

99,99187

2208,38

919,5557

100

9,8

99,99947

2398,168

978,6848

100

10

100

2600

1040

Третья степень подвижности

g

t

q(t)

80

0

0

0

0

80

0,2

0,000427

0,008766

0,130571

80

0,4

0,006503

0,068743

0,509064

80

0,6

0,031319

0,227892

1,120258

80

0,8

0,094102

0,531728

1,954867

80

1

0,21824

1,02448

3,00928

80

1,2

0,429541

1,750202

4,285307

80

1,4

0,754709

2,753831

5,789919

80

1,6

1,220022

4,08219

7,534988

80

1,8

1,850211

5,784948

9,537034

80

2

2,66752

7,91552

11,81696

80

2,2

3,690945

10,53192

14,3998

80

2,4

4,935638

13,69755

17,31446

80

2,6

6,412463

17,48198

20,59346

80

2,8

8,1277

21,96161

24,27266

80

3

10,08288

27,22032

28,39104

80

3,2

12,27475

33,35009

32,9904

80

3,4

14,69533

40,4515

38,11514

80

3,6

17,33213

48,63427

43,81195

80

3,8

20,16837

58,01767

50,12962

80

4

23,18336

68,73088

57,11872

80

4,2

26,35293

80,91339

64,83139

80

4,4

29,6499

94,71523

73,32103

80

4,6

33,04463

110,2972

82,64212

80

4,8

36,50559

127,8312

92,84986

80

5

40

147,5

104

80

5,2

43,49441

169,4977

116,1485

80

5,4

46,95537

194,0297

129,3515

80

5,6

50,3501

221,3124

143,6646

80

5,8

53,64707

251,5732

159,143

80

6

56,81664

285,0509

175,8413

80

6,2

59,83163

321,9946

193,8128

80

6,4

62,66787

362,6644

213,1097

80

6,6

65,30467

407,3302

233,7825

80

6,8

67,72525

456,2723

255,88

80

7

69,91712

509,7803

279,449

80

7,2

71,8723

568,153

304,5337

80

7,4

73,58754

631,6977

331,1761

80

7,6

75,06436

700,7299

359,4151

80

7,8

76,30905

775,5726

389,2866

80

8

77,33248

856,5555

420,823

80

8,2

78,14979

944,0147

454,0534

80

8,4

78,77998

1038,291

489,0026

80

8,6

79,24529

1139,732

525,6917

80

8,8

79,57046

1248,685

564,1371

80

9

79,78176

1365,504

604,3507

80

9,2

79,9059

1490,544

646,3395

80

9,4

79,96868

1624,159

690,1053

80

9,6

79,9935

1766,704

735,6445

80

9,8

79,99957

1918,534

782,9478

80

10

80

2080

832

1.5 Решение прямой и обратной задачи кинематики манипулятора геометрическим способом

В робототехнике, есть две основные задачи кинематики: прямая и обратная.

Прямая задача – это вычисление положения (Xp, Yp, Zp) рабочего органа манипулятора по его кинематической схеме и значениях обобщенных координат (q1, q2… qn), где n – число степеней свободы манипулятора, q – обобщенные координаты.

Обратная задача – это вычисление величин обобщенных координат (q1, q2… qn) по заданному положению (Xp, Yp, Zp) рабочего органа при известной схеме кинематики робота.

Таким образом, решение прямой задачи говорит о том, где будет находиться рабочий орган робота, при заданных углах его суставов, а обратная задача – как нужно «вывернуться» роботу, чтобы его рабочий орган оказался в заданном положении.

Прямую и обратную задачи кинематики робота будем решать геометрически, для этого изобразим кинематическую схему робота, обобщенные координаты его звеньев qn, их длины ln и привяжем к манипулятору систему координат X, Y, Z, обозначив координаты рабочего органа Xp, Yp, Zp.

1.6 Построение траектории движения схвата

t

g1

g2

g3

x

y

z

0

0

0

0

500

0

0

1

0,123

0,27

0,22

500,2188

1,073849

0,27

2

1,5

3,33

2,67

502,4977

13,15837

3,33

3

5,67

12,6

10,08

507,5844

50,39525

12,6

4

13,04

28,9

23,18

509,6886

118,0458

28,9

5

22,5

50

40

498,8949

206,6491

50

6

31,9

71,02

56,82

472,7244

294,245

71,02

7

39,32

87,39

69,92

440,901

361,1304

87,39

8

43,49

96,66

77,33

418,8497

397,3347

96,66

9

44,88

99,73

79,78

410,8241

409,1068

99,73

10

45

100

80

410,1219

410,1219

100

2. Динамическое исследование робота

Манипулятор представляет собой механизм с несколькими степенями свободы с голономными связями, потому воспользуемся уравнениями Лагранжа второго рода для составления уравнений движения.

Уравнения Лагранжа второго рода применительно к исследуемой манипуляционной системе примут вид [9]

(1)

Кинетическая энергия системы при неподвижном основании определится по формуле[9]:

T= T1+T2+ T3+ T4 (2)

где T1, T2, T3, T4 – кинетические энергии звеньев 1, 2, 3, 4 соответственно, совершающих движение.

Составим расчетную схему для построения динамической модели, с изображенными силами действия приводов, силами трения и обобщенными координатами.

Введем следующие массы конструктивных элементов:

Так как звено 1 совершает вращательное движение по оси Z, то получаем:

(3)

Звено 2 совершает поступательное движение в плоскости ZX, то получаем

(4)

Звено 3 совершает пространственное поступательное движение по осям X, Y, Z, то получаем:

(5)

И звено 4 совершает вращательное движение по оси X, то получаем

(6)

Подставляя результаты (3), (4), (5), (6) в (2), получаем

T=0.5 (J1+J2+J3+J4) q12+0,5 (J2+J3+J4) q22+0.5 (m3+m4) q32+0.5J4q42 (7)

Поочередно сообщая системе возможные приращения дq1, дq2, дq3, дq4 соответствующие обобщенным координатам q1, q2, q3, q4 определим по формуле (8) соответствующие обобщенные силы

[2] (8)

; (9)

;

Q2=

= (10)

;

Q3= (11)

;

Q4=

(12)

Где М1, М2, М4-момент силы привода, действующий на звенья 1,2,4; МТ1, МТ3, МТ4 момент сил трения, действующего на звенья 1,2,4. F3 – сила привода, действующего на звено 3; FТ3 – сила трения при движении по осям звена 3; G2, G3, G4, Gгр – силы тяжести, действующие соответственно на звено 2, 3, 4 и груз.

Определим частные производные от кинетической энергии по обобщенным координатам и обобщенным скоростям:

(13)

(14)

=(m3+m4 (15)

= (16)

=0 (17)

Подставляя полученные значения (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15), (16) в уравнения Лагранжа (1), получим

= М1-МT1

=

(m3+m4=

=

Если в задаче требуется найти движение системы, то интегрируют уравнения Лагранжа и определяют по начальным условиям произвольные постоянные интегрирования.

Если в задаче требуется определить неизвестные реакции, то после нахождения из уравнений Лагранжа следует применить принцип освобождаемости к соответствующим телам системы и воспользоваться основным уравнением динамики, либо принципом Даламбера, либо общим уравнением динамики.

3. Построение рабочей зоны мехатронного устройства

3.1 Рабочая зона мехатронного устройства

Рабочее пространство промышленного робота – пространство, в котором может находиться мехатронное устройство.

Рабочая зона мехатронного устройства – пространство, в котором может находиться рабочий орган (например, рука) при функционировании мехатронного устройства.

Рабочая зона ограничивается сложной поверхностью огибающая все возможные положения. Рабочая зона оценивается объёмом формы, которые определяют функциональные возможности манипулятора. Знание границ рабочей зоны необходимо для сравнительной оценки двигательных возможностей различных конечностей манипулятора.

Для выявления рабочей зоны необходимо:

1. Структурная компоновка схемы, то есть число, взаимно расположенных степеней подвижности.

2. Ограничение на перемещение по степеням подвижности.

3. Геометрические размеры звеньев кинематической цепи манипулятора.

3.2 Последовательность построения рабочей зоны исследуемого мехатронного устройства

Для построения рабочей зоны придадим перемещения по обобщенным координатам q1, q2, q3 от крайних минимальных до крайних максимальных значений.

Если обобщенным координатам q1 и q2 придать фиксированные границы и минимальное значение (q1=0°, q2=1098 мм) а обобщенную координату q3 изменять в пределах от минимального до максимального значений (от 18 мм до 780 мм), то мы получим границу A’B’.

Если обобщенным координатам q1 и q2 придать фиксированные границы и q1 придать максимальное (240°), а q2 минимальное значения (1098 мм), а обобщенную координату q3 изменять в пределах от максимального до минимального значений (от 18 мм до 780 мм), то мы получим границу AB.

Если обобщенным координатам q2 и q3 придать фиксированные границы и q2 минимальное значение (1098 мм), а q3 максимальное значение (780 мм) и обобщенную координату q1 изменять в пределах от минимального до максимального значений (от 0° до 270°), то мы получим границу BB’.

Если обобщенным координатам q2 и q3 придать фиксированные границы и q2 минимальное значение (1098 мм), а q3 минимальное значение (18 мм) и обобщенную координату q1 изменять в пределах от минимального до максимального значений (от 0° до 240°), то мы получим границу AA’.

Если обобщенным координатам q1 и q3 придать фиксированные границы и максимальные значения (q1=240°, q3=780 мм), а обобщенную координату q2 изменять в пределах от минимального до максимального значений (от 1098 мм до 1860 мм), то мы получим границу BD.

Если обобщенным координатам q1 и q3 придать фиксированные границы и q1 максимальное значение (240°) q3 минимальное значение (18 мм), а обобщенную координату q2 изменять в пределах от минимального до максимального значений (от 1098 мм до 1860 мм), то мы получим границу АС.

Если обобщенным координатам q1 и q3 придать фиксированные границы и минимальные значения (q1=0°, q3=18 мм), а обобщенную координату q2 изменять в пределах от минимального до максимального значений (от 1098 мм до 1860 мм), то мы получим границу А’С.

Если обобщенным координатам q1 и q3 придать фиксированные границы и q1 минимальное значение (0°), q3 максимальное значение (780 мм), а обобщенную координату q2 изменять в пределах от минимального до максимального значений, то мы получим границу B’D.

4. Разработка структурной схемы микропроцессорной системы управления

4.1 Состав структурной схемы микропроцессорной системы управления

Структурная схема системы управления роботом включает:

– Персональный компьютер системы управления верхнего уровня;

– Технологическое оборудование.

4.2 Описания робота, как объекта управления

Основные характеристики:

– масса, кг: 590;

– число степеней подвижности: 4;

– габаритные размеры 1800х690х1860

– скорости линейных перемещений звеньев системы, м/с: 0,6;

– скорости угловых перемещений звеньев системы, ?/с: 35;

– время разгона / торможения линейного перемещения, с: 0,3;

– время разгона / торможения углового перемещения, с: 0,3;

– полная масса 1 звена m1, кг: 340;

– полная масса 2 звена m2, кг: 140;

– полная масса 3 звена m3, кг: 80;

– полная масса 4 звена m4, кг: 60;

– грузоподъемность mг, кг: 50;

– напряжение питания трехфазное, В: ~380;

– рабочий диапазон температур,°С: 0-60;

– система управления: на базе рабочей станции;

– тип системы управления: контурная;

· Обобщённые координаты:

§ q1 – изменение положения первого звена, которое совершает вращательное движение вокруг оси Z (0°…135°),

§ q2 – изменение положения второго звена, которое совершает поступательное движение в цилиндрической системе координат (+1098 мм…+1860 мм),

§ q3 – изменение положения третьего звена, которое совершает поступательное движение (+50 мм…+780 мм),

§ q4- изменение положения четвертого звена, которое совершает вращательное движение вокруг совей оси (-120°…120°).

ФЭП: Encoder300 предназначен для контроля за перемещением, путем преобразования информации, поступающей от фотоэлектрических преобразователей серводвигателей, в цифровой код ЭВМ;

Конечные выключатели (SQ1 ц1+, SQ2 ц1-, SQ3 ц2+, SQ4 ц2-, SQ5 S+,

SQ6 S-, SQ7 ц3+, SQ8 ц3-): отвечают за предельные значения положения каждого звена манипулятора;

Датчики начала отсчета (SQ9 ц10, SQ10 ц20, SQ11 S0, SQ12 ц30):данные датчики определяют положение манипулятора в начальной системе отсчета;

Датчики рабочей зоны (SQ13 ц1р1, SQ14 ц1р2, SQ15 ц2р1, SQ16 ц2р2,

SQ17 Sр1, SQ18 Sр2, SQ19 ц3р1, SQ20 ц3р2): отвечают за значения каждого звена манипулятора;

Датчики схвата (SQ21, SQ22): определяют состояние схвата (зажим / разжим);

Датчик наличия детали в схвате SQ23;

Датчик давления в пневмосети SP1.

4.3 Назначение элементов системы управления

Используем промышленный компьютер «Корвет» фирмы TC-CKH с процессорной платой PCA-6184E2, предназначенную для управления производственными и технологическими процессами в масштабах производственного участка, цеха или завода, способную круглосуточно работать в условиях запыленности, больших перепадов температуры и влажности, вибрации.

Основные характеристики рабочей станции:

– Процессор: Intel Pentium 4 2.8GHz;

– Слоты расширения: 10xPCI, 2xISA;

– COM порты: 2xRS232;

– Чипсет: Intel 845E 400 MHz FSB;

– Оперативная память: 4 Gb SDRAM;

– Жесткий диск: ATA 80Gb;

– Видео: Ati Rage 128, AGP, 8 Mb SGRAM;

– LAN: 10/100 Base-T Ethernet;

– FDD, CD

– USB: 2xUSB 1.0

– уровень влажности – 5 ~ 85% RH @ 40° C,

– рабочая температура – 0 ~ 50° C,

– температура хранения -20 ~ 60° C.

4.4 Выбор периферийного оборудования

Выбор сервоприводов

На основе проектировочного расчета мощностей приводов были выбраны серводвигатели серии HF-Sp фирмы Mitsubishi Electric:

· 7000 Вт, HF-SP702B

· 5000 Вт, HF-SP502B

Для данных серводвигателей были подобраны сервоусилители серии MR-J3-700A и MR-J3-500A,

MR-J3-A – это универсальный сервоусилитель с аналоговыми входами, импульсным интерфейсом по умолчанию; предназначен для традиционных систем регулирования скорости, положения и вращающего момента. Диапазон мощностей составляет от 100 Вт (MR-J3-10A) до 7 кВт (MR-J3-700A).

Выбор модулей

Подключаемые модули выбираем с интерфейсом PCI и ISA, так как рабочая станция имеет шину PCI и ISA.

Encoder-300

ISA модуль трехкоординатного квадратурного шифратора используется для подключения Encoder300.

Encoder300 предназначен для контроля за перемещением, путем преобразования информации, поступающей от фотоэлектрических преобразователей серводвигателей, в цифровой код ЭВМ.

Таким данный модуль замыкает обратные связи по положению следящей системы приводов.

Серводвигатели имеют встроенный энкодер с разрешением 2048 имп/об и отдельно выведенными выходными сигналами A, B, Z. Данные выводы подключаются к модулю, и при подаче питания происходит определения положения вала двигателя.

Конструкция

· Конструкция: Адаптер ISA

Интерфейс

· Интерфейс: ISA

Количество контролируемых осей

· Координатных осей: 3

Импульсные входы шифратора

· Импульсных входов на координату: 3

· Входные сигналы: Фаза А, Фаза В, Метка (Z)

· Тип входов: Дифференциальный, КМОП

· Разрядность счетчика: 16 бит

· Максимальная входная частота: 1 МГц

· Режимы шифратора: Квадратурный, Больше / Меньше, Импульс / Направление

PCI-1710 фирмы Advantech

PCI модуль вывода управляющих сигналов

Модуль вывода дискретных управляющих сигналов предназначен для формирования дискретных сигналов типа «вкл./выкл.» на исполнительные устройства или управляющих сигналов для приводов.

Манипулятор имеет пневмоцилиндр для зажимаразжима схвата, который имеет два канала дискретного управления, а так же в стойки силовой автоматики находится контактор, управляющий напряжением в сети, он имеет один канал дискетного управления.

Поэтому выбранный модуль вполне подходит для управления данными устройствами.

Конструкция

· Конструкция: Адаптер PCI

Интерфейс

· Интерфейс: PCI

Дискретные входы

· Кол-во каналов: 8

· Входные характеристики:

§ Низкий: 0.8 В макс.

§ Высокий: 2.0 В мин.

Дискретные выходы

· Кол-во каналов: 16

· Выходные характеристики:

§ Низкий: 0.8 В макс. @ 8.0 мА

§ Высокий: 2.0 В мин. @ -0.4 мА

PCI-720 фирмы Advantech

ISA модуль ввода дискретных сигналов

Модуль вывода дискретных сигналов гальванически развязывает и согласует сигналы ЭВМ с сигналами, приходящими от различных датчиков технологического оборудования или приводов.

В нашей системе находится 19 датчиков, а также кнопка аварийного выключения.

Конструкция

· Конструкция: Адаптер ISA

Интерфейс

· Интерфейс: ISA

Дискретные входы

· Кол-во каналов: 32

· Гальваническая развязка: 2500 В

· Частота сигнала: до 10 кГц

· Работа по прерыванию

PCI-1721 фирмы Advantech

PCI модуль вывода аналоговых сигналов

Основные характеристики PCI-1721

· 4 канала, 12 разрядов

· Буфер FIFO на 1К отсчётов для каждого канала

· Диапазоны выходного сигнала PCI-1721: ±10, ±5, 0…10, 0…5 В

· Скорость выдачи данных PCI-1721: до 10 МГц

· 16 каналов цифрового ввода-вывода (TTL)

· Один 16-разрядный счётчик

· Автокалибровка PCI-1721

· Шина PCI-1721: PCI

PCI-1724 фирмы Advantech

PCI модуль вывода дискретных управляющих сигналов

Основные характеристики PCI-1724

· 32 канала, 14 разрядов

· Напряжение изоляции PCI-1724U: 1500 В

· Выходные сигналы PCI-1724U: ±10 В, 0…20 мА, 4…20 мА

· Время установления сигнала 60 мкс

· Режим синхронизации выходов PCI-1724U

· Функция сохранения значения выходного сигнала PCI-1724U при перезагрузке системы

PCI-1784 фирмы Advantech

PCI модуль измерительных преобразователей

Основные характеристики PCI-1784U

· 4 независимых канала для подключения энкодеров

· 32-разрядое разрешение для каждого канала

· Максимальная входная частота PCI-1784U: 2 МГц

· Цифровой фильтр 4-го порядка

· Режимы счета PCI-1784U: квадратурный, реверсивный, с заданием направления счета

· Напряжение изоляции PCI-1784U: 2500 В пост. тока

· 8-разрядный таймер

· 4 канала дискретного ввода и 4 канала дискретного вывода

· Шина PCI-1784U: Universal PCI

5. Расчет мощностей приводов

Приводы манипуляторов содержат силовые двигатели, передаточные механизмы к исполнительным звеньям, усилительно-преобразовательные устройства, воспринимающие сигналы системы управления и датчиков внешней и внутренней информации с целью формирования управляющих силовых воздействий, развивающих минимально необходимую мощность. Скорости перемещений конечного звена манипулятора при отработке отдельных степеней подвижности устанавливают в соответствии с требуемой производительностью.

В первом приближении пренебрежем силами трения и найдем из уравнений Лагранжа силы приводов F1, F2 и F3 [9]:

F1=(J1+J2+J3+J4)*q1

F2=(J2+J3+J4)*q2”+ G2+G3+G4+Gгр;

F3=(m3+m4)*q3” +G3+G4+Gгр

F4= J4*q4‘+ G4+Gгр

Максимальное ускорение будет происходить на участке: 0 – tp,

где tр – время разгона звена,

vp – скорость линейных перемещений звеньев;

wp – скорость угловых перемещений звеньев.

Соответственно прилагаемая сила привода будет максимальна, и мощность, расходуемая приводом тоже.

Рассчитаем ускорение, придаваемое звеньям 1 и 3 во время разгона [6]:

;

и ускорение, придаваемое звену 2 во время разгона [6]:

.

Приближенно рассчитаем мощность привода, пренебрегая типом привода, потерями мощностей в передачах и параметрами режима работы:

– для звена 2, 3, совершающего поступательное движение;

– для звена 1, и 4, совершающего вращательное движение [9],

где =1,2; =0,55.

Подставляя исходные данные в уравнение, получим:

P1=(J1+J2+J3+J4) q1”=() q1”=6140.8 Вт

P2=((J2+J3+J4)*q2”+G2+G3+G4+Gгр)== 4195.7 Вт

P3=((m3+m4+)=3994.22 Вт

P4=(J4*q4‘+G4+Gгр)=(()*q4)=3861.56 Вт

Исполнительные двигатели, с одной стороны, определяют энергетические, свойства робота, а с другой – его динамические свойства. Дело в том, что никакие корректирующие устройства не смогут обеспечить требуемые вращающие моменты, скорости и ускорения нагрузки, если они не обеспечены энергетикой двигателя.

Для электрических следящих приводов в качестве исполнительных двигателей наиболее распространены двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, управляемые от малогабаритных и малоинерционных тиристорных и транзисторных усилителей мощности.

Наиболее перспективны для роботов электродвигатели с печатным цилиндрическим и дисковым ротором и гладким ротором, которые имеют малый момент инерции и повышенную перегрузочную способность. Передача движения от двигателей к звеньям манипулятора обычно осуществляется с помощью различных редукторов.

По потребной мощности из каталогов выбирают близкий по мощности двигатель. При прочих равных условиях лучшим из двигателей данной мощности считается тот, у которого наибольший номинальный вращающий момент, минимальный момент инерции ротора, меньшие масса и габаритные размеры.

Для выбранного двигателя из каталога нужно выписать следующие данные: номинальную угловую скорость вращения ротора; номинальный вращающий момент.

Для роботов с электрическими приводами используют, как правило, двигатели малой и средней мощности до нескольких киловатт. Для таких двигателей иногда пренебрегают электромагнитными процессами в цепи якоря по сравнению с электромеханическими процессами, связанными с разгоном вала двигателя.

Заключение

В выполненной выпускной квалификационной работе был исследован робот с четырьмя кинетическими парами с микропроцессорной системой централизованного контурного управления. Устройство предназначено для выполнения вспомогательных операций в машиностроении и обладает следующими показателями назначения:

– габаритные размеры, мм 1800х690х1860

– масса, кг 590 кг

– число степеней подвижности 4

– скорости линейных перемещений системы, м/с 0,6

– скорости угловых перемещений системы, ?/с 35

– время разгона / торможения линейного перемещения, м/с 0,3

– время разгона / торможения углового перемещения, рад/с 0,25

– напряжение питания трехфазное ~380 В

– рабочий диапазон температур 0-70° С

– система управления на базе промышленной станции

– тип системы управления: контурная

– тип концевых выключателей: контактные

– ЖКИ-монитор.

Библиографический список

1. Хомченко В.Г., Соломин В.Ю. Мехатронные и робототехнические системы. учеб. пособие – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 160 с.

2. Хомченко В.Г., Соломин В.Ю. Исследование движений манипулятора промышленных роботов. метод. указания к практ. занятиям по дисциплине «Основы мехатроники» и УНИРС / ОмГТУ, 2007. 18 с.

3. Хомченко В.Г., Соломин В.Ю. Автоматизированное решение прямой задачи кинематики манипуляторов роботов на ПЭВМ: метод. указания к лаб.-практ. работам по учеб. дисциплине «Мехатронные и робототехнические системы» для специальностей 220301 и 220401 / ОмГТУ, 2007. 36 с.

4. Компанейц А.Н. Схемотехника систем управления. Методические указания для выполнения курсового проекта и СРС. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 52 с.

5. Компанейц А.Н. Микропроцессорные системы управления. Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 88 с.

6. Компанейц А.Н. Схемотехника средств автоматизации. Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 104 с.

7. Федотов А.В. Составление технического задания: Методические указания.-Омск: Изд-во ОмГТУ, 1999. – 24 с.

8. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. – М.: Машиностроение, 1983.

9. Мальцев В.Г. Динамический анализ манипуляторов промышленных роботов. – ОмГТУ, 1998. – 20 с.

10. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. – М.: Высшая школа, 1986.-416 с.

Поделиться статьёй
Поделиться в telegram
Поделиться в whatsapp
Поделиться в vk
Поделиться в facebook
Поделиться в twitter
Валерий Авдеев
Валерий Авдеев
Более 12 лет назад окончил КНИТУ факультет пищевых технологий, специальность «Технология продукции и организация общественного питания». По специальности работаю 10 лет, за это время написал 15 научных статей. Являюсь кандидатом наук. В свободное время подрабатываю в компании «Диплом777», занимаясь написанием курсовых и дипломных работ. Люблю помогать студентам и повышать их уровень осведомленности в своем предмете.

Ещё статьи

Нет времени делать работу? Закажите!
Вид работы
Тема
Email

Отправляя форму, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и обработкой ваших персональных данных.