Тарабарин В.Б. - Исследование и проектирование манипуляторов промышленных роботов

Московский государственный технический университетим. Н.Э. БауманаТарабарин В.Б.ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАНИПУЛЯТОРОВПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВКурсовое проектированиепо «Теории механизмов и механике машин»Учебное пособие(электронная версия)Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана2007ВведениеВ последние десятилетия прошлого века возникли новые мехатронныесистемы – промышленные роботы и манипуляторы. Промышленным роботом называется автоматическая перепрограммируемая машина, предназначенная для выполнения основных или вспомогательных технологическихопераций (или функций человека) в процессе промышленного производства.Эти устройства сочетают в себе электронные управляющие системы, приводы и исполнительные механизмы или манипуляторы. Манипулятором называют пространственный механизм, обычно с открытой кинематической цепью и одноподвижными кинематическими парами, предназначенный для выполнения функций руки человека в составе промышленного робота или самостоятельно.

В последнем случае мы имеем копирующий манипулятор,управляемый человеком – оператором. Проектирование и исследование манипуляторов рассматривается в различных учебных курсах: теории машин имеханизмов, детали машин, теория автоматического управления, мехатроника, а также ряде специальных дисциплин, изучающих роботы и манипуляторы различного функционального назначения (промышленные, космические,подводные и др.).В данном пособии рассматривается проектирование и исследованиеманипуляторов в рамках курсового проекта по ТММ. Курсовой проект выполняется студентами на третьем курсе и является заключительной стадиейизучения курса ТММ. Обычно это первый курсовой проект, выполняемыйстудентом в ВУЗе. Курсовой проект относится к самостоятельной работестудента, выполняемой под руководством преподавателя.

Темы курсовыхпроектов обычно согласуются со специальностью, по которой обучаются студенты. Так как последние годы все большее количество специальностей в тойили иной степени связаны с робототехникой, то и в курсе ТММ выполняютсяпроекты по данной тематике. Основные разделы курса ТММ: структурный,кинематический и динамический анализ и синтез типовых механизмов отражаются в комплексных курсовых проектах, посвященных проектированиюотдельных простых механизмов (рычажных, зубчатых и кулачковых) сложных машинных агрегатов. К таким агрегатам относятся и промышленные роботы, в состав которых входят пространственные рычажные механизмы манипуляторов, рычажные механизмы схватов, зубчатые механизмы приводов,кулачковые механизмы уравновешивающих устройств и систем обратнойсвязи.

Объем лекционного курса по ТММ в последние годы не увеличивается, хотя его содержательная часть расширяется. Вопросы проектированиямеханизмов роботов освещаются в нем недостаточно, поэтому при выполнении проекта необходимо использовать дополнительную специальную литературу. Цель данного пособия – дать краткие методические указания для выполнения курсовых проектов по тематике связанной с робототехникой.В пособии последовательно рассматриваются следующие задачи:• Общее содержание задания на проектирование, задачи курсового проекта, анализ исходной информации, определение недостающих исходныхданных.• Основные принципы структурного и метрического синтеза манипулятора.• Постановка и методы решения прямых и обратных задач кинематикиманипуляторов.• Динамика управления манипулятором.

Методы решения прямой и обратной задачи управления манипулятором. Кинетостатика манипуляторов.• Требования к оформлению графической и текстовой документации.Содержание листов проекта и пояснительной записки. ГОСТы в курсовомпроекте по ТММ.Существующие пособия по курсовому проектированию не учитывают современного уровня программного обеспечения САПР, в частности, такихпрограммных сред как AutoCAD, Компас, MathCAD и т.п.

В данном пособииавтор, в меру своих возможностей, ориентировался на использование этихпрограмм при выполнении проекта.1. Содержание и задачи курсового проекта.Необходимо различать два вида курсовых проектов по манипуляторам:ƒ Первый, в котором на первом листе исследуется движение по однойкоординате или одной подвижности. В этом случае решается типовая задачаопределения закона движения по этой координате под действием заданныхвнешних сил. Механизм рассматривается только в плоскости движения.

Вэтой плоскости проводится и силовой расчет механизма при выполнениивторого листа. Третий и четвертый листы проекта посвящены соответственнопроектированию зубчатых и кулачковых механизмов. В этих вариантах задания на проектирование задачи проектирования манипуляторов адаптированык содержанию существующего курса ТММ (ковочные манипуляторы - варианты 111,113,114; промышленный робот – вариант 115).ƒ Второй, в котором на первом листе решается прямая или обратная задача кинематики трехподвижного манипулятора с цилиндрической, сферической или ангулярной системой координат. При прямой задаче задаются законы движения в приводах манипулятора (относительные перемещения в кинематических парах) и определяется закон движения схвата в функции времени. В обратной задаче задается закон движения схвата манипулятора попростой траектории (прямая линия, с произвольной ориентацией в пространстве) и определяются законы изменения относительных координат звеньев вкинематических парах в функции времени (перемещения, скорости и ускорения).

На втором листе в этом варианте проекта определяются методом кинетостатики законы изменения управляющих силовых воздействий в приводах(сил или моментов) и реакции в кинематических парах. На третьем листепроектируются зубчатые передачи приводов (обычно зубчатая передачавнешнего зацепления и типовой планетарный механизм, реже проектируетсяволновая передача или кривошипно-планетарный редуктор с цевочным илициклоидальным зацеплением). Четвертый лист посвящается проектированиюкулачкового механизма уравновешивающего устройства или кулачковогомеханизма концевых выключателей системы обратной связи.

Эти проектывыполняются в течение ряда лет в рамках НИРС и пока не включены в сборники заданий. Опыт, полученный при выполнении этих заданий, показал целесообразность включения таких заданий в курсовое проектирование поТММ для специальностей связанных с робототехникой. Ниже приводятсяметодические указания к курсовому проекту, выполняемому по второму варианту.1.1.Содержание задания на курсовое проектирование.В текстовой части задания указывается функциональной назначениепромышленного робота, дается описание его основных частей и их функциональное назначение, приводятся структурные схемы, применяемых типовыхмеханизмов. Здесь же даются необходимые комментарии по определениюразмеров звеньев механизма, их масс и моментов инерции. В этой части даются указания для определения заданных законов движения приводов (прирешении прямой задачи) или схвата (при решении обратной задачи).

Обычноразгон и торможение осуществляется с постоянным ускорением (замедлением), а установившееся движение имеет постоянную скорость.В таблице исходных данных приводятся числовые значения размеровмеханизма или его зоны обслуживания (длины звеньев, предельные в шарнирах), массы и моменты инерции звеньев, передаточные отношения зубчатыхи планетарных механизмов, частоты двигателей, а также необходимые параметры кулачкового механизма (максимальный ход толкателя, фазовые углы,допустимый угол давления и др.). При недостаточности данных они выбираются из конструктивных соображений по анализу существующих моделейподобных роботов и согласуются с преподавателем. Рассмотрим вариант типового задания на примере робота со сферической системой координат.Задание №1pПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА1. Назначение, схема и принцип работы.Промышленный робот с трехподвижным манипулятором предназначендля выполнения основных и вспомогательных технологических операций впромышленности.

Он должен обеспечивать перемещение деталей и узлов позаданной траектории (например, прямой линии). Функциональная схема манипулятора приведена на рис.1. На рис. 2-4 даны структурные схемы манипулятора, привода поворота руки и кулачкового механизма.Ôóíêöèîíàëüíàÿ ñõåìà ìàíèïóëÿòîðàÄâèãàòåëü 3ÏëàíåòàðíûéðåäóêòîðÇóá÷àòàÿïåðåäà÷àÇâåíî 3Çâåíî 2Çóá÷àòàÿïåðåäà÷àÂîëíîâîéðåäóêòîðÄâèãàòåëü 2Äâèãàòåëü 1ÏëàíåòàðíûéðåäóêòîðÇóá÷àòàÿïåðåäà÷àÇâåíî 1Êóëà÷êîâûé ìåõàíèçìêîíöåâûõ âûêëþ÷àòåëåéРис.1а) Структурная схема манипулятора32B1b10Dj2bò.ÌC1ïDj2aA1ârM m inrM m axDf1bB1bò.ÌC1ïaDf1Рис.2Манипулятор состоит из руки, звенья 0-1-2-3 которой образуют простран-ственный механизм со сферической системой координат и схвата. Рука предназначена для изменения линейных координат схвата, схват - для захвата иÑòðóêòóðíàÿ ñõåìà ìåõàíèçìîâ ïðèâîäà ïîâîðîòà çâåíà 1.Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà êóëà÷êîâîãî ìåõàíèçìà.10Z5hZ6K117eZ35OA4Z1j7Z46j1DK2Z2Рис.3Рис.4удержания деталей.