ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ АНИМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО МОДУЛЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Машиностроение и машиноведение

DOI 10.25987/VSTU.2020.16.4.018 УДК 621.01

ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ АНИМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО МОДУЛЯ

О.И. Попова1, Г.С. Абдуллаев2, Г.Э. Оруджева2, Н.М. Сулейманова2, Р.А. Юсифов2,

М.И. Попова1, А.В. Демидов1

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Сумгаитский государственный университет, г. Сумгаит, Азербайджан

Аннотация: на основе анализа алгоритмических и программных средств создания графической информации для анимации механических частей промышленных роботов в автоматизированном производственном модуле определены цель и основные вопросы статьи. Для обеспечения производительности и эффективности технологических операций промышленного робота в робототехническом модуле были даны кинематическая схема размещения основных активных элементов и траектория движения руки промышленного робота. Методом Симпсона определена зона перемещения руки промышленного робота по эллипсоидной траектории. При использовании выражения для определения длины траектории движения промышленного робота установлены скорость и время, затраченное на технологическую операцию разгрузки автоматизированной транспортной системы. На этапе программного обеспечения создания анимации активных элементов робототехнического модуля реализуется разработанная математическая модель по определению длины траектории перемещения промышленного робота, координаты, скорости, а также минимального времени, затраченного на перемещение захвата промышленного робота, на основе которого осуществляются компьютерные эксперименты с исходными данными с помощью программного пакета на базе Delphi

Ключевые слова: анимация, промышленный робот, робототехнический модуль, кинематика, программа

Введение

Процесс автоматизированного проектирования стандартных элементов робототехниче-ских комплексов, особенно на этапе эскизного проектирования из-за сложности конструкционных форм промышленных роботов, характеризуется вопросами математического моделирования основных кинематических, динамических и конструкционных параметров, конструкторского представления сборочных и отдельных чертежей промышленных роботов в двух-, трехмерных плоскостях, а также их анимационного моделирования. Рассмотренные ранее алгоритмы создания эскизного проекта с обработкой и управлением большого объема графической информации для анимации механических частей промышленного робота, технологического оборудования и других технических единиц [1, 2] в недостаточной степени обеспечивают решение точной компоновки их позиций, моделирования процесса управления робототехнического комплекса.

Постановка задачи

Целью данной работы является разработка программного обеспечения для реализации трехмерного динамического представления промышленного робота (ПР) с контурной точностью его перемещения по траектории для обслуживания технологического оборудования и транспортера. Реализация поставленной цели осуществляется за счет решения задачи поэтапного создания алгоритмического и программного обеспечения анимации активных элементов робототехнического комплекса.

Результаты работы

На этапе математического обеспечения для анимации робототехнического модуля требуются решения вопросов по определению позиций ПР, технологического оборудования и транспортера, а также определения траектории движения ПР с учетом условий безопасности позиционирования и перемещения его руки. В этой связи, в 3-мерной координатной системе представляются позиции каждого элемента робототехнического модуля (РТМ) и дается чертеж траектории движения руки с захватным устройством ПР (рис. 1).

© Попова О.И., Абдуллаев Г.С., Оруджева Г.Э., Сулейманова Н.М., Юсифов Р.А., Попова М.И., Демидов А.В., 2020

Как видно из рис. 1 между ПР и другими активными элементами (транспортер и технологическим оборудование) в РТМ обеспечиваются безопасные расстояния 4 ~ 1.2 м -между ПР и транспортером; 1тп ~ 1.5 м - между ПР и технологическим оборудованием.

Рис. 1. Кинематическая схема размещения активных элементов РТМ и траектория движения ПР

Длина пути движения руки ПР по траектории эллипса (рис. 1), которая получена на основе экспериментальных исходных параметров захвата руки промышленного робота (исходное положение захвата ПР соответственно по осям Y и 2: Y=0.7 м., 2=0.2 м.), можно определить по формуле [3]:

l = (у о " У )j V1 " c 2 cos 2 p dp

0

л/су0

(1)

где c =

~ У1 )2 ~ (z1 ~ zо )2 (y о - У1 )

< 1.

р - фокальный параметр эллипса - отрезок, который выходит из фокуса эллипса и перпендикулярный большой полуоси:

Интеграл (1) вычисляется приближенным методом Симпсона. Время, затраченное на траекторию с учетом результирующей скорости

IV

V

/(у о - У 1 )4 (z - z о )2

(z о - z 1 )4 (у - у о )2

+ 1

и (l) записывается в виде:

п

(У о - У1 ^ л/1 - c

2 2 cos

p dp

t =

(2)

1(У о - У 1 )4 (z - z о )2

V

+ 1

о " 21 )4 (У " У о )2 Из позиции М1 (О,Y1, Z1) рука промышленного робота, вращаясь на 900, переходит в точку М 2 (X1, 0,11) координатной системы

XOZ. Тогда уравнение перемещения точки M1 (0,Y1, Z1) записывается в виде:

х = x' cos a1 + У cos a2 + z cos a3

У = x' cosP1 + У cosP2 + z' cosP3 (3)

z = x' cos y1 + У cos y2 + z' cos y3 где х, у, z и x , У, z' — координаты точки М соответственно в старой и новой (вращательной) системах координат.

Чтобы выразить х, у, z через x , У, z' введена вспомогательная система координата xiOyi, начало которой находится в начале О, а направления осей совпадает с направлениями старых осей.

а1,а2,а3, Р1, (32, /З3,у1,у2,у3 - углы между неподвижными и вращательными единичными векторами. Эти углы имеют следующие значения:

i' j' k

n о n

i 2 2

j n n 2 n 2

k n 2 n 2 о

где г, k - единичные векторы неподвижной системы; /', у' , k' - единичные векторы вращательной системы.

После подстановки значений углов, координаты х, у, 2 будут иметь вид:

(4)

Длина дуги, которую описывает рука ПР при вращении из точки М1 (0, у1, ), определяется в виде:

, П П —- /гч

11 = 2 У1 = 2 Г0 ^ Ф10 ^ ф20 , (5)

X = У' ; У = -x' ; z = z'

где

Z1

Шф2о = — . У1

Время, затраченное на путь вращательного движения вокруг оси 1, определяется в виде:

11 _ЛГоШ5р wtg ф 2о 11 =7Г~ =

(6)

V

2V

где Ух - вращательная скорость руки ПР, которая выбирается из справочника.

z

После вращательного движения вокруг оси 2 из точки М 2 (х1, О, ^ ), рука ПР перемещается по траектории эллипса в точку М 3 (х 2, О, z 0). Проделанный путь 12 в координатной системе (х , О , 2 ) соответствует пути в координатной системе (о , У , 2 ), т.е. I = 12. Соответственно время 12, затраченное на путь 12, также будет соответствовать t, т.е. 12 = t .

Общее время, затраченное на путь из точки М (О, у 0, z0 ) до точки М 4 (х2,0, z0), будет:

tб = 2t + t1 . (7) С учетом (2) и (6):

локальные и глобальные. Точка эквидистанты располагается внутри локальной петли, в том случае, если в соответствующей ей точке обрабатываемой кривой радиус кривизны меньше величины смещения эквидистантой линии [4]. Возможный случай возникновения локальной петли изображен на рис. 2.

С(0

^ = -

2 __

2(.У0 " )Н1 " с 2 0 2 РФ

_0_

V ¡(у0 ~ У' )4 (г ~ 20 )2 I 1 1 (20 - 2 )4 (У - У0 )2

пг„ ° ф tgф20 2V'

Для точного расчета траектории С(^) перемещения ПР при виртуальном моделировании используется функция построения кривой в форме эквидистанты Cа(t). При определении геометрической формы эквидистантной кривой на ней могут образовываться петли (точки излома на рис. 2). Существует два типа петель:

Рис. 2. Образование локальной петли

На рис. 3 показана процессная модель формирования фрагментов рабочих ходов ПР. На вход блока поступает геометрическая модель траектории движения руки с захватным устройством ПР. Остальные исходные данные, необходимые для расчета, определяются пользователем в интерактивном режиме работы с системой.

Рис. 3. Процессная модель расчета траектории ПР

134

Таким образом, полученный результат позволяет определить, что время, затраченное на путь траектории эллипса, меньше на 20^25%, чем суммарно затраченное время на прямолинейное перемещение руки ПР по ломанной линии [5]. Соответственно в предложенной траектории ПР затрачивается меньше времени на один цикл движения руки ПР и повышается при этом производительность ро-бототехнического модуля.

На этапе программного обеспечения создания анимации активных элементов робото-технического модуля реализуются разработанные выше математические модели по определению их обобщенных координат, скорости, а также минимального времени, затраченного на перемещение захвата промышленного робота, экспериментируя исходными данными с помощью программного пакета, автоматизируется процесс выбора требуемой траектории [6].

На данном этапе на основе выбранного алгоритма перемещения руки промышленного робота на базе программной системы Delphi разрабатывается программный пакет анимации промышленного робота, обслуживающий АТС и технологическое оборудование. Программно-анимационное представление активных элементов гибкого производственного модуля предусматривает последовательное перемещение детали по АТС, захват детали захватным устройством промышленного робота, перемещение руки ПР одновременно по поступательным и вращательным направлениям. При одновременном получении движения руки ПР линейного и углового перемещения его захват в пространстве перемещается по траектории эллипса.

В программно-анимационном пакете применяются блоки управления и ввода параметров движения ПР. В блоке управления, задавая координаты и время перемещения захвата руки ПР по установленной траектории, можно обеспечить автоматизированное управление анимационного движения руки ПР в робото-техническом модуле.

В блоке ввода параметров движения ПР используются разделы обучения перемещения руки ПР; сцена захвата детали и перемещения руки ПР; масштаб анимационного представления технологических операций ПР; направляющие блоки для перемещения детали и ПР. С помощью блока обучения, задавая перемещения детали и руки ПР, в памяти сохраняются текущие анимационные ситуации технологических операций. Фрагменты анимационного

представления захвата ПР заготовки из автоматической транспортной системы и перемещения его по эллипсоидной траектории показаны на рис. 4.

\/ Robot HB Ell

Управления

^ ш ■п

| W** | 1

/■' Robot BEI В

Управления

Рис. 4. Фрагменты анимации робототехнического модуля

Заключение

В соответствии с компоновкой активных элементов робототехнического модуля определена эллипсоидная траектория перемещения руки ПР с показателями ее скорости и времени движения.

Разработано программное обеспечение для анимационного представления перемещения руки ПР в робототехническом модуле.

Литература

1. Чуприн А.И. AutoCAD 2002. Трехмерное проектирование. Лекции и упражнения. М.: Dia Soft, 2003, 235 с.

2. eM-Workplace, Solidworks среда цифрового 3D-моделирования роботизированных ячеек. [Электронный-ресурс]. - Режимдоступа: http://www.solidworks.ru

3. Мамедов Дж.Ф. Математическая модель выбора компоновки оборудования гибкого производственного модуля. Изв. АНА. Серия физико-техн. мат. наук. Т. XX. № 2. 2004. С. 263-265.

4. Формирование траектории перемещения режущего инструмента в САМ-системе при автоматизированном проектировании фрезерной обработки сложнопро-фильной детали / Попова О.И., Демидов А.В., Попова М.И., Чумарный В.П., Грошев А.В. // Вестник Воронеж-

ского государственного технического университета. Т. 16. № 1. 2020. С. 132-138.

5. Макаров И.М. Моделирование робототехниче-ских систем и гибких автоматизированных производств. М.: Робототехника и гибкие автоматизированные производства, Высшая школа, 2006. Т. 5. 175 с.

6. Артамонов Е.И. Этапы и тенденции развития программного обеспечения систем автоматизированного проектирования // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта. САВ/САМ/РБМ-2001: материалы конференции и выставки. М.: ИПУ РАН, 2001. С. 259-260.

Поступила 01.07.2020; принята к публикации 21.08.2020

Информация об авторах

Попова Ольга Ивановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: olga 10 [email protected]

Абдуллаев Гурбан Садых оглу - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой метрологии и стандартизации, Сумгаит-ский государственный университет (5008, Азербайджан, г. Сумгаит, 43-й квартал, 1-й корпус), e-mail: [email protected] Оруджева Гюльшан Эльшад гызы - ассистент кафедры информационных технологий и программирования, Сумгаитский государственный университет (5008, Азербайджан, г. Сумгаит, 43-й квартал, 1-й корпус), e-mail: [email protected] Сулейманова Набат Мурсал гызы - канд. техн. наук, доцент кафедры гражданской обороны, медицинской и физической подготовки, Сумгаитский государственный университет (5008, Азербайджан, г. Сумгаит, 43-й квартал, 1-й корпус), e-mail: abdullayev. [email protected]

Юсифов Рамин Аслан оглу - докторант кафедры электромеханики, Сумгаитский государственный университет (5008, Азербайджан, г. Сумгаит, 43-й квартал, 1-й корпус), e-mail: [email protected]

Попова Маргарита Ивановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]

Демидов Алексей Владимирович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]

STAGES OF DEVELOPMENT OF ANIMATION SUPPORT OF ROBOTIC MODULE

O.I. Popova1, G.S. Abdullaev2, G.E. Orudzheva2, N.M. Suleymanova2, R.A. Yusifov2, M.I. Popova1,

A.V. Demidov1

1Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Sumgait State University, Sumgait, Azerbaijan

Abstract: based on the analysis of algorithmic and software tools for creating graphical information for animating the mechanical parts of industrial robots in an automated production module, the purpose and main issues of the article are determined. To ensure the productivity and efficiency of technological operations of an industrial robot in a robotic module, a kinematic layout of the main active elements and the trajectory of the arm of an industrial robot were given. The Simpson method determines the zone of movement of the industrial robot arm along an ellipsoidal path. Using the expression to determine the length of the trajectory of the industrial robot, the speed and time spent on the technological operation of unloading an automated transport system are determined. At the stage of the software for creating animations of the active elements of the robotic module, the above developed mathematical model is implemented to determine the length of the trajectory of the industrial robot, coordinate, speed, and the minimum time spent moving the capture of the industrial robot, on the basis of which computer experiments are carried out with the initial data using software package based on Delphi

Key words: animation, industrial robot, robotic module, kinematics, program

References

1. Chuprin A.I. "AutoCAD 2002. Three-dimensional design. Lectures and exercises" ("AutoCAD 2002. Trekhmernoe proek-tirovanie. Lektsii i uprazhneniya"), Moscow, Dia Soft, 2003, 235 p.

2. "eM-Workplace", environment for digital 3D-modeling of robotic, available at: http://www.solidworks.ru

3. Mamedov J.F. "Mathematical model for the selection of equipment layout of a flexible production module", Izv. ANA. Series of Physical and Technical. Mat. Sciences (Izv. ANA. Seriya fiziko-tekhn. mat. nauk.), Baku, 2004, vol. XX, No. 2, pp. 263-265.

4. Popova O.I., Demidov A.V., Popova M.I., Chumarnyy V.P., Groshev A.V. "The formation of the path of movement of the cutting tool in the CAM system with the automated design of milling processing of a complex part", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2020, vol. 16, no. 1, pp. 132-138.

5. Makarov I.M. "Modeling of robotic systems and flexible automated production" ("Modelirovanie robototekhnicheskikh sis-tem i gibkikh avtomatizirovannykh proizvodstv"), Moscow, Robotics and Flexible Automated Production, Vysshaya shkola, 2006, vol. 5.

6. Artamonov E.I. "Stages and development trends of software for computer-aided design systems", Proc. of the Conference and Exhibition "Design Systems, Technological Preparation of Production and Management of the Stages of the Life Cycle of an Industrial Product. CAD / CAM / PDM-2001" (Sistemy proektirovaniya, tekhnologicheskoy podgotovki proizvodstva i upravleniya etapami zhiznennogo tsikla promyshlennogo produkta. CAD/CAM/PDM-2001: materialy konferentsii i vystavki), Moscow, IPU RAN, 2001, pp. 259-260.

Submitted 01.07.2020; revised 21.08.2020 Information about the authors

Ol'ga I Popova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]

Gurban S. oglu Abdullaev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Head of the Department of Metrology and Standardization, Sumgait State University (1st building of SSU, 43rd quarter, Sumgait, Az 5008, Azerbaijan), e-mail: [email protected] Gulshan E. gizi Orudzheva, Assistant, Sumgait State University (1st building of SSU, 43rd quarter, Sumgait, Az 5008, Azerbaijan), e-mail: [email protected]

Nabat M. gizi Suleymanova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Sumgait State University (1st building of SSU, 43rd quarter, Sumgait, Az 5008, Azerbaijan), e-mail: [email protected]

Ramin A. oglu Yusifov, Doctoral student, Sumgait State University (1st building of SSU, 43rd quarter, Sumgait, Az 5008, Azerbaijan), e-mail: [email protected]

Margarita I. Popova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]

Aleksey V. Demidov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]