Операции манипулирования и ориентирования специализированного строительного оборудования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Операции манипулирования и ориентирования специализированного строительного оборудования

Т.А.Суэтина, Е.В.Марсова, А.Д.Макаров

Описана система автоматического управления движением захватного устройства монтажного робота для каждого участка траектории в место позиционирования в соответствии с критерием минимума времени перемещения захватного устройства, что позволяет обеспечить требуемое качество динамических процессов в исполнительной системе робота.

Ключевые слова: автоматическое управление, кран-манипулятор, технологические операции, захватное устройство, оптимизация, траектория движения.

Manipulation Operations and Orientation by the

Construction Equipment. By T.A.Suetina, E.V.Marsova,

A.D.Makarov

Described automatic control system traffic robot gripper for each portion of the trajectory, in accordance with the criterion of the minimum travel time of the gripping device in the positioning location, which ensures the required quality of the dynamic processes in the executive of the robot system.

Keywords: automatic control, crane, manufacturing operations, the gripping device optimization, the trajectory

Введение

Успешное выполнение монтажных работ, их комплексной механизации и автоматизации связано с разработкой и внедрением методов принудительной установки и ориентирования монтируемых элементов в проектное положение, основанных на достижениях робототехники [2].

Любой строительный робот при выполнении той или иной технологической операции осуществляет перемещение детали или инструмента в соответствии с определённой траекторией. Обеспечение целенаправленного движения рабочего органа робота вдоль заданной траектории с определённой ориентацией и скоростью составляет основную цель управления исполнительными приводами робота. Для её осуществления необходимо задание пространственных траекторий и формирование законов управления, обеспечивающих движение грузозахватного устройства (схвата) или инструмента по этим траекториям [1; 3].

При проектировании траектории движения строительно-монтажных роботов следует для каждого её участка установить целесообразный тип траектории. Особенностью строительной робототехники является необходимость аналитического задания траекторий движения.

Любая сложная траектория может быть представлена в виде последовательности типовых элементарных участков, для которых в составе программного обеспечения роботов имеются типовые планирующие алгоритмы движения, что позволяет свести задачу к планированию типовых элементарных движений исполнительного механизма. Роботизация монтажных операций с помощью специализированных кранов-манипуляторов с программным и адаптивным управлением предусматривает транспортирование конструкции в зону установки и её ориентацию в проектном положении.

Движения строительно-монтажного робота можно разделить на глобальные и локальные. Локальные движения обеспечивают перемещение захватного устройства и его ориентацию в зоне обслуживания, а глобальные движения позволяют расширить зону обслуживания робота для перемещения грузозахватного устройства в зону ориентации. Анализ этих типов движений и их характеристик даёт возможность разделить задачу построения кинематических схем строительных роботов на составляющие, обеспечивающие перемещение грузозахватного устройства и его ориентацию.

J

Рис. 1. Траектории транспортирования конструкции в зону монтажа

Описание и постановка задачи

Перемещение грузозахватного устройства в зону ориентации может быть оптимизировано по максимуму быстродействия перехода системы из одного состояния в другое при ограниченной мощности. При этом сами затраты мощности будут минимальными.

Задача ориентации грузозахватного устройства требует иного подхода, который предполагает более точное пространственное фиксирование грузозахватного устройства с перемещаемой массой в месте её расстроповки и установки. Анализ технологии монтажа показал, что наиболее целесообразно использовать траектории движения, состоящие из двух или трёх прямоугольных участков (рис. 1).

Они обязательно включают вертикальный подъём детали на заданную высоту, её горизонтальное перемещение по прямой в точку позиционирования и вертикальное опускание детали в процессе установки, то есть траектория движения монтажного робота в общем случае может быть разделена на четыре участка, каждый из которых соответствует определённому виду операций: вертикальный подъём изделия (Р0^Р1); прямолинейное перемещение в заданную зону (Р1^Р2); горизонтальное перемещение в месту установки (Р2^Р3); ориентирование и установка изделия в проектное положение (Р3^-Р4). Составляющие участки траектории обычно прямолинейны. Таким образом, движение захватного устройства монтажного робота может быть оптимизировано для каждого участка траектории, причём критерием является минимальное время перемещения захватного устройства в место позиционирования.

Метод решения

Управление движением захватного устройства по участкам производится с помощью трёхфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, описываемого уравнениями:

(1)

<н

где Мд МС - соответственно движущий момент и момент сопротивления; 3 - момент инерции; dф/dt = т - угловая скорость двигателя.

Требуется перевести захватное устройство из положения Ф = 0, ю = ю0 = 0 при ( = 0 в положение ф = фп, за минимальное время при заданном ограничении величины напряжения, приложенного к двигателю, то есть при:

Определим алгоритм управления и рассчитаем моменты переключения.

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя выражается следующей зависимостью:

2

Мд =

2 . 2 s + si

(3)

В уравнение (3) управляющее воздействие, напряжение на двигателе явно не входят. Однако условие (2) соответствует ограничению критического момента М:

Введя переменную, определяемую направлением вращения двигателях = ±1, из уравнений (1), (5) получим:

М ка{\-хО)

, dQ

(4)

где а = 25а- ; Ъ - ; !□ = со / а>к .

Из принципа максимума следует, что для осуществления оптимального управления необходимо, чтобы Мк = Мкн на протяжении всего процесса управления, а параметрх менял знак не более одного раза. Алгоритм управления качественно определён, поэтому необходимо найти время переключения чередования фаз и время снятия управляющего воздействия. Перепишем уравнение (4):

(5)

Обозначим через Т и введём безразмерное время ■ = Уу , тогда уравнение (5) будет иметь вид:

(6)

Разделив переменные в уравнении (6) и проинтегрировав его для х = 1 (при этом 0 < т < т1, п0 < п < п1), получим: I

ар

(7)

где а - начальная скорость ю

2 1-П,

= 0, а - максимальная ско-

i ' i

конечная скорость

рость в конце интервала разгона; п2

ю = 0.

кон

Поскольку п0 = п; п2 = 0, остаётся определить п1. Так как = ю = п, а t = тТ, то

dr —

d<p П(»,

И J

(8)

С учётом последнего выражения уравнение (6) можно представить в виде:

с/О _ ух о( I - д"0) dip

(9)

Разделяя переменные и интегрируя, получим выражения для угла поворота ф в интервале разгона 0 < ф < ф1, когдах = +1, и в интервале торможения ф1 < ф < ф2, когдах = -1:

1 г о," -О:0

v>, = —

ay

<PI~<P\ = — ay

-6(fl, -Q0)-61n

1-Ц,

1+a2

(10)

]. (li)

2 3 * 1 + Q,

Из уравнений (10) и (11) найдём ^„учитывая, чтоп = а, = 0

il;

1

где s = (а> - а>)/а> - скольжение двигателя.

(% = — + — In, ,

ay ау \ — £2[

т I гДе У ~

_ Мкл.

Ja>n

(12)

3 2016

117

Приведём уравнение (12) к виду, удобному для графического решения, тогда получим:

<р,ау = b ■ In

1

1-Ц-

(13)

Решение уравнения 13 для ^ получаем графическим построением его левой и правой частей из пересечения двух кривых (рис. 2).

Подставляя значение ^ в уравнение (7) и учитывая, что п0 = 0, определяем т1, т2.

Определим истинное время /1 и /2 из соотношения t = тТ.

Вычисляем координаты переключения ю1 = ю0п1 и из (10) в момент времени /1.

/ А.Ф. Тихонов, С.С. Базин // Механизация строительства. -2009. - №2. - С.36-39.

3. Базин, С.С. Система автоматизированного управления электроприводом грузоподъемных кранов / С.С. Базин, Я.В. Захаров, В.И. Марсов; Сб. науч. тр. «Интерстроймех-009». -М.: МГСУ, 2009. - С. 8-50.

Literatura

1. Libenko A.V. Struktury i parametry manipulyacionnyh sistem v stroitel'stve / A.V. Libenko, S.S. Bazin, D.A. Efremov // Innovacionnye tehnoLogii v promyshlennosti, stroitel'stve i obrazovanii: sb. nauch. tr. - M.: MADI (GTU), 2007. - S. 137-142.

2. Tihonov A.F. Sistema avtomatizirovannogo upravleniya ispolnitel'nymi mehanizmami stroitel'nyh manipulyatorov / A.F. Tihonov, S.S. Bazin // Mehanizaciya stroitel'stva. - 2009. - №2. - S.36-39.

3. Bazin S.S. Sistema avtomatizirovannogo upravleniya elektroprivodom gruzopod"emnyh kranov / S.S. Bazin, YA.V. Zaharov, V.I. Marsov; Sb. nauch. tr. «Interstrojmeh-009». - M.: MGSU, 2009. - S. 8-50.

Рис. 2. Графическое решение трансцендентных уравнений

Результаты и выводы

Таким образом, решение поставленной задачи внедрения системы автоматического управления кранами-манипуляторами позволяет обеспечить требуемое качество динамических процессов в исполнительной системе робота, осуществлять контроль ряда технологических операций и процессов, управлять подачей грузов по заданной траектории движения, поддерживать оптимальные динамические режимы работы крана в зависимости от массы поднимаемого груза. Кроме того, при использовании алгоритмов адаптации повышается динамическая точность отработки траекторий движения и позиционирования объектов. Это особенно важно для строительных манипуляторов, предназначенных для выполнения монтажных операций.

Литература

1. Либенко, А.В. Структуры и параметры манипуляцион-ных систем в строительстве / А.В. Либенко, С.С. Базин, Д.А. Ефремов // Инновационные технологии в промышленности, строительстве и образовании: сб. науч. тр. - М.: МАДИ (ГТУ), 2007. - С. 137-142.

2. Тихонов,А.Ф. Система автоматизированного управления исполнительными механизмами строительных манипуляторов