CC BY
169
УДК 621.01
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
Т.А. Акименко, Т.Р.Кузнецова
Представлена классификация промышленных роботов, показано, что создание промышленного робота - сложная инженерная задача, определены основные этапы конструирования роботов.
Ключевые слова: промышленные роботы, манипулятор, зона обслуживания, кинематическая схема, точность позиционирования, система управления.
Промышленные роботы (ПР) используют для осуществления функций управления, перемещения и движения в различных производственных процессах, могут работать без участия человека, используют в автоматизированных производственных системах, позволяют увеличить производительность труда. Промышленные роботы условно можно поделить на три категории:
- автоматические устройства: программные, управляются автоматически, широко применяются на предприятиях для совершения простых действий; адаптивные, которые имеют сенсоры, ряд сопутствующих программ, проводят анализ окружающей обстановки, может принимать решение, как ему действовать дальше; обучаемые, способны учиться, выполняют действия согласно предыдущему обучению; интеллектуальные, имеют зачатки искусственного интеллекта, при помощи сенсорных датчиков могут без участия человека воспринимать окружающую среду, в которой ориентируются и принимают решения о последующих действиях;
- биотехнические устройства: командные, которые дистанционно управляются оператором; копирующие, которые производят копирование действия, совершаемые оператором в заданный момент времени; полуавтоматические, где оператор задает перемещение органа манипулятора, при этом система управления устройства сама согласует все необходимые движения и при необходимости выполнит их корректировку;
- интерактивных промышленные роботы: автоматизированные, в которых чередуются режимы автоматического управленческого процесса с биотехническими; супервизорные, которые выполняют работу автоматически по заданному циклу, однако перемещение от одного этапа к следующему осуществляется по командам оператора; диалоговые, которые могут взаимодействовать с оператором, применяя язык определенного уровня.
Создание промышленного робота - сложная инженерная и научная задача, связанная с необходимостью выбора его структуры, определения и оптимизации основных параметров, механических и динамических характеристик, а также сопряжения робота с технологическим оборудованием по размерам и кинематике, по грузоподъемности, точности и информационным связям.
Разработке новой модели промышленного робота обычно предшествует большая работа по изучению производства, в котором предстоит использование робота. На основе этого изучения определяется типовая номенклатура объектов манипулирования, видов технологического оборудования, с которым должен работать промышленного робота, и формируется система технических требований, предъявляемых к нему со стороны автоматизируемых производств.
Прежде всего, на основе анализа рабочих движений устанавливается зона обслуживания промышленного робота и требования к кинематике его руки и кисти; определяется общая конструктивно-компоновочная схема промышленного робота: число, вид и последовательность степеней подвижности руки и кисти; выбирается система координат, в которой должен работать робот.
В зависимости от массы объектов манипулирования, его габаритов, необходимой точности выполнения операций определяются требования к грузоподъемности и точности промышленного робота.
На точность позиционирования существенное влияние оказывает назначение промышленного робота, например, допустимая погрешность позиционирования робота для сборки на порядок меньше этого показателя окрасочного робота.
Кроме того, грузоподъемность и точность в свою очередь определяют тип привода: для небольшой до 10 кг грузоподъемности и точности используется пневмопривод; для значительной - до 400 кг - гидропривод; при высокой точности позиционирования - следящий электропривод.
Требуемые по технологическому процессу траектория и скорость перемещения руки робота определяют не только динамические характеристики, но и тип системы управления, например для шовной сварки или окраски пространственных конструкций требуется контурная система управления (СУ), а для точечной сварки или сборки - позиционная.
Конструктивные особенности промышленного робота и вид его исполнения зависят от параметров среды, в которой должен функционировать робот (температура, запыленность, уровень пожаро-и взрывоопасно-сти и т. д.).
Технологические факторы производства связаны между собой и зависят друг от друга, например, характеристики приспособлений зависят от характеристик технологического оборудования. Также взаимосвязаны и технические характеристики роботов, например, размеры и кинематическая структура руки влияют на динамические характеристики манипулятора, от которых, в свою очередь, зависит погрешность позиционирования.
Назначение промышленного робота определяется характером роботизируемого техпроцесса, видом и конструктивно-технологическими параметрами оборудования, характеристикой операций, выполняемых роботом, и содержанием манипуляционных действий.
При проектировании ПР определяется система исходных данных, в которой содержатся сведения о предлагаемой области применения и технические требования к конструкции.
Система исходных данных должна содержать: назначение ПР, которое определяется характером роботизируемого техпроцесса, видом и конструктивно-технологическими параметрами оборудования, характеристикой операций, выполняемых роботом, и содержанием манипуляцион-ных действий, на основе этого задаются следующие конструктивно-компоновочные исходные данные: количество, вид и взаимное расположение степеней подвижности; способ установки манипулятора (напольный, подвижной, портального типа или встроенный); форма, размеры и расположение рабочей зоны и рабочего пространства; количество и диапазоны регулирования точек позиционирования по каждой степени подвижности; сведения об объекте манипулирования, его масса, размеры и форма, возможные изменения его физико-химических свойств в ходе техпроцесса. На основе этого задаются силовые характеристики ПР, такие как грузоподъемность и возможные технологические усилия; показатели требуемой производительности, в том числе длительность рабочих циклов, на основе которых задаются скорости перемещения, максимального ускорения при разгоне и торможении; показатели технологического процесса, к которым относятся точность позиционирования, количество и расположение роботизируемых позиций, способы подачи и удаления объекта манипулирования; сведения об условиях эксплуатации, это прежде всего температура, влажность, наличие пыли, газа, агрессивных или радиоактивных веществ, вибраций, ударов и т. д.; сведения о системе управления, состоящие из типа СУ, числа, вида и характеристик каналов связи ПР с внешним оборудованием, количества программ и команд в программе.
Таким образом, при проектировании ПР необходимо иметь большое количество исходных данных. Обычно в техническом задании на проектирование отражаются наиболее важные из них, такие как:
т - грузоподъемность или масса переносимого груза, кг.;
Я - максимальный радиус действия, м.;
(р1 и - пределы перемещения груза по координатам, рад. и м.;
щ и VI - скорости перемещения груза по координатам, рад/с и м/с;
Л - допустимая погрешность позиционирования, мм.
На первом этапе проектирования выбирается общая компоновка манипулятора, устанавливается последовательность расположения степеней подвижности. Затем, исходя из требуемого количества точек позиционирования, точности, быстродействия, грузоподъемности и особенностей эксплуатации выбирается тип привода, его размещение на манипуляторе и вид системы управления. Привод и СУ определяют скорости и ускорения перемещений по степеням подвижности. Далее проводится силовой расчет манипулятора и поочередное конструирование каждой подвижности.
Основные этапы конструирования ПР
На основе исходных данных составляется техническое задание на проектирование ПР. Затем формируются варианты технических предложений, на базе которых создаются эскизный и технические проекты, оформляется рабочая документация (см. рисунок).
Этапы конструирования промышленного робота.
Техническое задание (ТЗ) состоит из этапов:
- предпроектная научно-исследовательская работа;
- технико-экономическое обоснование;
- формирование выходного документа - ТЗ.
ТЗ должно содержать:
- цели создания объекта проектирования (назначение);
- функции, выполняемые объектом;
- критерии качества;
- технические характеристики (требования) проектируемого объекта;
- специальные требования заказчика.
Этап ТЗ обязателен. ТЗ является основным юридическим документом, регулирующим отношения заказчика и разработчика. ТЗ составляется разработчиком и утверждается заказчиком.
Техническое предложение. На этом этапе строятся принципиально возможные способы выполнения ТЗ и выбирается ряд проектных решений, наиболее предпочтительных с точки зрения выбранных критериев, и решается вопрос о целесообразности дальнейшей разработки остальных вариантов.
Эскизный проект должен содержать конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе действия ПР, а также информацию о назначении, основных параметрах и габаритных размерах. Он включает в себя:
- структурную схему, определяющую основные функциональные части (механизмы, приводы, измерители-преобразователи и т. д.), их назначение и взаимосвязь;
- функциональные схемы, поясняющие принцип действия отдельных кинематических связей, гидро-пневматических приводов, систем управления и др.;
- чертежи общего вида с габаритными размерами;
- перечень комплектующих изделий;
- пояснительную записку, содержащую техническое описание, предварительные расчеты компоновки, кинематики приводов, программы (алгоритмы) СУ и др.;
- карты оценки технического уровня предложенных вариантов.
Технический проект должен содержать окончательные технические
решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого ПР, и включать в себя:
- принципиальные, кинематические, электрические, гидропневматические схемы;
- чертежи общего вида и отдельных сборочных единиц;
- технические условия на изделие и его составные части;
- кинематические, прочностные, динамические и точностные расчеты всей конструкции и ее отдельных узлов и деталей;
- программные средства обеспечения СУ и др. документы, необходимые для рабочего проектирования.
Большое значение для выбора принципиальных решений и оптимизации параметров при эскизном и техническом проектировании имеет математическое и физическое моделирование всей конструкции ПР в целом, а также отдельных его узлов. Как правило, технический проект завершается созданием опытного образца ПР.
Рабочая документация на ПР состоит из сборочных чертежей всех модулей подвижностей, спецификаций, чертежей деталей, позволяющих изготовить и провести сборку манипулятора. Кроме того в нее входит техническое описание конструкции и эксплуатационные документы.
Список литературы
1. Егоров О.Д. Конструирование механизмов роботов. Учебник. М.: Абрис, 2012. 444 с.
2. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение: учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 2006. 256 с.
3. Юревич Е.И. Основы робототехники: учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 401 с.
4. Джонс Дж. К. Методы проектирования: пер.с англ. / Дж. К. Джонс; под ред. В.Ф.Венды, В. М. Мунипова. 2-е изд., доп. М.: Мир, 1986. 326 с.
5. Colestock H. Industrial robotics: Selection // Design and Maintenance. N.Y.: McGraw-Hill/TAB Electronics. 2006. 205 p.
6. Chen I-M., Yang G., and Huat S. Automatic Modeling for Modular Reconfigurable Robotic System: Theory and Practice. / YeoIndustrial Robotics: Theory // Modelling and Control. Ed. by S. Cubero. IntechOpen 2006. P. 43 - 82.
37
Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, tctntan72amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Кузнецова Татьяна Рудольфовна, канд. техн. наук, доцент, rudik64amail.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет
DESIGN FEATURES INDUSTRIAL ROBOTS T.A. Akimenko, T.R. Kuznetsova
The classification of industrial robots is presented, it is shown that the creation of an industrial robot is a difficult engineering task, the main stages of the construction of robots are determined.
Key words: industrial robots, manipulator, service area, kinematic scheme, positioning accuracy, control system.
Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical sciences, docent, tantan 72a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kusnetzowa Tatjana Rudolfowna, candidate of technical sciences, docent, rudik64a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University.
УДК 681.5(075.8)
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛА В СИСТЕМАХ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ РОБОТОВ
Д.А. Звонарев, Т.Р. Кузнецова
Исследованы погрешности параметров информационно-измерительной системы технического зрения роботов. Определены статические зависимости этапов преобразования. Дана методика расчета точности оценки выходной величины нелинейного блока.
Ключевые слова: информационно-измерительная система, вектор парамет-ровоптико-электронный преобразователь, погрешность параметров.
В робототехнике техническим аналогом зрительного канала восприятия являются информационно-измерительные системы на базе оптико-электронных преобразователей, они же системы технического зрения, они же видеосистемы и т.п. Несмотря на то, что зрительный канал обладает наибольшей информативностью, в технике, в частности, в системах очувствления роботов, техническое зрение используется явно недостаточно.
Основной погрешностью информационно-измерительной системы является максимальная разность между значением выходной величины, определенной для номинального значения вектора параметров уном и величиной, соответствующей истинному значению вектора параметров,
38
