CC BY
42
НАДЕЖНОСТЬ МАШИН
УДК 621.865
Р.Н. Абуталипов, А.В. Кочетков, В.И. Ермолаев РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОГРАММИРОВАНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ
Приводятся результаты анализа компоновок технологических роботов и манипуляторов поверхностной обработки на примере установки для плазменных напылений, а также методы определения координатной сетки программирования перемещения контрольных точек манипулятора и ориентирующей степени свободы.
R.N. Abutalipov, А^. Kochetkov, V.I Jermolaev THE PRINCIPS OF A DESIGN & PROJECT DEVELOPMENT AND PROGRAMMING OF SURFACIAL ROBO-TECHNICAL COMPLEX PROSESSING
We’ve got here analysis results of a certain technological processes and manipulators of surface treatments on the example of a device for plasma dust coating and determination methods of coordinating net of programming of the controlling points of the manipulator and orienting degree of freedom.
Для анализа погрешностей роботов для поверхностной обработки автором предложены основные схемные и конструктивные решения манипуляторов, представленные на рис. 1.
В качестве основных принимаются схемы 1П 2Пу , 1П 2Пу 3Вх, 1Вх 2Вх 3Вх, 1Вх 2Пу 3Вх, где П и В - приводы поступательных и вращательных движений, х, у, z - горизонтальные и вертикальная оси системы координат установки плазменного напыления. Авторы предлагают, что задача комплексирования может быть поставлена и решена путем введения инклинометра (прибора измерения отклонения от горизонтали) на ориентирующую степень свободы. В этом случае погрешности отработки угловых перемещений звеньев ангулярного манипулятора будут частично компенсированы за счет информации с выхода инклинометра в реальном времени. Это может быть достигнуто либо путем усреднения угловой информации о положении оси рабочего органа, либо путем замены суммарной информации с датчиков поворота звеньев на информацию с выхода инклинометра. При этом управление положением точки качания рабочего органа выделяется в самостоятельный контур. Регулирование угловой ориентацией оси рабочего органа будет происходить с учетом координаты точки качания в реальном времени и информации с выхода инклинометра.
д
Рис. 1. Компоновки манипуляторов роботов для поверхностной обработки
Вместе с тем с учетом проведенного анализа эллипсоидов рассеивания погрешностей робота для ангулярной компоновки и вывода о пропорциональном увеличении в зависимости от длины звена рекомендуется использовать слабозависящую от изменения эллипсоидов рассеивания прямоугольную компоновку манипулятора робота.
Другие схемные решения не прошли предварительного анализа по причинам сложности и проблемности встраивания в ограничения рабочей зоны, обусловленных электромагнитным излучением и конструктивными размерами установки, необходимостью встраивания дополнительного средства измерения. Ранее по результатам исследований было получено, что размеры рабочей зоны для перемещений манипулятора робота ограничены размерами 400x500x1000 мм. Также одним из условий реализации процесса поверхностной обработки является возможность обеспечения кинематического замыкания между скоростями углового перемещения рабочего органа в обобщенной системе координат заготовки и скоростью вращения заготовки.
Определим необходимость введения дополнительной третьей степени свободы для ориентации рабочего органа по нормали к поверхности заготовки для обеспечения физики процесса поверхностной обработки.
При контурном управлении типичной является задача определения законов изменения обобщенных координат для заданной траектории перемещения рабочего органа. Задание тра-
ектории характерно для кругообразных движений, когда рабочим органом является сопло плазмотрона или краскораспылитель. Во всех случаях важна ориентация рабочего органа. Его ось должна быть перпендикулярна касательной плоскости к участку обрабатываемой поверхности. Во всех случаях траектории задаются не для условно выбранного центра рабочего органа, а для вполне определенной точки, связанной с рабочим органом. Например, центр рабочего органа и указанная специально выбранная точка могут перемещаться по разным окружностям по конусу. В принципе ось рабочего органа может совершать более сложные движения.
Формы задания законов изменения координат центра рабочего органа и углов ориентации могут быть различными. Наиболее удобна параметрическая форма, когда координаты и углы задаются в виде функции параметра s, изменяющегося в определенных пределах
Х=Х^) , У = , г = Цр) ,
йх= Оф) , йу = йу(з) , О = йг(8) , 5 = 8«) .
Однако, если в устройствах управления используются современные средства вычислительной техники, могут быть использованы другие способы задания. Например, может быть записана система уравнений, численно решая которую, можно получить значения координат и углов. Так определяются траектории известного вида (прямые, окружности, параболы различных степеней), проходящие через заданные точки. Такой способ называется аналитическим. Требуется, чтобы основание робота и технологическое оборудование были точно привязаны к одной и той же системе координат. Это относится и к обрабатываемой детали.
Способ программирования, при котором рабочий или оператор вручную ведет рабочий орган по той траектории, по которой считает нужным, а дискретные точки запоминаются в памяти устройства управления с тем, чтобы при автоматической работе повторять движения по траекториям, проходящим через запомненные точки, относится к программируемым способам обучения. Этот способ может оказаться либо единственно возможным, либо наиболее удобным. В промежутках между точками, запомненными в устройстве управления, осуществляется интерполяция - приближенное представление участков траектории прямыми или дугами окружностей.
При изготовлении мелкосерийных и единичных изделий методом плазменного напыления во многих случаях отсутствуют справочные данные о параметрах технологического процесса, часто нет возможности в проведении полных экспериментальных исследований. Эффективность и качество обработки зависят от опыта рабочего.
Чтобы обеспечить высокое качество изготовляемых деталей, роботы для плазменных напылений должны иметь достаточно сложные кинематические схемы манипуляторов с оптимальными параметрами, расширенные возможности устройств числового программного управления, развитое программное обеспечение. Они должны быть переналаживаемыми, приспособленными к особенностям мелкосерийного производства.
Один из подходов к обоснованному выбору схем и компоновок манипуляторов, выполняющих требуемые технологией движения, основан на аналогии с движениями руки человека. При технической реализации указанные аналогии могут быть распространены на системы и способы контроля и управления. Они должны обладать свойствами гибкости и слабой чувствительности к различным влияющим факторам и параметрам различной природы. Робот представляется как единое целое, как автоматическая машина определенного функционального назначения и с определенными техническими характеристиками, с реализацией модульного принципа построения и обеспечением аналитического программирования системы управления робота.
С учетом проведенного анализа и разделения задачи движения контрольной точки по требуемой траектории и задачи ориентации оси рабочего органа по нормали к поверхности заготовки необходимо переходить к такой системе координат, чтобы каждая координата соответствовала выделенной самостоятельной задаче. Это позволяет реализовать идеи автоно-
мизации управления - функционального разделения каналов управления. Г еометрически это связано с выбором специальных систем координат (рис. 2).
Каждая из линий первого семейства строится как совокупность нормалей контура заготовки. Каждая из линий второго семейства строится как совокупность равноотстоящих от контура заготовки и друг от друга изолиний. Формируемая координатная сетка является параметрической по координатам угла и перемещения относительно расчетной траектории. Ее характеристики позволяют формировать управляющую программу в соответствии с кинематикой рабочего органа.
Рис. 2. Построение координатной сетки для заготовки с радиусом Я
При использовании координатной сетки имеется две возможности формирования управляющей программы при координатном управлении.
1. В абсолютных значениях (ф, 11, 12) угла наклона нормали и координат приводов двух звеньев, реализующих требуемые перемещения контрольной точки качания рабочего органа.
2. В приращениях указанных перемещений.
Указанный подход позволяет сформировать требуемые системные свойства роботов для поверхностной обработки: приспособляемость к новым условиям применения и изменения рабочего органа и технологии обработки, слабая зависимость от влияния возмущающих факторов и параметров различной природы, хорошая наблюдаемость (высокая степень достоверности информации о входных, функциональных и выходных параметрах, управляемость (в том числе в режимах обучения, отслеживания, воспроизведения, при выборе способов управления и коррекции).
Авторами предложены следующие принципы отбора компоновочных решений манипуляторов роботов для поверхностной обработки: однорукая компоновка манипулятора робота, совмещенная с механизмом вращения заготовки, разделения между механизмами манипулятора функций движения точки качания рабочего органа и функции его ориентирования, многофункциональности, слабой зависимости схемы и компоновки манипулятора по
отношению к задаваемым диапазонам изменения параметров заготовок, многофункциональности и приспособляемости к новым условиям применения, независимости контуров управления рук робота, возможность аналитического программирования по результатам измерения первой заготовки.
По смыслу задачи управления формообразованием относятся к задачам терминального управления, поскольку в конечном итоге важно знать конечное состояние детали. Поэтому программы управления принципиально не могут быть выбраны однозначно, при этом нужно удовлетворять большому числу ограничений, учитывать возможности реальных регуляторов и приводов исполнительных устройств, возможности измерения различных параметров состояния. При построении алгоритмов управления учитывают, что параметры технологического процесса задаются в системах координат заготовок, а непосредственно управляемыми являются другие величины (обобщенные координаты для приводов). При аналитическом программировании необходимо преобразование координат от параметров заготовки к осям элементов исполнительных механизмов.
В качестве основного принимается координатное управление роботом. Использованная совокупность методических метрологических и программных решений позволяет осуществить очувствление робота для поверхностной обработки, вывести человека из основного контура управления, оставить ему функции принятия обобщающих решений.
Общий анализ проблематики, вызванной особенностями технологии плазменного напыления или аналогичных технологических процессов, анализ конструкторско-технологических ограничений, обусловленных влиянием пространственного распределения электромагнитного излучения, определил, что наиболее близким техническим решением, удовлетворяющим указанным ограничениям, является компоновка технологического робота в прямоугольной системе координат вида 1Пг 2Пу 3Вх. Достоинством компоновки является возможность сохранения угла наклона ориентирующей степени свободы при ориентации рабочего органа относительно систем координат робота и установки плазменного напыления (заготовки).
Использование вращательных степеней свободы вызвало серьезные трудности в обеспечении управляемости роботом при отслеживании требуемой траектории движении и, особенно, ориентации рабочего органа. Помимо этого недостатком ангулярной компоновки является пропорциональность увеличения эллипсоида рассеяния погрешности при увеличении размеров звеньев. Несколько проще становится решение задач статики и динамики.
В практике отечественного и зарубежного машиностроения широко известен класс технологических машин для измерительных операций - координатно-измерительных машин. Известны, например, КИМ типа «Поли» (Италия), отечественная ДКМ-902 (НИТИ, г. Саратов) и другие. Целый класс координатно-измерительных машин имеют расширенные функциональные возможности и могут, например, производить поверхностную механическую обработку, в частности фрезеровать сканированные изображения на предметах различной формы.
Авторами предлагается концепция представления робота технологического комплекса для поверхностной обработки как функционального аналога координатно-измерительной машины. В качестве рабочего органа предлагается использовать измерительные головки касания. В рамках концепции имеется возможность использования нулевых головок отклонения и головок касания с собственной системой координат.
Предлагается использовать типовые режимы привязки средства измерения к координатам технологического комплекса, а именно, к оси вращения заготовки. На следующем этапе имеется возможность определить координаты поверхности обрабатываемой заготовки путем контактного сканирования поверхности заготовки и вычисления ее размеров в контрольных сечениях. Данная измерительная процедура может проводиться как в ручном, так и в автоматическом режимах. В качестве дополнительного режима предлагается ввести метод
испытания технологического робота на основе привязки к контрольному объекту заданной, например сферической или цилиндрической формы.
С учетом предлагаемой концепции способ привязки робота технологического комплекса для поверхностной обработки заключается в том, что в схват робота устанавливают измерительную головку таким образом, чтобы ось головки совпадала бы с осью схвата и осью рабочего органа, далее осуществляют привязку измерительной головки с координатами робота путем перемещения приводов робота в назначаемые крайние положения, далее производят привязку к системе координат технологического комплекса, совпадающей с системой координат вращающейся обрабатываемой заготовки, при этом привязку осуществляют путем перемещения щупа измерительной головки до касания с вращающейся деталью и медленного перемещения щупа от заготовки, в момент прекращения контакта с заготовкой регистрируют координату заготовки в системе координат робота, после чего повторяют процедуру с обратной стороны вращающейся заготовки. По среднему значению между измеренными координатами прекращения контакта определяют координату оси вращения заготовки в проекции перемещения робота. Далее в сканирующем режиме производят последовательное медленное ощупывание поверхности вращающейся заготовки с запоминанием координат контактов.
Путем расчета определяют верхнюю и нижнюю точки заготовки и определяют параметры формул пересчета от координат детали к координатам робота (рис. 3).
I. - высота заготовки А - нвшмалшьй допустимый рвиюр эаптошм
ф - угол наклона нормали к имтурузалноод
Р{-ф| - радиус, кр* ей аяы
Р([£| - угравм№й V
звдэвэемыйтчщюло'ией перэметр расстояния по норчели от .контура детали до рвСтаго органа ( о есть
форсумт)
т - угол яакпэнз рабодого органа н горизонтали ■ выям рабочего органа (регулируемый вручную)
Ё(х,у) - -раялприп ячвния зешош Б МИДДиНЭгм х м \
ор«ва
КИ0(ЩИИ*1Ы
ОДОВвШЙ НйрШрртЭД Снс^еие юСЮДОУ’нвт уклонов™ (М1ШЧВВД;
\ - щме р товд
Рис. 3. Схема расчета перемещений рабочего органа робота для поверхностной обработки
Определяют обобщенную систему координат в виде совокупности сетки нормалей к контуру заготовки и сетки кривых, точки каждой из которой равноудалены от поверхности контура заготовки.
При задании кривой второго порядка общее уравнение второй степени относительно декартовых прямоугольных координат х и у имеет вид
А11Х2 + 2 А12ХУ + А22У2 + 2А13Х + 2А23У + А33 = 0 .
Тогда уравнение нормали в точке (Х1, У1) имеет вид
(Х - Х1) / (А11Х1+ А12У1 +А13) = (У - У1) / (А21Х1 + А22У1+ 2А23)
и параметры А11, А12, А22, А13, А23, А33 могут быть найдены численными методами с помощью стандартных программ математического обеспечения персональных компьютеров.
Абуталипов Ренат Надельшаевич -
аспирант кафедры «Конструирование и компьютерное
моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовского государственного технического университета
Кочетков Андрей Викторович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовского государственного технического университета
Ермолаев Вячеслав Иванович -
кандидат технических наук, ассистент кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовского государственного технического университета
