3924

2

УДК 519.2: 519.6

Мещерякова, А.А. Материалы для мехатроники и робототехники

[Электронный ресурс]: методические указания к лабораторным работам для студентов по направлению подготовки 15.03.06 - Мехатроника и робототехника / А.А. Мещерякова – Воронеж. ФГБОУ ВО «ВГЛТУ», 2018.

– 19 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: д.т.н., профессор, зав. кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени Петра I» Афоничев Д.Н.

4

Введение

Цель изучения дисциплины – знакомство с основными понятиями мехатроники и робототехники, освоение принципов проектирования, конструирования и управления робототехническими системами, формирование современных представлений и навыков в области комплексной автоматизации производственных процессов различного назначения с применением современных гибких средств автоматизации - мехатронных устройств и промышленных роботов.

Проведение лабораторных занятий имеет целью:

–закрепить теоретические знания путем практической проверки основных законов и положений в лабораторных условиях;

–привить практические навыки в проведении простейшего эксперимента и анализа его результатов, в составлении отчетов по эксперименту;

–практически познакомить студентов с элементами механических конструкций, применяемых в мехатронике и робототехнике, дать навыки расчета параметров кинематических схем мехатронных систем, определения и анализа силовых параметров мехатронных модулей движения. Все это позволяет усилить практическую направленность обучения, смысл которой состоит в том, что прививаются практические навыки по работе с достаточно сложными элементами мехатроники и робототехники.

В результате освоения дисциплины студент будет:

–знать основные понятия мехатроники и робототехники, устройство роботов, конструирования и управления робототехническими системами, устройство и принцип действия промышленных роботов, манипуляторов, схватов ПР, отдельных модулей ПР, классификацию мехатронных модулей, роботов и манипуляторов, их основные технические характеристики;

–уметь конструировать манипуляторы и мобильных роботов, программировать манипуляторы и мобильных роботов;

–владеть на основании поставленной задачи произвести проектирование, создать конструкцию и осуществить программирование манипулятора или мобильного робота.

5

Лабораторная работа № 1 Исследование кинематической структуры пространственных

механизмов

Цель работы: выявление и определение технических показателей и основных кинематических характеристик предложенных конструкций механизмов.

Общие положения

Рассмотреть предложенные конструкции механизмов и выполнить их эскизные чертежи.

Представить предложенные механизмы в виде структурных и затем кинематических схем. Определить, плоским или пространственным является механизм и определить его число степеней свободы, а также обобщенные координаты. Указать, какие степени подвижности являются зависимыми от обобщенных координат. Определить к какому типу механизмов относится предложенная конструкция: замкнутый или незамкнутый, простой или сложной.

Разбить механизм на кинематические пары. Определить степени подвижности и класс выделенных кинематических пар и характер их относительного движения. Определить класс всего механизма.

Определить вид исполнительного привода обобщенных координат, типы исполнительных двигателей и устройств передачи энергии от двигателя к звеньям.

Экспериментально определить кинематические параметры обобщенных координат и зависимых от них степеней подвижности. Построить кинематические характеристики зависимых от обобщенных координат степеней подвижности.

Сделать выводы.

Указания к выполнению работы

При определении степеней подвижности для каждого из рассмотренных механизмов особо следует отметить, если получится, что число степей подвижности не соответствует числу обобщенных координат.

Для экспериментального определения кинематических переменных

параметров механизма №1 φ2 (φ1), φ3 (φ1), φ4 (φ1), НЕ (φ1), LЕ (φ1) в зависимости от обобщенной координаты φ1 следует рассмотреть

упрощенную кинематическую схему механизма (рис. 1).

Тогда параметры НЕ (φ1) и LЕ (φ1) определяются на основании непосредственных замеров, а параметры φ2 (φ1), φ3 (φ1), φ4 (φ1) могут быть определены расчетным путем по выражениям:

8

Рисунок 2 – Кинематические схемы мехатронных модулей движения

Для структур А и С считать прямой зависимостью функцию S = f (φ), а для структуры В - функцию φ = f (Lц).

Для структур А и С исследование следует проводить для диапазона изменения угла φ от 0 до 180° с шагом 1°; для структуры В - для диапазона изменения длины штока цилиндра Lц от L0 = 0,1 м до Lц = 0,8 м с шагом

0,005 м.

Контрольные вопросы

1.Что называется механизмом? В чем его отличие от жесткой конструкции (фермы)?

2.С чем связано, что для ряда предложенных конструкций число степеней подвижности превышает число обобщенных координат?

3.Какие дополнительные преимущества это дает механизму?

4.Какими реальными кинематическими парами представлены данные механизмы?

10

Исходной в этом случае является зависимость приведенного к валу ЭД момента сопротивления от угла поворота вала исполнительного механизма (нагрузки) Mc = f (φн), где φн - угол поворота вала исполнительного механизма.

При этом указанный приведенный момент для рычажных механизмов определяется одним из методов, изученных ранее, а в случае соединения вала нагрузки с валом ЭД через зубчатый редуктор с передаточным числом ip и имеющим общий КПД ηр, по формуле

(2)

где – момент сопротивления на валу нагрузки,

– соответственно передаточные отношения и КПД отдельных ступеней или передач редуктора.

Как правило, для механизмов, у которых нагрузочный момент зависит от угла поворота вала нагрузки, момент инерции, приведенный к валу двигателя, также является величиной переменной. В этом случае также рассчитывается приведенный к валу ЭД момент инерции механизма

Jn = f (φн).

В случае соединения вала ЭД с валом исполнительного механизма только через вращающиеся вокруг неподвижной оси массы расчет приведенного момента инерции может быть выполнен по формуле

(3)

где – моменты инерции ЭД, J1, J2,…, Jn – моменты инерции вращающихся масс (зубчатых колес) редуктора, Jн – момент инерции нагрузки.

В следящих системах мощностью до сотен ватт и выше применяют двигатели постоянного тока независимого возбуждения с регулированием угловой скорости по принципу ЭМУ-Д, Г-Д и УВ-Д. Особенность таких систем состоит в том, что момент инерции нагрузки, приведенный к валу двигателя, как правило, в несколько раз меньше, чем момент инерции якоря двигателя, а приведенный момент инерции редуктора составляет лишь 5-25 % от момента инерции якоря, т. е. при переходных процессах динамический момент двигателя затрачивается в основном на преодоление инерции самого двигателя. В этом случае упрощенно (или на предварительном этапе расчета) можно принять, что

(4)

где – 1,1 – 1,3 – коэффициент, учитывающий момент инерции нагрузки