Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Промышленные роботы Ч. 2 учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
75
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
3.86 Mб
Скачать

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Е.В. Поезжаева

ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ

Часть 2

Допущено УМО вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия по курсу «Теория механизмов и машин» для студентов машиностроительных специальностей высших учебных заведений

Издательство Пермского государственного технического университета

2009

ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МЕХАНИКА МАШИН

Серия основана в 2006 году профессором Е. В. Поезжаевой

книга 6

Рецензенты:

Кафедра робототехники Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Кафедра теории механизмов и машин Московского государственного технологического университета «СТАНКИН»

Кафедра робототехники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Издательство Пермского государственного технического университета

2009

УДК 621.01 П45

Рецензенты: профессор А.С. Ющенко

(Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана); профессор Н.А. Шевелёв

(Пермский государственный технический университет)

Поезжаева, Е.В.

П45 Промышленные роботы: учеб. пособие: в 3 ч. / Е.В. Поезжаева. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – Ч. 2. – 185 с.

ISBN 978-5-398-00190-7

Рассмотрены вопросы теории манипуляционных роботов и методы управления ими. Приведены основные кинематические соотношения, позволяющие определять положение манипуляционного механизма робота в рабочем пространстве, а также решать задачи о скоростях и ускорениях движения его звеньев. Описаны способы и алгоритмы кинематического управления манипуляторами. Приведены основные сведения о динамике манипуляционных механизмов, математические модели движения и методика их анализа. Рассмотрены методы динамического управления, позволяющие организовывать движение манипулятора с учетом сил и моментов, реально действующих на него в процессе работы, и практические методы расчета исполнительной системы робота. Представлены методы уравновешивания и определения точности срабатывания манипулятора.

Предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Робототехника и манипуляторы» и курс «Теория механизмов и механика систем машин».

УДК 621.01

ISBN 978-5-398-00190-7

© ГОУ ВПО

 

«Пермский государственный

 

технический университет», 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................

7

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТАХ...................................................

9

2. ВИДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ...........................................................................................

14

2.1. КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ......................................................................................

14

2.2. РОБОТЫ ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ РАЗЛИЧНОГО

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ..........................................................................................................

16

2.2.1. Роботы, выполняющие подъемно-транспортные и складские работы ...............................

16

2.2.2. Роботы, выполняющие обработку деталей и заготовок.......................................................

23

2.3. РОБОТЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ...........................................................................

36

2.4. РОБОТЫ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И В ГОРНЫХ

 

РАБОТАХ.....................................................................................................................................................

39

3. ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА.................................

44

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВЕ ПР .............................................................................................

44

3.2. КОНСТРУКЦИИ УЗЛОВ И АГРЕГАТОВ ПР............................................................................................

46

3.2.1. Приводы манипуляторов.........................................................................................................

52

3.2.2. Направляющие исполнительных устройств..........................................................................

61

3.2.3. Захватные устройства манипуляторов...................................................................................

62

3.2.4. Системы управления промышленными роботами................................................................

65

3.2.5. Устройства передвижения роботов........................................................................................

68

3.2.6. ПринципагрегатногоконструированияПР.................................................................................

70

3.3. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РТК..............................................................................................................

71

3.4. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТАМИ............................................................................

73

3.4.1. Дистанционные системы управления.....................................................................................

73

3.4.2. Автоматические и полуавтоматические системы управления.............................................

75

3.5. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯЦИОННЫМИ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ.....................

78

3.5.1. Анализ существующих методов управления ПР...................................................................

78

3.5.2. Анализ существующих методов компенсации нелинейностей и развязки

 

взаимодействий в ПР .........................................................................................................................

80

3.5.3. Пример разработки алгоритма управления ПР .....................................................................

82

4. МАНИПУЛЯТОРЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ................................................................

90

4.1. СТРУКТУРА МАНИПУЛЯТОРА ...........................................................................................................

90

4.2. ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ МАНИПУЛЯТОРА .................................................

100

4.3. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МАНИПУЛЯТОРА......................................................................................

101

4.4. СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ МЕХАНИЗМА МАНИПУЛЯТОРА...................................................................

106

4.5. КИНЕМАТИКА МЕХАНИЗМА МАНИПУЛЯТОРА .................................................................................

108

4.5.1. Методы решения задач кинематики......................................................................................

108

4.5.2. Решение задач кинематики методом преобразования координат ......................................

110

4.5.3. Решение задач кинематики векторным методом .................................................................

117

4.6. ДИНАМИКА МАНИПУЛЯТОРА ...........................................................................................................

120

4.6.1. Методы построения динамической модели манипулятора.................................................

120

4.6.2. Пример построения динамической модели переходных процессов манипулятора ........

129

4.7. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА..............................................................

141

4.7.1. Математическая модель кинематики ПР ..............................................................................

142

4.7.2. Математическая модель динамики ПР типа PUMA-560 в форме уравнения

 

Лагранжа – Эйлера............................................................................................................................

143

5

4.7.3. Линеаризация математической модели динамики промышленного робота

 

типа PUMA-560 .................................................................................................................................

144

4.7.4. Синтез алгоритмов управления промышленным роботом типа PUMA-560

 

минимальной конфигурации............................................................................................................

149

4.7.5. Экспериментальная проверка работоспособности синтезированных алгоритмов

 

управления на ПЭВМ........................................................................................................................

155

4.7.6. Разработка алгоритмов управления на основе робастных систем......................................

156

5. УРАВНОВЕШИВАНИЕ МАНИПУЛЯТОРОВ...............................................................................

157

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧНОСТИ СРАБАТЫВАНИЯ МАНИПУЛЯТОРА...................................

159

6.1. СЕНСОРНЫЕ УСТРОЙСТВА РОБОТОВ ................................................................................................

159

6.2. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМАДЛЯОПРЕДЕЛЕНИЯПАРАМЕТРОВКАЛИБРОВКИ

 

МАНИПУЛЯТОРОВ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ........................................................

161

6.2.1. Математическая модель УПР......................................................................................................

161

6.2.2. Погрешности повторяемости и позиционирования..................................................................

164

6.2.3. Измерительный контроль параметров калибровки манипулятора..........................................

167

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................................................................

176

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АЛГОРИТМЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ РОБОТИЗИРОВАННЫХ

 

СИСТЕМ ....................................................................................................................................................

177

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТАМИ..................................................

180

6

ВВЕДЕНИЕ

Промышленная робототехника является одним из новых направлений автоматизации производственных процессов, начало развития которого в нашей стране относится к последнему десятилетию. Комплексный подход к решению технико-экономических и социальных задач, связанный с внедрением промышленных роботов (ПР) в производство, позволил улучшить культуру технологического процесса. В ходе создания, производства и внедрения ПР приходилось сталкиваться с решением ряда сложных научно-технических проблем. Получен большой опыт по разработке робототехнических комплексов (РТК) и организации автоматизированного производства на базе ПР. Все эти вопросы, получившие отражение в предлагаемой книге, представляют значительный интерес как для широкого круга специалистов, конструкторов и производственников различных отраслей, которые заняты в настоящее время работой по увеличению производства и широкому применению ПР во всех отраслях народного хозяйства, так и для всех специалистов, работающих в области автоматизации производственных процессов.

Современный этап научно-технической революции характеризуется комплексной автоматизацией производства на базе систем машин-автоматов. До недавних пор в основном применяли специализированные автоматы и автоматические линии, незаменимые в массовом производстве, но нерентабельные в условиях серийного и мелкосерийного производства из-за высокой стоимости, а также длительности разработки, внедрения и переналадки их для выпуска новой продукции. Традиционное управляемое вручную оборудование обеспечивает достаточную гибкость производства, но требует применения квалифицированного труда рабочих и имеет низкую производительность.

За последние десятилетия автоматизация основных технологических операций (формообразование и изменение физических свойств деталей) достигла такого уровня, что вспомогательные операции, связанные с транспортировкой и складированием деталей, разгрузкой и загрузкой технологического оборудования, выполняемых вручную либо с помощью существующих средств механизации и автоматизации, являются тормозом как в повышении производительности труда, так и в дальнейшем совершенствовании технологии. Обычными методами с помощью существующих технических средств невозможно автоматизировать сборочные, сварочные, окрасочные и многие другие операции. Все это

7

привело к острым противоречиям между совершенством промышленной техники и характером труда при ее использовании, потребностью в трудовых ресурсах и их фактическим наличием, требованиями интенсификации производственных процессов и ограниченными психофизиологическими возможностями человека.

Эти причины социального, экономического и технического характера, ставшие основными сдерживающими факторами в развитии производства и дальнейшем повышении производительности труда, а также современные достижения в создании орудий производства, вычислительной техники и электроники привели к бурному развитию робототехники – отрасли, производящей новую разновидность автоматических машин – промышленные роботы. По замыслу разработчиков, эти машины предназначены для замены человека на опасных для здоровья, физически тяжелых и утомительно однообразных ручных работах. Свое название они получили благодаря реализованной в них идее моделирования двигательных, управляющих и, в некоторой степени, приспособительных функций рабочих, выполняющих повторяющиеся трудовые операции по разгрузке-загрузке технологического оборудования, управлению работой этого оборудования, межоперационному перемещению и складированию деталей, а также сборочные, сварочные, окрасочные и другие операции, производимые с применением переносных орудий труда.

Промышленные роботы (ПР) оказались тем недостающим звеном, появление которого позволило решать задачи комплексной автоматизации на более высоком уровне, объединяя средства производства предприятия в единый автоматизированный комплекс.

8

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТАХ

Промышленный робот – автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением, предназначенная для замены человека при выполнении основных и вспомогательных операций в производственных процессах.

Манипулятор – совокупность пространственного рычажного механизма

исистемы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека.

Ближайшими по назначению прототипами для ПР послужили автооператоры и механические руки, уже давно применяющиеся в промышленности, но не удовлетворяющие производственников по причинам их узкой специализации, плохой переналаживаемости, небольшого числа выполняемых функций

иограниченной (массовым и крупносерийным производством) области применения. Недостатки, присущие этим прототипам, в конструкциях ПР были в значительной степени устранены посредством увеличения их манипуляционных возможностей, снабжения собственной системой привода и системой программного управления. Благодаря этому созданные устройства приобрели качественно новые свойства: автономность (невстроенность в технологическое оборудование) и способность работать автоматически по заданной программе; универсальность, т.е. способность перемещать в пространстве объекты различного типа по сложным пространственным траекториям; сопрягаемость с достаточно большим количеством типов технологического оборудования и хорошую перенастраиваемость на различные сменяющие друг друга виды работ.

Внастоящее время под роботом понимают автоматический манипулятор с программным управлением. В зависимости от участия человека в процессах управления роботами их подразделяют на биотехнические и автономные, или автоматические.

К биотехническим роботам относятся дистанционно управляемые копирующие роботы; экзоскелетоны; роботы, управляемые человеком с пульта управления; полуавтоматические роботы.

Дистанционно управляемые копирующие роботы снабжены задающим органом (например, манипулятором, полностью идентичным исполнительному), средствами передачи сигналов прямой и обратной связи и средствами отобра-

9

жения информации для человека-оператора о среде, в которой функционирует робот.

Экзоскелетоны выполняются в виде антропоморфных конструкций, обычно «надеваемых» на руки, ноги или корпус человека. Они служат для воспроизведения движений человека с некоторыми необходимыми усилиями и имеют иногда несколько десятков степеней подвижности.

Роботы, управляемые человеком с пульта управления, снабжаются системой рукояток, клавиш или кнопок, связанных с исполнительными механизмами каналов управления по различным обобщенным координатам. На пульте управления устанавливают средства отображения информации о среде функционирования робота, поступающей к человеку по радиоканалу связи.

Для полуавтоматического робота характерно сочетание ручного и автоматического управления. Он снабжен супервизорным управлением для вмешательства человека в процесс автономного функционирования робота путем сообщения ему дополнительной информации, указания цели, последовательности действий и т. п.

Роботы с автономным (автоматическим) управлением обычно подразделяют на производственные и научно-исследовательские роботы, которые после создания и наладки в принципе могут функционировать без участия человека.

ПР классифицируются по следующим признакам:

по областям применения – промышленные, сельскохозяйственные, транспортные, строительные, бытовые и т. п.;

по характеру выполняемых технологических операций – основные, вспомогательные, универсальные;

по виду производства – литейные, сварочные, кузнечно-прессовые, для механическойобработки, сборочные, окрасочные, транспортно-складские;

по виду системы координат руки манипулятора – роботы с прямоугольной, цилиндрической, сферической, сферической угловой (ангулярной) системами координат и др.;

по числу подвижностей манипулятора;

по грузоподъемности – сверхлегкие (до 10 Н), легкие (до 100 Н), средние (до 2000 Н), тяжелые (до 10 000 Н), сверхтяжелые (свыше 10 000 Н);

по типу силового привода – с электромеханическим, пневматическим, гидравлическим, комбинированным приводами;

10