Конспект лекций по КМР

открытую рабочую среду для приложений пользователя;

в ИнИС основными понятиями пользовательского интерфейса являются окно и меню.

открытую графическую оболочку. От пользователя не требуется ввод директив с клавиатуры в виде текстовых строк. Необходимо только внимательно смотреть на экран и выбирать из предлагаемого меню требуемую операцию с помощью манипулятора «мышь».

ИнИС – интегрированная программа. Под ее управлением могут работать как специальные, так и «обычные» программы, обеспечивая обмен информацией между ними.

Принципиальной особенностью ИнИС является применение объектно-ориентированных подходов при проектировании.

ИнИС предназначен для построения программных приложений групповой поддержки решений конструкторскотехнологических задач. В современном производстве роль групповой поддержки проектных решений резко возрастает, так как в основе действий человека в ходе решения задач конструкторскотехнологической информатики лежит коммуникация между лицами, принимающими решения (покупатель – заказчик – конструктор – технолог – производитель – продавец – покупатель), осуществляющими обмен информацией и знаниями. Это позволяет использовать распределение ролевых функций в ходе решения задач проектирования, и добиться оптимальных вариантов при совместном решении проблемных ситуаций.

Цель ИнИС:

повышение качества и технико-экономического уровня проектируемых объектов;

сокращение трудоемкости проектных расчетов, конструирования и выпуска рабочих чертежей объектов за счет мощной информационной поддержки проектирования (базы данных, графической базы знаний, расчетные процедуры и т.д.);

автоматизация принятия проектных решений (символьные базы знаний), редактирования и выпуска конструкторской текстовой и графической документации.

ИнИС на единой понятийной, информационной, программной

итехнической основе обеспечивает для пользователя выполнение следующих функций:

управление проектом;

диалоговая организация ввода и контроля исходных данных;

управление системой;

541

выполнение расчетов по отдельным зависимостям и в виде вычислительных моделей;

выбор нормативно-справочной информации;

формирование и редактирование текстовых и графических документов;

реализация обучающей функции по работе с системой;

ведение на компьютере концептуальной модели процесса создания изделия;

синхронизация действий коллектива пользователей при решении общей задачи;

Таким образом, интеграция ИнИС с T-FLEX CAD 3D позволяет осуществлять проектно-конструкторские работы на высоком научно-техническом уровне.

542

Глава 12 УРАВНОВЕШИВАЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ

Основной эффект, достигаемый введением в состав исполнительного устройства робота уравновешивающих механизмов – улучшение его энергетических характеристик [26].

Основными энергопотребителями в роботе являются приводы исполнительного устройства и система управления ими. Все энергоснабжение такой системы должно обеспечиваться источником питания.

Исполнительное устройство робота в общем случае представляет собой рычажный механизм с многозвенной кинематической цепью. При работе исполнительного устройства в гравитационном поле приводы его отдельных степеней подвижности воспринимают статические нагрузки. Эти нагрузки определяются двумя составляющими:

a) постоянные статические нагрузки, обусловленные массами подвижных звеньев исполнительного устройства;

б) переменные статические нагрузки, обусловленные массой объекта, которая в процессе работы исполнительного устройства робота может изменяться.

Основное влияние статические нагрузки оказывают на приводы переносных движений исполнительного устройства робота. Особенно это характерно для исполнительных устройств с электроприводами при их установке на подвижных звеньях.

На приводы ориентирующих движений статические нагрузки оказывают значительно меньшее влияние, так как они обусловливаются массой подвижного звена с рабочим органом (захватным устройством), размеры, а следовательно, и масса которого невелики.

Действие статических нагрузок на приводы переносных движений приводит к увеличению их мощности, а следовательно, мощности их системы управления, что приводит к росту мощности источника питания и увеличению массы и размеров исполнительного устройства робота.

Таким образом, статические нагрузки переносных движений оказывают отрицательное влияние на энергетические возможности роботов. Основным средством преодоления этого является введение в состав исполнительного устройства систем уравновешивания.

329

12.1. Виды систем уравновешивания

Известно два вида систем уравновешивания, применяемых в робототехнике: сигнальная и силовая. Сигнальная система уравновешивания применяется в копирующих манипуляторах с отражением усилий для устранения восприятия оператором статических нагрузок от массы подвижных звеньев задающего и исполнительного устройств. Для формирования сигналов, пропорциональных статическим нагрузкам и компенсирующих сигналы тракта отражения усилий, используют функциональные вычислители, акселерометры, синусно-косинусные датчики положения.

Сигнальная система позволяет разгрузить от воздействия статических нагрузок только приводы задающего устройства. Приводы же исполнительного устройства остаются неразгруженными.

Силовая система уравновешивания позволяет компенсировать статические нагрузки на приводах исполнительных устройств роботов. Смысл работы этой системы уравновешивания заключается в том, что параллельно с основными работают дополнительные приводы системы уравновешивания, которые развивают усилия, равные по величине, но противоположные по направлению статическим нагрузкам, действующим на основные приводы робота.

В зависимости от вида источника энергии силовые системы уравновешивания бывают двух типов, которые условно можно разделить на активные и пассивные.

Активными считают системы уравновешивания, приводы которых используют тот же вид энергии, что и основные приводы или комбинацию гидро-, пневмо-, электроприводов. В таких системах могут быть использованы любые типы приводов: электромеханические (рис. 12.1), гидравлические и пневматические (рис. 12.2).

Примером построения подобной системы может служить промышленный робот «Нахи Юнимен» серии 5000 (Япония), у которого в системе уравновешивания статических нагрузок привода кача-

330

ния предплечья исполнительного устройства используется электрогидравлический привод.

Введение активных систем уравновешивания в состав робота позволяет существенно уменьшить мощность основных приводов (рис. 12.1 и рис. 12.2), но при этом мощность источника питания практически остается неизменной.

Пассивными считают системы уравновешивания, приводы которых используют природные источники энергии: энергию гравитационного (рис. 12.3) и магнитного (рис. 12.4) полей, сил поддержания (Архимеда) (рис. 12.5), упругой деформации пружины (рис. 12.6) и сжатого газа (рис. 12.7). Такие системы уравновешивания позволяют уменьшить мощность не только основных приводов робота, но и его источника питания.

Однако введение пассивной системы уравновешивания в состав робота имеет свои отрицательные стороны – увеличиваются инерционные нагрузки и нагрузки от сил трения, что приводит к увеличению мощности основных приводов.

331

12.2. Эффективность системы уравновешивания

Мощность источника питания робота без системы уравнове-

где РС – мощность, необходимая для преодоления статических нагрузок от масс звеньев исполнительного устройства и объекта, Вт; РИ – мощность, необходимая для преодоления инерционных нагрузок от масс звеньев и объекта, Вт; РТ – мощность, необходимая для преодоления сил трения, Вт.

Применение пассивной системы уравновешивания приводит к уменьшению мощности, необходимой для преодоления статической нагрузки от масс звеньев и объекта на величину РС, Вт. При этом мощности, необходимые для преодоления инерционных нагрузок и сил трения увеличиваются соответственно на РИ иРТ, Вт. Таким образом, мощность источника питания робота с использованием пассивной системы уравновешивания равна:

Вычитая из выражения (12.2) зависимость (12.1) получим изменение мощности робота при использовании пассивной системы уравновешивания:

где КИ – коэффициент инерционных потерь системы уравновешивания:

КТ – коэффициент потерь системы уравновешивания за счет трения:

Как видно из уравнения (12.3), выражение в скобках определяет изменение мощности робота при введении системы уравновешивания за счет инерционных потерь и трения, и представляет собой коэффициент эффективности системы уравновешивания [26]:

KЭ 1 KС K T .

332

Таким образом, изменение мощности робота может быть выбрано в качестве критерия эффективности применения пассивных систем уравновешивания.

Коэффициент эффективности системы уравновешивания находится в пределах 0 K Ý 1. Чем больше его величина, тем больше

эффективность системы уравновешивания. Для идеальной системы уравновешивания (КИ=0; КТ=0) этот коэффициент равен 1. При КЭ=0 получаем уравнение границы области использования системы уравновешивания, при КЭ<0 введение системы уравновешивания в состав робота приводит к ухудшению его энергетических характеристик ( P 0), т. е. возрастает мощность, необходимая для преодоления статических нагрузок.

По коэффициенту КЭ эффективности можно провести оценку пассивных систем уравновешивания с различными источниками энергии. Гравитационная система уравновешивания статических нагрузок эффективна только в малодинамичных исполнительных устройствах роботов, так как ее инерционные нагрузки в этом случае не велики. С увеличением скорости и ускорения движения звеньев исполнительного устройства инерционные нагрузки системы уравновешивания возрастают и соответственно коэффициенты инерционных потерь КИ и трения КТ увеличиваются, что приводит к уменьшению эффективности системы уравновешивания. Эффективность применения пружинной и пневматической систем уравновешивания не имеет ограничений, так как их инерционные нагрузки малы. При этом пружинные энергоносители по размерам такие же, как и пневматические, кроме того, они менее чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и более технологичны.

Следовательно, пружинные системы уравновешивания являются наиболее эффективными, особенно для роботов малой и средней грузоподъемности.

12.3. Грузовое уравновешивание статических нагрузок вращающегося звена

Грузовое уравновешивание статических нагрузок вращающегося звена исполнительного устройства робота основано на энергии гравитационного поля и осуществляется с помощью системы противовесов, которая создает статические нагрузки, противодействующие статическим нагрузкам звена.

333

Рассмотрим грузовое уравновешивание статических нагрузок вращающегося звена AB исполнительного устройства робота (рис.

12.8).

Mï – момент от противовеса:

Откуда можно получить массу противовеса, задаваясь расстоянием rп:

При вращении звена с постоянной угловой скоростью возникают инерционные нагрузки, которые также необходимо уравновесить.

При установке противовеса должно выполняться условие:

FÈj FÈï ,

где FÈj – сила инерции звена j, Н:

334

FÈj mjajn mj 2j rj ,

FÈï – сила инерции противовеса, Н:

вовеса будет наименьшим при минимальном значении момента инерции противовеса Jп.

Запишем момент инерции противовеса относительно оси A вращения звена в виде:

тральной оси, кг.м2. Он выражается через массу mп противовеса.

верхности.

Заменяя массу mп противовеса ее значением (12.4), получим:

можно найти оптимальное расстояние rп опт от оси вращения звена до точки установки противовеса.

335

Подставив значение rп опт в выражение (12.5), определим минимальное значение момента инерции противовеса:

найдем оптимальное расстояние rп опт до центра противовеса и максимальное значение момента инерции J ï max противовеса.

Момент сил инерции звена уравновесить нельзя, так как инерционный момент противовеса направлен в ту же сторону, что и инерционный момент звена.

12.4. Эффективность грузовой системы уравновешивания вращающегося звена

Эффективность грузовой системы уравновешивания оценивают коэффициентом эффективности:

В грузовой системе уравновешивания значение коэффициента KT потерь за счет трения мало по сравнению с коэффициентом KИ инерционных потерь, поэтому им можно пренебречь. Таким образом, для определения коэффициента эффективности запишем выражения мощностей, необходимых для преодоления статических и инерционных нагрузок от массы звена и противовеса (рис. 12.8):

j

ных координат, при которой функция cos qi достигает максимума.

i 1

336