Шульга О.В. Конспект лекцій з дисципліни “Електропривод і автоматизація роботів і маніпуляторів” для студентів спеціальності 7.092203 “Електротехнічні системи автоматизації та електропривод” у всіх форм навчання.
Рецензент: кандидат технічних наук, доцент
Валентинов Валентин Григорович
Відповідальний за випуск – доктор технічних наук, професор, завідувач
Кафедри автоматики і електропривода Галай М.В.
Редактор Жигилій Н.В.
Коректор Пустовгар Г.Г.
Друкується за рішенням Вченої ради Полтавського національного технічного університету імені Юрія кондратюка.
IS BN 966-7653-38-4 ПНТУ
ЗМІСТ
Лекція 1. Предмет і завдання курсу. Історичні передумови появи маніпуляторів та промислових роботів. Сучасні концепції комплексної автоматизації виробництва 4
Лекція 2. Робот як об’єкт керування. Особливості взаємодії робота і людини в умовах виробництва. Основні поняття, терміни, визначення 10
Лекція 3 . Функціональна схема і класифікація промислових роботів. Основні технічні показники ПР 15
Лекція 4 . Системи основних координатних переміщень. Поняття однорідних координат 20
Лекція 5. Кінематичні схеми. Типові кінематичні схеми роботів різної конструкції 26
Лекція 6 . Кінематичний аналіз ПР. Розв’язання прямої задачі кінематики 34
Лекція 7 . Розв’язання зворотної задачі кінематики маніпулятора. Методи точного і наближеного розв’язання зворотної задачі 39
Лекція 8. Динаміка механічної частини ПР. Динамічний аналіз. Складання рівнянь руху маніпулятора у загальних координатах 44
Лекція 9. Вимоги до приводів ПР. Вибір двигунів приводів 48
Лекція № 10 . Типи і характеристики електродвигунів, що застосовуються у робототехніці. Промислові серії електродвигунів 53
Лекція № 11. Спеціальні двигуни постійного струму. Вентильні двигуни 59
Лекція 12 Електроприводи промислових роботів. Функціональна схема ЕП і його елементи. 64
Лекція 13. Типові структури регульованих ЕП. 68
Лекція № 14 . Синтез систем керування ЕП промислових роботів. 76
Лекція № 15 . Системи дистанційного керування роботами 82
Лекція 16 . Системи автоматичного керування роботами 86
Лекція 17 . Позиційно-контурні системи керування. Адаптивні системи керування 91
Лекція 18 . Динамічні моделі маніпулятора. Структурні схеми моделей механічної частини маніпуляторів 97
Лекція 1. Предмет і завдання курсу. Історичні передумови появи маніпуляторів та промислових роботів. Сучасні концепції комплексної автоматизації виробництва
1.1. Загальні відомості
Метою цього курсу є вивчення будови, принципу роботи, основних параметрів і характеристик промислових роботів та маніпуляторів.
Роботи і маніпулятори є однією з основних частин комплексної автоматизації виробництва. Вони розв’язують задачу суттєвого скорочення традиційно ручних операцій у машинобудуванні: подачу та встановлення заготовки на верстат, зняття оброблюваної деталі, зварювання, фарбування, упаковку і т.д.
Історія робототехніки свідчить, що перші ідеї використання праці механічних слуг замість праці людей, підсилення психологічної дії на людину культових статуй за рахунок надання механічного руху їх частинам, розваг з механічно рухомими фігурками людей-маріонеток і перші інженерно-технічні реалізації цих ідей відносять уже до VII–VI століть до нашої ери. Слово “робот” увів Карел Чапек у 1920 році у своїй п’єсі “RUR”, створивши його від чеського слова “робота” – важка підневільна праця. Дія п’єси проходить на території компанії, що виробляє роботи; у ній на художньому рівні розглянуті фундаментальні питання робототехніки: основні характеристики робота, способи його створення (як механічної “копії людини”), сфера застосування тощо. Але до 60–их років робототехніка розвивалась у напрямі створення цікавих іграшок.
Стрімкий розвиток суспільного виробництва, дослідницької діяльності людини викликали необхідність замінити людину у важкій, небезпечній праці або в тих умовах, де його праця неможлива. Як результат об’єктивної необхідності на початку 60–их років створюються нові види роботів: промислові, підводні, космічні та ін .
Першими промисловими роботами, що стали широко відомими, були розроблені в 1963 р. у США роботи Юнімейт і Версатран. Перший був призначений для обслуговування технологічних процесів лиття під тиском, кування, механічної обробки, штампування, упакування, точкового зварювання, нанесення покриттів тощо., являючи собою механічну руку з п’ятьма ступенями свободи, яка керується гідроприводом. Він мав вантажопідйомність 35 кг і виконував 180 команд.
У СРСР у кінці 60–их років було створено кілька промислових роботів: УМ1, Универсал–50, УПК–1. Робот УМ1 – гідравлічний, вантажопідйомністю до 40 кг, він мав програмне керування з практично необмеженою кількістю команд.
По мірі розвитку робототехніки відбувся розподіл роботів на три покоління:
роботи І покоління, мають жорстку програму дій;
роботи ІІ покоління – з адаптивним керуванням;
роботи ІІІ покоління будуть мати певний “інтелект”.
До першого покоління належать усі розроблені до цього часу промислові роботи, кількість марок яких перевищує 300.
Роботи другого покоління поки що не використовуються в промисловості, але робота із їх розроблення і випробуванням ведуться в багатьох країнах. Також ведеться розроблення принципів створення роботів ІІІ покоління.
1.2. Системи управління пр
У системах управління промисловими роботами (ПР) можна виділити три складові, завдяки яким удається перетворити маніпулятор у програмовану автоматичну машину для виконання різних функцій руки людини:
система програмного керування (СПК), що включає в себе обчислювально-керуючу і програмно-задаючу підсистеми;
інформаційна система (ІС), що складається із підсистеми сприйняття зовнішнього середовища й контролю стану ПР;
систему виконавчих приводів, що включає силову та інформаційні підсистеми.
Система програмного керування ПР
СПК ПР виконує операційно-логічні й обчислювальні функції обробки інформації, приймає рішення, формує керуючі дії тощо, забезпечує запис, зберігання і виведення інформації, котра вміщує алгоритм керування та ін.
СПК ПР за своїм елементарним складом так же різноманітні, як і СПУ інших промислових об’єктів. Основні знання у цій галузі даються в курсах “Елементи автоматизованого електропривода” і “СКЕП”.
Рис.1.1. Склад СК ПР
Інформаційна система ПР
ІС ПР у своїй підсистемі, що сприймає зовнішнє середовище, розв’язують задачі: пошук об’єкта маніпулювання, контроль наявності об’єкта у захваті, надійність утримання об’єкта у захваті, виконання виробничих операцій, виявлення перешкод у робочій зоні, розпізнавання місцезнаходження, форми й орієнтації об’єкта, визначення фізичних параметрів об’єкта, самонавчання та ін.
За способом взаємодії із зовнішнім середовищем вона може бути контактною та дистанційною.
При контактному способі використовуються датчики штучного відчуття зусиль, моментів, переміщень і тактильні датчики.
При дистанційному способі, якщо система візуальна, то використовуються телекамери, фотоматриці або матриці приладів із зарядовим зв’язком; якщо локаційні, то ультразвукові, світлолокаційні, струминні, індукційні, магнітні або лазерні датчики.
Підсистема контролю стану ПР виконує діагностику систем ПР, аварійні блокування і визначення положення й швидкості ПР. Датчиками аварійних блокувань служать елементи підсистеми сприйняття зовнішнього середовища, датчики тиску та температури. Для оцінки положення і швидкості ПР застосовуються потенціометри, індукційні машини, імпульсні генератори, кодові датчики, шляхові вимикачі й тахогенератори.
Система приводів
Система приводів призначена для виконання заданих переміщень маніпулятора. Елементи силової та інформаційної підсистем визначаються типом привода в першу чергу, а також багатьма іншими параметрами: конструкцією маніпулятора, вантажопідйомністю, швидкодією, точністю, дискретним або неперервним, почерговим або спільним керуванням ланцюгами маніпулятора, безпекою роботи і т.д.
Електроприводи в системах керування ПР завоювали міцні позиції. Як силові виконавчі елементи найбільш значне розповсюдження дістали двигуни постійного струму, вентильні й крокові двигуни, а у як керовані електричні перетворювачі – тиристорні й транзисторні перетворювачі та комутатори.
В інформаційній частині широко застосовуються напівпровідникові аналогові та цифрові елементи, мікропроцесорні засоби. Керуючі системи ЕП виконуються елементами СПК ПР, інформаційні – елементами ІС ПР. Системи керування ПР, вирізняються різноманітністю складових їх елементів, як жоден інший промисловий об’єкт.