Разработка механизмов манипулятора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Разработка компоновки РТК

Разработка технических требований и определение основных параметров робота

Кинематическое исследование манипулятора

Определение погрешности позиционирования точки D захвата

Динамический расчет исполнительных механизмов манипуляторов

Выбор параметров привода выдвижения штанги руки манипулятора

Расчет механического схвата

Список использованной литературы

Приложения

Разработка компоновки РТК

Автоматизации подлежит обработка детали типа «Пластина».

В качестве основного оборудования выбираем пресс.

В качестве вспомогательного оборудования выбираем магазины с заготовками и готовыми деталями.

Для обслуживания пресса выбираем робота напольной конфигурации, что определяет радиальное расположение оборудования.

Структура РТК: 1 - магазин с заготовками; 2 - магазин с деталями; 3 - напольный робот; 4 - пресс.

Рассмотрим рабочий объем пресса.

Рабочий объем оборудования

Для данного расположения основного и вспомогательного оборудования и для данного рабочего объема станка выбираем робота, работающего в цилиндрической системе координат, состоящего из модуля поворота, подъема и модуля выдвижения штанги руки.

Промышленный робот с ЧПУ М20П.40.01 предназначен для автоматизации установки -- снятия заготовок и деталей, смены инструментов и других вспомогательных операций при обслуживании станков с ЧПУ. Устройство данного типа может обслуживать один или два станка и образовывать вместе с накопительными и транспортными устройствами гибкий производственный обрабатывающий комплекс, предназначенный для продолжительной работы без участия оператора.

Промышленный робот состоит из манипулятора 1, сменных схватов 2 и устройства ЧПУ, выполненного в виде автономной стойки 3. Манипулятор ПР включает в себя следующие сборочные единицы, некоторые из которых могут быть различного исполнения: механизм поворота 4; механизм подъема и опускания 5; механизм выдвижения руки 6; балансир 7; блок подготовки воздуха.

Устройство ЧПУ позиционного типа обеспечивает управление перемещениями руки в цилиндрической системе координат, цикловое управление движениями кисти и зажимом-разжимом схвата, а также подачу команд пуска циклов работы станков, другого технологического оборудования и приема ответных команд после выполнения этих циклов. Возможны три режима работы ПР:

1) «обучение» -- возврат в нулевую точку, ручное управление и шаговое перемещение по каждой оси координат, ввод в память заданных значений координат, скорости перемещений, количества обрабатываемых деталей (циклов) и др.;

2) «автомат» -- автоматическое управление по заданной программе;

3) «редактирование» -- подготовка и корректирование данных управления роботом.

Типовой рабочий цикл ПР при смене заготовки на токарном станке с ЧПУ включает в себя следующие этапы: подвод руки ПР к патрону станка -- захват обработанной детали -- отвод руки в исходную точку -- подвод руки к тактовому столу -- опускание детали -- захват очередной заготовки -- подвод заготовки к патрону станка -- освобождение заготовки после зажима ее в патроне -- отвод руки в исходную точку -- начало цикла обработки на станке.

Наибольшее количество одновременно управляемых координатных перемещений может быть:

1 -- в режиме позиционирования (электродвигатели поворота, подъема-опускания или выдвижения руки);

2-- в режиме циклового управления (пневмодвигатели блока поворота кисти руки и схвата).

Перемещения по степеням подвижности:

- обобщенная координата поворота;

мм. - обобщенная координата подъема;

мм. - обобщенная координата выдвижения.

манипулятор пластина штанга механический схват

Разработка технических требований и определение основных параметров робота

1. Номинальная грузоподъемность:

кг.

- коэффициент, учитывающий массу схвата [1.т3 (стр59)];

- коэффициент, учитывающий тип привода (для пневмопривода - 1,3).

Округляем до значения из стандартного ряда, кг.

2. Число степеней подвижности n=3.

3. Диапазон перемещений по степеням подвижности:

; мм.; мм.

4. Скорости перемещения по степеням подвижности:

м/c

м/c

5. Средняя цикловая скорость:

м/c

м/c

6. Максимальные ускорения по степеням подвижности:

7. Погрешность позиционирования:

мм

8. Кинематическая структура:

3 звена, две кинематические пары поступательные, одна - вращательная.

9. Рабочая зона - сектор полого цилиндра.

10. Объем рабочей зоны:

11. Тип системы координат - цилиндрическая.

12. Тип системы программного управления - цикловой.

13. Габаритные размеры: мм.

14. Масса робота: 350 кг.

Кинематическое исследование манипулятора

Схема манипулятора с одной вращательной парой и двумя поступательными парами.

S - неподвижная или инерциальная система координат;

- системы координат, жестко связанные с 1, 2 и 3 звеном.

мм.

мм.

- обобщенные координаты.

с.

; мм.; мм.

Найдем координаты точки D схвата в неподвижной системе координат S при заданных обобщенных координатах , т.е. решим прямую задачу кинематики. Составим матрицы преобразования систем координат в кинематических парах:

- поворот вокруг оси ОZ;

- подъем вдоль оси ОZ;

- выдвижение вдоль оси ОY;

Составляем матричное уравнение последовательности перехода:

Матричное уравнение произвольной точки захвата:

В координатной форме уравнение имеет вид:

Найдем координаты точки D захвата при .

Найдем перемещения, скорости и ускорения точки D схвата, как функции от времени. Для этого нужно задать законы изменения обобщенных координат по времени и подставить их вместо и .

Предположим, что в некоторый начальный момент времени все звенья манипулятора одновременно приходят в движение. Зададим синусоидальные законы движения для всех приводов звеньев манипулятора:

;

;

,

с. - время позиционирования, т.е. полного движения звена при выполнении определенной операции (для всех звеньев примем одинаковым).

- величина углового или линейного перемещения звена за время выполнения операции.

Подставим вместо и в уравнение (*) законы изменения обобщенных координат и найдем координаты точки D захвата в любой момент времени, т.е. найдем траекторию движения точки D захвата.

;

;

,

Продифференцировав это уравнение по времени, найдем проекции скоростей точки D захвата на оси координат, а продифференцировав дважды - проекции ускорений.

; ,

; ,

,

,

.

;

;

,

, , ,

.

,

где - проекции скоростей точки D захвата на оси ox, oy, oz.

,

где - проекции ускорений точки D захвата на оси ox, oy, oz.

Найдем изменение координат, проекций ускорений и скоростей точки D захвата с шагом во времени с. и построим графики соответствующих зависимостей.

,

где - абсолютное перемещение точки D захвата.

,

где - абсолютная скорость точки D захвата.

,

где - абсолютное ускорение точки D захвата.

Результаты вычислений приведены в приложении (Таблицы № 1-3).

Определение погрешности позиционирования точки D захвата

Принимаем, что погрешность отработки приводов манипулятора составляет 0,1% от полного перемещения соответствующего звена.

где - проекции погрешности позиционирования точки D захвата на оси ox, oy и oz .

(рад).

(мм).

(мм).

Найдем изменение во времени с шагом с. проекции погрешности позиционирования на оси координат и полной погрешности позиционирования точки D.



- полная погрешность позиционирования точки D захвата.

Результаты вычислений приведены в приложении (Таблица №4).

Динамический расчет исполнительных механизмов манипуляторов

1- траверса; 2 - каретка; 3 - штанга руки; 4- схват; 5 - рабочий груз.

- центры тяжести соответствующих звеньев.

- усилия приводов механизмов поворота, подъема и выдвижения.

Составим уравнения движения механизмов манипулятора. Для этого воспользуемся системой уравнений Лагранжа второго рода, которая в случае идеальных связей при числе степеней подвижности равном трем, запишется в следующем виде:

где - угловое перемещение траверсы манипулятора относительно основания;

- линейное перемещение каретки относительно траверсы;

- линейное перемещение штанги руки при ее выдвижении относительно каретки подъема;

- обобщенные силы;

Т - кинетическая энергия рассматриваемой системы манипулятора, равная .

Для динамического анализа манипулятора необходимо знать массы и моменты инерции относительно осей, проходящих через центры масс всех звеньев манипулятора.

Примем, что:

; кг. - момент инерции и масса 1-ого звена.

; кг. - момент инерции и масса 2-ого звена.

; кг. - момент инерции и масса 3-ого звена.

; кг. - момент инерции и масса 4-ого звена.

; кг. - из чертежа детали.

м. - длина штанги руки.

м. - расстояние между центрами масс захвата и рабочего груза.

При этом кинетическая энергия звена 1 определяется:

,

где - момент инерции звена 1 относительно оси Z;

- угловая скорость поворота траверсы.

Кинетическая энергия звена 2 равна:

где - момент каретки относительно оси Z;

- масса каретки;

- линейная скорость подъема каретки.

Для определения кинетической энергии звена 3, жестко связанного с захватом и рабочим грузом, воспользуемся, прежде всего, теоремой Штейнера:

где d - расстояние между параллельными осями, проходящими в данном случае через центры масс звеньев 3 и 5 и параллельно оси вращения Z. С учетом сказанного, будем иметь:

(13)

где (i = 3, 4, 5) - моменты инерции, соответственно, штанги руки, захвата и рабочего груза относительно осей, проходящих через центры масс этих тел и параллельных оси вращения Z.

С учетом этого уравнения получим:

, (*)

где - массы вертикально перемещаемых деталей манипулятора.

кг.

В выражении кинетической энергии величина:

м.

является постоянной для данной кинематической схемы манипулятора.

Разделив и умножив левую и правую части выражения (*) на получим

Производные от Т, входящие в уравнение Лагранжа, имеют вид:

; ; ,

; ; ,

,

; .

Обобщенные силы представим в виде:

,

,

,

где , , - усилия приводов механизмов поворота, подъема и выдвижения;

q - ускорение свободного падения тела.

Применяя, оператор Лагранжа, получим решение уравнений динамики региональных движений в следующем виде:

;

Полученные уравнения позволяют обоснованно выбрать параметры приводов механизмов региональных движений манипулятора, так как можно рассчитать моменты и усилия, развиваемые приводами для обеспечения заданного закона движения, в определенный момент времени, в наиболее неблагоприятных, с точки зрения динамики положениях звеньев механизмов манипулятора.

Выбор параметров привода выдвижения штанги руки манипулятора

Найдем усилие в приводе выдвижения через промежутки времени Результат расчетов приведены в приложении. Из таблицы №7 видно, что максимальное усилие в приводе возникает в момент времени (Н). Выбираем для механизма выдвижения штанги руки пневмопривод двустороннего действия.

Исходные данные:

(Н) - полезная нагрузка;

- средняя скорость движения;

- диапазон перемещений;

- масса движущихся частей;

- давление воздуха в магистрали;

- условие равенства каналов входа выхода.

1. Определяем конструктивные размеры:

2. Находим суммарную нагрузку на приводе:

3. Так как привод выполнен на базе двустороннего цилиндра, то принимаем коэффициент

4. По зависимости соответствующей находим параметр

приняв значение

5. Проверяем устойчивость движения поршня:

,что удовлетворяет условию

6. Вычислим площадь поршня:

Диаметр поршня:

Принимаем тогда

7. Определяем площадь входа и выхода:

По полученным значениям и находим их действительные геометрические размеры: тогда

Принимаем.

Следовательно,

8. Определяем путь торможения:;

; :

;

где

Исходя из графика при

Путь торможения:

Таким образом, заданным параметрам удовлетворяет пневмопривод на базе пневмоцилиндра с диаметром поршня 50 мм и диаметром входных отверстий 2мм. При этом обеспечивается путь торможения 27 мм.

Расчет схвата

Для деталей типа «Пластина» выбираем захватное устройство, оснащенное встроенными датчиками касания пружинно-рычажного типа, обеспечивающим вращательное движение губок, а, следовательно, точное, точное базирование деталей.

Исходные данные:

- масса объекта манипулирования;

- максимальное ускорение схвата,

(исходя из таблицы №3 при ));

1. Усилие удержания заготовки:

,

где - коэффициент трения губок схвата()

- коэффициент запаса.

3. Усилие привода:

От действия нормальных сил и сил трения возникает удерживающий момент относительно оси вращения поворотной части пальца (точка А).

Для пальца:

По значениям удерживающих моментов определяем усилие привода захватного устройства:

,

где - количество пальцев().

2. Площадь поршня пневмоцилиндра:

- давление в магистрали;

Принимаем

Вывод: для заданных параметров схвата имеем:

· диаметр пневмоцилиндра 10(мм).

Список использованной литературы

1. Мясников В.К. Кинематика манипуляторов. Методические указания №2160. - ЯГТУ , 1997 г.

2. Разработка мехатронной системы в виде манипулятора для загрузки - выгрузки металлообрабатывающего оборудования. Методические указания. - ЯГТУ , 2005 г.

3. Механика промышленных роботов (Под ред. К.В. Фролова, Е.И. Воробьева). - М.: Высшая школа, 1989 г. -2т., 3т.

Приложение

Таблица №1. Координаты и перемещения точки D захвата.

t	x	y	z	s
0	0,000	160,000	120,000	280
0,5	0,205	160,172	120,004	280,3808
1	1,605	161,345	120,032	282,9825
1,5	5,181	164,365	120,106	289,6523
2	11,416	169,709	120,243	301,3678
2,5	20,016	177,246	120,454	317,7154
3	29,763	186,014	120,743	336,5193
3,5	38,633	194,116	121,105	353,8542
4	44,255	198,880	121,531	364,6658
4,5	44,637	197,414	122,003	364,0533
5	38,898	187,495	122,499	348,891
5,5	27,643	168,470	122,995	319,1084
6	12,755	141,727	123,467	277,9488
6,5	-3,301	110,429	123,893	231,0209
7	-18,267	78,621	124,257	184,6102
7,5	-30,622	50,117	124,546	144,0405
8	-39,712	27,621	124,758	112,6669
8,5	-45,580	12,298	124,895	91,61345
9	-48,730	3,787	124,970	80,0268
9,5	-49,930	0,489	124,998	75,5582
10	-50,107	0,000	125,003	74,89602

Таблица №2. Проекции скорости точки D захвата.

t				V
0	0,000	0,000	0,000	0
0,5	-1,231	1,025	0,024	-0,18121
1	-4,874	3,958	0,095	-0,82062
1,5	-10,915	8,289	0,206	-2,42011
2	-19,500	13,050	0,345	-6,10452
2,5	-30,785	16,781	0,500	-13,5045
3	-44,549	17,655	0,654	-26,2407
3,5	-59,698	13,844	0,793	-45,0606
4	-74,024	4,217	0,904	-68,9028
4,5	-84,554	-10,853	0,975	-94,4322
5	-88,548	-29,058	1,000	-116,606
5,5	-84,724	-46,569	0,976	-130,317
6	-73,956	-59,317	0,905	-132,367
6,5	-58,931	-64,488	0,795	-122,625
7	-42,966	-61,444	0,656	-103,754
7,5	-28,722	-51,657	0,501	-79,8773
8	-17,526	-37,939	0,347	-55,1183
8,5	-9,498	-23,481	0,207	-32,7714
9	-4,160	-11,112	0,096	-15,1759
9,5	-1,051	-2,896	0,025	-3,92219
10	0,000	0,000	0,000	-0,0004

Таблица №3. Проекции ускорений точки D захвата.

t				a
0	0,000	0,000	0,000	0,000
0,5	-4,891	4,058	0,097	-0,736
1	-9,545	7,506	0,184	-1,854
1,5	-14,016	9,499	0,254	-4,264
2	-18,400	9,054	0,299	-9,048
2,5	-22,449	5,250	0,314	-16,885
3	-25,276	-2,389	0,299	-27,367
3,5	-25,402	-13,261	0,254	-38,409
4	-21,320	-25,139	0,185	-46,274
4,5	-12,505	-34,358	0,097	-46,766
5	-0,238	-37,137	0,001	-37,374
5,5	12,505	-31,497	-0,097	-19,089
6	22,328	-18,524	-0,184	3,619
6,5	27,072	-1,953	-0,254	24,866
7	26,693	13,612	-0,298	40,006
7,5	22,845	24,564	-0,314	47,095
8	17,658	29,217	-0,299	46,576
8,5	12,629	27,660	-0,255	40,035
9	8,216	21,124	-0,185	29,155
9,5	4,143	11,354	-0,098	15,399
10	0,042	0,116	-0,001	0,157

Таблица №4. Погрешность позиционирования.

t
0	-0,251	0,005	0,210	0,327
0,5	-0,251	0,005	0,210	0,328
1	-0,253	0,008	0,210	0,329
1,5	-0,258	0,013	0,210	0,333
2	-0,266	0,023	0,210	0,340
2,5	-0,278	0,036	0,210	0,351
3	-0,292	0,052	0,210	0,363
3,5	-0,305	0,066	0,210	0,376
4	-0,312	0,074	0,210	0,384
4,5	-0,310	0,075	0,210	0,382
5	-0,294	0,066	0,210	0,368
5,5	-0,264	0,048	0,210	0,341
6	-0,223	0,025	0,210	0,307
6,5	-0,173	0,000	0,210	0,272
7	-0,123	-0,024	0,210	0,245
7,5	-0,079	-0,043	0,210	0,228
8	-0,043	-0,057	0,210	0,222
8,5	-0,019	-0,067	0,210	0,221
9	-0,006	-0,072	0,210	0,222
9,5	-0,001	-0,073	0,210	0,222
10	0,000	-0,074	0,210	0,223

Таблица №5. Усилие в приводе механизма поворота.

t, c	F1, H
0	0
0,5	0,52391
1	0,998197
1,5	1,380149
2	1,637383
2,5	1,74975
3	1,709694
3,5	1,521021
4	1,196859
4,5	0,75828
5	0,234793
5,5	-0,33365
6	-0,89534
6,5	-1,38915
7	-1,75215
7,5	-1,93148
8	-1,89642
8,5	-1,64624
9	-1,21052
9,5	-0,64222
10	-0,00656

Таблица №6. Усилие в приводе механизма подъема.

t, c	F2, H
0	392,588
0,5	392,5919
1	392,5954
1,5	392,5982
2	392,6
2,5	392,6006
3	392,6
3,5	392,5982
4	392,5954
4,5	392,5919
5	392,588
5,5	392,5841
6	392,5806
6,5	392,5778
7	392,576
7,5	392,5754
8	392,576
8,5	392,5778
9	392,5806
9,5	392,5841
10	392,588

Таблица №7. Усилие в приводе механизма выдвижения.

t, c	F3, H
0	0
0,5	0,162906
1	0,306233
1,5	0,407343
2	0,44366
2,5	0,396638
3	0,256449
3,5	0,027608
4	-0,26626
4,5	-0,58226
5	-0,86592
5,5	-1,06603
6	-1,15127
6,5	-1,12031
7	-0,99993
7,5	-0,83136
8	-0,6521
8,5	-0,48253
9	-0,32361
9,5	-0,16557
10	-0,00168

Размещено на Allbest.ru