Следящий электропривод роботов с многомассовыми исполнительными осями

Beloussov Ye.A., Feshin B.N., Tolmachyov V.А. Follow-up Electric Drive with Multimass Executive Axes.

There is justified the subject of master's dissertation thesis. The list of tasks which decision should be received is provided. The purpose and idea of scientific research work (NIR) are established. The protected scientific provisions, scientific results, scientific and practical values (novelty) of NIR are predicted. The two-mass settlement scheme of mechanical part of the electric drive taking into account rigidity, viscosity and the given gaps is submitted. The mathematical model of the settlement scheme is given. Results of modeling of the settlement scheme in the MATLAB-Simulink environment confirm need of purposeful control of multimass robots as the accuracy, speed and power expenses.

Роботы и робототехнические комплексы с многомассовыми исполнительными осями широко применяются на современном промышленном производстве. Примерами подобных систем на кафедре автоматизации производственных процессов (АПП) КарГТУ являются учебные стенды фирмы FESTO: следящий и шаговый электроприводы FESTO; робототехнический комплекс станций сортировки, переноса и сбора штучных изделий FESTO; мобильный робот ROBOTINO; станция транспортировки и сортировки штучных изделий FESTO, а также учебный робот-манипулятор типа «рука-захват». Известно, что многомассовые конструкции существенно усложняют процессы исследования, качественно и количественно меняют статические и динамические характеристики работы роботов и робототехнических комплексов как объектов управления [1, 2]. Достижения теории электропривода и робототехники, а также специализированные программные пакеты прикладных программ (например, МаtLAB-Simulink и т.п.) позволяют ставить и решать задачи оценки влияния конструктивных особенностей роботов и настроечных параметров систем управления на режимы и качество работы многомассовых роботов и робототехнических систем, поэтому тема магистерской диссертационной работы - «Следящий электропривод роботов с многомассовыми исполнительными осями» - является актуальной.

В диссертации необходимо рассматривать сложные многомассовые роботы как объекты управления и определять для них условия, при которых будут с достаточной точностью, быстродействием и при минимальных энергетических затратах воспроизводиться заданные траектории движения многомассовых исполнительных осей.

Научные задачи диссертации представлены следующей последовательностью разделов и подразделов НИР:

1. Анализ роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями.

1.1. Назначение и требования к режимам работы роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями.

1.2. Следящий электропривод FESTO как объект контроля, управления и исследования.

1.3. Робототехнический комплекс станций сортировки, переноса и сбора штучных изделий FESTO как объект контроля, управления и исследования.

1.4. Учебный робот-манипулятор как объект контроля, управления и исследования.

2. Разработка математических моделей режимов работы роботов с многомассовыми исполнительными осями.

2.1. Конструктивные и расчетные схемы роботов с многомассовыми исполнительными осями.

2.2. Координатные системы представления расчетных схем роботов с многомассовыми исполнительными осями.

2.3. Разработка технологии исследования динамических и статических характеристик роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями.

2.4. Математические модели динамических и статических режимов работы роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями.

2.5. Имитационные исследования динамических и статических режимов работы роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями.

3. Системы управления и контроля следящих электроприводов роботов с многомассовыми исполнительными осями.

3.1. Принципы построения систем управления следящих электроприводов роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями.

3.2. Конструктивные решения систем управления следящих электроприводов роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями.

3.3. Математические модели систем управления следящих электроприводов роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями.

3.4. Имитационные исследования динамических и статических режимов работы систем управления роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями.

4. Разработка рекомендаций по исследованию, настройке и наладке систем управления следящих электроприводов роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями.

4.1. Настройка САУ следящих электроприводов роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями по критериям точности.

4.2. Настройка САУ следящих электроприводов роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями по критериям быстродействия.

4.3. Настройка САУ следящих электроприводов роботов как объектов с многомассовыми исполнительными осями по критерию минимума энергопотребления.

Цель НИР «Следящий электропривод роботов с многомассовыми исполнительными осями», заключающаяся в разработке программно-методического обеспечения и проведении имитационных исследований следящих систем автоматического регулирования электроприводов роботов, достижима при решении множества перечисленных задач.

Идея НИР заключается в возможности проверки гипотез и допущений, положенных в основу построения математических моделей элементов и САУ электроприводов роботов, путем имитационных исследований (в среде специализированных пакетов прикладных программ (ПП) типа Simulink и/или Work Bench(Multisim)) с последующим сопоставлением модельных результатов (в виде статических и динамических характеристик) с траекториями перемещения исполнительных осей реальных роботов.

Прогнозируются следующие возможные защищаемые научные положения, научные результаты, научные и практические ценности (новизна) НИР:

? условия, при которых будут воспроизводиться заданные траектории движения многомассовых исполнительных осей, определяются решениями задач параметрической оптимизации САУ электроприводов роботов;

? математические модели элементов роботов, манипуляторов и их систем управления, апробированные для конкретных объектов и конкретных условий эксплуатации, являются актуальными научными результатами;

? результаты имитационных исследований элементов роботов, манипуляторов и их систем управления в виде множеств типа {конструкция многомассового робота, структура и параметры системы электропривода; статические характеристики; динамические характеристики; критерии качества; энергетические и электромагнитные характеристики} составляют ценную базу научных данных;

? образовательная компонента множества решаемых задач составляет практическую ценность НИР.

Расчетными схемами роботов с многомассовыми исполнительными осями являются схемы, получаемые как модификация известной конструкции «привод - передаточный механизм (например, редуктор) - исполнительный механизм (например, захват, бур, ….)». Двухмассовая расчетная схема механической части электропривода имеет вид, изображенный на рисунке 1, а соответствующая ей система уравнений c учетом жесткости, вязкого трения и зазоров в кинематических передачах представлена ниже [2, 3]

где

- упругий момент с учетом внутреннего вязкого трения;

- кинематическая погрешность передач;

и - активные постоянные моменты нагрузки на соответствующих валах;

где , - моменты сухого трения на соответствующих валах;

где - моменты вязкого трения на соответствующих валах.

Рисунок 1 - Двухмассовая расчетная схема механической части электропривода

Схема моделирования механической системы в среде MATLAB приведена на рисунке 2.

На рисунке 3 приводится результат моделирования по координатам щ₁, щ₂, рад/с.

Рисунок 2 - Структурная схема двухмассовой механической системы при M(t) = M_H · 1(t) (модель М1)

Рисунок 3 - График зависимостей щ₁(t) и щ₂(t) при M(t) = M_H · 1(t)

Характер изменения щ₁(t) и щ₂(t) подтверждает необходимость целенаправленного управления электроприводом робота для обеспечения устойчивости и качественного переходного процесса по точности, быстродействию и энергетическим затратам на перемещение многомассовой исполнительной оси.

Список литературы

1. Юревич Е.И. Основы робототехники. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 416 с.

2. Брейдо И.В. Фешин Б.Н. Имитационное моделирование и параметрическая оптимизация автоматизированных электроприводов. Караганда: КарГТУ, 2003. - 130 с.

3. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.

Сведения об авторах