Промышленные роботы Ч. 2 учебное пособие
.pdfФедеральное 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