СОДЕРЖАНИЕ
Введение............................................................. 3
1. Изучение состояния вопроса..............................................10
1.1 .Анализ парка роботов для операций над миниатюрными изделиями.......10
1.2.Классификация роботов для операций над миниатюрными изделиями.......12
1.3.Использование вибрационных приводов в роботах
для повышения точности их позиционирования...........................20
1.4.Классификация вибрационных роботов..................................24
1.5.Цель и задачи исследования..........................................35
2. Математическая модель вибрационного мобильного робота
с электромеханическим приводом поступательного движения
внутренней массы...................................................... 37
2.1.Основные принципы построения расчетной модели.......................37
2.2.Принцип действия вибрационного мобильного робота....................40
2.3.Дифференциальные уравнения движения корпуса и внутренней подвижной массы
вибрационного мобильного робота......................................46
2.4.Модель движения вибрационного робота с системой автоматического управления
перемещением внутренней подвижной массы..............................50
2.5.Алгоритм моделирования движения вибрационного мобильного робота с системой автоматического управления
перемещением внутренней подвижной массы..............................54
2.6.Выводы по главе.....................................................59
зь
3. Расчет динамических параметров вибрационного мобильного робота с электромеханическим
приводом поступательного движения внутренней массы.......................60
3.1.Результаты математического моделирования движения вибрационного мобильного робота с системой автоматического управления перемещением внутренней подвижной массы................................................60
3.2.Анализ средней скорости вибрационного робота
и величины дискретного перемещения корпуса робота.....................80
3.3.Исследование влияния величин напряжения питания электромеханического привода внутренней подвижной массы и коэффициента трения между корпусом робота и поверхностью перемещения на среднюю скорость вибрационного робота и величину дискретного перемещения корпуса
робота.................................................................86
3.4.Исследование влияния величин внутренней подвижной массы и массы корпуса робота на дискретное перемещение корпуса вибрационного робота в микронном диапазоне.....................................................92
3.5. Вы воды по главе......................................................96
4. Экспериментальное исследование динамики вибрационного мобильного
робота с. электромеханическим приводом поступательного движения
внутренней массы и практическая реализация полученных
результатов................................................................99
4.1 .Разработка экспериментальной установки................................99
4.2.Методика проведения эксперимента.....................................110
4.3.Результаты экспериментальных исследований.............................113
4.4.Практическая реализация полученных результатов.......................119
4.5.Выводы по главе.......................................................126
Заключение............................................................128
Литература............................................................130
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В настоящее время практически во всех
промышленно развитых странах интенсивно ведутся работы по созданию мобильных роботов. Одна из причин этого — необходимость выполнения технологических операций с высокой точностью позиционирования
обрабатываемого объекта. Применяемые для перемещения объектов
манипуляторы требуют использования различных прецизионных механизмов, в том числе шарико-виитовых передач, что приводит к высокой стоимости такого оборудования. Кроме этого, необходима жесткая привязка их основания к конструкциям обрабатывающих устройств.
Одним из перспективных способов перемещения обрабатываемых объектов, является использование мобильных роботов, движущихся за счет вибрационного движения внутренних масс, управляя движением которых можно изменять силу реакции внешней среды, действующей на корпус робота, обеспечивая его движение в желаемом направлении и регулируя скорость перемещения. Вибропривод с поступательным движением внутренней массы является наиболее перспективным приводом для подобных устройств с точки зрения простоты и надежности. Движение твердого тела на вибрирующем основании изучалось И.И. Блехманом и другими. Вибрационный принцип движения мобильных устройств был обоснован в работах академика Ф.Л. Черноусько и его учеников. Исследования в данной области проводятся в Германии в Техническом университете г. Ильменау доктором К. Циммерманом, в Японии и других странах. В тоже время конструкции роботов с виброприводами и их динамическое поведение изучено недостаточно, что значительно ограничивает широкое применение таких устройств. Поэтому необходимость исследования динамики движения вибрационных роботов с поступательным движением внутренней массы с целью расширения сферы применения этих устройств и увеличения точности их позиционирования является актуальной.
3
Целью работы является повышение эффективности вибрационных мобильных роботов путем увеличения точности их перемещения, достигаемой за счет применения оптимального управляющего воздействия на движение внутренней подвижной массы.
Основными задачами данной работы являются:
1. Разработка математической модели движения вибрационного мобильного робота с поступательным движением внутренней массы.
2. Разработка алгоритма моделирования движения вибрационного робота с поступательным движением внутренней массы.
3. Исследование модели движения вибрационного робота по шероховатой поверхности для различных законов управляющего воздействия.
4. Определение параметров модели, оказывающих существенное влияние на законы движения внутренней подвижной массы и корпуса робота.
5. Разработка методики экспериментальных исследований движения вибрационного робота, которая позволяет подтвердить правильность выбора математической модели движения вибрационного мобильного робота и модели сухого трения между корпусом робота и поверхностью его перемещения.
6. Разработка экспериментальной установки и проведение исследований движения прототипа вибрационного мобильного робота с внутренней подвижной массой.
7. Разработка системы автоматического управления движением вибрационного мобильного робота и программного обеспечения её реализующего.
8. Разработка конструкции вибрационного мобильного робота, обеспечивающей возможность задать любое необходимое направление движения. робота но плоской поверхности.
4
Научное содержание диссертации составляет теоретическое обоснование технических решений, использованных при создании рассматриваемой конструкции вибрационного мобильного робота с электромеханическим приводом поступательного движения внутренней массы, посредством разработки методики расчета сложной электромеханической системы рассматриваемого вибрационного мобильного робота, включающей в себя электромеханический привод внутренней подвижной массы, технологическую нагрузку и систему автоматического управления. Практическая реализация данной работы нашла отражение в выработке рекомендаций по совершенствованию конструкции вибрационного мобильною робота с электромеханическим приводом внутренней подвижной массы с цслыо повышения его эксплуатационных характеристик и разработке принципиально новой конструкции, позволяющей повысить надежность его работы.
В первой главе приведен анализ литературных источников, посвященных классификации роботов, предназначенных для оперирования миниатюрными изделиями, как транспортных средств с высокой точностью позиционирования. Проведена общая классификация вибрационных роботов, как устройств с приемлемым сочетанием высокой точности позиционирования и скорости. Указано о необходимости применения обратной связи по перемещению внутренней подвижной массы для обеспечения наиболее эффективного рабочего режима движения вибрационного мобильного робота.
Сделан вывод о перспективности применения в конструкции вибрационного мобильного робота электромеханического привода поступательного движения внутренней массы с системой автоматического управления перемещением внутренней подвижной массы.
Во второй главе предложена расчетная схема вибрационного мобильного робота с электромеханическим приводом поступательного движения внутренней массы. Разработана математическая модель динамики вибрационного мобильного робота, основанная на теории колебаний электромеханической системы с учетом
5
конструктивных особенностей работы мобильного робота и системы активного управления перемещением внутренней подвижной массы. Изложена методика математического моделирования движения вибрационного мобильного робота. Разработан алгоритм моделирования движения вибрационного робота с поступательным движением внутренней массы.
В третьей главе приведены результаты и анализ расчета динамических параметров вибрационного мобильного робота. Получены временные зависимости основных динамических характеристик вибрационного мобильного робота: перемещения, скорости и ускорения конструкции робота и его внутренней подвижной массы. Основная задача расчета динамических параметров вибрационного мобильного робота - определение зависимостей средней скорости движения и величины дискретного (однократного) перемещения корпуса робота. При расчете динамических параметров вибрационного мобильного робота использовались программные продукты MathSoft MathCAD 13 Professional и Borland C++ Builder 6.
В четвертой главе приводится описание экспериментальной установки, описана методика испытаний и проведены результаты исследования динамики рассматриваемой модели вибрационного мобильного робота при различных режимах управления. Полученные данные приводятся в виде графиков перемещения, скорости и ускорения как робота в целом, так и его внутренней подвижной массы. Приведен анализ полученных результатов.
Научная новизна и положения выносимые на защиту:
1. Разработана математическая модель движения вибрационного мобильного робота с электромеханическим приводом поступательного движения внутренней массы по плоской поверхности с учетом модели сухого трения и наличием в роботе системы автоматического управления перемещением внутренней подвижной массы.
6
2. Выявлена обратная пропорциональная зависимость между управляющим напряжением питания и величинами промежутков времени его подачи на двигатель постоянного тока электромеханического привода внутренней массы робота для обеспечения повторяемости величины дискретного перемещения корпуса робота.
3. Выявлена область параметров управляющего напряжения приводом поступательного движения внутренней массы вибрационного робота, обеспечивающих повторяемость величины дискретного перемещения корпуса робота при отсутствии обратного требуемому направлению движения перемещения корпуса робота на плоской поверхности.
Методы исследовании. При выполнении работы использованы методы теоретической механики, теории колебаний, теории автоматического управления. Использовались численные методы решения дифференциальных уравнений, математические методы планирования эксперимента и методы статической обработки экспериментальных данных.
Достоверность результатов Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации подтверждены экспериментальными данными и практическими результатами, полученными в работе.
Практическая ценность н реализация работы. В результате исследований предложена конструкция вибрационного робота («Виброробот с одной подвижной массой» - патент РФ на полезную модель №2007131645/22 №69010, три решения о выдаче патентов на полезные модели: модель «Виброробот с вращающейся платформой» (№2009120087/22), модель
«Виброробот с двумя подвижными массами» (№2009121934/22), модель «Виброробот с электромагнитом» (№2009118769/22)). Конструкция вибрационного робота может быть использована в качестве высокоточного транспортного средства (с возможной величиной дискретного перемещения до 20 ' мкм) и позволяет транспортировать миниатюрные объекты, изделия и детали для последующего проведения над ними технологических операций. Разработано программное обеспечение, которое может быть использовано для управления движением подобных вибрационному роботу устройств. В данном программном обеспечении реализован принцип управления с учетом параметров вибрационного мобильного робота с электромеханическим приводом поступательно движущейся внутренней массы.
Результаты исследований использованы при выполнении грантов РФФИ № 05-08-33382-а «Изучение закономерностей движения вибрационных мобильных ■ роботов в различных средах» (2005-2007 г.г.), № 08-08-00438 «Динамика и управление движением автономных вибрационных мобильных микророботов по шероховатой поверхности» (2008-2010 г.г.), гранта ФАО НК-385П по теме «Изучение закономерностей управляемого движения мобильных вибрационных систем» (2009-2010 г.г.), -а также в учебном процессе кафедры теоретической механики и мехатроники КурскГТУ.
Апробация. Основные положения диссертации доложены и одобрены на VII и VIII Международных научно-технических конференциях «Вибрационные-машины и технологии» (г. Курск - 2005, 2008 г.), Научно-методической конференции «Образование через науку» (г. Курск - 2007 г.). За разработку «Виброробот с одной подвижной массой» получен диплом ФИПС (г. Москва, XI Салон промышленной собственности «Архимед» - 2008 г.).
8
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, включая 8 статей, из них 1 по перечню ВАК, 3 патента на полезную модель, 3 решения о выдаче патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 102 наименований и приложения. Текст диссертации изложен на 140 страницах текста, содержит 96 рисунков, 3 таблицы.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Теоретическая механика и мехатроника» Курского государственного технического университета.
9
1. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
1.1. Анализ парка роботов для операций над миниатюрными изделиями
Общие тенденции развития многих отраслей промышленности характеризуются дальнейшей микроминиатюризацией изделий, расширением номенклатуры, снижением серийности по отдельным видам продукции при одновременном росте общего объема производства, ужесточением требований к качеству и стабилизации его от изделия к изделию.
Стремление поднять производительность, улучшить и стабилизировать качество изделий требует серьезной перестройки производственных и технологических процессов. Решение этой задачи привело к созданию новых средс тв автоматизации - промышленных роботов (ГТР).
Автоматизация технологических процессов в ряде отраслей промышленности (часовой, приборостроительной, радиотехнической, • электронной и др.), связанных с необходимостью манипулирования миниатюрными изделиями, поставила задачу создания особой группы промышленных роботов, отличающихся небольшими материало- и энергоемкостью, высокой точностью и развитой информационной системой. В пределах этой группы роботов можно выделить высокопрецизионные роботы, применяемые для манипулирования микроизделиями, например, при сборке интегральных микросхем.
Первые сообщения о промышленных роботах рассматриваемой группы появились в 1977 г. В 1978 г. на их долю приходилось менее 1% общего, количества роботов, составляющего всего 16-103 штук, к 1980 г. насчитывалось около 3% общего парка в 25* 103 штук. Ускоренный темп роста количества сверхлегких роботов в первую очередь обусловлен необходимостью автоматизации многих видов производства. Автоматизация не только обеспечивает рост производительности, повышение и стабилизацию качества
миниатюрных изделий, но и даёт возможность перехода к новым структурам производства - гибким автоматизированным производствам (ГАП) [51].
Распределение общего парка сверхлегких роботов по отдельным операциям, характерное для настоящего времени, представлено на рис. 1.1.1, из которого видно, что больший процент (38%) роботизированных операций приходится на операции дифференцированной сборки и монтажа печатных плат.
Рис. 1.1.1. Распределение общего парка роботов для миниатюрных изделий по основным операциям: 1 - сборка (монтаж, сварка, пайка); 2 - контрольные, измерительные, исследовательские операции; 3 - прочие операции; 4 -специальные операции (очистка, промывка, нанесение покрытий); 5 -механическая обработка; 6 - укладка, погрузка-разгрузка, упаковка
Основными факторами, сдерживающими широкую роботизацию производства миниатюрных изделий, являются неоправданное многообразие конструктивных форм и типоразмеров изделий, их широкая номенклатура, множество технологических процессов, не рассчитанных на применение роботов, сложности с транспортной и технологической тарой и т. п. Именно поэтому представляется эффективным отраслевое упорядочение по всем указанным аспектам, направленное на строгую регламентацию в области проектирования, сферах производства и эксплуатации изделий.
11
- Київ+380960830922