Разработка способа и средства стабилизации движения детали относительно поисковой траектории при автоматизированной сборке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Кузнецова, Светлана Владимировна

• Кузнецова, Светлана Владимировна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузнецова, Светлана Владимировна

Страница

Введение.

ГЛАВА 1. Анализ существующих средств адаптации соединяемых деталей для автоматизированной сборки.

1.1. Основные этапы выполнения автоматизированной сборочной операции.

1.2. Конструктивные варианты средств адаптации соединяемых деталей.

1.3. Средства коррекции погрешностей взаимного расположения деталей при роботизированной сборке.

1.4. Разработка обобщенной модели функционирования автоматизированной сборочной системы.

1.4.1. Анализ функциональных элементов автоматизированной сборочной системы.

1.4.2. Анализ функциональных связей автоматизированной сборочной системы.

1.4.3. Функциональные преобразования, соответствующие этапам выполнения сборочной операции.

1.4.4. Анализ обобщенных взаимосвязей методов автоматизированной сборки.

1.4.5. Последовательные и параллельные этапы сборочной операции.

Выводы к главе 1.

1.6. Цель и задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. Обоснование выбора устройства перемещения соединяемой детали по программной траектории совмещения.

2.1. Кинематический анализ манипулятора с замкнутой кинематической цепью.

2.2. Определение законов управления движением рабочего органа манипулятора с замкнутой кинематической цепью.

2.3. Анализ рабочего пространства манипулятора с замкнутой кинематической цепью.

2.4. Анализ возможностей воспроизведения позиционных и поисковых траекторий совмещения соединяемых деталей рабочим органом робота с замкнутой кинематической цепью.

2.5. Анализ погрешностей манипулятора с замкнутой кинематической цепью.

2.5.1. Точность позиционирования, определяемая погрешностями отработки угловых перемещений приводами кинематических цепей манипулятора.

2.5.2. Точность позиционирования, определяемая погрешностями изготовления звеньев манипулятора.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. Математическое моделирование робота с тремя параллельными кинематическими цепями.

3.1. Математическая модель робота с тремя параллельными кинематическими цепями.

3.1.1. Разработка функциональной схемы робота с тремя параллельными кинематическими цепями.

3.1.2. Математическая модель управляющего устройства.

3.1.3. Математическая модель приводов кинематических цепей.

3.1.3.1. Разработка структурной схемы математической модели привода одного канала.

3.1.3.2. Энергетический расчет привода одной кинематической цепи.

3.1.4. Математическая модель манипулятора.

3.1.5. Параметры математической модели робота с тремя параллельными кинематическими цепями.

3.2. Машинная модель робота с тремя параллельными кинематическими цепями.

3.3. Результаты математического моделирования процесса отработки программной траектории роботом с тремя параллельными кинематическими цепями.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. Разработка алгоритмов управления приводами кинематических цепей манипулятора.

4.1. Анализ объекта управления.

4.2. Исследование алгоритмов управления скоростью привода манипулятора.

4.2.1. Алгоритм оптимального управления скоростью двигателя.

4.2.2. Этап разгона двигателя и движения с постоянной скоростью.

4.2.3. Выбор оптимального способа торможения двигателя.

4.2.4. Расчет оптимального времени переключения сигнала управления при торможении двигателя способом противовключения.

4.3. Разработка алгоритмов управления процессом отработки перемещений приводами кинематических цепей манипулятора.

4.3.1. Алгоритм управления по отклонению регулируемой величины.

4.3.2. Алгоритм управления, реализующий ПИД-закон.

4.3.3. Алгоритм управления, реализующий ПИД-закон и компенсацию возмущений.

4.3.4. Адаптивная самоорганизующаяся система.

4.3.5.Алгоритм управления, реализующий нечеткий регулятор.

Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. Обоснование способа автоматизированной сборки и устройства для его реализации.

5.1. Способ сборки цилиндрических деталей с зазором и устройство для его осуществления.

5.1.1. Анализ возможных путей разработки средств автоматизации сборочных операций, и обоснование выбора базового элемента - устройства с параллельной кинематикой.

5.1.2. Разработка способа сборки цилиндрических деталей с зазором и устройства для его осуществления.

5.2. Разработка устройства захвата детали.

5.2.1. Выбор конструкции устройства захвата детали.

5.2.2. Анализ зоны распределения погрешностей относительной ориентации детали в устройстве захвата.

5.2.2.1. Устройство захвата деталей стержневого типа.

5.2.2.2. Устройство захвата деталей призматического типа.

5.3. Обоснование процесса адаптации детали в захватном устройстве призматического типа.

5.3.1. Уравнения движения осесимметричных деталей при контакте с перемещающими элементами устройства захвата.

5.3.2. Анализ геометрических связей, возникающих в процессе ориентирования соединяемой детали захватным устройством.

5.3.3. Разработка математической модели процесса ориентирования соединяемой детали захватным устройством.

5.3.4. Математическое моделирование процесса адаптации соединяемой детали захватным устройством.

5.4. Разработка алгоритма управления поиском детали на сборочной позиции.

5.5. Методика проектирования сборочного устройства.

5.6. Экспериментальные исследования этапа адаптации.

5.6.1. Определение функциональных взаимосвязей между характеристиками процесса адаптации и различными факторами.

5.6.2. Определение вероятности выполнения этапа адаптации за заданное время.

5.7. Фазовые траектории относительного и углового совмещения деталей при автоматизированной сборке.

Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка способа и средства стабилизации движения детали относительно поисковой траектории при автоматизированной сборке»

Сборка машин и агрегатов - важнейшая область машиностроения и приборостроения. Трудоемкость сборочных работ в машиностроении достигает 30 % общей трудоемкости изготовления изделия, что обусловлено большой долей малопроизводительного ручного труда, недостаточной механизацией (до 20.25 %) и низким уровнем автоматизации сборочных работ (8. 15 %) [51]. Сборочные операции, являясь завершающим этапом производственного цикла изделий, в значительной мере определяют их технико-экономические и качественные показатели. Автоматизация технологических процессов и производств является эффективным средством интенсификации производства, повышения качества и конкурентоспособности продукции. Большинство собираемых узлов содержат осесимметричные детали.

Различным аспектам автоматизации сборки посвящено достаточно много исследований отечественных ученых - Гусева A.A., Замятина В.К., Житникова Ю.З., Лебедовского М.С., Федотова А.И., Ямпольского JI.C., Яхимовича В.А., а также, зарубежных исследователей - Альмгрена Р., Б. Наджи, Кролла, Вандала, де Бойка, Шабайковича и многих других. Основное внимание при этом уделяется вопросам точности относительной ориентации деталей, гарантирующей сборку, исследованию возможностей роботизированной сборки, обеспечению вспомогательных функций сборочного устройства, описанию конструктивных вариантов средств автоматизированной сборки деталей.

Автоматизацию сборочных операций сдерживают: 1) неопределенности линейных относительных смещений и угловых рассогласований сборочных компонентов на сборочной позиции; 2) сложность алгоритмов пространственного ориентирования деталей; 3) требуемая высокая точность осевого (1-200 мкм) и углового совмещения сопрягаемых деталей в сборочном оборудовании; 4) разнообразие типоразмеров соединяемых деталей.

Технические задачи, возникающие при проектировании средств автоматизации сборки, характеризуются высоким уровнем сложности. Это, прежде всего, задачи определения параметров ориентации элементов соединяемых деталей, технологического оборудования и инструмента, задачи управления взаимным положением и ориентацией соединяемых деталей в условиях действия возмущающих факторов различной физической природы. Их решение зачастую приводит к возникновению неразрешимых противоречий между возможностями применяемой в автоматических системах элементной базы, методов управления и требованиями, предъявляемыми к автоматизированным сборочным устройствам, исходя из конструктивных и технологических особенностей собираемых деталей.

Наиболее существенными из этих противоречий являются несоответствие точности сборочного оборудования условиям совмещения сборочных компонент и недостаточный уровень производительности автоматизированного сборочного оборудования.

Для решения задачи автоматизированной сборки осесимметричных деталей с гарантированным зазором необходимо:

- исследовать динамику процесса совмещения соединяемых деталей.

- разработать специальные способы и средства управления движением соединяемых деталей.

- создать надежное и эффективно работающее универсальное сборочное оборудование.

Комплексное решение этих задач позволит автоматизировать сборочные операции для соединений с гарантированным зазором.

Таким образом, в современных условиях существует научно-техническая задача разработки универсальных средств автоматизированной сборки, обеспечивающих расширение технологических возможностей и повышение производительности сборочных операций.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Кузнецова, Светлана Владимировна

Выводы к главе 5

1. Разработан способ сборки цилиндрических деталей с гарантированным зазором и устройство для его осуществления на базе манипулятора с тремя параллельными кинематическими цепями. Разработана методика расчета его параметров.

2. Разработан алгоритм управления поиском детали на сборочной позиции.

3. Разработан и обоснован способ локальной инерционной адаптации деталей и предложена конструкция средства адаптации, реализующее его. Изложена методика расчета его параметров.

4. Проведены экспериментальные исследования предложенной конструкции средства адаптации деталей в лабораторных условиях, которые подтвердили эффективность и работоспособность разработанного способа адаптации деталей различных типоразмеров.

5. Предложен инструмент для отображения и исследования способов сборки в виде фазовых диаграмм относительного и углового совмещения деталей при автоматизированной сборке.

Заключение по диссертационной работе

В диссертационной работе были получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Разработана обобщенная модель функционирования автоматизированной сборочной системы, на основании которой проведено исследование взаимосвязей существующих методов автоматизированной сборки, выявлены направления разработки универсальных средств автоматизированной сборки.

2. Обоснован способ сборки цилиндрических деталей с гарантированным зазором на базе манипулятора с тремя параллельными кинематическими цепями, обеспечивающий расширение технологических возможностей и повышение производительности универсальных средств автоматизированной сборки. Предложено средство, реализующее его. Разработана методика проектирования предложенного универсального средства автоматизированной сборки.

3. Разработаны алгоритмы управления движением устройства с параллельной кинематикой на базе его математической модели, исследованы особенности перемещения рабочего органа устройства по программной траектории, проанализирована взаимосвязь конфигурации рабочего пространства и параметров звеньев конструкции.

4. Обоснован способ локального инерционного ориентирования. Предложено средство, реализующее его. Путем математического моделирования исследовано влияние выбора параметров конструкции ориентирующего устройства на результат выполнения процесса. Экспериментальные исследования образца устройства локального инерционного ориентирования подтвердили его работоспособность и эффективность.

5. Предложен инструмент для отображения и исследования способов сборки в виде фазовых диаграмм относительного и углового совмещения деталей при автоматизированной сборке.

191

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузнецова, Светлана Владимировна, 2011 год

1. Андрющенко В.А. Следящие системы автоматизированного сборочного оборудования. -Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979,246 с.

2. Андрющенко В.А. Следящие системы автоматизированного сборочного оборудования. JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979,246 с.

3. Базров Б.М. Модульный принцип в построении сборочного производства. // Вестник машиностроения, 1997. №1, с. 30 33.

4. Бедрин В.М., Бедрина A.B. Обзор методов и устройств автоматического ориентирования деталей при сборке.// Сборка в машиностроении, приборостроении, 2000. №2, с.7-21.

5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975.768 с.

6. Бобко В.Д., Золотухин Ю.Н., Нестеров A.A. О нечёткой динамической коррекции параметров ПИД-регулятора. // Автометрия, 1998, №1, с.50-55.

7. Борисов А. Н. Принятие решений на основе нечетких моделей: Примеры использования. Рига: Зинатне, 1990. - 184 е.

8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: 1969, 576 с.

9. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А., Теория вероятностей и её инженерные приложения. Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2000.

10. П.Гостев В.И. Синтез нечетких регуляторов систем автоматического управления. К.:"Радюаматор", 2005. -708 с.

11. Гусев A.A. Адаптивные устройства сборочных машин. М.: Машиностроение, 1979. 208 с.

12. Давыденко Э.П. Применение многофункциональной системы ЭМАГО для автоматизированной сборки: Тез. докл. На Всесоюзн. НТК «Научно-технический прогресс в технологии, механизации и автоматизации сборочных работ в машиностроении. Сборка-79». Ленинград, 1979.

13. Давыдова Н.С., Коновалов Д.А., Симаков A.J1. Анализ законов изменения углов отклонения входных звеньев дельта-робота при поисковом совмещении соединяемых деталей по спирали Архимеда. // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. №10.

14. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. - 480 с.

15. Житников Ю.З. Автоматизация сборки резьбовых соединений: Учеб. пособие. 4.1. Теоретические основы автоматизированной сборки изделий с резьбовыми соединениями. Ковров: КГТА, 1996. 132с.

16. Житников Ю.З., Симаков А.Л., Житников Б.Ю., Крылов В.Ю. Устройство для завинчивания шпилек // Автоматизация и современные технологии. -М. 1999 № 12,, с.16-19.

17. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение для принятия приближенных решений. М.: Мир, 1976. -165с.

18. Замятин В.К. Технология и автоматизация сборки. М.: Машиностроение, 1993.464с.

19. Замятин B.K. и др. Технология и оснащение сборочного производства машино приборостроения: Справочник. - М.: Машиностроение, 1995.

20. Иванов A.A. Автоматизация сборки миниатюрных и микроминиатюрных изделий. -М.: Машиностроение, 1977. 248 с.

21. Кабаева О.Н. Устройства синхронного позиционирования деталей для автоматизированной сборки // Технологическое обеспечение качества машин и приборов: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2004. -с. 132-136.

22. Кабаева О.Н. Экспериментальное подтверждение возможности синхронного позиционирования деталей различной конфигурации // Инновации в машиностроении: Сборник статей III Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2003. -с.67-70.

23. Карташев В.А. и др., Автоматическая многооперационная сборка с помощью промышленных роботов, В кн.: Роботизация сборочных процессов, М.: Наука. 1985.

24. Карташев В.А. Управление сборочными движениями манипуляционных систем./ Автореферат дисс. на соиск. уч. ст. д. ф-м. н. М., ИПМ и. М.В. Келдыша РАН, 2000 г.

25. Кильчевский H.A. Теория соударений твердых тел. Киев: Наукова думка, 1969. 249 с.

26. Кожевников С.Н., Есипенко Я.И., Раскин Я.М. Механизмы. Справочник / Под ред. С.Н. Кожевникова. -М.: Машиностроение, 1976. 784 с.

27. Козырев Ю.Г. Устройства корректировки положения сопрягаемых деталей при сборке. Сборка в машиностроении, приборостроении, 2003, №12, С. 17-21.

28. Комплексная автоматизация производства / Л.И. Волчкевич, М.П. Ковалев, М.М. Кузнецов. М.: Машиностроение, 1983. 269 с.

29. Костюк В.И., Ямпольский JI.C., Иваненко И.Б. Промышленные роботы в сборочном производстве. К.: Тэхника, 1983.

30. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: -Наука, 1979.256 с.

31. Кристаль М.Г. Стегачев Е.В. Классификация и основные типы захватных устройств промышленных роботов // Сборка в машиностроении, приборостроении. М.: «Машиностроение». 2005, №1 I.e.26-30.

32. Кузнецов М.В. Возможности нечеткого управления процессом прецизионной сборки // Инновации в машиностроении: Сборник статей III Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2003.

33. Кузнецов М.В, Симаков A.JI. Применение методов нечеткого управления в роботизированных сборочных операциях // Мехатроника, автоматизация, управление. М.: «Новые технологии». №7,2004, с.12-17.

34. Кузнецова C.B. Анализ возможностей воспроизведения позиционных и поисковых траекторий совмещения соединяемых деталей рабочим органом робота с замкнутой кинематической цепью. // Автоматизация в промышленности. 2010. №4.

35. Кузнецова C.B. Моделирование движения дельта-робота по программной траектории // Автоматизация в промышленности. 2011. №3.

36. Лебедовский М.С., Вейц B.JL, Федотов А.И. Научные основы автоматической сборки. JL: Машиностроение, 1985. 316 с.

37. Механизация и автоматизация сборки в машиностроении / A.B. Воронин, А.И. Гречухин, A.C. Калашников и др.- М.: Машиностроение, 1985. 272с.

38. Москаленко В.В. Электрический привод. М.: Академия, 2005.

39. Накано Э. Введение в робототехнику. М.: Мир, 1985.

40. Николаев В.И. Информационная теория контроля и управления. JL: Судостроение, 1973. 254 с.

41. Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложения. JL: Машиностроение, 1985. 199 с.

42. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 2. Под. ред. П.Н. Учаева. М.: Машиностроение, 1988. 544с.• f

43. Основы автоматизации машиностроительного производства./ Е.Р. Ковальчук, М.Г. Косов, В.Г. Митрофанов. Под ред. Ю.М. Соломенцева. -М.: Высшая школа, 1999.

44. Основы технологии сборки машин и механизмов. Новиков М.П., М., «Машиностроение», 1969, стр. 632.

45. Первицкий Ю.Д. Расчет и конструирование точных механизмов. Учебное пособие для вузов. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1976. 456 с.

46. Переналаживаемые сборочные автоматы / Под ред. С.А. Яхимовича. К.: Тэхника, 1979. 176 с.

47. Понтрягин Л.С. Избранные труды. М.: Наука, 1989.

48. Проектирование технологий // Под ред. Ю.М. Соломенцева,- М.: Машиностроение, 1990.

49. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машгиз, 1963. 723 с.

50. Сазыкин Ю.М., Симаков А.Л. Обоснование методов пассивной адаптации и их применения при автоматизированной сборке // Сборник научных трудов КГТА.- Ковров: КГТА, 1999, с.20-26.

51. Сборка изделий в машиностроении: Справочник. / Под ред. B.C. Корсакова, В.К. Замятина. М.: Машиностроение, 1983.480с.

52. Симаков А.Л., Кузнецов М.В. Особенности применения нечеткого управления для адаптации деталей при автоматизированной сборке // Сборка в машиностроении, приборостроении. М.: «Машиностроение». 2003,№2.с.17-19.

53. Симаков А.Л. Обоснование методов и средств адаптации соединяемых деталей на базе принципов автоматического управления и выявленныхвзаимосвязей при автоматизированной сборке // Дисс. на соискание уч. ст. д-ра техн. наук., Ковров, 2003.

54. Симаков A.JI. Реализация алгоритма стабилизации траектории в средствах адаптации для автоматизированной сборки // Сборка в машиностроении, приборостроении, М.: «Машиностроение». 2002, №9, с.14-18.

55. Симаков А. Л., Щанов JI.B. Реализация различных методов совмещения деталей в пассивных средствах адаптации сборочных роботов // Экстремальная робототехника: Материалы XII НТК, С-Пб.: СпГТУ, ЦНИИРТК, 2001, с.З 87-393.

56. Справочник конструктора точного приборостроения / Г.А. Веркович, E.H. Головенкин, В.А. Голубков и др.; Под общ. ред. К.Н. Явленского, Б.П. Тимофеева, Е.Е. Чаадаевой. Д.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1989. 792 с.

57. Тимофеев A.B. Адаптивные робототехнические комплексы. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988.322с.

58. Управление дискретными процессами в ГПС / Л.С. Ямпольский, 3. Банашак, К. Хасегава, Б. Крог, К.Такахаши, A.B. Борусан.- К.: Тэхника; Вроцлав: Изд-во Вроцлав, политехи, ин-та; Токио: Токосё, 1992. 251с.

59. Фаворин М.В. Моменты инерции тел: Справочник./ Под ред. М.М. Гернета. М.: Машиностроение, 1970. - 312 с.

60. Хубка В. Теория технических систем./ Пер. с нем. М.: Мир, 1987,208с.

61. Цлаф Л.Я. Вариационное исчисление и интегральные уравнения.- М.: Лань, 2005.

62. Юзепчук С.А. Технико-экономические основы сборочных процессов в машиностроении. М.: Машиностроение, 1977. - 230 с.

63. Юревич Е.И. Основы робототехники. Л.: Машиностроение, 1985.

64. A.c. 260384 СССР, МКИ3 49 112. Способ сборки деталей, входящих одна в другую.

65. A.c. 302220 СССР, МКИ3 В23 g 7/00. Устройство для сборки деталей цилиндрической формы.

66. A.c. 340506 СССР, МКИ3 В23 р19/04. Сканирующий сборочный механизм.

67. A.c. 357057 СССР, МКИ3 В23 р19/04. Устройство для автоматической сборки резьбовых соединений.

68. A.c. 368003 СССР, МКИ3 В23 р19/04. Устройство для сборки деталей типа вал втулка.

69. A.c. 438512 СССР, МКИ3 В23 р19/06. Устройство для сборки резьбовых соединений.

70. A.c. 476959 СССР, МКИ3 В23 р19/04. Устройство для ориентирования деталей при сборке.

71. A.c. 618245 СССР, МКИ3 В23 р 19/04. Способ ориентирования деталей при сборке.

72. A.c. 636065 СССР, МКИ3 В23 р19/04. Устройство для сборки комплекта деталей.

73. RU 2213654 МПК7 23Р 19/10 Способ наживления и сборки деталей, сопрягаемых по цилиндрическим поверхностям с гарантированным зазором и устройство для его осуществления / Житников Ю.З., Симаков А.Л., Федотов М.В. БИПМ № 19 , 2003.

74. J.P. Merlet. Parallel Robots, Second Edition: Springer, 2006.

75. Kroll E. Intelligent Assembly Planning of Triaxial Products. Concurrent Engineering: Research and Applications, vol. 2, 1994, p.p. 311-319.

76. Miriam Bilstein. Optimizing Delta Pick-and-Place Robot. // Design News. -http://www.designnews.com, 2007.

77. Parallel Manipulators. Towards New Applications. M.A. Laribi, L. Romdhane, S. Zeghloul. Advanced Synthesis of the DELTA Parallel Robot for a Specified Workspace. Viena: Tech Education and Publishing -http://www.intehweb.com., 2008. - p. 224.

78. P.J. Zsombor-Murray. Descriptive Geometric Kinematic Analysis of Clavel's "Delta" Robot. Canada.: McGill University Department of Mechanical Engineering Center for Intelligent Machines, 2004.

79. US Patent 4976582 Device for the movement and positioning of an element in space. / Reymond Clavel. 1990.