Разработка и исследование энергетически эффективного робототехнического комплекса для пакетирования грузов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат технических наук Пухова, Ольга Владимировна

• Пухова, Ольга Владимировна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пухова, Ольга Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПАКЕТИРОВАНИЯ ГРУЗОВ.

2.1 Особенности технологического процесса пакетирования грузов.

2.2 Исследование различных вариантов осуществления укладки грузов.

ГЛАВА 3. РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПАКЕТИРОВАНИЯ ГРУЗОВ.

3.1 Анализ энергетических затрат в технологическом оборудовании.

3.2 Структурная схема энергетически эффективного РТК для пакетирования грузов.

3.3. Построение технологического процесса укладки грузов.

3.4 Расчет уравновешивающей пружины.

3.5 Система управления манипулятором.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГРУЗОВЫХ ПЛАТФОРМ С РЕКУПЕРАТОРАМИ ЭНЕРГИИ.

4.1 Платформа с рекуператором энергии на базе пружинно-пневматического аккумулятора.

4.2 Грузовая платформа с рекуператором энергии на базе пневматического аккумулятора.

4.4. Сравнение свойств рекуператоров на базе пружинно-пневматического и пружинного аккумуляторов.

ГЛАВА.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Макет для экспериментального исследования свойств системы управления приводом каретки.

5.2 Измерение скорости каретки.

5.3. Измерение выбега каретки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование энергетически эффективного робототехнического комплекса для пакетирования грузов»

Разработка энергосберегающих технологий является одним из приоритетных направлений развития промышленного комплекса на ближайшие десятилетия. Если продукция предприятий промышленного комплекса представляет собой штучные грузы, то ее перевозка, как правило, производится в пакетах, установленных на стандартные поддоны. Учитывая существующие стандарты ГОСТ 11320-65, ISO 3676 и другие, все пакеты с грузами имеют ограниченный ряд размеров, определяемый размерным рядом тары, который также стандартизован. Учитывая также объем пакетных перевозок, который исчисляется сотнями миллиардов тонн в год [55] можно сказать, что операция формирования пакетов на стандартном поддоне -пакетирование, является массовой, практически одинаковой для большинства грузов и ее автоматизация является, несомненно, актуальной задачей.

На современных промышленных предприятиях до 80% погрузочно-разгрузочных операций осуществляется с применением ручного труда. Применение средств автоматизации при пакетировании сдерживается их высокой- стоимостью и высоким энергопотреблением. Анализ применения промышленных роботов для осуществления операций по пакетированию грузов показывает, что в общей доле областей использования она составляет не более 5 %.

В настоящее время на рынке представлено большое количество универсальных роботов, которые могут быть использованы в частности для осуществления операции, пакетирования. Однако универсальность этих роботов предъявляет к ним высокие требования по точности и жесткости конструкции, увеличивая при этом массу подвижных частей и стоимость. Увеличение массы подвижных частей робота приводит к излишнему энергопотреблению, которое в масштабах всего комплекса промышленных предприятий приводит к значительным экономическим потерям. Все это является причиной того, что промышленные роботы (ПР) редко используются для осуществления такой массовой технологической операции как пакетирование.

Перечисленные выше соображения показывают, что для операции пакетирования целесообразна разработка специализированных робототехнических комплексов (РТК) с одновременным решением задачи снижения энергопотребления. Однако их развитие и внедрение сдерживается недостатком исследований в этой области, позволяющим перейти к их разработке.

Материал данной диссертации объединен задачей снижения энергопотребления в робототехнических комплексах, предназначенных для пакетирования грузов посредством системного подхода при их проектировании. В силу всего сказанного выше тема данной диссертации представляется актуальной.

Целью диссертации является разработка методик расчета, проектирования и исследования энергетически эффективных робототехнических комплексов для пакетирования грузов, а также вспомогательного оборудования к ним.

Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

1. Анализ типовых технологических процессов пакетирования грузов и оценка их параметров, в том числе энергетических; разработка критериев энергетической эффективности процесса пакетирования; исследование путей минимизации энергозатрат при пакетировании.

2. Анализ распределения энергетических затрат в технологическом оборудовании для пакетирования грузов; разработка основных рекомендаций по повышению энергетической эффективности РТК для пакетирования; разработка новых принципов построения и работы РТК с использованием предложенных рекомендаций.

3. Разработка системы управления региональными перемещениями промышленного робота ПР, отвечающей требованиям к технологическому процессу пакетирования, а также рекомендациям по снижению энергозатрат в РТК.

4. Разработка методологии построения грузовых платформ на базе пневматического и пружинно-пневматического аккумуляторов путем построения и исследования их математических моделей.

5. Экспериментальное исследование макета манипулятора для осуществления предложенного технологического процесса пакетирования и сопоставление результатов исследования с аналитическими результатами.

Научная новизна работы состоит в следующем: показано, что существенное снижение энергозатрат при пакетировании грузов может быть достигнуто путем рационального построения технологического процесса пакетирования; разработаны основные рекомендации по снижению энергетических затрат в РТК для пакетирования; предложены новые принципы построения и схемные решения энергетически эффективных РТК для пакетирования грузов; разработана методика проектирования грузовых платформ оснащенных рекуператорами энергии на базе пружинно-пневматического и пневматического аккумуляторов; предложены новые схемные решения грузовых платформ с рекуператорами энергии на базе пневматического и пружинно-пневматического аккумуляторов;

В первой главе работы проводится анализ применения средств автоматизации для осуществления операции пакетирования грузов.

Проводится обзор научно-технической и патентной литературы посвященной промышленным роботам. Основное внимание уделено исследованию публикаций, посвященных энергетическим затратам в промышленных роботах и РТК.

Во второй главе работы исследуется технологический процесс пакетирования грузов, определяются его основные параметры. Вводятся критерии энергетической эффективности технологического процесса пакетирования. Предложен оптимальный машинный технологический процесс пакетирования грузов, удовлетворяющий введенным критериям. Формулируются основные требования к роботам и вспомогательному технологическому оборудованию, в частности к грузовым платформам.

В третьей главе проводится анализ распределения подводимой энергии в оборудовании для пакетирования* грузов. На основе результатов этого анализа разработаны рекомендации по снижению потребления энергии в РТК. Предлагаются схемные решения энергетически эффективного РТК для пакетирования грузов. Разрабатывается система управления промышленным роботом РТК, позволяющая-решить проблему плотной загрузки поддона-, а также снизить энергопотребление РТК.

В четвертой главе разрабатываются и исследуются схемные'решения грузовых платформ, которые могут быть использованы, как в составе РТК, так и в составе пакетоформирующих машин. Основной особенностью этих платформ является наличие в них рекуператоров энергии на базе пружинно-пневматического или пневматического аккумулятора, позволяющих использовать потенциальную энергию грузов для их вертикального перемещения. Для- каждой из платформ составляются математические модели, на основе исследования которых разрабатывается, методика их проектирования. Для платформы с пневматическим аккумулятором решается задача получения квазилинейной характеристики перемещения платформы.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям предложенного РТК. Приводятся результаты опытной проверки адекватности предложенных в главе 3 методов расчета параметров системы управления.

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Пухова, Ольга Владимировна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Проведен анализ типовых технологических процессов пакетирования грузов и определены основные особенности операции пакетирования. На основе этого анализа определены основные пути оптимизации технологического процесса в сторону снижения потребления энергии при его осуществлении.

Показано, что рациональное построение технологического процесса позволяет в значительной степени снизить потребление энергии в оборудовании доля пакетирования.

Разработаны критерии энергетической эффективности технологического процесса пакетирования, которые позволяют из множества вариантов построения технологического процесса выбрать наиболее рациональный.

Предложен наиболее рациональный технологический процесс пакетирования грузов.

Исследовано распределение энергетических затрат в технологическом оборудовании для пакетирования грузов; на* основе этого исследования разработаны основные рекомендации по повышению энергетической эффективности робототехнических комплексов для пакетирования грузов.

Предложены новые схемные решения РТК для- пакетирования грузов характеризующиеся пониженными затратами энергии. Предложена система управления региональными перемещениями ПР отвечающая требованиям к технологическому процессу пакетирования, а также снижающая энергозатраты в РТК.

Разработана методика проектирования грузовых платформ на базе пружинного и пружинно-пневматического аккумуляторов на основе построения и исследования их математических моделей.

9. Предложены схемные решения платформ с рекуператорами энергии на базе пневматического и пружинно-пневматического аккумуляторов.

10. Проведено экспериментальное исследование макета манипулятора для осуществления предложенного технологического процесса пакетирования.

11. Проведены экспериментальные исследования предложенной системы управления региональными перемещениями РТК, которые доказали работоспособность системы, а также корректность допущений, заложенных при построении математической модели.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пухова, Ольга Владимировна, 2010 год

1. Аветиков Б.Г., Смольников Б.А., Сорин В.М. Некоторые вопросы синтеза кинематических схем манипуляторов. — В кн.: Теория, принципы устройства и применения роботов и манипуляторов. Л.Машиностроение, 1974. 231 е.: ил.

2. Андре П., Кофман Ж.-М. и др. Конструирование роботов / под редакцией д.т.н. A.M. Домова. М.: Мир, 1986. - 352 е.: ил.

3. Андреенко С.И., Ворошилов М.С., Петров Б.А., Проектирование приводов манипуляторов Л. Машиностроение, 1975, 312с. 7

4. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е. Робототехника: современное состояние, проблемы. Вестник АН СССР, 1974 №9, с.32-45. 2

5. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е. Роботы. — Машиноведение, 1970, №5 с.3-11. 11

6. A.C. 1283083 (СССР) Привод перемещения звеньев / В.Л. Жавнер, Г.Г. Ежов, H.A. Феоктистова // Б.И. 1987 , №2.53

7. A.C. 1414630 (СССР) Привод перемещения звеньев / В.Л. Жавнер, С.П. Зинкевич// Опубл. в Б.И., 1988, №29 .58

8. A.C. 1187985 (СССР) Вакуумное захватное устройство / Н.Г. Двужилов. опубликован в Б.И., 1985, №40. 51

9. A.C. 1303399 (СССР) Привод робота /Т.С. Анкифриев. Опубл. в Б.И., 1987, №11 54

10. Белов С.Ю., Егоров Ю.Н., Эскенази М.С., Синтез алгоритма управления приводами манипулятора с упругими звеньями // Робототехника. JL, 1981. - с.15-19. 66

11. Бойцов. Ю.А. Механизация погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ в пищевой промышленности. СПб.: СПбГУНиПТ, 2003.-326 с.

12. Болотин Л.М. Анализ кинематических структур промышленных роботов. — Машиноведение, 1984, №2, с.33-39.78

13. Бурдаков С.Ф., Дьяченко В.А., Тимофеев А.Н., Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. М.: Высшая школа, 1986, 262с.

14. Виноградов М.Б., Кобринский А.Е., и др. Методы объемов и «сервис» манипуляторов. Машиноведение, 1969, №3, с. 17-20. 91

15. Водопьян, П.О., Нехода B.F. Выбор оптимальных параметров позиционного гидропривода автоматического манипулятора // Вестник машиностроения. №4. - 1979. - С. 7-11.

16. Говзман Б.И., Водопьян П.О., Новик A.M. Анализ энергетического баланса гидросистемы автоматических манипуляторов. В кн. Промышленные роботы. Л.: Машиностроение, 1977, с. 74-77.

17. Говзман Б.И., Костюк Состояние и перспективы применения промышленных роботов и манипуляторов в пищевой промышленности,

18. Говзман Б.И., Проектирование гидроприводов и систем управления промышленными роботами: Методические рекомендации. М.: НИИМаш, 1979. - 62 с.

19. ГОСТ 11320 — 65. Система размеров ящиков и потребительской тары для товаров народного потребления М.: Изд-во стандартов, 2001. — 22 е.: ил

20. ГОСТ 9078 84. Поддоны плоские. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2001. - 8 е.: ил

21. ГОСТ 21140 88. Тара. Система размеров. М.: Изд-во стандартов, 2001.-10 е.: ил

22. ГОСТ 24597 81. Пакеты тарно-штучных грузов. Основные параметры и размеры. М.: Изд-во стандартов, 2001. — 12 е.: ил

23. Динамика манипулятора и адаптивное управление /В.А. Малышев, A.B. Тимофеев. Автоматика и телемеханика, 1981, №8, с.90-98. 110

24. Егоров Ю.Н. Системы привода роботов. Л.:ЛГУ, 1982.336 с. 115

25. Елимелих Е.М., Жавнер В.Л., Наумова А.Б. Универсальный полиграфический робот.// Всесоюзное совещание по методам расчета полиграфических машин-автоматов. Тезисы докладов. Львов 1987, с.87. 117

26. Ерош И.Л., Игнатьев М.Б., Адаптивные системы управления промышленными роботами. М.: НИИМаш, 1976. 59 с.

27. Жавнер В.Л. Крамской Э.И. Погрузочные манипуляторы. Под редакцией проф. А.И; Колчина. Л.: Машиностроение, 1975. 160 е.: ил.

28. Жавнер В.Л., Макаренко A.B., Ежов Г.Г. Система управления промышленного робота для пакетирования тарно-штучных грузов. Холодильная техника. 1987, №9, с. 10-12. 136

29. Жавнер В.Л., Сорокин ТО.П., Исследование энергетических свойств манипулятора. Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума «Проблема человек-машина на морских судах». Л;: Судостроение, 1975, с. 160-161. 125

30. Жавнер В.Л., Феоктистова . I.A. Применение приводов: с аккумулированием энергии в промышленных роботах для автоматизации ручных и вспомогательных работ в пищевой промышленности. Л.: 1985.

31. Жавнер В.Л. Павлова Г.В. Тенденции механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ с помощью промышленных роботов и манипуляторов в мясной промышленности. -М.: АфоНИИТЭИММП, 1989.-36 с.

32. Жавнер М.В. Методы расчета и проектирования исполнительных устройств робототехнических систем на базе пружинных механизмов: дис. канд. техн. наук: 02.05.02: защищена 24.06.2003 / Жавнер Милана Викторовна. СПб, 2003. - 132 с. - Библиогр.: с. 125-130.

33. Камышный Н.И., Павленко И.И. Кинематика промышленных роботов. Вестник машиностроения;, 1975, №1,с63-65.Г50>

34. Кобринский A.A., Никомаров Я.С. О геометрических свойствах плоской манипуляционной системы.-В 130, 1979, с.124-134. 161

35. Кобринский А.Е., Степаненко Ю.А. Некоторые проблемы теории манипуляторов. В кн.: Механика машин. М.: Наука, 1967, вып. 7-8, с.4-23.

36. Козырев Ю.Г. Житомирский C.B., Сидоренко И.А., Выбор геометрических параметров робота с шарнирной рукой. Станки и инструмент 1980, №6, с.3-4.

37. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. М.: Машиностроение, 1983, 376 с. 172

38. Корендясев А.И. Автоматические манипуляторы с приводом на основании. Станки и инструмент, 1980, №12, с.5-8. 183

39. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. и др. Принципы построения двигательной системы автоматических манипуляторов с программным управлением (промышленных роботов) Станки и инструмент, 1976, №4, с.3-10. 186

40. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Особенности кинематических схем автоматических манипуляторов с программным управлением. Станки и инструмент, 1981, №2, с. 15-19.

41. Крайнев А.Ф., Словарь-справочник по механизмам. М.: Машиностроение, 1981. —438 е.: ил.

42. Кулешов B.C., Лакота H.A. Динамика систем управления манипуляторами. М.: Энергия, 1971. - 304с.: ил.

43. Кулешов B.C., Ющенко A.C. Некоторые алгоритмы позиционного управления манипуляционными роботами. Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, 1977, №1, с 67-70. 194

44. Медведев В. С., Лесков А.Г., Ющенко A.C. Системы управления манипуляционных роботов. Под редакцией Е.П. Попова. М.: Наука, 1978,-416 с.

45. Метод определения минимальной длины манипулятора робота, обслуживающего рабочую зону с препятствием. — Аветиков- Б.Г., Корытко О.Б., Барт М.Е. и др. В кн.: Промышленные роботы. JL: Машиностроение, 1977 с.48-54. 211

46. Михайлов С.А. Черноусько Ф.Л. Исследование динамики манипулятора с упругими звеньями. // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1984. - №2. — с.51 — 58.

47. Нагорный B.C., Денисов. A.A. Устройства гидро- и пенвмосистем: Учебное пособие техн. вузов. -М.: Высшая школа, 1991. 367 е.: ил.

48. Никифоров С.О., Смольников Б.А. Оптимизация параметров трехзвенного манипулятора. В 104, с. 45-50.

49. Никомаров Я.С. Об одном свойстве многозвенного манипулятора. -Машиноведение, 1981, №4, С. 10-15.

50. Основы проектирования следящих-систем / Под ред. H.A. Лакоты. М.: Машиностроение, 1978, 391 с.

51. Павленко И.И. Конструктивные и кинематические варианты промышленных роботов. М.: Вестник машиностроения, 1980, №11, с.3-5.

52. Пашков А. К., Полярин Ю. Н. Пакетирование и перевозка тарно-штучных грузов. М: Транспорт, 2000, 254с

53. Пакетоформирующие машины. / А.П-. Кривопляс, A.A. Кукибный, А.П. Беспалько и др. М.: Машиностроение, 1982. — 239 с.

54. Пейсах Э.И. Метод кинематического анализа манипуляторов произвольной структуры. В кн.: Промышленные роботы. JL: Машиностроение, 1977, с. 54-63.

55. Пневматические комплектующие для автоматизации и механизации в промышленности : каталог : разработчик и изготовитель Pneumax S.p.a. / версия 27.06.2008. М., 2008. -700 с.

56. Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора: пер. с английского. М.: Наука, 1976.-104 е.: ил.

57. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов. Учеб. для вузов. — М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2002. — 320с.: ил.

58. Попов Е.П. Управление роботами-манипуляторами. Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, 1974, №6. 241

59. Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зинкевич C.JI. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы. М.: Наука, 1978, 398 с. 242

60. Принцип наименьшего принуждения Гаусса для моделирования на ЦВМ динамики роботов-манипуляторов. «Доклады АН СССР», 1975, т. 220, №1,с.51-53:88

61. Промышленные роботы для сварки. Патон Б.Е., Спыну Г.А., Тимощенко В.Г. Киев: Наукова думка, 1977. - 288с.

62. Сбалансированные манипуляторы. Под ред. Белянина.

63. Ратмиров В.А. Управление станками гибких производственных систем. М:Машиностоение, 1987. -272 е.: ил.

64. Смольников Б.А. Векторно-матричный аппарат в кинематике составного тела. Динамика и прочность машин. Сборник научных трудов.Д.: ЛПИ им.Калинина, 1982, С. 24 - 29. 254

65. Степаненко Ю.А. Некоторые вопросы оптимального управления-манипуляторами. В'кн.: Механика машин. М.: Наук, 1969, вып.21-22, с. 86-96. 257

66. Сурнин Б.Н. Баранов А.Г. и др. Промышленые роботы. Структура, типы, характеристика. Машиноведение, 1973, №6, с. 6-10. 260

67. Сурнин Б.Н., Степанов В.П., Калабин И.В. и др. Особенности конструкции роботов модульного типа. Станки и инструменты, 1978 №7 с.10-15. 261

68. Тетяев Е., Волегов А., Таран А. Частотно регулируемый электропривод крановых механизмов. Силовая электроника, 2007, №4(14), СПб.: Файнстрит.

69. Тимофеев A.B. Адаптивные робототехнические комплексы. JL: Машиностроение, 1988. 332 с.:ил.

70. Тимофеев A.B. Построение адаптивных систем управления программным движением. М.: Энергия, Ленинградское отделение, 1980, 88 с. 264

71. Тимофеев А.Н. Принципы и алгоритмы построения адаптивных систем управления роботов. В кн. Робототехника. Л.:ЛПИ, 1977, с.35-43.

72. Устройство промышленных роботов / Е.И. Юревич, Б.Г. Аветиков, О.Б. Корытько и др. М.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1980. -333 с.

73. Управляющие системы промышленных роботов / Ю.Д. Андрианов, Л.Я. Гейзер, М.Б. Игнатьев и др. Под общей ред. Н.П. Макарова, В.А. Чиганова. -М.: Машиностроение, 1984. 288с.

74. Фролов К.В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиноведения. -М.: Машиностроение, 1984. 280

75. Челпанов И.Б., Колопашников С.Н. Схваты промышленных роботов. Л.: Машиностроение, 1989, 326 с.

76. Челпанов И.Б. Устройство промышленных роботов. Л.Машиностроение, 1991. — 139 е.: ил.

77. Шахинпур М. Курс робототехники: пер. с англ. М.: Мирб 1990. - 527 е.: ил.

78. Юревич Е.И. Аветиков Б.Г. Корытько О.Б. Классификация промышленных роботов // Промышленные роботы. — Л.: Машиностроение, 1977. С. 4-12.

79. Юревич Е.И. Телешев Н.С. Проблемы очувствления роботов. В кн. Промышленные роботы. - М.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1979, вып.2, с.11-20. 292

80. ISO 3676 Packaging unit load sizes Dimensions. Электронный ресурс. - Режим доступа:http://www.iso.org/iso/cataloguedetail.htm?csnumber=9136 Дата обращения: 10.10.2010.

81. ISO 6780:2003 Flat pallets for intercontinental materials handling -Principal dimensions and tolerances Электронный ресурс. Режим доступа:http://www.iso.org/iso/isocatalogue/cataloguetc/cataloguedetail.htm7csn umber=30524 Дата обращения: 10.10.2010.

82. ABB: Product selector Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.abb.com/product/ap/seitp327/885acba02219182bcl257066003f8 63a.aspx Дата обращения: 10.10.2010.

83. Fanuc: Industrial Robot A to Z Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.fanucrobotics.com/products/robots/AtoZ.aspx Дата обращения: 10.10.2010.

84. Kawasaki Robotics Line -Up Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.kawasakirobotics.com/products/?page=robots Дата обращения: 10.10.2010.

85. Kuka: Our Industrial Robots Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.kuka-robotics.com/usa/en/products/industrialrobots/ Дата обращения: 10.10.2010.