Разработка методов анализа геометрических погрешностей манипуляционных механизмов промышленных роботов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат технических наук Цзяо Готай

• Цзяо Готай
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Цзяо Готай

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ В ИССЛЕДОВАНИИ ТОЧНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

1.1. Точностные характеристики промышленных роботов

1.2. Обзор работ по исследованию и оценке точностных характеристик промышленных роботов

1.3.Выводы, цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАНИПУЛЯЦИОННЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА

2.1. Факторы, влияющие на точностные характеристики промышленного робота

2.2. Аналитический метод расчета погрешности позиционирования и ориентации промышленного робота

2.3.Суммарная погрешность позиционирования и ориентации промышленного робота

2.3.1.Погрешность позиционирования и ориентации, вызванная первичными погрешностями

2.3.2.Погрешность позиционирования и ориентации, вызванная погрешностями обобщенных координат

2.3.3.Погрешность позиционирования и ориентации, вызванная упругими деформациями звеньев исполнительного устройства

2.3.3.1.Определение перемещений функциональных звеньев

промышленного робота

2.3.3.2.Преобразования однородных координат при

внешнем возмущении

2.3.3.3.Влияние упругих деформаций звеньев на положение и

ориентацию рабочего органа

ВЫВОДЫ

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

МАНИПУЛЯЦИОННЫХ МЕХАНИЗМОВ ПАРТИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

3.1.Типы расположения рабочего органа относительно объекта

3.2. Распределение погрешностей геометрических параметров и

обобщенных координат промышленных роботов

3.2.1.Определение числовых характеристик первичных

погрешностей

3.2.2.Определение числовых характеристик погрешностей

обобщенных координат

3.3. Аналитический метод определения точностных характеристик партии промышленных роботов

ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ НА ЭВМ

4.1. Метод имитационного моделирования точностных характеристик промышленных роботов

4.1.1. Воздействие средних значений геометрических параметров на точностные характеристики промышленных роботов

4.1.2.Воздействие стандартных отклонений на точностные характеристики промышленных роботов

4.1.3.Точность, повторяемость и вероятность успешного позиционирования и ориентации

4.2. Программное обеспечение

-34.2.1 .Программа для моделирования точностных характеристик

промышленных роботов

4.2.2.Программа для вычисления кинематической погрешности

и мертвого хода передаточных механизмов

ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов анализа геометрических погрешностей манипуляционных механизмов промышленных роботов»

Введение

Растущие потребности производства в выпуске качественной продукции обусловливают все более широкое применение в промышленности средств автоматизации. Большинство технологических операций на производстве осуществляется специализированными машинами, которые, как правило, дороги и не обладают гибкостью. В связи с этим все больший интерес проявляется к использованию промышленных роботов (ПР), способных выполнять различные производственные функции в обстановке гибкого производственного процесса.

Интенсивное использование в настоящее время и перспективе ПР обусловлено рядом причин. Во-первых, увеличение выпуска продукции обеспечивается за счет внедрения новой техники и прогрессивной технологии при широком внедрении средств автоматизации. Во-вторых, внедрение ПР приводит к существенному сокращению доли ручного, тяжелого и монотонного труда. В-третьих, роботизация производства дает большой экономический эффект.

Автоматизация производственных процессов является одним из самых существенных факторов повышения производительности труда. Широкое использование ПР как элементов автоматизации производства обеспечивает решение этой задачи в первую очередь в серийном и мелкосерийном производстве. Кроме того, ПР создают предпосылки для перехода к качественно новому уровню автоматизации

— созданию автоматизированных производственных систем, работающих с минимальным участием человека.

На передовых производствах создаются так называемые гибкие поточные линии, оснащенные роботами. Применение ПР наиболее эффективно в условиях частой смены объектов производства, а также для автоматизации ручного неквалифицированного труда.

В области машиностроения все более расширяются функциональные возможности ПР. В гибкой производственной системе механообработки ПР осуществляет установку заготовки на станок, снятие обработанной детали и установку ее в кассету, замену инструмента и другие функции. При дуговой и точечной сварке, резке, термоупрочнении ПР может выступить как основное технологическое оборудование. К рабочему органу (РО) ПР крепится электрод, источник излучения энергии или струя краски. В литейном, кузнечно-штамповочном производстве и при гальванообработке ПР заменяет человека в опасных и вредных условиях работы, осуществляя перемещение детали между операциями. Особенно важно применение ПР в процессе автоматизации сборочного производства.

Большинство манипуляционных механизмов ПР, по сути, представляют собой пространственные позиционирующие механизмы. Их функционирование сводится к воспроизведению заранее запрограммированной последовательности движений. В результате ПР применяются в основном для выполнения транспортных, многократно повторяющихся операций. Поэтому одной из важнейших характеристик функционирования ПР является его точность позиционирования.

-6В связи с развитием современного машиностроения, позволяющего обеспечить высвобождение человека из производственного процесса, требование к точности технологического оборудования непрерывно возрастает. Особенно важно учитывать точность ПР, используемых в гибкой производственной системе и станочных модулях. При этом проблема точности в машиностроительном производстве должна рассматриваться комплексно для всего производственного процесса.

В настоящее время промышленные роботы находят все более широкое применение не только для выполнения транспортных технологических операций, но и при выполнении точных технологических операций типа сборки и контроля размеров [42,46]. В последние годы автоматизация сборочных операций развивается крайне медленно. Это обусловлено тем, что значительная часть промышленных роботов выпускаемых в настоящее время промышленностью не может быть использована для производства сборочных работ, так как они не отвечают требованиям надежности, точности и универсальности. Для выполнения таких технологических операций к промышленным роботам предъявляется повышенное требование по точности. Поэтому развитие современной робототехники неразрывно связано с повышением точностных показателей функционирования промышленных роботов и робототехнических систем.

Задачи точного позиционирования решаются при разработке прецизионного металлообрабатывающего оборудования. Однако в робототехнике проблема точности механизмов обладает существенными особенностями. При

выполнении технологических операций требуют не только обеспечения точности позиционирования рабочего органа промышленного робота, но и его точности ориентации. В то же время для эффективного использования промышленного робота в технологическом процессе важно не только получить его высокую начальную точность, но и сохранить ее в течение всего периода эксплуатации.

Кроме того, для повышения конкурентоспособности серийно выпускаемых промышленных роботов важно получить высокие точностные характеристики не только для конкретного экземпляра робота, но и для партии роботов. Для достижения этого необходимо оценить точностные характеристики партии роботов в целом.

Традиционный подход при исследовании точности промышленных роботов обычно состоит в том, что сосредотачивается внимание на различных аспектах проблемы, т.е. ограничиваются исследованием отдельных вопросов. Однако на современном этапе необходимым становится исследование взаимодействия факторов, влияющих на точностные характеристики промышленных роботов. В настоящее время мало работ посвящено проблеме оценки точностных характеристик манипуляционных механизмов партии промышленных роботов. Поэтому на современном этапе развития робототехники эта проблема становится актуальной. И следовательно актуальной будет разработка методов и средств оценки точностных характеристик партии промышленных роботов. При этом закладываются предпосылки для нормирования точности их функционирования.

Основной целью настоящей работы является оценка точностных характеристик манипуляционных механизмов с

позиций обеспечения высокой точности функционирования промышленных роботов.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

1. В процессе анализа кинематики промышленного робота предложены метод и методика вычисления погрешности позиционирования и ориентации его рабочего органа на основе выявленной взаимосвязи между направляющими косинусами матрицы Denavit-Hartenberg и углами "рамки", что позволяет существенно упростить процедуру расчета точностных характеристик промышленного робота.

2. Разработан метод вычисления погрешности позиционирования и ориентации рабочего органа промышленного робота, вызванной упругими деформациями функциональных звеньев исполнительного устройства.

3. Разработаны аналитический метод и метод имитационного моделирования для определения точностных характеристик партии промышленных роботов.

4. Разработаны алгоритмы и программы, которые позволяют определить точностные характеристики партии промышленных роботов методом имитационного моделирования.

На защиту выносятся следующие основные вопросы: аналитический метод вычисления погрешности позиционирования и ориентации рабочего органа ПР, метод вычисления погрешности позиционирования и ориентации рабо-

чего органа ПР, вызванной упругими деформациями функциональных звеньев исполнительного устройства ПР, аналитический метод и метод имитационного моделирования для определения точностных характеристик партии ПР.

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Цзяо Готай

вывопы

1. Для определения точностных характеристик ПР аналитический метод достаточно сложен и на практике более удобен использовать метод имитационного моделирования. Результаты определения точностных характеристик плоского манипуляционного робота показывают, что результаты, полученные аналитическим методом и методом имитационного моделирования, практически совпадают .

2. Программное обеспечение для моделирования точностных характеристик позиционирования и ориентации рабочих органов ПР позволяет определить точностные характеристики ПР методом имитационного моделирования .

3. Разработана программа вычисления кинематической погрешности и мертвого хода передаточных механизмов .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования позволили получить следующие выводы и результаты:

1. Выявлены факторы, влияющие на точность позиционирования и ориентации рабочего органа промышленного робота.

2. Представлен матричный метод вычисления погрешности позиционирования и ориентации рабочего органа промышленного робота с использованием углов "рамки" и эйлеровых углов. Это позволяет значительно упростить процедуру расчетов ориентации рабочего органа в результате перехода от использования девяти углов, определяемых по способу Denavit-Hartenberg, к трем углам "рамки" или Эйлера.

3. Разработан метод вычисления погрешности позиционирования и ориентации рабочего органа промышленного робота, вызванной упругими деформациями функциональных звеньев исполнительного устройства.

4. Разработаны аналитический метод и метод имитационного моделирования для определения точностных характеристик промышленных роботов.

5. Разработана программа, которая позволяет определять точностные характеристики промышленных роботов методом имитационного моделирования.

6. Создана база данных и составлены программы для вычисления кинематической погрешности и мертвого хода передаточных механизмов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Цзяо Готай, 1999 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бегун П.И., Шукейло Ю.А. Механизмы промышленных роботов и манипуляторов. -Ленинград, 1981.

2. Бородачев H.A. Анализ качества и точности производства. -М.: Машгиз, 1946. 252с.

3. Бруевич Н.Г. О точности механизмов. М. -JI., Изд-во Акад. Наук СССР, 1941. 50с.

4. Бруевич Н.Г. Точность механизмов. М. -JI., Гостех-издат, Образцовая тип. в Мск., 194 6.

5. Бруевич Н.Г. Основы теории точности механизмов и теория реальных механизмов. М., 1951.

6. Бруевич Н.Г., Сергеев В.И. Основы нелинейной теории точности и надежности устройств. -М. : Наука, 1976. 136с.

7. Бурдаков С.Ф. и др. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплектов. -М.: Высш.шк., 1986. 264с.

8. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. -М.: Наука, 1988, 480с.

9. Вопросы технологической надежности. /Под ред. И.В. Дунина-Барковского. -М.: Стандарты, 1974. 164с.

Ю.Воробьев Е.И., Егоров О.Д., Попов С.А. Расчет и проектирование механизмов. -М. : Высш. шк. 1988 . -367с.

11. Гинзбург Е.Г., Голованов Н.Ф., Фирун Н.Б., халеб-ский Н.Т., Зубчатые передачи. Справочник. -JI. : Машиностроение, 1980, 416с.

-12612. Голубенцев М.Д., Халфен A.A. Некоторые вопросы оценки качества роботов-манипуляторов. -В сб.: Робототехника. Л.: ЛПИ, 197 6, с.29-33.

13. ГОСТ 1643-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски. Взамен ГОСТ 1643-72; Введ. 01.07.81. -М. : Изд-во стандартов, 1985.

14. ГОСТ 9178-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические мелкомодульные. Допуски. Взамен ГОСТ 917 8-72; Введ. 01.07.82. -М. : Изд-во стандартов, 1987.

15. ГОСТ 21098-82. Цепи кинематические. Методы расчета точности. Взамен ГОСТ 21098-75; Введ. 01.01.84. -М.: Изд-во стандартов, 1986.

16. ГОСТ 1758-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые конические и гипоидные. Допуски. Взамен ГОСТ 1758-7 6; Введ. 01.01.82. -М. : Изд-во стандартов, 1987.

17. ГОСТ 9368-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые конические мелкомодульные. Допуски. Взамен ГОСТ 9368-60; Введ. 01.07.82. -М. : Изд-во стандартов, 1981.

18. ГОСТ 10242-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые реечные. Допуски. Взамен ГОСТ 10242-68; Введ. 01.01.82. -М. : Изд-во стандартов, 1981.

19. ГОСТ 13506-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые реечные мелкомодульные. Допуски. Взамен ГОСТ 13506-68; Введ. 01.01.82. -М.: Изд-во стандартов, 1981.

-12720. ГОСТ 3675-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи червячные цилиндрические. Допуски. Взамен ГОСТ 3675-56; Введ. 01.01.82. -М.: Изд-во стандартов, 1986.

21. ГОСТ 9774-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи червячные цилиндрические мелкомодульные. Допуски. Взамен ГОСТ 9774-61; Введ. 01.01.82. -М. : Изд-во стандартов, 1987.

22. ГОСТ 9562-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба трапецеидальная однозаходная. Допуски. Взамен ГОСТ 9562-60; Введ. 01.01.82. -М.: Изд-во стандартов, 1982.

23. Гринин А.Н., Козлов А.Г., Родионов И. В. Экспериментальные исследования точности позиционирования промышленного робота для закрытых прессов. "Вопр. Автоматиз. Произв. Процессов и использ. Сил. Импульс. Систем." Новосибирск, 1984. С.3-11.

24. Гринин А.Н., Смирнова E.H., Козлов А.Г. Формирование функций надежности позиционирования ПР. //Анализ, динамика и применение силовых импульсных систем. -Новосибирск, 1986. С.56-58.

25.Дарков A.B., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов: Учеб. Для техн. вузов—5-е изд., перераб. И доп. —М.: Высш. Шк., 1989. —624 е.: ил.

26. Дмитриев Б.И., Кузнецов В.П. Изменение во времени точностных характеристик измерительной системы станка с ЧПУ. -Изв. Вузов. Машиностроения, 1982. №8, с.129-133.

27. Дружинин Г.В., Девочеко А.Н. об исследовании параметрической надежности механических устройств ме-

тодом моделирования. -Надежность и контроль качества, 1980, №8, с.3-9. 28. Егоров О.Д. Механика и конструирование роботов. -М.: Изд.-во "СТАНКИН", 1997. -510с.

2 9. Егоров О.Д. Точность манипуляционных механизмов

роботов: Учебное пособие. -М.: МПИ, 1989. -104с.

30. Ермаков С.М. Метод Монте-Карло и смежные вопросы. -М.: Наука, 1975, 471с.

31. Жилинский О.В., Капанец Э.Ф., Зусман И.А. Эксплуатационная надежность металлорежущих станков. Минск, Наука и техника, 1976. 160с.

32. Иванов E.H. Вероятностный подход к оценке погрешности положения исполнительного устройства ПР. Автореферат... к.т.н. -М.: МИЭМ, 1985.

33. Ивченко Г.И., Медведев Ю.И. Математическая статистика: Учеб. Пособие для втузов. —2-е изд., доп. —М.: Высш. Шк., 1992. —304с.: ил.

34. Игнатьев A.A. Исследование погрешности позиционирования автоматических манипуляторов портального типа. -Изв. вузов. Машиностроение, 1983, №3, с. 5054 .

35. Игнатьев A.A. Разработка методов повышения производительности и точности позиционирования автоматических манипуляторов портального типа. -Дис... канд.техн.наук, -М.: 1984. 227с.

3 6. Капанец Э.Ф. Исследование закономерностей измене-

ния функциональных параметров металлорежущего оборудования (на примере плоскошлифовальных станков с круглым столом и вертикальным шпинделем). -Дисс. канд.техн.наук, 1973.

-12937. Капанец Э = Ф.- Кузьмич К.К., Прибыльский В.И., Ту-лигузов Г. В. Точность обработки при шлифовании. /Под ред. П.И.Ящерицына, -Мн.: Наука и техника, 1987.152с.

38. Карбовский В.П. Влияние тепловых деформаций на точность позиционирования промышленных роботов. -Обмен производственно-техническим опытом, 1987, №3, с.18-21.

39. Карбовский В.П. Разработка и совершенствование методов повышения точностной надежности динамических систем промышленных роботов. -Дисс. канд.техн.наук, -Минск, 1992.

40. Кобринский A.A., Кобринский JI.A. Мобильность и точность манипулятора. -Машиноведение, 1976, №3, с.3-9.

41.Колискор А.Ш. Исследование точности движения схвата ПР в пространстве. //Машиноведение. 1989. №1, с.56-63.

42.Коловский М.З. О точности механизмов промышленных роботов. -Известия вузов. Технология легкой промышленности, 198 6, №1, с.109-114.

43. Кондратьева Т.е. Исследование точности позиционирования промышленных роботов, применяемых при выполнении токарных операций. -Дис... канд. техн. наук, -Л.: 1977, 187с.

44 . Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. и др. Манипуляционные системы роботов. -М.: Машиностроение, 1989. -472 с.: ил.

45. Корсаков B.C. Точность механической обработки. М.: Машгиз, 1961. 380с.

-1304 6.Косенчук М.А., Цветков А.Н., Штец JI.K. О повышении точности позиционирования промышленного робота для горячей штамповки путем его очувствления .-Сб. "Робототехника", ЛПИ, 1979, с.55-57.

47. Кузнецов В.П., Карпович С.Е. Точность позиционирования ПР. -Тезисы докладов 31-20 международного научно-технического коллоквиума. Илменау, 198 6. С.141-144.

4 8.Маслянный А.Д. Экспериментальное определение точностных возможностей промышленных роботов // Моделирование и расчет элементов и устройств технологического оборудования микроэлектроники. -М. : МИЭТ, 1985. С.109-118.

4 9.Мацкевич И.П., Свирид Г.П. Высшая математика: Теория вероятностей и математическая статистика. Мн.: высш.шк., 1993, -269с.

50.Мелентьев Г.А. Анализ технологических возможностей промышленного робота для загрузки-разгрузки металлорежущих станков патронного типа, -Дис... канд. техн. наук, -М.: 1975, 176с.

51. Механика промышленных роботов: Учеб. Пособие для втузов: В 3 кн./Под ред. К.В.Фролова, Е. И. Воробьева. Кн.1: Кинематика и динамика/ Е. И. Воробьев, С.А. Попов, Г.И. Шевелева. -М. : Высш. Шк., 1988. -304 с.: ил.

52. Мягков В.Д., Палей М.А., Романов А.Б., Брагинский В.А. Допуски и посадки: Справочник в 2-х ч. 4.1 -JI. : Машиностроение. 1979. -544с.

53.Найманов В.Я. динамика и вопросы проектирования исполнительных механизмов промышленных роботов. Автореферат. -М.: Мосстанкин, 1989. 20с.

54.Нахапетян Е.Г. Диагностирование оборудования гибкого автоматизированного производства. -М. : Наука, 1985.

55.Нахапетян Е.Г. Контроль и диагностирование автоматического оборудования. -М.: Наука, 1990. 272с.

5 6. Никифоров С.О. Исследование кинематических и динамических свойств исполнительных органов манипуляторов. -Дис... канд. техн. наук, -JI. : 1975, 189с.

57. Панов A.A. Определение точности позиционирования и быстродействия автоматического манипулятора, Станки и инструмент, 1981, №5, с.3-4.

58. Пути повышения точности системы роботизированной сборки с автоматическим программированием движений. //Экспресс-информация. "Робототехника". №2 6. -М.: ВИНИТИ, 1987. -Реф. №26. 101с.

59.Саблин А.Д., Сорин В.М. Некоторые методы оценки точности позиционирования манипулятора. В.кн.: Робототехника, JI. : 1976, с.50-54.

60. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. Учебник под ред. Г. С. Варданяна —М., Издательство АСВ, 1995. —568 стр. с илл.

61. Справочник по геометрическому расчету эвольвентных зубчатых и червячных передач. /Под ред. И.А. Боло-товского, -М.: Машиностроение, 1986, 488с.

-13262. Точность и надежность станков с числовым программным управлением. /Под ред. А.С.Проникова. М.: Машиностроение, 1982. 256с.

63. Точность производства в машиностроении и приборостроении. /Под ред. А.Н.Гаврилова. -М.: Машиностроение, 1973. 567с.

64.Труханов В.М. Методы обеспечения надежности изделий машиностроения. М. : Машиностроение, 1995. 304с.: ил.

65.Юревич Е.И., Аветиков В.Г., Корытко О.Б. Классификация промышленных роботов. В. Сб.: Промышленные роботы, 1977, №1, с.4-12.

66.Апд, A.H.S., and Tang, W.H., Probability Concepts in Engineering Planning and Design, Wiley, New York, 1984.

67. Hang Zhen. Error analysis of robot manipulators and error transmission functions. //Proc. 15th Int. Symp. Ind. Robots., Tokyo, Sept. 11-13, 1985. Vol.2. —Tokyo, 1985. P.873-878.

68. Meng Chia-Hsiang, Borm Jin-Hwan. Statistical measure and characterization of robot errors. // Proc. IEEE Int. Conf. Rob. And Autom. Philadelphia, Pa, Apr. 24-29, 1988. Vol. 2 -Washington (D.C.), 1988. -p.926-931.

69.Miyoshi Toshiro. Dynamic analysis of robot by method "finite element" //"Seimitry Kykai, J. Jap. Soc. Precis. Eng." -1985, 51, №11, p.2020-2027.

70. P.k. Bhatti, S.S.Rao, "Reliability Analysis of Robot Manipulators". ASME Journal of Mechanisms,

Transmissions, and Automation in Design, Vol.110, June 1988, pp.175-181.

71.Toyama Shigeki. Error analysis of robot manipulators and error transmission functions. //" Seimu-try Kogaku Kairy, J. Jap. Soc., Precis. Eng. ", 1986, 52, №8, p.1309-1312.

72. Usoro P.B., Nadira R., Mahil S.S. A finite element / Lagrange approach to modeling lightweight flexible manipulators. //"Trans. ASME: J. Dyn. Syst., Meas. And Contr.", 1986, 108, №3, p.198-205.

73. Vladimir Dukovski, Robot Accuracy and Stiffness-An Experimental Study. Robtics & Computer-Integrated Manufacturing, Vol.7, №3/4, pp. 321-326, 1990.

74 /mm "«A^fM" m.

75. mm

f