Выбор конфигурации механизмов относительного манипулирования с избыточными степенями подвижности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Смоленцев, Алексей Николаевич

• Смоленцев, Алексей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор конфигурации механизмов относительного манипулирования с избыточными степенями подвижности»

Современное станкостроение имеет тенденцию перехода на более облегченные конструкции исполнительных механизмов и более широкое применение вычислительной техники. Современная вычислительная техника позволяет одновременно управлять технологическим процессом, сложным исполнительным механизмом, обрабатывать информацию и оптимизировать работу в целом всей технологической системы "исполнительный механизм - технологический процесс - система управления".

В настоящее время в мире ведутся работы по созданию новых видов станочного и измерительного оборудования облегчённой конструкции (станки АО "Лапик" (Саратов), ОУИА-М фирма ШЗМ(г.АсЬеп), опытный станок новосибирского электротехнического института [3], параллельный сферический манипулятор для поворота захватного устройства робота [27]).

Подвижные стержневые механизмы позволяют создавать облегченные технологические машины для операций, выполняемых в настоящее время только вручную: финишная обработка турбинных лопаток, медицинских протезов, художественных изделий и других изделий сложной конфигурации. Данные механизмы позволяют создавать облегченное переносное технологическое оборудование для обработки крупногабаритных изделий.

С целью уменьшения массы и габаритов станков для механической обработки сложных поверхностей в институте 6 машиноведения им. А.А.Благонравова были предложены новые механизмы относительного манипулирования на основе подвижных стержневых конструкций [4,16].

Механизм относительного манипулирования (рис.1) состоит из манипулятора перемещения инструмента и манипулятора перемещения детали, которые совместно выполняют операцию обработки, а по отдельности - замену детали и инструмента. рис.1

Быстродействующая вычислительная техника совместно с датчиками контроля позволяет компенсировать "недостатки" подвижных стержневых механизмов и оптимизировать технологическую систему в целом. В работе [4] был предложен метод решения обратной задачи о положении для таких механизмов с использованием промежуточных координат, определяющих положение детали и инструмента.

Особенностью технологических машин нового поколения, построенных на основе механизмов относительного манипулирования является: применение подвижных стержневых механизмов, соединяющих функции переноса заготовки и изделия с функциями их обработки; повышение мобильности исполнительных механизмов, благодаря новой приводной технике; использование нетрадиционных для станков и роботов информационно-измерительных систем (система измерения поверхности НПО "Луч" г. Подольск) перенос реализации части функций технологической машины с механизма на систему управления; оптимизация структуры машины и количества ее модулей под заданный технологический процесс, что и обеспечивает экономическую эффективность таких машин.

Таким образом, основным преимуществом механизмов относительного манипулирования является возможность использовать один и тот же механизм для выполнения операции обработки и для транспортного перемещения инструмента и детали.

Транспортными операциями являются операции захвата заготовки, перенос её на позицию обработки. Готовая деталь после обработки переносится в тару. Транспортные операции для инструмента - это перенос его на позицию замены или правки. Выполнение данных транспортных операций в механизмах относительного манипулирования осуществляется манипуляторами перемещения детали и инструмента. Манипуляторы должны иметь достаточное число степеней 8 подвижности для независимого перемещения инструмента, детали и их ориентации. В связи с этим в совокупности механизм относительного манипулирования может иметь большее число степеней подвижности, чем необходимо для обработки сложных поверхностей.

Избыточные степени подвижности существенно расширяют технологические и манипуляционные возможности механизмов роботов. В работе [60] рассматривались возможности выбора оптимальной конфигурации двурукого робота с избыточными степенями подвижности для выполнения заданной сборочной операции, характеризуемой эллипсоидом манилулятивности. Использование 7-степенного робота вместо 6 степенного [57] позволяет избежать вырожденных конфигураций путём поддержания заданного значения дополнительной функции положения и таким образом расширить диапазон сборочных операций.

Кроме того, избыточные степени подвижности возникают вследствии изменения положения режущей кромки на режущей поверхности инструмента. В данной работе эти степени подвижности рассматриваются совместно с механизмом станка как дополнительная кинематическая цепь, эквивалентная перемещению режущей кромки инструмента на его режущей поверхности. В работе [41] отмечалось, что при использовании 6-степенного робота при 5-осевом фрезеровании важно выбрать оптимальную конфигурацию для сокращения времени обработки и предотвращения столкновений различных частей системы робот-инструмент-деталь. Rail Р. [53] получил эмпирические значения оптимальных углов наклона сферической фрезы при 9 фрезеровании некоторых деталей, имеющих сложные поверхности.

Wampler C.W. [65,66] предложил увеличить число вращательных степеней подвижности сферического запястья робота с 2 до 3 при выполнении операций окраски, лазерной резки и других, не требующих третьей вращательной степени подвижности.

Pin F.G. , Culioli J.C. и Reister D.B. [51] рассмотрели использование трёх дополнительных степеней подвижности перемещения платформы, на которой расположен манипулятор, при выборе оптимальной конфигурации. Критерием оптимальности была объединённая функция нескольких критериев оптимизации.

Методы оптимизации траектории манипуляторов с избыточными степенями подвижности можно разделить на методы локальной и глобальной оптимизации. Методы локальной оптимизации [28,29,33,35-37,39,40,47,48,51,52,54,56, 58-63,69,71] основаны на использовании Якобиана манипулятора, определяющего линейные соотношения между обобщёнными скоростями и вектором скорости выходного звена, а также градиентов критериев оптимизации. Методы глобальной оптимизации представляют собой различные алгоритмы перебора множества возможных конфигураций манипулятора. При решении задачи построения траектории манипулятора в рабочем пространстве с препятствиями наиболее эффективными являются генетические алгоритмы [7,24], в которых в процессе оптимизации преобразуется множество выбранных конфигураций, что позволяет существенно усовершенствовать процесс перебора.

10

Изменяя положение инструмента относительно детали, можно выбирать и положение манипуляторов, которые их перемещают. Для каждой точки поверхности детали существует определённое множество положений инструмента, при которых инструмент касается детали в данной точке. Lee Y-S [44] предложил алгоритм построения такого множества из условия отсутствия зарезания.

В работах [38,43-46,68,72] координаты режущей кромки на режущей поверхности инструмента рассматривались с целью обеспечения более тесного контакта поверхностей инструмента и детали (близости поверхностей). Однако, в этих работах рассматривалась только кинематика системы инструмент-деталь без учёта станочного механизма. Между тем, конфигурация станочного механизма оказывает существенное влияние на погрешность обработки поверхности детали. Поэтому актуальным является создание методов определения оптимальной по точности обработки конфигурации станочного механизма за счёт его избыточных степеней подвижности.

В работе Зелинского С.А [12] был проведён сравнительный анализ различных составляющих погрешности фрезерования сложных пространственных поверхностей. При этом наибольшей является погрешность упругих деформаций, которая в значительной степени определяется положением станочного механизма, инструмента и детали. Для стержневых исполнительных механизмов механообрабатывающих станков определяющими погрешностями являются упругие деформации в приводных кинематических парах.

Таким образом, целью настоящей работы является определение конфигурации механизмов относительного манипулирования, обеспечивающей минимальные статические погрешности в технологических системах.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1 .Представление кинематической схемы станочного механизма с учётом перемещения режущей кромки на режущей поверхности.

2.Анализ и обоснование критериев выбора оптимальной конфигурации.

3.Разработка методики определения оптимальной конфигурации механизма по выбранным критериям

4.Решение обратной задачи о положении с использованием универсальных промежуточных координат.

5 .Определение конфигурации станочного механизма, обеспечивающей минимальную статическую погрешность обработки поверхности.

Работа состоит из четырёх глав и приложения:

В первой главе рассматривается возможность использования дополнительных степеней подвижности, связанных с возможностью перемещения режущей кромки на режущей поверхности инструмента. При решении обратной задачи о положении к кинематической схеме механизма относительного манипулирования добавляется дополнительная кинематическая цепь, эквивалентная изменению положения режущей кромки на

12 режущей поверхности инструмента. Рассматриваются условия, ограничивающие координаты и параметры дополнительной кинематической цепи.

Во второй главе производится анализ и выбор критериев оптимальности конфигурации механизма с избыточными степенями подвижности. На основании выбранного критерия получена методика определения оптимальной конфигурации механизма относительного манипулирования.

В третьей главе описан алгоритм решения обратной задачи о положении с применением универсальных промежуточных координат объектов манипулирования. Приводится пример использования промежуточных координат при решении обратной задачи о положении для 6-степенного механизма (задача сводится к определению одной неизвестной координаты).

В четвёртой главе на примере специального робота-станка для финишной обработки сложнопрофильных поверхностей деталей, в том числе и пера турбинных лопаток, производится определение оптимальных конфигураций механизма относительного манипулирования.

В приложении приводится описание программных средств ввода и вывода трёхмерного изображения для проверки результатов моделирования. Кроме того, для заданной кинематической схемы робота-станка приводится таблица зон обработки на поверхности детали, позволяющая оценить возможность обработки детали различными сочетаниями степеней подвижности.

13

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Смоленцев, Алексей Николаевич

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1.Афонин B.JT. Смоленцев А.Н. "Управление механизмами относительного манипулирования с избыточными степенями подвижности "//Проблемы машиностроения и надёжности машин 1999 N3. стр.84-92.

2. Афонин В.Л. Смоленцев А.Н. "Технологические машины на основе механизмов относительного манипулирования'У/Приводная техника1999 N5-6. стр.13-16.

3.Смоленцев А.Н. "Выбор конфигурации станочного механизма с избыточным числом координат" //Проектирование технологических машин 2000 N17 стр 75-80.

4. А. N. Smolentsev, V. L. Afonin and А. V. Morozox

Control for Metal-Processing Equipment with Redundant Number of

Coordinates//Proceedings of 1999 International Conference on Computational Intelligence for Modelling, Control and Automation -CIMCA'99 17-19 February 1999

108

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смоленцев, Алексей Николаевич, 2000 год

1. Алберг Дж. Нильсон Э. Уолш Дж. Теория сплайнов и её приложения. М. - Наука, 1972.

2. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. -М. "Наука", 1988. -с. 174-202.

3. Астанин В.О., Сергиенко В.М. Исследование металлорежущего станка нетрадиционной компоновки// Станки и инструмент. № 3, 1993. -с. 5-8.

4. Афонин B.JI. Управление технологическими машинами, построенными на замкнутых механизмах относительного манипулирования// Проблемы машиностроения и надежности машин. -1995. №5. с. 97-104.

5. Афонин B.JI. Морозов A.B. Управление технологическими роботами для механической обработки. Москва, 1995.

6. Ашманов С.А. Тимохов A.B. Теория оптимизации в задачах и упражнениях.- М,- Наука, 1991. с.37.

7. Батищев Д.И. Генетические алгоритмы решения экстремальных задач. Учебное пособие Воронеж. - ВГТУ, 1995.

8. Братухин А.Г. Халимулин P.M. Юнусов Ф.С. Красильников Ю.Г. Павлов А.Ф. Размерное и безразмерное формообразование сложных поверхностей шлифованием. М. - Машиностроенние, 1996. - с. 130.

9. Григорьян Г.Д. Зелинский С.А. Оборский Г.А. Тальянкер М.Я. Фирсов Г.Ф. Точность, надёжность и производительность металлорежущих станков. Киев. - Тэхника, 1990.

10. Ю.Добровольский В.В. Метод сферических изображений в теории пространственных механизмов//Труды семинара по ТММ том 3 вып. 11. М. изд-во АН СССР, 1947.- с. 5-37.

11. П.Евгенев Г.Б. Основы программирования обработки на станках с ЧПУ.- М.- Машиностроение, 1983. с. 201.

12. Зелинский С.А. Разработка и исследование метода коррекции управляющих программ контурного фрезерования сложных пространственных поверхностей. Одесса ОПИ, 1984.109

13. Кобринский А.А. Кобринский А.Е. Манипуляционные системы роботов. М. - Наука, 1985.

14. Коловский М.З Маслов В.И. Элементы теории роботов и манипуляторов. Л. - ЛПИ, 1981 с.49.

15. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике. М. - Наука, 1977.

16. Крайнев А.Ф., Глазунов В.А. Новые механизмы относительного манипулирования// Проблемы машиностроения и надежности машин.- 1994 №5. с. 106-117.

17. Крылов Н.Н. Поверхность приведённой кривизны// Изв. Вузов Машиностроение. 1964. -№12. - с. 21-32.

18. Никитин. Н.Н. Курс теоретической механики. М. - Издательство Высшая школа, 1990.

19. Ногин Р.Д. Протодьяконов И.О. Евлампиев И.И. Основы теории оптимизации. М. - Высшая школа, 1986.

20. Тимофеев Г.А. Разработка методов расчёта и проектирования волновых зубчатых передач для приводов следящих систем. М. - ИМАШ, 1997.

21. Турлапов В.Е. Автоматизация решения геометрических задач проектирования кинематики шасси самолёта. М. - МАИ, 1993.

22. Фиников С.П. Теория поверхностей. ОНТИ Государственное технико-теоретическое издательство. - Москва, 1934. - с.66.

23. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. -Москва. "Мир", 1975. - с. 300-303.

24. Юсупова Н.И. Гончар Л.Е. Рембольд У. Избыточные манипуляторы. Управление. Планирование траекторий. препринт монографии. Уфа, 1998.

25. Ямпольский Л.С. Яхимович В.А. Промышленная робоготехника.-Киев. "Техника", 1984. - с.97.

26. Angeles J. The design of isotropic manipulator architectures in the presence of redundancies// The international journal of robotics research.- v. 11. -1992-№3. p. 196-200.

27. Angeles J. Morozov A. Slutski L. Pizarro A. Navarro O.and Jabre L. A modular approach to the mechanical design of a macro-micro manipulator for the servicing and maintenance of aircraft.(M3 system) Montreal, Canada, 1999.110

28. Baillieul J, Hollerbach J.M. and Brockett R.W. Programming and control of kinematically redundant manipulators// Proc. 23rd IEEE International Conference on decision and control 1984 . p. 768-774

29. Chang P.H. A closed form solution for inverse kinematics of robot manipulators// IEEE Journal of robotics and automation.- v. 3. 1987. - №5p. 393-403.

30. Chiacchio P. Chiaverini S. Sciavicco L. Siciliano B. Task space dynamic analysis of multi-arm system configurations// International Journal of robotics research. v. 10,- 1991,- №6. p. 708-715.

31. Dragomatz D. and Mann S. A classified bibliography of literature on NC milling path generation// Computer-aided design. v.29. - 1997. - №3.p. 239-247.

32. Duffy J. Analysis of mechanisms and robot manipulators. London,1980.

33. Fenton R.G. Benhabib B. and Goldenberg A.A.

34. Optimal point to point motion control of robots with redundant degrees of freedom// Journal of engineering for industry. v. 108. - 1986. - №2. - p. 120-126.

35. Forsythe G.E. and Moler C.B. Computer solution of linear algebraic systems. 1967.

36. Goldenberg A.A., Benhabib B. and Fenton R.G. A complete generalized solution to the inverse kinematics of robots// IEEE journal of robotics and automation. v.l. -1985. - №1. - p. 15-19.

37. Gotlih Karl, Troch Inge and Jezernik Karel Global optimal control of redundant robot//Robotica. v.14. - 1996. - part 2. - p. 131-140.

38. Hu B. Teo C.L. and Lee H.P. Local optimization of weighted joint torques for redundant manipulators// IEEE transactions on robotics and automation. v. 11. -1995 - №3. - p. 422-425.

39. Hwang, J. Interference-free tool path generation in the NC machinning of parametric compound surfaces// Computer-aided design. v.24. -1992.-№12.-p. 667-677.

40. Kazerounian K. and Wang Z. Global versus local optimization in redundancy resolution of robot manipulators// International Journal of robotics research. v.l.- 1988,- №5. p. 3-12.1.l

41. Klein C.A. and Huang C.H. Review of pseudoinverse control for use with kinematically redundant manipulators// IEEE transactions on systems, man and cybernetics. v. 13. - 1983 - №3. - p.245-250.

42. Ko H., Kim M-S Park H-G. and Kim S-W Face sculpturing robot with recognition capability// Computer-aided design. v.26. -1994. -№11.p.814-824.

43. Lee H.Y. and Liang G.G. Displacement analysis of the general spatial 7-link 7R mechanism.//Mechanism and machine theory. v.23. - 1988. - №3. -p.219-226.

44. Lee Y-S., Chang T-C. 2-phase approach to global tool interference avoidance in 5-axis machining// Computer-aided design. v.27. - 1995 - №10.-p.715-730.

45. Lee Y-S. Admissible tool orientation control of gouging avoidance for 5-axis complex machining.// Computer-aided design. v.29. - 1997. - №7. -p. 507-521.

46. Lee Y-S. Non-isoparametric tool path planning by mashinning strip evaluation for 5-axis sculptured surface mashinning// Computer-aided design. -v.30. -1998. №7. - p. 559-570.

47. Lee Y-S, Chang T-C. Application of computational geometry in optimizing 2.5D and 3D NC surface machining// Computers in industry.- v.26. -1995.- №1. p. 41-59.

48. Lieguous A. Automatic supervisory control of the configuration and behavour of multibody mechanisms// IEEE Transactions on systems, man and cybernetics. v.7. -1977. - p. 868-871.

49. Matthew L. Brown and Daniel E. Whitney Stochastic dynamic programming applied to planning of robot grinding tasks// IEEE transactions on robotics and automation. v. 10. - 1994. - №5 - p. 694-604

50. NUMERICAL RECIPES: THE ART OF SCIENTIFIC COMPUTING by William H., Saul A. Teukolsky, Brian P. Flannery, and William T. Vetterling .- Cambridge University Press, 1986.

51. NUMERICAL RECIPES EXAMPLE BOOK (PASCAL) by William H., Saul A. Teukolsky, Brian P. Flannery, and William T. Vetterling -Cambridge University Press, 1986.112

52. Pin F.G. Culioli J.C. Reister D.B. Using minimax approach to plan optimal task commutation configurations for combined platform-manipulator systems// IEEE transactions on robotics and automation. v. 10. - 1994 - №1. -p.44-54.

53. Podhorodeski R.P., Goldenberg A.A., Fenton R.G. Resolving redundant manipulation joint rates and identifying arm configurations using jacobian null-space bases// IEEE transactions on robotics and automation. -v.7. -1991. №5. - p.607-618.

54. Rail P. Трудные формы. Технология обработки резанием. Рациональное изготовление деталей сложной формы на разных станках с ЧПУ типа CNC. М. -1991.

55. Roodney G. Roberts and Anthony A. Maciejewski Repeatable generalized inverse control strategies for kinematically redundant manipulators //IEEE transactions on automatic control. v.38. - 1993. - №5. - p.689-699.

56. Salisbury J.K. Craig J.J. Articulated hands: Force and kinematics issues// The international journal of robotics research, -v.l. -1982. №1. -p. 4-17.

57. Sanjeev S. and John T. Wen. A global approach to path planning for redundant manipulators// IEEE transactions on robotics and automation. -v. 11. 1995. -№1. - p. 152-159.

58. Seraij Homayoun. ,Mark K. Long and Thomas S. Lee Motion control of 7-DOF arms: the configuration control approach// IEEE transactions on robotics and automation. v.9. - 1993. - №2. - p. 125-139.

59. Shamir T. Yomdin Y. Repeatability of redundant manipulators: Mathematical solution of the problem// IEEE Transactions on automatic control v.33. - 1988. - p. 1004-1009.

60. Siciliano В. Kinematic control of redundant robot manipulators: a tutorial// Journal of intelligent and robotic systems. v.3. - 1990. - №3.p. 201-212

61. Sukhan L. Dual redundant arm configuration optimization with task-oriented dual arm manipulability// IEEE transactions on robotics and automation v.5. - 1989. - №1. - p. 78-97.

62. Ma S.G. and NenchevD.N. Local torque minimization of redundant manipulators: A correct formulation // Robotica. v. 14. - 1996. -part 2. - p. 235-239

63. Vukobratovic M. and Kircanski M. A dinamic approach to nominal trajectory synthesis for redundant manipulators// IEEE transactions on systems, man and cybernetics, -v. 14. 1984. - p. 580-586.

64. Wampler C.W. Manipulator inverse kinematics solutions based on damped least-squares solutions// IEEE transactions on systems, man and cybernetics. v. 16. - 1986. - p. 93-101.

65. Wampler C.W. Inverse kinematic functions for redundant manipulators// Proceedings 1987 IEEE International conference on robotics and automation. p.610-617.

66. Wampler C.W. Winding number analysis of invertible workspaces for redundant manipulators// International journal of robotics research. v.7. -1988. - №5. - p. 22-31.

67. Wampler C.W. Inverse kinematic functions for redundant spherical wrist// IEEE transactions on robotics and automation. v.5. - 1989. - №1. -p. 106-111.

68. Wang Z. Kazerounian K. An efficient algorithm for global optimization in redundant manimulators// Journal of mechanisms, transmissions and automation in design. v. 111. - 1989. - №4. - p. 489-493.

69. Warkentin A. Ismal F. Bedi S. Multi-point machining of sculptured surfaces// Proceedings of CSME Forum 1998- v.4. p. 63- 71.

70. Whitney D.E. Resolved motion rate control of manipulators and human prothesis// IEEE transactions of Man-Machine systems v. 10. - 1969. -№2,- p. 47-53.

71. Won J.H Choi B.W. and M.J. Chung. A numerical method of predetermined optimal resolution for redundant manipulator// IEEE transactions on robotics and automation. v.9. - 1993. - №2. - p. 215-220.

72. Yoshikawa T. Manipulability of robot mechanisms //International Journal of robotics research. v.4. - 1985.- №2. - p. 3-9.

73. Yun C.Chungt, Jung W.Parkt, Hyong Shin and Byoung K. Choif. Modeling surface swept by a generalized cutter for NC verification// Computer-aided design. v.30. - 1998. - №7. - p. 641-647.114