|
Диплом: Построение и исследование динамической модели портального манипулятора (WinWord 97 & Adobe Illustrator 7.0)Диплом: Построение и исследование динамической модели портального манипулятора (WinWord 97 & Adobe Illustrator 7.0)АннотацияДанная работа посвящена построению и исследованию динамической модели портального манипулятора, описывающей переходные процессы в манипуляторе с шаговым приводом в момент его позиционирования. При построении были использованы экспериментально полученные параметры, благодаря чему удалось получить достаточно простую и адекватную модель. При составлении подобных моделей у разработчика возникает стремление как можно более полно отразить свойства и характеристики объекта, что приводит к чрезмерному росту сложности модели, в результате чего снижается ее практическая полезность. Поэтому в данной работе особое внимание уделено разумному упрощению модели, а также возможности ее практического использования. В ходе исследования полученной модели решена задача выбора оптимальной скорости перемещения рабочего органа, определена степень влияния точности позиционирования на быстродействие манипулятора. Полученные результаты исследований могут быть использованы при проектировании новых и эксплуатации имеющихся моделей манипуляторов для определения рациональных значений динамических параметров. Дипломная работа содержит: пояснительная записка: 91 лист, 18 рисунков, 12 таблиц, 8 чертежей формата A1, 11 источников. The Summary The given work is devoted to development and research of dynamic model of the portal manipulator describing transient processes in the manipulator with a step-by-step drive at the moment of its positioning. At development, the experimentally obtained parameters were use, due to what it was possible to obtain simple enough and adequate model. At development of similar models the developer has aspiration as it is possible more full to reflect properties and characteristics of object, that results in excessive growth of complexity of model, as a result of it its practical utility is reduced. Therefore, in the given work the special attention is give to reasonable simplification of model, and opportunity of its practical use. During research of the received model the task of a choice of optimum speed of moving of a working body is solve, the degree of influence of accuracy of positioning on speed of the manipulator is determined. The obtained results of researches can be use at designing new and operation of available models of manipulators for definition of rational meanings of dynamic parameters. The degree work contains: Explanatory note: 91 sheets, 18 figures, 12 tables, 8 drawings of a format A1, 11 sources. Содержание Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1. Моделирование динамики манипулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1 Методы построения динамической модели манипулятора . . . . . . . . 13 1.2 Уравнения динамики манипулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2. Построение динамической модели переходных процессов манипулятора МРЛ-901П . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1 Модель переходных процессов в манипуляторе МРЛ-901П . . . . . . . 19 2.2 Анализ переходных процессов в манипуляторе МРЛ-901П . . . . . . . 29 2.3 Определение жесткости звеньев манипулятора МРЛ-901П . . . . . . . . 34 2.4 Исследование быстроходности манипулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.5 Методика проведения эксперимента по определению механических характеристик манипулятора МРЛ-901П . . . . . . . . . . 41 2.6 Сравнение результатов расчета модели с экспериментальными данными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3. Оптимизация скорости перемещения рабочего органа манипулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.1 Время перемещения рабочего органа манипулятора . . . . . . . . . . . . . 45 3.2 Время перемещения рабочего органа манипулятора при малых расстояниях между рабочими точками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3 Получение оптимальной скорости в момент выхода на конечную точку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4. Программные средства для исследования динамической модели портального манипулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1 Программа для вычисления параметров переходного процесса портального манипулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2 Программа для вычисления времени переходного процесса и оптимальной скорости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5. Экономика и организация производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.1 Организация и планирование НИР и ОКР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.1.1 Классификация и этапы НИР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.1.2 Особенности управления созданием НТП в условиях рынка . . 59 5.1.3 Характеристика инновационного процесса в современных условиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.1.4 Формы финансирования НИР и ОКР в условиях рынка . . . . . . 65 5.1.5 Правовая защита производителей НТП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.2 Расчет экономического эффекта от внедрения методов расчета переходных процессов в портальном манипуляторе . . . . . . . . . . . . . 69 5.2.1 Расчет капитальных затрат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.2.2 Расчет эксплуатационных затрат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.2.3 Расчет условно-годового экономического эффекта и срока окупаемости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Введение Для решения задачи выбора оптимальной скорости перемещения звеньев манипулятора с шаговым двигателем, с целью увеличения его быстродействия, необходимо учитывать переходные процессы возникающие при позиционировании рабочих органов. Переходные процессы в виде затухающих механических колебаний возникают под действием инерционных нагрузок и приводят к увеличению времени позиционирования при выполнении переходов технологического процесса, например, при сборке, сверлении, контроле и др. Для планирования траектории необходимо знать время затухания колебаний до значения допустимой погрешности позиционирования, при котором рабочий орган манипулятора может продолжать движение. С целью определения времени такого переходного процесса создана модель манипулятора портального типа с консольной подвижной частью. Моделирование динамики манипулятора Методы построения динамической модели манипулятора Динамическая модель манипулятора может быть построена на основе использования известных законов ньютоновской или лагранжевой механики. Результатом применения этих законов являются уравнения, связывающие действующие в сочленениях силы и моменты с кинематическими характеристиками и параметрами движения звеньев. Таким образом, уравнения динамики движения реального манипулятора могут быть получены традиционными методами Лагранжа – Эйлера или Ньютона – Эйлера. С помощью этих двух методов получен ряд различных форм уравнения движения, эквивалентных в том смысле, что они описывают динамику движения одной и той же физической системы. Вывод уравнений динамики движения манипулятора методом Лагранжа – Эйлера отличается простотой и единством подхода. В рамках предположения о том, что звенья представляют собой твердые тела, этот подход приводит в общем случае к системе нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка. Уравнения Лагранжа – Эйлера обеспечивают строгое описание динамики состояния манипулятора и могут быть использованы для разработки усовершенствованных законов управления в пространстве присоединенных переменных. В меньшей степени они используются для решения прямой и обратной задач динамики. Прямая задача состоит в том, чтобы по заданным силам и моментам определить обобщенные ускорения, интегрирование которых позволяет получить значения обобщенных координат и скоростей. Обратная задача динамики заключается в том, чтобы по заданным обобщенным координатам, скоростям и ускорениям определить действующие в сочленениях манипулятора силы и моменты. С целью получения более эффективных с вычислительной точки зрения алгоритмов можно использовать уравнения Ньютона – Эйлера. Вывод уравнений движения манипулятора методом Ньютона – Эйлера прост по содержанию, но весьма трудоемок. Результатом является система прямых и обратных рекуррентных уравнений, последовательно применяемых к звеньям манипулятора. С помощью прямых уравнений последовательно от основания к схвату вычисляются кинематические характеристики движения звеньев, такие, как линейные и угловые скорости и ускорения, линейные ускорения центров масс звеньев. Обратные уравнения позволяют последовательно от схвата к основанию вычислить силы и моменты, действующие на каждое из звеньев. Наиболее важный результат такого подхода состоит в том, что время, необходимое для вычисления обобщенных сил и моментов прямо и пропорционально числу сочленений, но не зависит от реализующейся в процессе движения конфигурации манипулятора. Это позволяет реализовывать простые законы управления манипулятором в реальном времени. Низкая вычислительная эффективность уравнений Лагранжа – Эйлера обусловлена в основном тем, что для описания кинематической цепи используются матрицы преобразования однородных координат. Уравнения Ньютона – Эйлера обладают большей вычислительной эффективностью, что связано с их рекуррентной природой. Однако такие рекуррентные уравнения не обладают “аналитичностью”, столь полезной при синтезе управления в пространстве состояний. Для синтеза законов управления желательно иметь в распоряжении замкнутую систему дифференциальных уравнений, точно описывающих динамику движения манипулятора. В связи с тем что для построения модели динамики переходных процессов и дальнейшего анализа полученных уравнений необходима аналитическая форма, решено использовать для получения уравнений динамики метод Лагранжа – Эйлера. Уравнения динамики манипулятора (j = 1,2,…,n), имеют вид – линейное перемещение. ) в виде . , характеризующий это воздействие: ) для вывода уравнений динамики манипулятора. Рассматривая исполнительный механизм манипулятора как систему из n твердых тел, запишем его кинетическую энергию T в виде суммы кинетических энергий звеньев: ] – вектор угловой скорости звена в принятой системе координат. ) упростится: имеет вид диагональной матрицы ) моменты инерции относительно осей в которой определяются выражениями характеризуется матрицей ) центробежные моменты в которой определяются выражениями ) и также являются известными константами. Определим вектор скорости центра инерции звена i через проекции на оси связанной с ним системы координат как ) или через проекции на оси неподвижной системы осей в виде введем вектор угловой скорости звена ) и получим ) выражение ) с учетом которого равенство (1.4) принимает вид ) Построение динамической модели переходных процессов манипулятора МРЛ-901П 2.1 Модель переходных процессов в манипуляторе МРЛ-901П . Исходными данными для расчета такой модели будут: значение подвижной массы m, плечо приложения этой массы l, а также коэффициент натяжения зубчатого ремня, определяемый как отношение прогиба ремня к его длине и влияющий на жесткость, и демпфирование модуля линейного перемещения. соответственно, затем остановятся и под действием сил упругой деформации пружины и балки начнут совершать колебательное движения. . Для описания данной модели воспользуемся уравнением Лагранжа второго рода: (j = 1,2,…,k), (2.1) где T ( кинетическая энергия системы; Q ( обобщенная сила; k ( количество степеней свободы. . . , получим: системы: обобщенные силы также обращаются в нуль. В (2.4) для упрощения приняты следующие обозначения: . отклонении от него выражается квадратичной формой вида (2.4). Элементарная работа всех сил действующих на систему, по принципу возможных перемещений должна быть равна нулю: . (2.5) Замечая, что , получаем три уравнения: в положении равновесия: . Решение системы (2.7) имеет вид: , (2.8) где . . Поэтому на основании кинетостатики можем записать: ( коэффициент сопротивления пропорциональный первой степени скорости движения массы m. Так как масса собственно консоли манипулятора МРЛ-901П меньше массы закрепленных на ней рабочих головок, захватов и деталей, для упрощения примем условие, что точка исследования колебаний (практически ( рабочий орган манипулятора) совпадает с точкой приложения сосредоточенной массы m. действует на все звенья манипулятора следовательно: , тогда в выражение (2.7) можно переписать: , используя (2.9) находим: (2.13) соответственно. Выражая податливость звеньев через их жесткость, запишем: соответственно. Подставляя (2.14) , (2.11) и (2.10) в (2.8) получим: (2.15) Для решения этой системы нужно выразить скорость и ускорение массы m через их составляющие: , то для этого достаточно сложить уравнения в выражении (2.15): (2.17) или: , (2.18) где С ( суммарная жесткость звеньев манипулятора. Анализ показывает, что величина C является переменной и зависит от плеча приложения l сосредоточенной массы m. Преобразуя (2.18), получаем уравнение описывающие переходный процесс в системе: . (2.19) Уравнение (2.19) легко решается классическим способом при следующих начальных условиях: , (2.20) ? скорость рабочего органа манипулятора в момент выхода на конечную точку. Выражение (2.19) представляет собой линейное дифференциальное уравнение второго порядка. Будем искать частное решение уравнения в виде: ( корни характеристического уравнения: . (2.22) Решение уравнения (2.22) будет иметь вид: , решая систему уравнений: . (2.24) Решение системы (2.24) будет иметь вид: , (2.25) если учесть (2.20) то: (2.26) подставляя (2.26) в (2.21) и с учетом (2.23) имеем: ( мнимая часть. Тогда разделяя реальную и мнимую части в (2.27) получим: . (2.28) Учитывая что: , (2.29) имеем: (2.30) Преобразуя (2.30) получим решение уравнения (2.19): (2.31) Прологарифмируем выражение (2.31) предварительно подставив в него значение допустимой погрешности позиционирования: ( допустимая погрешность позиционирования. Преобразуя (2.32) получим выражение для определения времени переходного процесса: в модели используются экспериментально полученные зависимости. В частности коэффициент демпфирования определяется по осциллограмме затухания колебаний рабочего органа. Таким образом, время переходного процесса, для данного типа манипулятора при заданной массе положении рабочего органа определяется по выражению (2.33), в котором коэффициенты жесткости и демпфирования предварительно определены экспериментально. 2.2 Анализ переходных процессов в манипуляторе МРЛ-901П Источниками возникновения переходных процессов в манипуляторе МРЛ-901П являются: зубчатая ременная передача линейного модуля манипулятора и его свободная консоль. На этапе зондирующих экспериментов исследовались парные зависимости коэффициента демпфирования от натяжения зубчатого ремня и смещения рабочего органа вдоль консоли. Результаты анализа полученных осциллограмм сведены в таблицы 2.1 и 2.2. Анализ результатов показывает, что натяжение зубчатого ремня существенным образом влияет на коэффициенты демпфирования модуля линейного перемещения: так при увеличении начального натяжения ремня от минимального значения ? = 0,03778 до максимального ? = 0,00667 (в исследуемых приделах) коэффициент демпфирования уменьшается в 3 раза. Таким образом, можно сделать вывод о том, что демпфирование линейного модуля с зубчатой ременной передачей может задаваться и варьироваться в широких пределах, как на этапе конструирования, так и в процессе его эксплуатации. Табл. 2.1 Результаты анализа осциллограмм собственных колебаний рабочего органа манипулятора МРЛ-901П на консоли Величина смещения рабочего органа вдоль консоли ly, мм Период колебаний рабочего органа T, с. Частота колебаний ?, с-1 Логарифмический декремент затухания ? Коэффициент демпфирования ???кг/c Время затухания колебаний tп.п., с. 0 0,057 17,54 0,956 369 0,6 175 0,067 15 0,693 227,55 0,9 350 0,08 12,5 0,446 122,65 1,2 Анализ результатов исследований показывает, что смещение рабочего органа манипулятора МРЛ-901П вдоль свободной консоли, также как и Табл. 2.2 Результаты исследований демпфирующих свойств модуля линейного перемещения с ременной передачей Номер опыта Номер параллельного опыта Случайный порядок проведения Степень начального натяжения увеличение начального натяжения ремня, вызывает уменьшение коэффициентов демпфирования, что существенно (в 2…3 раза) увеличивает время полного затухания собственных колебаний рабочего органа (см. табл. 2.1 и 2.2), и, как следствие снижает реальную производительность. Смещение рабочего органа относительно основания и увеличение натяжения ремня приводит также к уменьшению частоты собственных колебаний манипулятора, что должно учитываться при использовании его в технологических процессах, связанных с резонансными явлениями. Комплексные исследования демпфирующих свойств манипулятора осуществлялись с целью установления численной зависимости коэффициента демпфирования от величины начального натяжения ремня и смещения рабочего органа вдоль консоли. В качестве функции отклика выбиралась линейная |
