1. Цель курсового проектирования
Целью курсового проектирования является формирование у студентов навыков проектирования и конструирования манипуляторов и рабочих органов промышленных роботов (ПР) на основе теоретических и практических знаний, полученных в курсах «Управление роботами» и «Проектирование роботов и РТС». В ходе выполнения проекта, необходимо рассчитать и разработать конструкцию элементов несущей механической, исполнительной и информационной подсистем манипулятора ПР модульной конструкции, используя методы кинематики и динамики манипуляторов, а также дисциплин 'сопротивление материалов' и 'детали машин'.
2. Структура курсового проекта
2.1 Курсовой проект выполняется согласно варианту задания приведённому в приложении
Название курсового проекта «Манипулятор ПР. Вариант N» где N -номер варианта задания. В задании определены следующими параметры:
- mОМ – масса объекта манипулирования (ОМ), кг;
- TЦ – время перемещения манипулятора по траектории, с;
- |?| – модуль допустимой линейной погрешности позиционирования манипулятора, мм;
- Координаты четырёх опорных точек траектории манипулятора, мм
- Тип передаточного механизма механического захватного устройства (ЗУ): РЫ- рычажный, КЛ- клиновой, РЕ – реечный;
- Направление подхода ЗУ к ОМ: боковой – перпендикулярно оси OМ, верхний – по оси ОМ.
- Кинематическая структура (КС) манипулятора
Результатом выполнения курсового проекта является разработанная проектная документация, которая включает:
1 Графическую часть:
1.1 Сборочный чертёж модуля вращения (A1);
1.2 Сборочный чертёж модуля подъёма (А1);
1.3 Сборочный чертёж модуля выдвижения (А1);
1.4 Общий вид манипулятора (А1).
2 Пояснительную записку:
2.1 Введение
2.2 Техническое задание
2.3 Проектирование манипулятора вцелом
2.4 Модуль захватного устройства
2.5 Модуль выдвижения
2.6 Модуль подъёма
2.7 Модуль вращения
2.8 Заключение
2.9 Список использованных источников
2.10 Приложения (необязательный пункт)
3 Методика курсового проектирования
3.1 Введение содержит общие сведения о выполняемом проекте: общие сведения о проектируемом объекте, задачи курсового проектирования, методы их решения и.т.п.
3.2 Техническое задание (ТЗ) содержит общую постановку задачи, исходные данные для проектирования, пояснение к каждому параметру, эскиз объекта манипулирования, эскиз траектории перемещения центра захватного устройства с указанием размеров.
3.3 Проектирование манипулятора вцелом – основной раздел содержащий расчёты, относящиеся к манипулятору в целом. На основании этих расчётов определяются исходные данные для проектирования и конструирования модулей ПР. Раздел содержит следующие подразделы:
- Разработка КС. На основании общей цилиндрической СК разрабатывается точная кинематическая структура манипулятора, определяются геометрические постоянные конструкции, приводится схема КС с расстановкой осей локальных СК, точек траектории в глобальной СК, обозначений обобщённых координат и геометрических констант.
- Определение диапазонов обобщённых координат.
Для каждой опорной точки траектории определяются значения обобщённых координат, путём решения обратной задачи кинематики (ОЗК). Для этого сначала решается прямая задача кинематики (ПЗК). Затем выполняется проверка правильности решения ПЗК. Затем решается ОЗК для каждой опорной точки траектории. Расчёты выполняются автоматизированно, в среде MathCad, в документе КП2.mcd. Исходные данные: координаты точек, время цикла должны быть введены в документе КП1.mcd. На основе полученных данных определяются диапазоны изменения для каждой обобщённой координаты на каждом из 3-х участков траектории. Результаты расчётов заносятся в таблицу
Точка |
глобальные |
обобщённые координаты |
участок 1 |
участок 2 |
участок 3 |
|||||
q1 |
q2 |
q3 |
||||||||
x |
y |
z |
|
|
|
|||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
также необходимо расчитать длины участков траектории Li (как расстояние между начальной и конечной точками) и общую длину L?.
- Определение законов движения звеньев манипулятора. Определяются численно законы изменения обобщённых координат скоростей и ускорений на основании следующих параметров: время разгона, время торможения, ускорение разгона и торможения, максимальная и средняя скорости для i-той координаты. На основании полученных данных строится траектория движения центра захватного устройства для трёх участков. Время движения для участка траектории определяется как:
Для каждого участка необходимо задать коэффициенты K2I и К3I , определяющие соотношения времени установившегося движения к времени разгона и времени торможения к времени разгона.
В подразделе приводится текстовое описание содержания выполненных расчётов, основные формулы и пояснения к ним. Результаты дополняются графиками 
. Также должен быть приведён график траектория рабочего органа ПР в глобальной СК.
4. Определение абсолютных линейных и угловых скоростей и ускорений
В подразделе определяются численные законы изменения абсолютных скоростей и ускорений при движении по заданной траектории. Расчёты выполняются автоматизированно, в документе КП3.mcd. Для расчётов необходимо:
4.1 Записать производные матрицы UIJ для каждого I-го звена (6 матриц);
4.2 Записать производные матрицы VIJK для каждого i-го (14 матриц);
4.3 Вычислить и записать радиус – векторы I-го звена, приняв их координату в геометрическом центре I-го звена;
4.4 Записать векторы угловой скорости и матрицы проекции в глобальную СК;
В подразделе приводятся содержание расчётов, основные формулы с пояснениями, вектора и матрицы, а также графики обобщённых скоростей и ускорений. Результаты расчётов должны быть проверены путём подстановки тестовых исходных данных.
5. Точностной расчёт манипулятора
В ходе точностного расчёта определяются допустимые погрешности модулей манипуляторов. Расчёт производится следующим образом:
- Составляются 3 матрицы передаточных коэффициентов B /1/, по одному для каждого звена. Для этого каждый передаточный коэффициент Bij записывается в функции вектора обобщённых координат q.
- Записывается функция расчёта вектора погрешности РО ? в функции вектора обобщённых координат q и векторов погрешности каждого модуля
- Искомые значения погрешностей модулей ?qi задаются в первом приближении.
- Производится расчёт вектора погрешности, при движении по заданной траектории. Строятся графики модуля линейной погрешности.
- Если значение модуля превышает заданное по варианту задания, уменьшают значения погрешностей ?qi и повторяют п 4,5.
6. Силовой расчёт манипулятора
В ходе силового расчёта рассчитывается вектор реакций R для каждого модуля в функции изменения обобщённых координат. Расчёт выполняется в следующей последовательности:
6.1 Записывается радиус вектор центра масс i-го звена в системе координат i-1 го звена.
6.2 Ориентировочно определяются массы каждого звена /2/
6.3 Определяются моменты инерции каждого звена по формуле тонкого стержня.
6.4 Записываются выражения для моментов инерции звена, моментов от сил инерции, моментов сил веса /3/. Составляется 6 уравнений статики по методу кинетостатики /4/.
6.5 Строятся графики реакций (сил и моментов ) для каждого модуля в проекциях.
7. Проектирование захватного устройства
Проектирование производится в следующем порядке:
7.1 Рассчитывают силы инерции и веса в проекции на оси захватного устройства: QО, QН, QБ осевую нормальную и би-нормальную составляющие.
7.2 Составляют схему расположения ОМ, губок и рычагов ЗУ. Определяют основные геометрические параметры H, L, ?, и т. п. с учётом размеров детали, Рассчитывают элементарные нормальные силы и силы трения в точках контакта с ОМ. Составляют уравнения для моментов сил относительно осей вращения пальцев. Рассчитывают значение силы зажима FЗ. /5/.
7.3 Для заданной по варианту передаточного механизма, определяют силовое передаточное отношение. Рассчитывают силу привода. Выбирают силовой цилиндр.
7.4 Конструируют захватное устройство. Составляют компоновочную схему. Определяют усилия в деталях схвата. Выбирают размеры сечения рычагов, диаметры шарниров, ширину губок исходя из расчёта на изгиб, смятие и контактную прочность /5/.
7.5 Строят модель ЗУ в пакете 3D-моделирования, определяют массу и моменты инерции ЗУ.
8. Проектирование модуля степени подвижности
Проектирования модуля степени подвижности ведут в следующей последовательности:
8.1 Разрабатывают компоновку модуля на основе диапазона изменения обобщённых координат и геометрических констант. На схеме показывают звенья модуля с размерами сечений, расположение опор и сосредоточенных масс, диапазоны перемещения.
8.2 Задаются размерами сечения звена, расстояния между опорами. Для звеньев имеющих большое удлинение рассчитывают деформацию изгиба и связанное с ним смещение центра ЗУ. Для коротких корпусных деталей с опорами рассчитывают упругий поворот в опоре и связанное с ним смещение центра ЗУ /6/. Увеличивая размеры сечения, расстояния между опорами и жёсткость узлов добиваются, чтобы смещение центра ЗУ было не более (0.7..2) ?. Необходимо учитывать, что увеличение жёсткости i-го звена вызывает увеличения инерции и массы, мощности и массы приводов и нагрузок на i-1 и предыдущие звенья.
8.3 Строят 3D модель НМС звена и находят массы и моменты инерции звеньев. повторяют силовой расчёт i-го звена и проверку размеров сечений и жёсткость опор по смещению ЗУ.
8.4 По силе привода или моменту действующему на опорный узел, и по скорости i-го звена находят мощность P привода, в функции обобщённых координат. Находят максимальную мощность Pmax. Выбирают несколько двигателей /7/ имеющих мощность Pдв>Pmax*(1.2-1.5).
8.5 Определяют передаточное число силового передаточного механизма 
Проверяют двигатель по крутящему моменту МДВНОМ>F(M)ПРMAX /IР. Выбирают стандартный передаточный механизм /8/. Для поступательных модулей – ШВП, для вращательных модулей – волновой редуктор.
8.6 Выбирают импульсный датчик положения по его дискретности (импульс на оборот). Для датчиков присоединяемых к валу двигателя, то есть включаемых на входе СПМ требуемая дискретность датчика Dsk
8.7 Выбирают расположение и тип датчиков конечного положения звена.
8.8 Дорабатывают компоновку модуля и его 3D модель, включая в неё двигатель и передаточный механизм, датчик и конструктивные элементы: крепления, кожухи упоры, муфты тормозные устройства и демпферы, узлы крепления к предыдущему звену и последующему звену (или захватному устройству) .
8.9 Разрабатывают сборочный чертёж и спецификацию модуля
Разделы 9 и 10 аналогичны разделу 8 и описывают проектирование модулей 2-ой и 1-ой степеней подвижности.
На основании сборочных чертежей модулей и захватного устройства выполняют чертёж общего вида манипулятора.
Литература
1 Точностной расчёт манипулятора: метод. указания к лаб. работе по дисциплине “Проектирование роботов и РТС” /ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2005
2 Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Управление роботами»/ ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2004
3 Силовой расчёт манипулятора: метод. указания к лаб. работе по дисциплине “Проектирование роботов и РТС” /ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2007
4 Механика промышленных роботов: Учеб. пособие для втузов: в 3 кн. под ред К.В. Фролова, Е.И. Воробьёва. Кн.3: Основы конструирования/ Е.И. Воробьёв, А.В. Бабич, К.П.Жуков и др.- М.: Высш. шк., 1989.
5 Механика и конструирование роботов О.Д. Егоров Москва 1997 г.
6 Исследование жёсткости несущей механической системы манипулятора Электроника НЦТМ: метод. указания к лаб. работе по дисциплине “Проектирование роботов и РТС” / ДГТУ Ростов-на-Дону, 2002
7 Справочник по электрическим машинам в двух томах. в двух томах Том I. под общ. ред. Копылова И.П. и Клокова Б.К. Москва, Энергоатомиздат, 1988.
8 Промышленные роботы в машиностроении. Альбом схем и чертежей. Под ред. Ю.М. Соломенцева, Ю.А. Павлова и др., М., Машиностроение, 1987 г.