Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Курсовой проект по дисциплине «Механика управляемых машин»

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
26.03.2015
Размер:
1.67 Mб
Скачать

Балтийский Государственный Технический Университет «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова

Кафедра К4 «Прикладная механика, автоматика и управление»

Курсовой проект

по дисциплине «Механика управляемых машин»

Кинематика робота-манипулятора

Вариант №19

Выполнил:

Студент группы К-491

Фоминых П.Ю.

Санкт-Петербург

2013

2

Техническое задание

Схема 4

Структурная схема манипулятора, с обозначением размеров показана на рис. 1. В табл. 1 по каждой степени свободы для различных вариантов заданий приведены размеры и значения параметров матриц перехода, которые рекомендуется использовать при первичном формировании механизма.

В проекте исследуется работа манипулятора при цикловой, позиционной и контурной системе управления.

Исходные данные для цикловой системы управления. На рис. 2,а

показаны варианты циклограмм, где tн – время начальной паузы, tР – время разгона, tу – время установившегося движения, tт – время торможения. На рис. 2,б,в – законы изменения обобщенных скоростей. На рис. 2,б – трапецеидальный закон, на рис. 2,в – безударная трапеция. В табл. 2 по каждой степени свободы для различных вариантов приведены параметры циклограммы, пределы изменения обобщенных координат и тип закона изменения обобщенной скорости.

Таблица 1

вар

1O

S1, м

a1, м

1O

2O

S2, м

a2, м

2O

3O

S3, м

a3, м

3O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

90

0,7

0

0

90

0

0,35

90

-45

0,15

0,6

90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

a)

Таблица 2

Вар.

Вариант циклограммы

Степень свободы

законаТип движения

tн, c

tP, c

tу, c

tт, c

Начальное

Конечное

 

 

 

 

 

 

 

 

положение

положение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

Рис. 2в

0

0,5

1,0

0,5

1(0) = 10O

1(TЦ) = 110O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

3

2

Рис. 2в

3,5

0,5

1,0

0,5

S2(0) = 0,2 м

S2(TЦ) = 0,4 м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

Рис. 2б

1,5

0,5

1,0

0,5

3(0) = 20O

3(TЦ) = 50O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При позиционной системе управления в процессе работы манипулятор должен занять ряд позиций, переходя из одной позиции в другую с заданными параметрами движения.

В таблице 3 приведены координаты позиций, занимаемых рабочим органом манипулятора (точка

A, см. рис. 1)1.

Таблица 3

Вар

 

Позиция 1

 

 

Позиция 2

 

 

Позиция 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xA, м

yA, м

zA, м

xA, м

yA, м

zA, м

xA, м

yA, м

zA, м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

0,3

0,65

0,5

-0,6

0,1

0,55

0,3

-0,8

0,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть общего цикла движения точки A от позиции 1 до позиции 2 будем называть участком 1, а от позиции 2 до позиции 3 – участком 2. На рис. 3 показаны варианты изменения обобщенных скоростей при планировании движении на участке, где tн – время начальной паузы, tР – время разгона, tу – время установившегося движения, tт – время торможения, tп – время паузы,. На рис. 3а

– трапецеидальный закон, на рис. 3б закон в виде безударной трапеции.

В таблице 4 для каждой степени свободы указан тип закона движения для каждого участка и значения его параметров.

1 Если позиция окажется вне зоны сервиса манипулятора, то по согласованию с преподавателем надо изменить её координаты.

4

Таблица 4

Вар.

Степень свободы

Тип закона движения

 

 

 

tн, c

tP, c

tу, c

tт, c

tп, c

 

 

 

 

 

 

1

Рис. 3в

0

0,5

1,0

0,5

0

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

Рис. 3в

3,5

0,5

1,0

0,5

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

Рис. 3б

1,5

0,5

1,0

0,5

0

 

 

 

 

 

 

 

 

При контурной системе управления в процессе работы рабочий орган манипулятора (точка A, см. рис. 1) должен пройти по заданной траектории. В табл. 5 для каждого варианта указан тип траектории, координаты её начала и конца, тип и параметры закона движения точки A.

Таблица 5

 

Тип траектории

Тип закона движения

 

 

 

 

Начало траектории

Конец траектории

Вар.

tн, c

tP, c

tу, c

tт, c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xA, м

yA, м

zA, м

xA, м

yA, м

zA, м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

Прямая

Рис. 2в

0

0,8

1,0

0,8

0,3

0,65

0,5

-0,6

0,1

0,55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для кинетостатического расчета в таблице 6 по каждому варианту указаны массы mi и моменты инерции Ji звеньев в ГЦСК. Величины m3 и J3 указаны с учетом массы и момента инерции груза, перемещаемого манипулятором.

Таблица 6

 

m1, кг

J1x,

J1y,

J1z,

m2, кг

J2x,

J2y,

J2z,

m3, кг

J3x,

J3y,

J3z,

 

кг м2

кг м2

кг м2

кг м2

кг м2

кг м2

кг м2

кг м2

кг м2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

24

0,4

0,4

0,11

12

0,008

0,15

0,15

24

0,015

0,8

0,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

Содержание

Введение .........................................................................................................................................

6

1.Структурный анализ механизма манипулятора ......................................................................

6

2.Кинематический анализ .............................................................................................................

7

2.1.Цикловая система управления............................................................................................

7

2.1.1.Законы движения по степеням свободы .....................................................................

7

2.1.2.Прямая позиционная задача в одном положении ......................................................

8

2.1.3.Исследование движения манипулятора ....................................................................

11

2.2.Позиционная система управления ...................................................................................

14

2.2.1.Позиции рабочего органа и планирование движений .............................................

14

2.2.2.Исследование движения манипулятора ....................................................................

16

2.3.Контурная система управления ........................................................................................

19

2.3.1.Траектория рабочего органа.......................................................................................

19

2.3.2.Исследование движения манипулятора ....................................................................

20

3.Кинетостатический анализ ......................................................................................................

22

3.1.Инерционные параметры механизма ...............................................................................

23

3.2.Уравнения равновесия. Определение управляющих сил ..............................................

26

3.3.Цикловая система управления..........................................................................................

27

3.4.Позиционная система управления ...................................................................................

32

3.5.Контурная система управления ........................................................................................

36

Заключение...................................................................................................................................

40

Приложение..................................................................................................................................

41

Библиографический список........................................................................................................

42

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

 

 

В проекте решается ряд взаимосвязанных задач по исследованию функционирования

робота-манипулятора при различных системах управления:

 

 

 

 

- Цикловой

 

 

 

 

 

 

- Позиционной

 

 

 

 

 

- Контурной

 

 

 

 

 

Исследование будет включать в себя:

 

 

 

 

- Структурный

 

 

 

 

 

- Кинематический

 

 

 

 

- Кинестетический анализ механизма.

 

 

 

 

Расчеты, таблицы, графики и рисунки выполняются при помощи программы CaDMan,

реализующей решение всех рассматриваемых задач.

 

 

 

 

 

 

 

1.Структурный анализ механизма манипулятора

 

 

 

Схема манипулятора, с обозначением размеров показана на рисунке 1 технического

задания (ТЗ). Определим число степеней свободы W для данного пространственного механизма

по формуле Сомова-Малышева:

S2

2

 

 

 

 

 

 

θ3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W 6n kpk 6 3 5 3 18 15 3 ,

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

 

 

 

где n – количество подвижных звеньев в механизме, pk

1

 

3

количество кинематических пар k-го класса. Структурная схема

 

 

 

 

 

механизма с обозначением звеньев приведена на рисунке 1.1.

 

 

 

 

S2

2

 

Маневренность – число

 

 

 

 

θ3

степеней свободы манипулятора со

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

схватом, закрепленным на стойку

 

 

 

 

 

 

 

шаровым шарниром (рис. 1.2).

θ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

3

Определим маневренность

 

 

Рисунок 1.1

 

 

 

манипулятора WM :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

WM 6 3 5 3 3 1 18 15 3 0

Маневренность характеризует способность манипулятора обеспечивать различную ориентацию рабочего органа.

θ1

 

WM 0 означает, что механизм не может менять ориентацию

 

рабочего органа.

 

Рисунок 1.2

 

 

7

2.Кинематический анализ

При кинематическом анализе механизмов роботов-манипуляторов возникают две взаимообратные задачи. Прямая задача формулируется следующим образом: при известных мгновенных значениях кинематических параметров относительного движения звеньев определить мгновенные значения кинематических параметров абсолютного движения звеньев. Совокупность решений для последовательных положений механизма являются решением общей задачи, а каждое в отдельности для одного положения есть решение частной прямой задачи.

При решении обратной задачи известными параметрами являются координаты интересующей нас точки, ее скорость и ускорение. Искомыми являются параметры относительного движения звеньев, которые обеспечили бы требуемое движение рассматриваемой точки.

Прямая и обратная задачи решают методом преобразования координат [1, с.14-19]. Решения данных задач используются при задании движения рабочего органа. В зависимости от типа движения, реализуемого по отдельным степеням свободы, различают системы: контурного, позиционного и циклового управлений.

2.1.Цикловая система управления

Системы циклового управления – простейший способ программного управления, когда по каждой степени свободы программируется только начальное и конечное положения. Движения по степеням свободы происходят раздельно.

2.1.1.Законы движения по степеням свободы

Для осуществления циклового типа управления в таблице 2 ТЗ по каждой степени свободы приведены параметры циклограммы, пределы изменения обобщенных координат и тип закона изменения обобщенной скорости. Законы изменения обобщенных скоростей: трапеция для 3-й степени свободы и безударная трапеция для 1-й и 2-й степеней. Их вид приведен на рис.2.1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

трапеция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

безударная трапеция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1

8

Циклограмма движения представлена на рис.2.2:

Рисунок 2.2

Где tн – время начальной паузы, tР – время разгона, tу – время установившегося движения, tт – время торможения.

Таблица 2.1

Степень

tн, c

tр, c

tу, c

tт, c

свободы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

0,5

1,0

0,5

 

 

 

 

 

2

3,5

0,5

1,0

0,5

 

 

 

 

 

3

1,5

0,5

1,0

0,5

 

 

 

 

 

2.1.2.Прямая позиционная задача в одном положении

Схема манипулятора в начальном положении с изображением ЛСК приведена на рис.2.3. Координатные системы манипулятора установлены таким образом, что являются связанными или представлением Денавита-Хартенберга [1, с.17-18]

Рисунок 2.3

9

Найдем для начального положения звеньев манипулятора параметры точки A (рабочего органа) в абсолютных системах координат. В соответствии с ТЗ в таблице 2.2 приведены параметры обобщенных координат.

Таблица 2.2

θ1(0), o

S2(0), м

θ3(0), o

10

0,2

20

Для решения прямой задачи необходимо осуществить переход от одной системы координат в другую. Выражение для преобразования координат, например, рассматриваемой точки А при переходе из (i+1)-ой системы координат в i-ю выглядит следующим образом:

x(i)

x(i 1)

cos

(i 1)

y (i 1)

sin

(i 1)

a

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

A

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y (i)

x(i 1)

sin

(i 1)

cos

(i)

y (i 1)

cos

(i 1)

cos

(i)

z

(i 1)

sin

(i)

 

 

A

A

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

z (i)

x(i 1)

sin

(i 1)

sin

(i)

y (i 1)

cos

(i 1)

sin

(i)

z (i 1) cos

(i)

S

,

A

A

 

 

A

 

 

 

 

 

A

 

 

i

 

данное выражение в матричной форме:

xA(i)

 

cos

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

(i 1)

 

 

 

 

(i 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y (i)

sin

(i 1)

cos

(i)

cos

(i 1)

cos

(i)

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(i)

sin (i 1)

sin (i)

cos (i 1)

sin (i)

z A

 

что эквивалентно:

0

sin (i) cos (i)

 

xA(i 1)

 

 

 

 

y

z (i 1)

A(iA 1)

ai

0 ,Si

xA(i)

 

cos

 

 

sin

 

 

0

 

 

 

 

 

 

(i 1)

 

 

 

 

(i 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yA(i)

sin (i 1) cos (i)

cos (i 1) cos (i)

sin (i)

(i)

 

 

sin

 

sin

 

cos

 

sin

 

cos

 

zA

 

 

(i 1)

(i)

(i 1)

(i)

(i)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

введем обозначения:

a

 

xA(i 1)

 

 

i

 

 

 

 

0

 

yA(i 1)

 

,

 

 

 

 

 

Si

zA(i 1)

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

RAi Ti RAi 1 , где RAi , RAi 1 - векторы координат точки в системе координат i-го и i+1 звена, Т i - матрица перехода из системы координат i+1 звена в систему координат i-го звена:

 

 

cos

(i 1)

 

sin

(i 1)

 

0

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

T

sin (i 1) cos (i)

cos (i 1) cos (i)

sin (i)

0

,

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

sin

 

cos

 

sin

 

cos

 

S

 

 

(i 1)

(i)

(i 1)

(i)

(i)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда матрицы перехода Т0 из ЛСК X1Y1Z1

(см. рис. 2.3) в ЛСК X0Y0Z0 (i=0) и Т1 из

ЛСК X 2Y2Z2 в ЛСК X1Y1Z1 (i=1)имеют вид:

 

cos 1

sin 1

0

0

 

 

 

cos 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

sin 1

cos 1

0

0

 

, T

 

sin 2 cos 1

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

0

0

0

1

0

1

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

0

0

0

1

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

0

 

a

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1

 

 

cos 2 cos 1

sin 1

0

 

,

cos

2

sin

1

cos

1

S

 

 

 

 

 

1

 

 

 

0

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

матрицы перехода Т2

из ЛСК X3Y3Z3 в ЛСК X 2Y2Z2

(i=2) и

X3Y3Z3 (i=3):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

3

 

sin

3

 

0

 

a

2

 

 

 

 

cos

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

sin 3 cos 2

cos 3 cos 2

sin 2

0

 

,

T

sin 4 cos 3

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

2

 

sin

 

cos

 

sin

 

cos

 

S

 

 

3

 

 

sin

 

 

3

2

3

2

2

2

 

 

4

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т3 из ЛСК X 4Y4Z4 в ЛСК

sin

 

 

0

 

a

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

3

 

 

cos 4 cos 3

sin 3

0

 

,

cos

4

sin

3

cos

3

S

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

При этом полагаем, что ЛСК X 4Y4Z4 расположена на конце выходного звена 3 на месте рабочего органа, соответственно координата 4 и расположение точки А ( RA4 ) в этой ЛСК принимаются равными нулю.

Таблица параметров:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1O

 

S1,

 

a1,

1O

 

2O

 

S2,

 

a2,

 

2O

 

3O

S3,

a3,

3O

 

4O

 

 

м

 

м

 

 

м

 

м

 

 

м

м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

0,7

 

0

0

 

90

 

0,2

 

0,35

 

90

 

20

0,15

0,6

90

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0

T

R1

T T R2

T

T T

R3

T T T

T

R4 - вектор координат точки А в

A

0

A

0 1

A

0

1 2

A

0 1 2

3

 

A

 

 

 

 

 

 

неподвижной системе координат (НСК).

 

cos 1

 

 

 

 

0

sin 1

 

RA

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

cos 3

 

 

 

 

 

 

sin 3 cos 2

sin

 

sin

 

 

 

3

 

2

 

 

0

 

 

 

 

sin 1

0

0

 

cos

2

 

 

 

sin 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos 1

0

0

 

sin 2 cos 1

 

cos 2 cos 1

0

 

1

0

 

sin

 

sin

 

 

cos

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

1

0

 

0

1

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 3

 

 

 

0

 

 

 

a2

 

 

cos 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos 3 cos 2

 

sin 2

 

0

 

sin 4 cos 3

cos

3

sin

2

 

cos

2

 

 

S

2

 

sin

4

sin

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

1

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

a1

 

 

sin 1

0

 

 

 

 

cos

 

S

 

 

 

 

1

1

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

sin 4

 

0

 

a3

 

 

0

 

0,011

cos 4 cos 3

sin 3

0

 

 

0

 

 

0,926

 

 

 

 

 

 

cos

 

sin

 

cos

 

S

 

 

 

0

 

 

1,105

 

 

4

 

3

 

3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

1

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, координаты точки А в НСК:

xA0 0,011; yA0 0,926; z0A 1,105.