В современном мире основным направлением развития промышленности является автоматизация производства. Это способствует росту его эффективности за счет повышения качества выпускаемой продукции, а также сокращения доли рабочих, занятых в различных сферах производства.
Одним из основных элементов автоматизации промышленных предприятий является использование роботизированных комплексов, состоящих из механических манипуляторов и систем управления ими.
Применение такого робототехнического комплекса в производственном процессе позволяет рационально подойти к использованию трудовых ресурсов, повысить качество выполнения производственной технологической операции, снизить временные затраты на ее выполнение, снизить себестоимость продукции за счет уменьшения процента брака и снижения непроизводственных расходов (оплаты сверхурочных работ и простоев рабочих), увеличить выпуск продукции, повысить эффективность производства в целом [1] . Использование такого рода систем автоматизации предъявляет более высокие требования к технологичности изделий, к системе технической подготовки производства и квалификации кадров.
1. Актуальность темы
Робототехника – весьма обширная сфера инженерной практики, причем в последнее время она все более расширяется. Само понятие робот
приобретает более глубокий смысл, по сравнению с тем, который вкладывался в него ранее.
Несмотря на универсальность понятия «робот» и ассоциации, вызываемые этим термином у неспециалистов, подавляющее большинство роботов, используемых в промышленности, представляют собой манипуляторы, управляемые посредством микропроцессорных контроллеров [2] .
Манипуляционный робот – это техническое устройство, снабженное манипуляторами и способное самостоятельно выполнять различные механические операции в своем рабочем пространстве. Это наиболее широкий класс робототехнических устройств. К нему относятся все промышленные роботы (ПР), а также манипуляционные роботы (МР), предназначенные для замены человека в тех случаях, когда он не может присутствовать на месте выполнения операции или выполнять ее самостоятельно – под водой, в космическом пространстве, в условиях повышенной радиации и т.п. Данные задачи всегда предъявляют к промышленным роботам строгие требования по ряду критериев: по точности измерений положения, по точности позиционирования, по количеству степеней свободы и подвижности звеньев. В связи с этим, разработка как самого манипулятора ПР, так и программ управления им представляет сложную задачу, предполагающую многоэтапное решение.
Организация подготовки производства новой продукции
... работы - собственно исследование процесса подготовки производства новых видов продукции в его взаимосвязи с организационной подготовкой производства. Наконец, в третьей главе говорится о маркетинговой стороне освоения новой продукции. Источники для написания работы - «Организация производства ...
Они представляют собой сложный электромеханический объект, обладающий рядом особенностей. Во-первых, манипуляционные роботы отличаются сложной кинематической структурой, содержащей множество независимых либо взаимосвязанных звеньев. Во-вторых, изменение положения последних в пространстве оказывает влияние на физические силы, действующие на манипулятор. В-третьих, существует необходимость синхронного управления большим числом двигателей [8] .
В связи с наличием указанных особенностей, для внедрения МР в производственный процесс требуется специально разрабатываемые системы управления. Они служат для организации взаимодействия между человеком-оператором и МР, и обеспечивают выполнение процессов, необходимых для автоматизации технологической операции.
Вследствие этого актуальность приобретает задача синтеза кинематических, геометрических параметров и разработка методик их расчета [8] .
2. Цель и задачи исследования
Таким образом, целью работы является разработка и исследования системы управления роботом-манипулятором Katana
фирмы Neuronics AG (Швейцария).
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- Проанализировать общие подходы и определить требования к управлению роботами-манипуляторами.
- Исследовать особенности кинематики (рассчитать прямую и обратную задачи кинематики) и динамики манипулятора, а также сформировать его математическую модель.
- Разработать и исследовать систему управления манипуляционным роботом.
- Разработать и спроектировать пользовательский интерфейс для программного управления манипулятором
Katana
.
3. Классификация роботов и область их применения
3.1 Основные понятия и определения
Манипуляционный робот представляет собой многостепенной, многофункциональный манипулятор, предназначенный для того, чтобы воспроизводить некоторые рабочие функции человеческих рук с целью выполнения различных работ [1] .
По своей структуре манипулятор – многозвенная машина, между отдельными элементами которой существуют механические связи. В зависимости от области применения могут использоваться различные схемы построения механической части манипулятора, но все же основная конструкция представляет собой последовательность звеньев, соединенных между собой вращательными/поступательными парами [2] . Большинство производимых в настоящее время манипуляторов относятся к числу роботов с вращательной системой координат. Они обеспечивают наибольший объем рабочей зоны, в которой может осуществляться движение. Их структура позволяет достигать заданного положения и ориентации рабочего органа, в том числе при наложении ограничений на возможные перемещения, возникающие при наличии препятствий в рабочей зоне.
3.2 Функционал и область применения роботов-манипуляторов
По функционалу различают:
4. Схема, и составные элементы манипулятора
4.1 Функциональная схема манипуляторов
Форма рабочей зоны и возможности манипулирования объектом определяется кинематической структурной схемой манипулятора.
Манипулятор по своему функциональному назначению должен обеспечивать перемещение объекта манипулирования в пространстве по заданной траектории и с заданной ориентацией. Для полного выполнения этого требования основной механизм манипулятора должен иметь не менее шести степеней свободы. Однако, манипуляторы с шестью степенями свободы сложны как в изготовлении, так и в эксплуатации, поэтому в реальных конструкциях используется менее шести степеней подвижности. Наиболее простые манипуляторы имеют три, реже две, степени свободы, что удешевляет и упрощает конструкцию [9] . В разрабатываемом роботе-манипуляторе Katana
5M180, будет реализовано четыре степени свободы, что обеспечит движение по заданной траектории и позволит сохранить ориентацию объекта в пространстве, но при этом не сильно усложнит конструкцию.
4.2 Выбор привода
Основными задачами манипуляционного робота являются позиционирование рабочего органа и следование заданной траектории. В зависимости от назначения манипулятора, для обеспечения движения модулей роботов на практике используют различные виды приводов [7] .
Большинство существующих в настоящее время манипуляционных роботов используются для выполнения движений электрический привод. Основными его преимуществами относительно пневматических и гидравлических приводов являются:
- высокий КПД;
- малые габариты;
- удобство управления;
- широкий диапазон мощностей.
В современных промышленных манипуляторах чаще всего используются двигатели постоянного тока (ДПТ), шаговые и вентильные двигатели. Наиболее часто применяются ДПТ и вентильные двигатели [9] .
В данном проекте используются двигатели постоянного тока с интегрированным цифровым энкодером, фирмы Maxon motor A-max, внешний вид которого представлен на рисунке 5 [5] .
Характеристики двигателя (при номинальном напряжении) представлены в таблице 1.
| Номинальная мощность, Вт | 6 |
| Номинальное напряжение, В | 9 |
| Сила тока без нагрузки, мА | 57,9 |
| Номинальное число оборотов, об/мин | 6530 |
| Номинальная сила тока
(макс. продолжительная сила тока), А |
0.859 |
Для передачи необходимого момента на звенья управляющего манипулятора, для создания силового очувствления, необходимо использовать редуктор. Для этой цели был выбран понижающий редуктор этой же фирмы Maxon motor.
Понижающий редуктор необходим в случаях, когда частота вращения приводимого вала машины меньше, чем у двигателя. Задачей редуктора является снижение угловой скорости и увеличение крутящего момента на ведомом валу.
Так же для измерения скорости двигателей и получения данных о положении звеньев манипулятора используется цифровой энкодер.
4.3 Выбор контроллера
Для того, чтобы управлять приводами манипулятора не обходимо использовать персональный компьютер (ПК), служащий для расчетов и формирования программы управления, а также платы управления на базе микроконтроллера, который должен удовлетворять требованиям: [9]
- цифровые и аналоговые входные каналы для датчиков и периферийных устройств;
- разрешение ШИМ менее 1 мкс;
- последовательный интерфейс UART/TTL (5 В);
- раздельное управление скоростью и ускорением для каждого канала;
- высокая производительность;
- аппаратная поддержка вычислений с плавающей запятой.
Для данной разрабатываемой системы был выбран микроконтроллер фирмы STMicroelectronis STM32F4 [6] .
Плата STM32F4 Discovery предназначена для реализации собственных устройств и приложений с использованием аппаратного обеспечения платы.
Плата STM32F4 Discovery оснащена:
- микроконтроллером STM32F407VGT6 с ядром Cortex-M4F тактовой частотой 168 МГц, 1 Мб Flash-памяти, 192 кб RAM в корпусе LQFP100;
- отладчиком ST-Link/V2 для отладки и программирования МК;
- питанием платы через USB или от внешнего источника питания 5 В;
- датчиком движения ST MEMS LIS302DL и выходами цифрового акселерометра по трем осям;
- датчиком звука ST MEMS MP45DT02;
- звуковым ЦАП CS43L22;
- восемью светодиодами: LD1 (красный/зеленый) для USB-подключения, LD2 (красный) для питания 3.3 В, четыре пользовательские светодиода: LD3 (оранжевый), LD4 (зеленый), LD5 (красный), LD6 (синий) и два светодиода для USB On-The-Go – LD7 (зеленый) и LD8 (красный);
- двумя кнопками (для программирования пользователем и для перезапуска).
Таким образом, отладочная плата оснащена большим количеством периферии, что позволяет сразу же реализовывать на ней примеры различной сложности.
5. Анализ существующих систем управления манипуляционным роботом
В настоящее время наиболее распространенные системы управления манипуляционными роботами производятся фирмами ABB, KUKA, Yaskawa Motoman, Fanuc. В своих разработках, для решения указанных задач, они используют закрытые проприетарные решения. То есть пользователь получает систему, включающую в себя манипуляционный робот и СУ МР одного производителя. Такой подход позволяет производителю гарантировать работоспособность конечного решения, но ограничивает возможности со стороны пользователя [8] .
Современные СУ МР фирмы ABB применяют принципы модульного построения, при котором к одному центральному контроллеру через интерфейс Ethernet может быть подключен ряд контроллеров, предназначенных для управления отдельными манипуляторами.
Роботы ABB используют серводвигатели переменного тока, мощность которых варьируется в диапазоне 1 кВт – 4.5 кВт для ряда грузоподъемности 2 – 150 кг. При этом обеспечивается точность позиционирования 0,06 – 0,1 мм. Программирование роботов осуществляется с помощью языка RAPID [10] .
Роботы KUKA выполняются на базе промышленного компьютера, использующего OC Windows XP с расширениями реального времени VxWorks. Для управления манипулятором применяются платы ввода-вывода, специализированные платы расширения, включающие плату управления осями.
Для осуществления обмена данными используются протоколы ModBus, Ethernet.
Манипуляторы оснащаются серводвигателями переменного тока, а в качестве датчика положения используется абсолютный энкодер. Технические характеристика варьируются в зависимости от грузоподъемности. Погрешность позиционирования, обеспечиваемая манипулятором, варьируется в пределах 0,05 – 0,15 мм [8] .
Наиболее распространенной отечественной разработкой является СУ МР Сфера-36
, предназначенная для управления манипуляторами Puma-560. Она обладает возможностями простого ввода текстовых программ и записи последовательности перемещений в режиме обучения. Недостатком такой СУ является необходимость использования аналоговых сигналов для управления и организации обратной связи с манипулятором, что снижает качество управления, так как линии управления могут быть подвержены помехам. Более того, данная разработка устарела и не соответствует современным требованиям [8] .
Список источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/robotyi-kuka/
- Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Основы управления манипуляционнымироботами. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана – 2004. – 480 с.
- Юревич Е.И. Управление роботами и робототехническими системами.СПб. – 2001. – 168 с.
- Роботы-манипуляторы.рф [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://роботы–манипуляторы.рф .
- В.В. Рябченко, Н.Н. Дацун, Программно-аппаратный комплекс управления роботами-манипуляторами фирмы NEURONICS AG [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ea.donntu.edu.ua .
- Электродвигатели-редукторы.рф, Электронно-коммутируемый двигатель постоянного тока Maxon motor A-max 22, [Электронный ресурс] – Режим доступа: электродвигатели–редукторы.рф .
- Лабораторный практикум по изучению микроконтроллеров архитектуры ARM Cortex-M4 на базе отладочного модуля STM32F4 Discovery [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.compel.ru .
- Конструкции промышленных роботов: Учеб. Пособие для СПТУ/ Е.М.Канаев, Ю.Г. Козырев, Б.И. Черпаков, В.И. Царенко. М.: Высш. шк., 1987. – 95 с.
- Варков А.А., Разработка и исследование системы управления манипуляционным промышленным роботом на базе контроллера, [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://lib.eltech.ru .
- Н. Ю. Встовский, Е. А. Шеленок, Г. В. Шеразадишвили, Разработка учебного робота-манипулятора, аппаратная часть, [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://pnu.edu.ru .
- Промышленный робот [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki .
