43445

Электропривод робота-манипулятора с вертикально-ангулярной кинематической схемой на базе двигателей постоянного тока

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Перечень вопросов подлежащих разработке и обязательного графического материала: расчет требуемых параметров и выбор электродвигателей постоянного тока для трех степеней подвижности робота; Графические материалы: общий вид манипулятора с обозначением звеньев и степеней подвижности; кинематическая схема манипулятора; расчетные кинематические схемы 1ой 2ой и 3ей степеней подвижности; общий вид 2го звена манипулятора с двигателями 2ой и 3ей степеней подвижности. Мониторинг процесса выполнения курсового проекта № этапа...

Русский

2013-11-05

790.5 KB

140 чел.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет радиотехники,

электроники и автоматики»

МГТУ МИРЭА

Факультет кибернетики

Кафедра проблем управления

Утверждаю

Заведующий

кафедрой______________М.П. Романов

«____» ____________201___ г.

ЗАДАНИЕ

на выполнение  курсового проекта

по дисциплине                                   «Приводы роботов»

Студент                               Ульянов М.В.                                                 Группа        КС-52-09
  1.  Тема: «Электропривод робота-манипулятора с вертикально-ангулярной кинематической схемой на базе двигателей постоянного тока» (Вариант № 1)
  1.  Исходные данные: грузоподъемность – 2.5  кг; номинальное напряжение питания двигателей – 27 В; кинематическая схема манипулятора и ее параметры..
  1.  Перечень вопросов, подлежащих разработке, и обязательного графического материала:
  •  расчет требуемых параметров и выбор электродвигателей постоянного тока для трех степеней подвижности робота;

Графические материалы:

  •  общий вид манипулятора (с обозначением звеньев и степеней подвижности);
  •  кинематическая схема манипулятора;
  •  расчетные кинематические схемы 1-ой, 2-ой и 3-ей степеней подвижности;
  •  общий вид 2-го звена манипулятора (с двигателями 2-ой и 3-ей степеней подвижности).
  1.  Срок представления к защите курсового проекта (работы): до « 21 » декабря 2012 г.

Задание на курсовой проект выдал

«___»___________201__г.

_____________________

Цыпкин В.Н.

Задание на курсовой проект получил

«___»___________201__г.

_____________________

Ульянов М.В.

  1.  Мониторинг процесса выполнения курсового проекта

№ этапа

Этап курсового проекта выполнил и представил результаты руководителю проекта

дата и подпись исполнителя

Работу по этапу курсового проекта принял на рассмотрение

дата и подпись руководителя

Рекомендации и замечания по
этапу курсового проекта
выдал
исполнителю

дата и подпись руководителя

Оценка выполнения этапа курсового проекта

Комментарии
 руководителя курсового проекта

1

Разработка расчетной схемы, проведение расчетов требуемых параметров и выбор двигателя 3-ей степени подвижности; компоновка элементов третьего звена

2

Разработка расчетной схемы, проведение расчетов требуемых параметров и выбор двигателя 2-ой степени подвижности; компоновка элементов 2- го звена

3

Разработка расчетной схемы, проведение расчетов требуемых параметров и выбор двигателя 1-ой степени подвижности

4

Оформление расчетно-пояснительной записки

5

Оформление графической части курсового проекта

Содержание:

Цель проекта             5

Введение              7

Расчёт третьей степени подвижности       10

Расчёт второй степени подвижности       13

Расчёт первой степени подвижности       16

Заключение            19

Цель проекта

Цель проекта: 

       расчет требуемых параметров и выбор электродвигателей постоянного тока для трех степеней подвижности робота, компоновка двигателей, датчиков и редукторов 4-ой, 5-ой, 6-ой, а также 2-ой и 3-ей степеней подвижности в конструкциях соответственно 3-го и 2-го звеньев манипулятора.

Исходные данные:

  •  общий вид манипулятора (Рис 1.1.1);
  •  кинематическая схема манипулятора (Рис. 1.1.2);
  •  грузоподъемность (включая оснастку – захватное устройство) (равная 2.5 кг);
  •  номинальное напряжение питания двигателей 1-ой, 2-ой и 3-ей степеней подвижности (Uпит = 27В);
  •  массогабаритные показатели звеньев манипулятора (см. разделы 1 - 3);
  •  общая масса двигателей и редукторов 4-ой, 5-ой и 6-ой степеней подвижности (см. раздел 1);
  •  максимально-допустимые частоты вращения звеньев – плеча (1-ое звено), верхней части руки (2-ое звено), предплечья (3-ье звено) (см. разделы 1 - 3);
  •  максимально-допустимые угловые ускорения звеньев – плеча, верхней части руки, предплечья (см. разделы 1 - 3);
  •  коэффициенты редукции редукторов 1-ой, 2-ой и 3-ей степеней подвижности (см. разделы 1 - 3);
  •  ориентировочное расположение двигателей, датчиков и редукторов 2-ой и 3-ей степеней подвижности в конструкции 2-го звена, а также двигателей, датчиков и редукторов 4-ой, 5-ой и 6-ой степеней подвижности в конструкции 3-го звена;

Особые требования:

  •  необходимо минимизировать статический момент относительно оси 3-ей степени подвижности (за счет компоновки двигателей, датчиков и редукторов 4-ой, 5-ой и 6-ой степеней подвижности в задней части 3-го звена) при отсутствии нагрузки (оснастки и объекта манипулирования);
  •  в наиболее тяжелом для двигателя 2-ой степени подвижности режиме работы необходимо минимизировать статический момент относительно оси 2-ой степени подвижности (за счет компоновки двигателей, датчиков и редукторов 2-ой и 3-ей степеней подвижности в задней части 2-го звена, а при необходимости – введением в конструкцию 2-го звена дополнительного балансира) при отсутствии нагрузки (оснастки и объекта манипулирования);
  •  двигатели 2-ой и 3-ей степеней подвижности в наиболее тяжелых для них условиях работы должны обладать пусковым моментом, не менее чем на 40% превышающим расчетный;
  •  рекомендуется унифицировать применяемые в приводе двигатели; в частности, для 2-ой и 3-ей степеней подвижности, а по возможности и для 1-ой степени подвижности желательно выбрать один и тот же типоразмер двигателя постоянного тока;
  •  при выборе двигателей предпочтение следует отдавать типоразмерам с меньшей частотой вращения в номинальном режиме.

Допущения:

  •  массы 1-го звена, а также 2-го и 3-го звеньев без двигателей, датчиков и редукторов распределены равномерно вдоль их длин;
  •  массы двигателей, датчиков и редукторов 4-ой, 5-ой и 6-ой степеней подвижности сосредоточены в точке, расположенной в задней части 3-го звена;
  •  массы 4-го, 5-го и 6-го звеньев, а также оснастки и объекта манипулирования сосредоточены в крайней передней точке 3-го звена;
  •  для 2-ой и 3-ей степеней подвижности используются двигатели со встроенными датчиками редукторами;
  •  массы датчиков и редукторов 2-ой и 3-ей степеней подвижности составляют примерно 100% от масс соответствующих двигателей;
  •  массы двигателей, датчиков и редукторов 2-ой и 3-ей степеней подвижности сосредоточены на осях вращения соответствующих двигателей в серединах их осевых длин;
  •  при расчетах можно пренебречь моментами инерции редукторов 1-ой, 2-ой и 3-ей степеней подвижности, а также создаваемыми ими статическими моментами трения;
  •  при введении в конструкцию 2-го звена балансира считать, что массы двигателей, датчиков и редукторов 2-ой и 3-ей степеней подвижности сосредоточены на расстоянии 2/3 длины заднего плеча 2-го звена, а масса самого балансира – на заднем конце 2-го звена.

Введение

Робот "РМ-01" представляет собой универсальный электромеханический промышленный робот с управлением от ЭВМ. Число степеней подвижности - 6.

Робот состоит из двух основных частей: манипулятора ("руки") модели "PUMA 560" и устройства управления модели "СФЕРА 36" с соединительными кабелями.

"Пума-560" - антропоморфной манипулятор с шестью степенями подвижности, способный выполнить самые разные движения. Звенья манипулятора соединяются друг с другом в суставах, и вращаются вокруг осей систем координат, идущих через центры суставов. Разрабатываемый в проекте робот по кинематическим схемам аналогичен РМ-01.

  1.  ая степень подвижности - колонна

Двигатель 1-ой степени подвижности установлен в кожухе вне нижней части колонны.

  1.  ая степень подвижности - плечо

Двигатель установлен в задней части звена между плечом и локтем.

  1.  ая степень подвижности - локоть

Двигатель 3-ей степени подвижности размещен рядом с двигателем 2-ой степени подвижности между плечом и локтем.

  1.  ая, 5-ая и 6-ая степени подвижности - кисть

Двигатели размещены в предплечье у локтя.

  1.  ая степень подвижности - вращение кисти.
    1.  ая степень подвижности - качание кисти.
    2.  ая степень подвижности - вращение фланца кисти.

Схват          Стандартный схват снабжен пневмоцилиндром двойного действия,

осуществляющим сжатие и расжатие губок схвата.

Рис 1.1.1 Общий вид манипулятора РМ-01 (с обозначением звеньев и степеней подвижности)

Рис 1.1.2. Кинематическая схема манипулятора РМ-01

  1.  Расчёт третьей степени подвижности:

Рис 1.1. Расчетная кинематическая схема 3-ей степеней подвижности.

Исходные данные для первой степени подвижности:

    - суммарная масса 4-го, 5-го и 6-го звеньев

     масса 3-го звена

    - длина 3-го звена

    - расстояние от кисти манипулятора до оси О3

    - суммарная масса двигателей 4-го, 5-го и 6-го звеньев

    - коэффициент редукции редуктора 3-ей степени подвижности

    - максимально-допустимая частота вращения 3-го звена

   - масса нагрузки

   

   

   

1.1 Обеспечение условия о минимизации статического момента относительно оси 3-й степени подвижности О3  (из уравнения баланса статических моментов) при отсутствии нагрузки:

1.2 Расчёт приведённого к оси вращения двигателя 3-й степени подвижности момента инерции

1.2.1 Момент инерции элементов манипулятора и нагрузки относительно оси 3-й

степени подвижности О3:

1.2.2. Приведённый к оси вращения двигателя 3-й степени подвижности момент инерции(с нагрузкой)

     где                                                       

1.3. Расчёт минимального значения пускового момента двигателя 3-й степени подвижности, обеспечивающего максимально допустимое угловое ускорение 3-его звена (с нагрузкой):

1.4 Расчёт минимального значения частоты 3-й степени подвижности в установившемся режиме работы

1.5. Расчёт минимального значения момента на валу двигателя 3-й степени подвижности в установившемся режиме работы

Выберем двигатель с 40% -м запасом пускового момента рассчитанного в пункте

      1.3.. Был выбран двигатель БК -1533 со следующими характеристиками:

Номинальные данные                                                (при Uпит = 27 В)

Справочные данные

Мощн. на валу,

Частота враще-ния

Вращающий момент

Нач. пуск. ток (не более)

Нач. пуск. момент (не менее)

Масса (не более)

Момент инерции ротора

Габарит-ные размеры

Вт

об/мин

гс·см

Н·м

А

гс·см

Н·м

кг

кг·м2

мм

10

3 000

320

0,03138

 

3200

0,31381

1

2,20E-06

Æ50x98

Теперь на основе характеристик двигателя выделенных цветом проверим расчёты пунктов 1.2.2. и 1.3. с учётом момента инерции нагрузки относительно оси О3:

 

 

Ещё проверим по условию:

 >=nd3ustmin

Расчёты подтверждают, что двигатель БК -1533 нам подходит

  1.  Расчёт второй степени подвижности:

Рис 2.1. Расчетная кинематическая схема 2-ей степеней подвижности.

Исходные данные для второй степени подвижности:

    длина 2-го звена

     расстояние между осями вращения О2 и О3

     масса 2-го звена

   суммарная масса 3-го звена

   масса двигателей и редукторов 2-го звена

     коэффициент редукии редуктора 2-ой степени подвижности

     максимально-допустимая частота вращения 2-ой степени подвижности

     максимально-допустимое угловое ускорение 2-ой степени вращения

   

   

   

2.1. Расчёт массы балансира

2.2. Расчёт приведённого к оси вращения двигателя 3-й степени подвижности момента инерции

2.2.1 Момент инерции элементов манипулятора и нагрузки относительно оси 3-й степени подвижности О2:

2.2.2 Приведённый к оси вращения двигателя 2-й степени подвижности момент инерции (с нагрузкой):

                                                   ,где I0d3 момент инерции выбранного двигателя

2.3. Расчёт минимального значения пускового момента двигателя 2-й степени подвижности, обеспечивающего максимально допустимое угловое ускорение 2-его звена (с нагрузкой):

    

2.4. Расчёт минимального значения частоты 2-й степени подвижности в установившемся режиме работы

2.5. Расчёт минимального значения момента на валу двигателя 2-й степени подвижности в установившемся режиме работы

2.6. Выберем двигатель с 40% -м запасом пускового момента рассчитанного в пункте

      2.3.   Это двигатель БК -1633 со следующими характеристиками:

Взяв его момент инерции и массу проверим расчёты пунктов 2.2.2. и 2.3.                                                                   момент инерции нагрузки относительно оси О2 

 момент инерции двигателя БК -1633

2.2`   

2.3`   

Ещё проверим по условию:

                                   >=nd2ustmin

   

Расчёты подтверждают, что двигатель БК -1633 обеспечивает необходимые требования по пусковому моменту.

2.7. С учетом рекомендаций по унификации элементной базы, в том числе применяемых типов и размеров двигателей следует вернуться к пункту 1.6. и выбрать для 3-й степени подвижности такой же двигатель, как и для второй, а затем повторить расчёты пунктов 1.7.

1.8. 2.1. - 2.7.:

"Теперь на основе характеристик двигателя выделенных цветом проверим расчёты пунктов 1.2.2. и 1.3. с учётом момента инерции нагрузки относительно оси О3

Расчёты подтверждают, что двигатель БК -1633 нам подходит".

  1.  Расчёт первой степени подвижности:

Рис 3.1. Расчетная кинематическая схема 1-ей степеней подвижности.

Исходные данные для 1-ой степени подвижности:

      масса 1-го звена

    длина 1-ой степени подвижности

    коэффициент редукции редуктора 2-ой степени подвижности

  суммарная масса 2-го и 3-го звеньев

      максимально-допустимая частота вращения 1-ой степени подвижности

     максимально-допустимое угловое вращение 1-ой степени подвижности

    

    

     

3.1. Расчёт приведённого к оси вращения двигателя 1-ой степени подвижности моментов инерции

3.1.1. Момент инерции элементов манипулятора относительно оси 1-ой степени подвижности

3.1.2. Момент инерции нагрузки относительно оси 1-ой степени подвижности

3.1.3. Приведённый к оси вращения двигателя 1-ой степени подвижности момент инерции

3.2. Расчёт минимального значения пускового момента двигателя 1-ой степени подвижности, обеспечивающего максимально допустимое угловое ускорение 1-го звена

3.3. расчёт минимального значения частоты вращения двигателя 1-ой степени подвижности в установившемся режиме работы

3.4. Выбираем двигатель с условием

Согласно этому требованию выбираем двигатель БК -1633

   

3.5. Взяв его момент инерции и массу проверим расчёты пунктов 3.1.3

  момент инерции двигателя БК -1633

3.2.`

         

3.1.3.`

        

             

Ещё проверим по условию:

                                  >=nd1ustmin

Убеждаемся, что двигатель БК-1633 подходит и для первой степени подвижности.


Заключение

В процессе выполнения курсового проекта в соответствии с заданием на его выполнение были решены следующие основные задачи:

  •  разработаны расчётные модели кинематических звеньев трёх степеней подвижности
  •  проведены расчёты требуемых параметров электродвигателей трёх степеней подвижности
  •  с учётом требований по унификации элементной базы осуществлён выбор серийного двигателя типа БК-1633 для всех трёх степеней подвижности
  •  осуществлена проверка соответствия параметров выбранного двигателя возможным режимам работы (в том числе наиболее тяжелому)

По мнению автора, выполненная разработка полностью соответствует заданию курсового проекта.