Совершенствование системы управления промышленного робота

ВВЕДЕНИЕ 3
1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ 6
1.1 Общие сведения о многоцелевых промышленных роботах 6
1.2 Устройство и конструкция 7
1.3 Предложения по модернизации 26
2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ 27
2.1 Разработка пневматической схемы и выбор технических средств 27
2.2 Разработка электрической схемы 39
2.3 Методика разработки программы управления 48
2.4 Разработка функциональной схемы автоматизации 50
3. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 52
3.1 Краткое описание САУ 52
3.2 Краткое описание функционирования и принципов работы САУ 52
3.3 Функциональная схема следящей системы робота 53
3.4 Математическая модель звеньев системы 55
3.5 Определение параметров корректирующего звена 59
3.6 Д–разбиение 67
3.7 Анализ нелинейности 74
3.8 Анализ абсолютной устойчивости 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 82
ПРИЛОЖЕНИЕ А 84
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 85
ПРИЛОЖЕНИЕ В 86
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 87

Весь текст будет доступен после покупки

Современная промышленность находится в условиях стремительной цифровой трансформации, когда повышение эффективности производственных процессов достигается за счёт внедрения передовых технологий, среди которых особое место занимают промышленные роботы. Многоцелевые промышленные роботы (МПР) являются универсальными техническими средствами автоматизации, способными выполнять широкий спектр операций – от сборки и сварки до погрузочно-разгрузочных работ и контроля качества. В условиях роста требований к гибкости, точности и энергоэффективности производственных систем актуальность модернизации существующих робототехнических комплексов и разработки новых решений в области их автоматизации не вызывает сомнений.
Несмотря на значительные достижения в области робототехники, многие отечественные предприятия продолжают эксплуатировать устаревшие модели роботов, обладающие недостаточной точностью позиционирования, низкой энергоэффективностью и ограниченными возможностями интеграции в современные цифровые производственные среды. Это создаёт объективную необходимость в проведении работ по анализу конструкции таких объектов, разработке технических и программных решений, направленных на повышение их функциональности и надёжности. В этом контексте особую значимость приобретает комплексный подход к модернизации, охватывающий как конструктивные, так и управляющие аспекты функционирования робототехнических систем.
Актуальность темы выпускной квалификационной работы (ВКР) обусловлена необходимостью повышения технико-экономических показателей промышленных роботов путём совершенствования их конструкции, пневмо- и электрогидравлических систем, а также систем автоматического управления (САУ). Разработка современных, адаптивных и устойчивых систем управления, способных обеспечивать высокую точность и динамические характеристики при наличии нелинейностей и внешних возмущений, является одной из ключевых задач современной инженерной практики.
Целью данной работы является повышение эффективности функционирования многоцелевого промышленного робота за счёт конструктивной модернизации и синтеза устойчивой системы автоматического управления.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Провести анализ конструкции и технических характеристик существующего многоцелевого промышленного робота как объекта автоматизации.
2. Разработать предложения по конструктивной и функциональной модернизации робота с учётом современных требований к точности, надёжности и энергоэффективности.
3. Спроектировать пневматическую и электрическую схемы модернизированного робота с обоснованием выбора технических средств.
4. Разработать методику программирования и функциональную схему системы управления роботом.
5. Построить математическую модель следящей системы робота и провести анализ её динамических свойств.
6. Выполнить синтез корректирующего устройства методом Д-разбиения и оценить устойчивость системы с учётом нелинейных элементов.
7. Обосновать практическую применимость предложенных решений и оценить их эффективность.

Весь текст будет доступен после покупки

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ
1.1 Общие сведения о многоцелевых промышленных роботах
Объектом автоматизации является универсальный промышленный робот «Универсал–5». Технологические возможности и конструкция (грузоподъемность, число степеней подвижности, форма и размеры зоны обслуживания, погрешность позиционирования и тип системы управления согласно ГОСТ 25378–82) различных универсальных (многоцелевых) промышленных роботов подробно изложена в [1].
Многоцелевые ПР предназначены для выполнения различных видов вспомогательных операций, а именно, загрузочно–разгрузочных работ, транспортных и складских манипуляций, или для обслуживания технологического оборудования различного назначения в определенной последовательности. Многоцелевые ПР могут быть использованы не только для автоматизации вспомогательных операций, но и для выполнения основных технологических процессов: сварки, термообработки, нанесения лакокрасочных покрытий и т.д.
Конструкция многоцелевых ПР определяется многообразием технологических требований. При проектировании таких ПР требуется 5 – 7 (и более) степеней подвижности рабочего органа.
В робототехнике используются цилиндрические, сферические и комбинированные системы координат. По ним происходит перемещение звеньев манипулятора ПР. Универсальные промышленные роботы характеризуются большой зоной обслуживания и высокой маневренностью.
При этом с ростом числа кинематических пар высшего порядка (шарнирных) в кинематике манипулятора достижение большой грузоподъемности при высокой точности позиционирования будет затруднено.
С целью увеличения рабочей зоны ПР последний монтируется на подвижном основании. Дополнительная степень подвижности обеспечивает большую грузоподъемность манипулятора при увеличенном ходе отдельных звеньев, например, руки и схвата.
Рука манипулятора может представлять собой жесткую конструкцию (обычно в форме трубы), или быть в виде шарнирно соединенных звеньев. В некоторых моделях ПР в конструкциях руки и кисти состоит из нескольких шарнирных сочленений. Это придает ПР высокую подвижность и маневренность.
Манипулятор многоцелевых ПР может быть оснащен механизмом кисти по двум схемам. Первая схема (с одним захватным органом) обеспечивает поворот схвата на 180° вокруг продольной оси. Вторая схема (два захватных органа) эффективна при обслуживании технологического оборудования, когда нужно, например, одновременно снять готовую деталь и на ее место установить новую заготовку. Захватные устройства ПР изготавливаются сменными.
Для расширения областей применения универсальных (многоцелевых) ПР наряду с базовыми моделями создаются их модификации. Конструктивные варианты могут собираться из унифицированных и специализированных узлов, созданных для выполнения только конкретных операций.

Весь текст будет доступен после покупки

1) ГОСТ Р ИСО 8373–2021. Роботы и робототехнические устройства. Термины и определения. – М.: Стандартинформ, 2021. – 36 с.
2) Ковылин, А. А. Современные промышленные роботы: конструкция, управление, применение / А. А. Ковылин, И. В. Семёнов. – М.: Машиностроение, 2023. – 256 с.
3) Шахмейстер, Л. Г. Теория автоматического управления: учебник для вузов / Л. Г. Шахмейстер, Д. А. Белов. – 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Лань, 2022. – 448 с.
4) Петров, Е. П. Пневматические системы промышленных роботов: проектирование и эксплуатация / Е. П. Петров. – М.: Техносфера, 2021. – 192 с.
5) Бородин, И. Н. Электроприводы и системы управления робототехнических комплексов / И. Н. Бородин, С. В. Кузнецов. – М.: Инфра-Инженерия, 2022. – 224 с.
6) Zhang, Y. Design and Control of Industrial Robotic Manipulators: A Mechatronic Approach / Y. Zhang, L. Wang // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. – 2023. – Vol. 79. – P. 102441.
7) Chen, X. Adaptive Control Strategies for Industrial Robots with Uncertain Dynamics / X. Chen, M. Liu // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2022. – Vol. 69, № 5. – P. 4872–4881.
8) Васильев, С. Н. Нелинейные системы управления: анализ и синтез / С. Н. Васильев, А. В. Платонов. – М.: Физматлит, 2023. – 320 с.
9) Liu, J. Pneumatic Actuation in Collaborative Robotics: Trends and Challenges / J. Liu et al. // Sensors. – 2024. – Vol. 24, № 2. – P. 456.
10) Григорьев, А. Ю. Программирование промышленных роботов: от PLC до ROS / А. Ю. Григорьев. – СПб.: БХВ-Петербург, 2023. – 304 с.
11) Wang, H. Stability Analysis of Robotic Manipulators with Time-Delayed Feedback / H. Wang, Q. Zhang // Automatica. – 2023. – Vol. 149. – P. 110825.

Весь текст будет доступен после покупки