ДИПЛОМ АСЫЛБЕК

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті

Өжікен А.Қ

Тұйықталған кинематикалық тізбек негізіндегі манипулятордың динамикалық сипаттамаларын зерттеу

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

5В060300 – «механика» мамандығы

Алматы, 2014

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті Механика-математика факультеті

Механика кафедрасы

«Қорғауға жіберілді » «____» _____________

Кафедра меңгерушісі ф.м.-ғ.д., профессор _________ Қалтаев А.Ж.

ДИПЛОМ ЖҰМЫСЫ

Тақырыбы: «Тұйықталған кинематикалық тізбек негізіндегі манипулятордың динамикалық сипаттамаларын зерттеу»

мамандығы 5В060300 – «Механика»

Алматы, 2014

РЕФЕРАТ Берілген дипломдық жұмыс кіріспеден, негізгі бөлімнен және

қорытындыдан, қолданылған әдебиеттер тізімінен және қосымшадан тұрады. Жұмыстың жалпы көлемі: жұмыс 49 беттен, 23 суреттен, 2 кестеден,

қолданылған әдебиеттер саны 24, 1 қосымша тұрады.

Зерттеу объектісі: Тұйықталған кинематикалық тізбек негізіндегі манипулятордың динамикалық сипаттамаларын зерттеу.

Жұмыстың мақсаты: Тұйық кинематикалық тізбек негізіндегі манипулятордың кинематикалық теңдеуін құру. Зерттелетін манипулятордың программалық қозғалысының синтезі. Тұйық кинематикалық тізбек негізіндегі манипулятордың динамикалық теңдеуін құру арқылы моделін жасау. Сандық әдіспен есептеу арқылы тұйық кинематикалық тізбек негізіндегі манипулятордың динамикалық сипатын анализдеу.

РЕФЕРАТ Данная дипломная работа состоит из введения, основного частя и

заключения, списков литератур и приложении Обьем работы: состоит из 49 страниц, 23 рисунок, 2 таблиц, 24

использованных литератур, 1 приложения.

Иследуемый обьект: Исследование динамических характеристик манипулятора на базе замкнутой кинематической цепи.

Цель работы: разработка уравнений кинематики манипулятора на базе замкнутой кинематической цепи; Синтез программных движений исследуемого манипулятора; Разработка динамической модели и вывод уравнений динамики манипулятора на базе замкнутой кинематической цепи; Анализ динамических характеристик манипулятора на базе замкнутой кинематической цепи, путем применения численных методов вычисления;

ABSTRACT

This diploma consists of introduction. the basic speaking rapidly and the conclusions, references and appendix.

Work volume: consists of 49 pages, 23 pictures, 2 tables, 24 used literatures and one of appendix.

Studied object: Investigation of dynamic characteristics of the arm on the base of a closed kinematic chain.

Work purpose: Development of equations kinematics of the manipulator based on a closed kinematic chain; Synthesis of program motions studied manipulator; Development of a dynamic model and the derivation of the equations of the dynamics of the manipulator based on a closed kinematic chain; Analysis of dynamic characteristics of the manipulator based on a closed kinematic chain, through the application of numerical methods of calculation;

3

4.2Тұйық кинематикалық тізбектер негізіндегі

4

КІРІСПЕ

Автоматтандырылған кешендер, соның ішінде өндірістік роботтар заманауи техника дамуында кеңімен таралуда. Өндірісі дамыған елдерде роботтар мен манипуляторлардың түрлі типтері барынша көптүрде өндіріліп, цехтар мен линияларда жартылай автоматтандырылған модулдер аумақтарында жасауы толық қолданылуда. Көптеген салалар бойынша шет елдерде шығарылған роботтардың бірінші заманауи топтамасы нарық сұрамасына сай қазіргі уақытта қажетті жерлерде толықтай қанағаттандырылған. Осы бағытта жүргізіліп жатқан ғылыми-зерттеу және конструкторлық-тәжірибелік жұмыстар жаңа сапалы технологиялық құралдарды, мысалы: мобильді роботтар, жасанды интелектті өндіріс тік роботтарды жасауға бағытталып дамытылуда.

Заманауи робототехниканың дамуының негізгі тенденциясы негізгі жолдан ауытқуы, принципті түрде жаңа техникалық шешімдері қолдану, барынша роботтар мен манипуляторлардың функциональдық мүмкіншіліктерін кеңейтуге жол табу. Мұндай шешім яғни (механизмдер роботтардың орындаушы бөлігі , сондай-ақ басқарушы бөлігі тәрізді) тек одан ары дамытуға бағытталуы тиіс, тек осы кезде ғана тиімді машинаны жасауда көздеген мақсатқа қол жеткізе аламыз.

Екінші дүние жүзілік соғыс кезінде және қазіргі күнге дейін алғашқы манипуляторлар пайда болған кезден бастап олардың кострукциясында антропоморфың бионикалық принципі ендірілген, яғни адам қолы тәрізді. Принцип толығымен табиғи, яғни манипуляторлар «адам қолдарының қозғалу функциясын жасауға арналған» құрылғылар болып табылады. Осылайша, тұйық емес кинематикалық тізбектердің манипуляторларының орындаушы мүшелерінде қолдану осы уақытқа дейін дәстүрлі жағдай болып қалды. Бірақ та олардың қолдану басымдылығы, басқа жағдайлардағы қолданылатын шарнирлі-рычагты механизмдердің қадірін кетіріп, жоққа шығара алмайды. Сонымен тұйық кинематикалық тізбектердің бірқатар пайдалы жақтары тұйық емес тізбектердің манипуляторлардың жаңа конструкциясын жасауда бәсекелестікті көтеруге мүмкіндік береді. Егер тұйық емес тізбектерге функционалдық қасиеттердің жоғары деңгейі тән болса (қызымет көрсету аумағының үлкендігі, оның әртүрлі нүктелерінің қызмет көрсету деңгейінің жоғарылығы), ал тұйық кинематикалық тізбектерге тән, мысалы позициаланудың анағұрлы жоғарғы дәлдігі. Сонымен қатар мұнда қозғауыштың негізге орнатылуы одан басқа да манипуляторды жеңілдетуге алып келеді.

Бірақ та роботтардың механикалық бөлігін ғана жетілдіру оның жұмысының сапалылығының жоғарғы көрсеткіші бола бермейді, оның екінші құрамдас бөлігінің сипаттамасы - оның приводтарының жүйесі қажетті деңгейге дейін келтірілмесе.

Білетініміздей, манипулятордың қозғалатын бөлігінің инерция моментінің өзгергіштігі конфигурацияға тәуелділігінде белгілі жағдайда оның

5

динамикасына әсер етуі, және, соған сай, қызмет көрсету аумағындағы әртүрлі нүктелеріндегі позициялау сапасына, приводтарды күшейтудің коэффициентін тұрақсыздығына әсер етуі. Күшейту коэффициентінің тұрақтылығын ұстап тұру үшін бұндай түзетуші байланыстар немесе координатаның басқарудың дәстүрліжүйелерінің контурында жұмыс процесінде параметр өзгертуі енгізіледі.

Манипулятор жұмысы сапасына қойылатын талаптарды жоғарлату мен зерттеулердің арнайы тәсілдері мен құралдарын тарту қажеттілігі туындайды.

Манипуляторлардың динамикалық анализі оларды зерттеудің ең қажетті маңызды этаптарының бірі, динамикалық процесстер, манипуляторлардың орындаушы жүйелерінің ішінде болатын, оның жұмысының сапасына өзінше әсер етеді. Манипуляторлардың динамикасын зерттеу ең күрделі мәселелердің бірі болып табылады. Оларды зерттеу кезінде орындаушы механизмдердің звеноларының өзара байланысы, міндетті түрде ескерілуі тиіс (олардың механикалық жүйелерінің олардың приводтары мен байланысы, сондай-ақ басқару жүйесімен байланысы)

Жұмыстың басты мақсаты:

Тұйық кинематикалық тізбектердің негізіндегі манипулятордың динамикасын зерттеу.

Осы мақсаттарға жету үшін мынадай міндеттерді шешу қажет.

Тұйық кинематикалық тізбек негізіндегі манипулятордың кинематикалық теңдеуін жасау.

Зерттелетін манипулятордың программалық қозғалысының синтезі. Тұйық кинематикалық тізбек негізіндегі манипулятордың динамикалық

теңдеуін құру арқылы моделін жасау.

Сандық әдіспен есептеу арқылы тұйық кинематикалық тізбек негізіндегі манипулятордың динамикалық сипатын анализдеу.

Тұйық және тұйық емес кинематикалық тізбек негізіндегі манипуляторлардың динамикаларын және олардың приводтарының сипаттамаларын ескере отырып, салыстырып анализдеу.

Зерттеу әдістері:

Зерттеу жұмысы робототехникалық жүйелер теориясы механизмдер мен машина теориялары әдістері дифференциалды теңдеулерді шешудің сандық әдістері, компьютерде модельдеудің математикалық әдістері негізінде жүргізілді.

Ғылыми жаңалығы:

Орындаушы қозғалтқыштар динамикасы ескерілген тұйық кинематикалық тізбектер негізінде манипулятордың математикалық моделі жасалынды.

Тұйық кинематикалық тізбектер негізінде манипуляторлар динамикалар анализі жасау және олардың анализдеуде сандық әдістермен қолдану.

6

Тұйық және тұйық емес кинематикалық тізбектер негізіндегі манипуляторлардың динамикаларын салыстырып анализдеу және тиімділігін анықтау.

Практикалық құндылығы:

Манипулятордың динамикалық анализі тұйық кинематикалық тізбектер негізіндегі манипуляторлар жаңа заманауи жоғары дәлдіктегі роботтарды жасауға тиімді қолдануға болады.

Ғылыми нәтижелер мен негізгі тұжырымдардың дұрыстығын дұрыс қолданылған математикалық моделдеу нәтижесімен компьютерде Фортран программасын пакетін қолданып манипуляторды моделдеу нәтижесімен жеткілікті жақсы сәйкестіктердің болуы нақты дәлелдеп көрсетеді.

Дипломдық жұмыстың ғылым саласымен байланысы:

Дипломдық жұмыс «тақырыб» тақырыбы бойынша әл-Фараби атындағы ҚазҰУ-нің математика және механика институтында 2012-2015 ж. арналған ғылыми зерттеу жұмысы шеңберінде ҚР-ның Білім және Ғылым Министірлігінің грандтық қаржыландырылу бойынша орындалады.

Жұмыс апробациясы:

Жұмыс нәтижесі мен барысы Халықарылық ғылыми конференцияда «Ғылым мен техникадағы комьпютерлік модельдеу» (Доминикан республикасы, 19-26 декабрь 2012 ж.) және Халықарылық ғылыми конференцияда 2013 MEMS және механика(Ухань, Китай 15-16 марта 2013 ж.)талқыланды.

Публикация:

Жүргізілген жұмыстың нәтижесі бойынша екі мақала импакт-фактормен және ғылыми зерттеу жұмысы туралы грандтық қаржыландыру бойынша екі аралық есеп беру мақалалары жарық көрді.

7

НЕГІЗГІ ТҮСІНІКТЕР

Механизм(гр. mehane — құрал, машина) — бір немесе бірнеше қатты денелерді басқа қатты денелер арқылы қажетті қозғалысқа келтіретін денелер

орнын өзгертуде, т.б. адам қолының қимылына ұқсас қозғалыс функцияларын

ішкі, екіншісінің сыртқы бетімен қосылысатын бөлшектер (мысалы айналмалы топсалы, сырғымалы - бағыттауышты) төмен дәрежелі кинематикалық жұп құрайды; ал бір-бірімен сызықшада не нүктелерде қосылатын бөлшектері бар кинематикалық жұп жогары дәрежелі деп аталады.

қозғалысының геометриялық қасиеттерін, олардың массасы мен әсер етуші күштерді ескермей зерттейтін бөлімі. Ол дененің неліктен осылай қозғалатынын түсіндірмейді, бірақ "Дене қалай қозғалады?" деген сұраққа жауап береді.

Инерция күші —модулі материалдық нүктенің массасы мен осы

инерттілігінің өлшемі.

Еркіндік дәрежесі — дене немесе денелер жүйесінің орналасуын толық көрсететін тәуелсіз айналу немесе ілгерлемелі қозғалыстың координаталар жиынтығы (олардың уақыт бойынша туындысымен механикалық жүйенің күйін, яғни қозғалысын және орнын толық анықтайтын координаталар жиынтығы).

Буын – бір немесе бірнеше қатаң байланысқан бөлшектерден тұратын, қозғалыста бір дене сияқты қозғалатын қатты дене (механизмнің бөлігі).

8

ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕУЛЕР

–айналу моменті

–якорлық тізбектің тұрақты уақыты

–шығыс валдың бұрыштық жылдамдығы

-басқарушы әсер

–қуаттылықты арттырудың арттырғыш коэффициенті

–қозғалтқыштың номинальді бұрыштық жылдамдығы

–якорь тізбегіндегі ток

–редуктордың беру қатынасы(передаточное отношение)

–кіріс сигналы - басқару сигналы

ЭЭ, МЭ – электрик және механикалық энергия көздері УУ – басқару құрылғысы П – қайта өндіруші

З – тапсырма бергіш(задатчик) Д – қозғалтқыш Р – редуктор

ИМ – орындаушы механизм

– уақыт

,– соған сай бастапқы және соңғы уақыт моменті

Тжәне П – кинетикалық және потенциалдық энергия

–жалпыланған күш

-еркін түсу үдеуі

-оның звеноларының ауырлық центрлерінің биіктіктері

9

МАНИПУЛЯТОРДЫҢ ОРЫНДАУШЫ ОРГАНДАРЫ ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ТИІМДІЛІГІН КӨТЕРУ МӘСЕЛЕЛЕРІ

1 ТАСЫМАЛДАУ ФУНКЦИЯСЫН ОРЫНДАУҒА АРНАЛҒАН МАНИПУЛЯТОРЛЫҚ ҚҰРЫЛҒЫЛАР

Манипуляторды зерттеу кезінде олардың механикалық бөлігін қарастыруға ерекше көңіл бөлуі тиіс. Олардың кинематикалық сұлбалары мен құрастырылуы, сондай-ақ олардың жұмыстарының сапасы манипулятордың қозғалтқыштың мүмкіндіктеріне байланысты болады. Манипуляторларды құрастырудың типтік варианты тұйық емес кинематикалық тізбектерді қолдану болып табылады бүгінде оны роботтардың басым көпшілігінде қолданылады. Егер роботтардың пайда болу тарихын бағалап қарасақ, адам қолының әр циклын қайталаушы механизмдерді көрсететін осындай құрылғылардың алғашқылары манипуляторлар екенін байқау қиынға соқпайды.

Бұндай құрылғылар кибернетиктердің қолымен машина механикасының мамандарының қатысуысыз жасалынған.

Қазірге дейінгі шығарылған роботтар қарапайым адам тәріздес, түп нұсқадан көп алшақтықта қалып отыр, тек басқару жүйесі ғана жетілдірілген, ал механикалық бөлігі өзгеріссіз қалуда. Тек осы соңғы кездерде ғана механика саласының мамандары роботтардың механикалық бөлігіне мән бере бастады, көптеген еңбектер арналды. Бұл еңбектерде тұйық емес кинематикалық тізбектер негізінде құрылған манипуляторлар үнемі механизмнің талап етілген қаттылығына, дәлдік пен позициялануына қол жеткізуге мүмкіндік бере бермейді және төменгі жиеліктегі тербелістерге бейім болып келеді.

Звенолардың қаттылығының артуы барлық манипуляторлардың массасының үлкеюіне алып келеді, яғни соған сай оның жүк көтеру қабілеттілігі төмендейді. Қосымша басқару әсерлері ендіру жолымен дәлдікпен позициялауды көтеру басқару жүйесін күрделендіріп жібереді. Сонымен қатар, мұндай манипуляторлардың жетекші звенолардың приводтарының жүйелерін ұйымдастыруда белгілі бір қиындықтар болады. Мұнда манипуляторлардың кинематикалық тізбектердің тұйықталмауынан салмақ күші мен қол звеноларының инерциясынан болатын статистикалық және динамикалық жүктемелерден өту қажеттілігімен байланысты приводтардың қуаттылығының біршама бөлігін жоғалтады. Сондықтан механизмнің қозғалтқыш звеноларында орналастырылған приводты қозғалтқыштарға қойылатын талап - қозғалтқыштаң массасына қуаттың максимальді қатынасы. Ал приводтардың негізге орнатылуы орындаушы органдардың түрленуіне алып келеді.

Конструкцияның жоғарғы қаттылығы есебінен қол жеткізген үлкен дәлдіктегі манипуляторлардың жасалуы соңғы кездері ерекше кезге түскен негізгі тенденциялардың бірі болып табылады.

Бұл қасиеті тұйық кинематикалық тізбектер негізіндегі манипуляторларды қолдану есебінде іске асырылады. Мұндай манипуляторлар

10