Министерство образования и науки Российской Федерации

Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного

бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет

имени С.М. Кирова» (СЛИ)

Кафедра «Машины и оборудование лесного комплекса»

РОБОТЫ И МАНИПУЛЯТОРЫ В ЛЕСНОМ

КОМПЛЕКСЕ

Учебно-методический комплекс по дисциплине для студентов направления 150000 «Металлургия, машиностроение, материалообработка»

специальности 150405 «Машины и оборудование лесного комплекса»

всех форм обучения Самостоятельное учебное электронное издание СЫКТЫВКАР УДК 630. ББК 43. Р Рекомендован к изданию в электронном виде кафедрой «Машины и оборудование лесного комплекса»

Сыктывкарского лесного института Утвержден к изданию в электронном виде советом лесотранспортного факультета Сыктывкарского лесного института Составитель:

старший преподаватель Н. М. Тетерин Отв. редактор:

кандидат технологических наук, доцент В. Ф. Свойкин Роботы и манипуляторы в лесном комплексе [Электронный ресурс] Р58 : учеб.-метод. комплекс по дисциплине для студ. спец. 150405 «Машины и оборудование лесного комплекса» всех форм обучения : самост. учеб. электрон. изд. / Сыкт. лесн. ин-т ; сост.: Н. М. Тетерин – Электрон. дан. – Сыктывкар : СЛИ, 2012. – Режим доступа:

http://lib.sfi.komi.com. – Загл. с экрана.

В издании помещены материалы для освоения дисциплины «Роботы и манипуляторы в лесном комплексе» для студентов специальности 150405 «Машины и оборудование лесного комплекса всех форм обучения. Приведены рабочая программа курса, сборник описаний лабораторных работ, методические указания по различным видам работ.

УДК 630. ББК 43. _ Самостоятельное учебное электронное издание Составитель: Тетерин Николай Михайлович Роботы и манипуляторы в лесном комплексе Электронный формат – pdf. Объем 0,6 уч.-изд. л.

Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова» (СЛИ), 167982, г. Сыктывкар, ул. Ленина, 39, [email protected], www.sli.komi.com Редакционно-издательский отдел СЛИ © СЛИ, Тетерин Н.М., составление,

СОДЕРЖАНИЕ

Рабочая программа дисциплины I Рекомендации по самостоятельной подготовке студентов II Методические рекомендации по самостоятельной подготовке теоретического 2.1 материала Методические рекомендации по практическим занятиям 2.2 Методические рекомендации по выполнению контрольных работ 2.3 Контроль знаний студентов III Рубежные контрольные работы 3.1 Вопросы к зачету 3.2 Вопросы к экзамену

I. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

1.1. Целью преподавания дисциплины является изучение общей теории и основ проектирования роботов и робототехнических систем и их применение в лесной промышленности.

В результате изучения дисциплины студент должен знать назначение; перспективы использования и тенденции развития робототехники; структуру и классификацию роботов; методы кинематического и динамического анализа роботов; классификацию, основные характеристики и области применения приводов; назначение и виды сенсорных устройств; алгоритмы управления роботами; основы проектирования манипуляторов и модулей степеней подвижности.

По окончании курса должен уметь проектировать и эксплуатировать роботы и манипуляторы для лесной промышленности.

1.2. Перечень дисциплин, знание которых необходимо для изучения студентами учебной дисциплины - математика;

- физика;

- черчение;

- теория машин и механизмов.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1. Введение.

Возникновение и развитие современной робототехники. Научные задачи робототехники. Промышленные роботы. Состав, основные параметры и классификация. Особенности лесопромышленных роботов…………………………………………………………………….2 ч.

2.Кинематика роботов.

Основные понятия и определения. Обобщённые координаты проектирования пространства. Обобщённые координаты манипуляторов. Уравнение кинематики манипулятора.

Прямая задача о положении манипулятора. Обратная задача о положении манипулятора. Угловые скорости и угловые ускорения звеньев. Скорость и ускорение рабочего органа. Кинематические и геометрические ошибки промышленных роботов……………………………..3 ч.

3. Динамика роботов.

Общие методы динамического исследования манипуляционных систем. Силы, действующие в механизмах лесопромышленных роботов. Метод кинетостатики в динамике манипуляторов. Кинетостатический анализ манипуляторов. Уравнения движения манипуляционной системы в кинетостатической форме. Уравнения Лангража II рода в динамике манипуляционных систем. Кинетостатическая энергия, потенциальная энергия манипулятора и обобщённые силы.

Статика и динамика упругого робота Приводы роботов.

Классификация приводов. Пневматические приводы. Гидравлические приводы. Электрические приводы. Комбинированные приводы. ……………………………………..……....3 ч 4.Алгоритм управления роботами.

Алгоритмы позиционного управления. Расчёт и оптимизация программных законов разгона и торможения. Алгоритмы позиционного управления с обратной связью. Алгоритм контурного управления….. …………………………………………………………….………..4 ч.

5. Проектирование манипуляторов лесопромышленных роботов.

Основные этапы проектирования и их содержание. Выбор компоновочных схем. Унификация и агрегатно-модульное построение роботов. Силовой расчёт. Точностной расчёт. Расчёт модулей на жёсткость. Выбор основных конструктивных параметров модулей.…………. 4 ч.

ВСЕГО:…………………………………………………………………..16 ч.

2.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ НА ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

Практические занятия проводятся в соответствии с методическими пособиями [2, 3].

2.3. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА И КОНТРОЛЬ УСПЕВАЕМОСТИ

Текущая успеваемость студент контролируется опросом на практических занятиях (ФО). Успеваемость студента определяется на зачете.

2.4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ ПО ТЕМАМ И ВИДАМ ЗАНЯТИЙ

тами ров лесопромышленных роботов

2.5. ТЕМАТИЧЕСКИЕ СОДЕРЖАНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Тематика контрольных работ:

- Кинематика манипуляторов промышленных роботов;

- Динамика манипуляторов промышленных роботов.

Задание на контрольные работы выдаются по последней цифре зачетки в соответствии с литературой [3, 4].

ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ

1. Что такое робот?

2. Что такое манипулятор?

3. Что такое рабочий орган?

4. Что такое промышленный робот?

5. Функциональная схема робота.

6. Роботы 1-го, 2-го и 3-го поколений.

7. Задачи промышленной робототехники.

8. Область применения роботов.

9. Грузоподъемность;

10. Число степеней подвижности;

11. Рабочая зона;

12. Система координат;

13. Управление режимом движения;

14. Тип приводов;

15. Быстродействие;

16. Точность манипулятора промышленного робота;

17. Подвижность робота;

18. По способу размещения.

19. Манипулятор робота, действующего в декартовой системе координат (преимущества и недостатки).

20. Манипулятор робота, действующего в цилиндрической системе координат (преимущества и недостатки).

21. Манипулятор робота, действующего в угловой системе координат (преимущества и недостатки).

22. Манипулятор робота, действующего в сферической системе координат (преимущества и недостатки).

23. Электроприводы и электромеханические роботы (преимущества и недостатки).

24. Гидроприводы промышленных роботов (преимущества и недостатки).

25. Пневмоприводы и пневмоцикловые роботы (преимущества и недостатки).

26. Замкнутые и разомкнутые системы управления.

27. Этапы проектирования робототехнических комплексов (РТК).

28. Обобщенная схема промышленного робота.

29. Передаточные механизмы и их характеристики.

30. Агрегатно-модульный принцип построения роботов.

31. Виды рабочих органов.

32. Аналоговые и цифровые регуляторы.

33. Типовые законы управления роботами и манипуляторами.

34. Методы программирования промышленных роботов.

35. Робототизированные ячейки и комплексы.

36. Гибкие производственные системы.

37. Эффективность применения роботов в ГПС.

38. Функциональные подсистемы ГПС.

II. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКЕ СТУДЕНТОВ

2.1. Методические рекомендации по самостоятельной подготовке Самостоятельная работа студентов по изучению отдельных тем дисциплины включает поиск учебных пособий по данному материалу, проработку и анализ теоретического материала, самоконтроль знаний по данной теме с помощью нижеприведенных контрольных вопросов и заданий.

Введение Применение роботов при создании гибких производственных Применение промышленных роботов в лесозаготовительной Кинематика роботов Функциональная схема ПР.

Агрегатно-модульный принцип построения роботов.

Динамика роботов Замкнутые и разомкнутые системы управления.

Силы, действующие в механизмах лесопромышленных роботов.

Алгоритмы управле- Алгоритмы позиционного управления.

ния роботами Расчёт и оптимизация программных законов разгона и торможения.

Проектирование ма- Основные этапы проектирования и их содержание.

нипуляторов лесо- Выбор компоновочных схем.

промышленных ро- Силовой расчёт.

2.2. Методические рекомендации по практическим занятиям Задание 1. Расчет тахограммы движения асинхронного электропривода Промышленный робот работает в режиме циклового управления. Рука-схват совершает возвратно-поступательные движения по координате R. Механизм выдвижения руки оснащен электроприводом, в составе которого асинхронный электродвигатель серии 4А, передаточный механизм, блок управления. Движение механизма ограничено перенастраевыми упорами с амортизаторами.

Тахограмма движения (рис.1) – «трапеция», содержит три участка: разгон (пуск), движение с установившейся скоростью, торможение; t – технологическое время.

Рассчитать:

tп – длительность процесса пуска привода, с; tт – длительность процесса торможения привода, с; tу – длительность работы привода с установившейся скоростью, с; – установившаяся скорость вращения двигателя, рад/с; V – установившаяся скорость движения схвата, м/с; ап – среднее значение ускорения движения схвата при пуске, м/с2; аТ - среднее значение ускорения движения схвата при торможении, м/с2; 1П - длину пути движения схвата на участке разгона, м;

1Т - длину пути движения схвата на участке торможения, м; /у - длину пути движения схвата с постоянной скоростью, м.

Разработать схему управления приводом в режиме пуск-реверсирование, технологическое время принять t = 10 с, Исходные данные для расчета по вариантам и методические указания даны в литературе [9].

Задание 2. Моделирование и расчет диаграммы управления пуском системы приводов Промышленный робот работает в прямоугольной системе координат (рис. 1) и имеет три переносные степени подвижности (координаты х, у. z).

Рис. 1. Расчетная схема к заданию 5 (а), диаграмма управления (б) По каждой из степеней подвижности робот оснащен электроприводом постоянного тока с передаточным механизмом винт-гайка.

Дано: Параметры двигателей и параметры нагрузки по координатам х, у, z, отношение передачи винт-гайка по координатам х, у, z равны iрх = 200 м -1, i ру = 100 м -1, i рz = 150м-1, масса груза в схвате 0.1 кг, коэффициент трения предмета манипулирования о губки схвата к = 0,1 [9].

Построить диаграмму управления приводам Ux(t), Uy(t), Uz(t) (рис. 1, б). Определить модуль максимального ускорения \W\ и рассчитать потребное усилие захвата F'. Сравнить расчета результаты для первого и второго случаев, сделать выводы.

Требуется: Исследовать переходные процессы при пуске приводов по координатам х, у, z, определить максимальные ускорения при пуске x max, y max, z max, рассчитать модуль максимального абсолютного ускорения на схвате.

Определить длительность процесса пуска по координатам tпх, tпу, tпz.

Составить схему управления электроприводом захватного устройства, регулируемого по усилию [9], [10].

Практические занятия проводятся в соответствии с учебными пособиями [9], [10].

2.3. Методические рекомендации по выполнению контрольных работ Темы контрольных работ «Кинематика манипуляторов промышленных роботов» и «Динамика манипуляторов промышленных роботов». Задание на контрольные работы выдается по последней цифре зачетки в соответствии с таблицами 1 и 2, рис. 1, 2 и 3, выполняются в соответствии с литературой [4, 5].

По первой контрольной требуется решить следующие три основные задачи кинематики манипулятора:

1) прямую задачу о положении манипулятора;

2) обратную задачу о положении манипулятора;

3) задачу расчёта скоростей и ускорений.

Рис. 2. Механическая система манипулятора лесопромышленного робота Для каждого варианта задания по второй контрольной расчёты необходимо провести в следующие моменты времени:

2. на участке установившегося движения при t = tp и t = T – tp – tT;

Студент выполняет контрольную работу согласно варианту (см. табл. 1 и 2, рис. 1 и 2). Контрольную работу необходимо выполнить разборчиво, без исправлений. Работы выполняется в обычной рабочей тетради или печатается на листах ф. А 4, обязательно оставлять поля. На все вопросы, поставленные в задании необходимо дать исчерпывающие ответы своими словами. Не допускается дословное переписывание текста из книг и других печатных изданий.

На титульном листе контрольной работы (обложке) указывается: факультет, курс, название дисциплины, номер контрольной работы, ФИО студента, шифр (номер зачетной книжки). В конце работы приводится список использованной литературы. Общий объем работы не должен превышать 15-18 страниц.

III. КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ

Выполнение расчётно-графической работы.

Расчёт усилия захватного устройства.

Промышленный робот работает в цилиндрической системе координат. Имеет три переносные степени подвижности (координаты R, Z, ). Режим управления – позиционный, т.е.

рабочий орган перемещается в пределах рабочей зоны «от точки к точке», реализуя квазинепрерывную траекторию. Дано: m – масса предмета манипулирования; k – коэффициент трения предмета о губки схвата; WR, WZ, W – состовляющие максимального значения абсолютного ускорения. Требуется: определить потребное усилие захвата, коэффициент запаса принять равным 1,5. Разработать схему захватного устройства с пневмоприводом (или гидроприводом).

1. Что такое робот?

2. Что такое манипулятор?

3. Что такое рабочий орган?

4. Что такое промышленный робот?

5. Функциональная схема робота.

6. Роботы 1-го, 2-го и 3-го поколений.

7. Задачи промышленной робототехники.

8. Область применения роботов.

9. Грузоподъемность;

10. Число степеней подвижности;

11. Рабочая зона;

12. Система координат;

13. Управление режимом движения;

14. Тип приводов;

15. Быстродействие;

16. Точность манипулятора промышленного робота;

17. Подвижность робота;

18. По способу размещения.

19. Манипулятор робота, действующего в декартовой системе координат (преимущества и недостатки).

20. Манипулятор робота, действующего в цилиндрической системе координат (преимущества и недостатки).

21. Манипулятор робота, действующего в угловой системе координат (преимущества и недостатки).

22. Манипулятор робота, действующего в сферической системе координат (преимущества и недостатки).

23. Электроприводы и электромеханические роботы (преимущества и недостатки).

24. Гидроприводы промышленных роботов (преимущества и недостатки).

25. Пневмоприводы и пневмоцикловые роботы (преимущества и недостатки).

26. Замкнутые и разомкнутые системы управления.

27. Этапы проектирования робототехнических комплексов (РТК).

28. Обобщенная схема промышленного робота.

29. Передаточные механизмы и их характеристики.

30. Агрегатно-модульный принцип построения роботов.

31. Виды рабочих органов.

Что такое манипулятор?

Что такое рабочий орган?

Что такое промышленный робот?

Функциональная схема робота.

Роботы 1-го, 2-го и 3-го поколений.

Задачи промышленной робототехники.

Область применения роботов.

Технические характеристики роботов:

1) грузоподъемность;

2) число степеней подвижности;

4) система координат;

5) управление режимом движения;

6) тип приводов;

7) быстродействие;

8) точность манипулятора промышленного робота;

9) подвижность робота;

10) по способу размещения.

10. Манипулятор робота, действующего в декартовой системе координат (преимущества и недостатки).

11. Манипулятор робота, действующего в цилиндрической системе координат (преимущества и недостатки).

12. Манипулятор робота, действующего в угловой системе координат (преимущества и недостатки).

13. Манипулятор робота, действующего в сферической системе координат (преимущества и недостатки).

14. Электроприводы и электромеханические роботы (преимущества и недостатки).

15. Гидроприводы промышленных роботов (преимущества и недостатки).

16. Пневмоприводы и пневмоцикловые роботы (преимущества и недостатки).

17. Замкнутые и разомкнутые системы управления.

18. Этапы проектирования робототехнических комплексов (РТК).

19. Обобщенная схема промышленного робота.

20. Передаточные механизмы и их характеристики.

21. Агрегатно-модульный принцип построения роботов.

22. Виды рабочих органов.

IV. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лукинов, А. П. Проектирование мехатронных и робототехнических устройств [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. П. Лукинов ; Издательство "Лань" (ЭБС). – СанктПетербург : Лань, 2012. – 606 с. : ил. – (Учебники для вузов. Специальная литература). – Режим доступа: http://e.lanbook.com/view/book/2765/.

Дополнительная учебная, учебно-методическая литература 1. Александров, В. А. Конструирование и расчет машин и оборудования для лесосечных работ и нижних складов [Электронный ресурс] : учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Машины и оборудование лесного комплекса» направления подготовки дипломированных специалистов «Технологические машины и оборудование» / В. А.

Александров, Н. Р. Шоль. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – Санкт-Петербург : Лань, 2012. – 248 с.

http://e.lanbook.com/view/book/3198/.

2. Лесосечные машины в фокусе биоэнергетики: конструкции, проектирование, расчет [Текст] : учеб. пособие / В. С. Сюнев [и др.]. – Йоэнсуу : НИИ леса Финляндии METLA, 2011. – 143 с.

3. Юревич, Е. И. Основы робототехники [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов / Е. И.

Юревич. – 2-е изд. – Санкт-Петербург : БХВ – Петербург, 2005. – 416 эл. опт. диск (CDROM).

1. Автоматизация в промышленности [Текст] : научно-технический, производственный журнал/ Университет новых информационных технологий управления при ФГБУН, Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, ООО Издательский дом "ИнфоАвтоматизация". – Москва : ИнфоАвтоматизация. – ВАК, РИНЦ. – Выходит ежемесячно.

2010 № 1-12;

2011 № 1-12;

2012 № 1-12;

2. Каляев, И. А. Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов [Электронный ресурс] / И. А. Каляев ; Университетская библиотека онлайн (ЭБС). – Москва :

Физматлит, 2009. – 278 с. – Режим доступа: http://www.biblioclub.ru/book/68414/.

3. Козырев, Ю. Г. Промышленные роботы [Текст] : справочник / Ю. Г. Козырев. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва : Машиностроение, 1988. – 392 с.

4. Моделист-конструктор [Текст] : массовое научно-техническое издание. – Выходит ежемесячно.

2012 № 1-6;

5. Современная электроника [Текст]. – Периодичность 9.

2008 № 1-6,8-10;

2009 № 2,3;

6. Современные технологии автоматизации [Текст]. – Выходит ежеквартально.

2008 № 1-4;

2009 № 1,2.