Анализ силовых характеристик при помощи электронной программы для стреловых роботов- манипуляторов

Введение. Имеется множество разработок роботов-манипуляторов, которые нашли свое применение в повседневной жизни. Однако работы по усовершенствованию конструкции роботов-манипуляторов продолжаются и в наши дни. Для расчетов геометрических и кинематических характеристик в зависимости от конструкции используются электронные программы. Особенность расчетов проводимых согласно электронной программе для каждой конструкции своя. Так разработав, стреловой робот-манипулятор возникла необходимость в определении для стрелы данной конструкции силовых характеристик, так как она является основной конструктивной наиболее нагруженной составляющей, чтобы в дальнейшем получить оптимальные расчетные значения силовых нагрузок с возможностью последующего прогнозирования оптимальной работы робота-манипулятора в целом.

Основная часть. Изучив имеющиеся конструкторские разработки [1], конструктивно разработали стрелу робота -манипулятора, схема которой представлена на рисунке 1. Конструкция стрелы геометрически представляет связанные между собой шарнирно-стержневые соединения. В нашем случае имеем шарнирностержневую стрелу, которая конструктивно представляет собой связанные в единое целое корневую секцию 1, рукоять 2 и грузозахватный орган стрелы 3. Корневая секция 1 выполнена из трех стержней в виде шарнирного треугольника с двумя острыми углами. Рукоять выполнена из двух стержневых шарнирных треугольников с двумя острыми углами и общей для обоих треугольников связью, один из шарниров которой соединен с силовыми цилиндрами рукояти. Два указанных шарнирно - стержневых треугольника имеют общую связь между собой в виде стержня, ближайший к грузозахватному органу шарнирный треугольник имеет в основании два силовых цилиндра 4, 5, работающие как одно кинематическое звено. Два других шарнирностержневых треугольника также связаны между собой в виде стержня, а в основании одного из шарнирных треугольников имеются два силовых гидроцилиндра 6, 7, которые работают, как одно кинематическое звено и связаны с двумя гидроцилиндрами предыдущего шарнирно-стержневого треугольника. Стержни, составляющие треугольные соединения выполнены в виде плоских в поперечном направлении ферм.

Рисунок 1 - Схема стрелового робота-манипулятора

Благодаря такому конструктивному исполнению шарнирно-стержневой стрелы робота-манипулятора и расположению гидроцилиндров, стержни всех “треугольников” воспринимают в основном нагрузки растяжения или сжатия, а шарнирные соединения обеспечивают необходимые подвижности звеньям манипулятора. Дополнительные, ближайшие к грузозахватному органу, гидроцилиндры обеспечивают максимальный подъем и опускание грузов. Как следствие из сказанного, достигается оптимальное распределение нагрузок растяжения - сжатия на стержни и плоские фермы, способствующие повышению силовой мощности конструкции, за счет разворота стрелы в горизонтальной плоскости увеличивается зона действия системы и в вертикальной плоскости за счет работы силовых гидроцилиндров увеличивается зона действия, а для грузонесущего органа сообщается дополнительное перемещение в горизонтальной плоскости, что расширяет функциональные возможности стрелы. Конструкторская оригинальность шарнирностержневой стрелы подтверждена патентом [2]. Проводя дальнейшую работу с конструкцией шарнирно-стержневой стрелы на предмет использования её в качестве рабочего органа для роботов- манипуляторов возникла необходимость в исследовании силовых характеристик конструкции. Так для анализа силовых характеристик стрелового робота-манипулятора представленного на рисунке 1 была написана электронная программа, учитывающая проведенную ранее работу над конструктивными особенностями и кинематическими характеристиками подобного рода манипуляторами [3-11].

Алгоритм силового анализа представляет собой уравнения равновесия сил и моментов, действующих на шарнирно-стержневую стрелу:

φ = (arctan((z)/sqrt(sqr(x) + sqr(y))));

R1 = 2 ⋅ y;

F1 = (2 ⋅ R1 ⋅ L1)/x1;

F2 = (R1 ⋅ L2)/x2;                  (1)

R2 = f

F1 - (z + z1)J   /F2 - (z + z2)J   / G

L1 ■ sin(ф) J ⁺ \ L2 ■ sin(ф) J   \sin(ф)

M0 = 2 - (x - y).

В условиях расчёта считаются известными координаты точек крепления гидроцилиндров    шарнирно-стержневой    стрелы грузоподъемного средства на основании. Известны также геометрические размеры двухзвенной шарнирно-стержневой стрелы, длина гидроцилиндров и их ход штока. Плоские фермы треугольников и, в частности, плоская ферма корневой секции первоначально трактуются как стержни, а при разработке расчётной схемы секции будет учитываться её реальная конструкция. Требуется определить усилия F1, F2, F3 в штоках гидроцилиндров (параллельные гидроцилиндры рукояти рассматриваются как одно кинематическое звено). В числе искомых величин реакции R0 и R01 в шарнирах и момент МО в опорном шарнире. Решение уравнений (1) аналитическим путем без использования компьютерной программы процесс долгий и трудоемкий. Использование компьютерной программы не только упрощает трудоемкость процесса расчета, но и дает возможность выбрать оптимальные значения силовых характеристик.

Согласно работе программы, представленной на рисунке 2, получаем необходимые значения неизвестных величин, которые, впоследствии, используем для дальнейшей работы с целью обоснования возможностей в работе как шарнирно-стержневой стрелы, так и робота-манипулятора в целом.

Рисунок 2 – Программа в работе

Заключение. Исходя из описания, приведенного выше, можно сделать вывод:

• 1.    Алгоритм силового анализа представляет собой уравнения равновесия сил и моментов, действующих на шарнирно-стержневую стрелу и решение этих уравнений упрощается с использованием компьютерной программы.

• 2.    Разработанная компьютерная программа, способна рассчитывать оптимальные значения силовых характеристик для стреловых роботов-манипуляторов.

• 3.    Возможно использование приведенной компьютерной программы так же и для грузоподъемных средств имеющих шарнирностержневую стрелу.