Камынин С.С.
Принципы проектирования и разработки многофункциональных программируемых роботов
Под редакцией Д.А.Корягина М.: ИПМ имени М.В.Келдыша РАН, 1992. 264 с. Монография, подготовленная коллегами.
ОТ СОСТАВИТЕЛЕЙ.
В декабре 1986 года скоропостижно скончался Сергей Сергеевич Камынин, талантливый ученый, добрый и скромный человек.
Круг научных интересов С. С. Камынина был необычайно широк. Он с успехом занимался вопросами баллистики и небесной механики, разработкой алгоритмических языков, информационно-поисковыми и экспертными системами, задачами распознавания образов и т.д. Его отличало редкое умение - видеть и формулировать задачи задолго до того, как они становились актуальными, и находить для них простые, ясные и остроумные решения.
Особенно ярко многогранность таланта С. С. Камынина проявилась в цикле его последних работ, связанных с проектированием и созданием робототехнических систем.
В начале 80-х годов им вместе с группой сотрудников ИПМ АН СССР и ИАЭ им. И. В. Курчатова в рамках работ по теме КАПРИ (Комплексная Автоматизация Проектирования, Разработки и Изготовления изделий машиностроения) был создан адаптивный многоцелевой промышленный робот, получивший название РК-1. Необходимость создания нового робота была обусловлена тем, что в то время на внутреннем рынке отсутствовали или были труднодоступными роботы, пригодные для использования в гибких автоматизированных производствах.
Разработанные С. С Камыниным от начала до конца, от общей оригинальной идеи до технического проекта, манипулятор, система управления и программное обеспечение робота РК-1 поражают концептуальной цельностью и логической простотой. Именно это позволило компенсировать несовершенство отдельных технических элементов (робот создавался на базе составляющих только отечественного производства) и достичь высоких технических характеристик. Обеспечивая высокую точность выполнения различных операций, робот обладает хорошим отношением веса переносимого груза к собственному весу и имеет низкий расход энергии. Он прост и технологичен в изготовлении. Благодаря высокоразвитому управлению робот способен на адаптивное поведение даже при использовании только простейших средств очувствления (датчиков положения степеней свободы манипулятора). Язык программирования имеет высокий уровень и позволяет пользователю работать с роботом при очень малом предварительном обучении.
Робот РК-1 по своим характеристикам стоит в ряду лучших зарубежных образцов, применявшихся в промышленности в первой половине 80-х годов.
Работы по проектированию робота были начаты в 1982 году, а в конце 1983 года был изготовлен его первый образец. В течение 1984 - 1986 г. г. робот прошел успешную опытную эксплуатацию в составе гибкого модуля токарной обработки. Помимо функций загрузки-разгрузки станка, робот выполнял также ряд конрольно-измерительных операций. Поскольку робот РК-1 спроектирован как многофункциональный, он может быть использован в других областях производства для выполнения широкого круга задач (сварка, сборка, фрезерная обработка деталей и др.), в частности, для выполнения различного рода операций в условиях, вредных для человека.
Настоящая монография, в которой описываются основные принципы разработки и проектирования промышленных роботов на примере робота РК-1, подготовлена к печати после смерти автора. Ее основу составили опубликованные ранее работы и личные архивы С.С.Камынина. К сожалению, некоторые материалы имеют вид заметок и носят конспективный характер. Там, где было возможно, они были включены в предлагаемый текст после небольшой обработки. Однако, часть материалов в монографию не вошла. Это касается не полностью сформулированных идей, а также незавершенных рассуждений и расчетов.
В тексте монографии присутствуют некоторые комментарии составителей. Они оформлены в виде замечаний и выделены звездочками (*).
По мнению составителей, монография будет полезной широкому кругу специалистов как образец целостного комплексного подхода к созданию сложного кибернетического устройства, каким является адаптивный промышленный робот.
Доктор физ.-мат. наук, проф. Д.А. Корягин
Кандидат физ.-мат. наук С.И.Гримайло
Кандидат физ.-мат. наук Э.С.Луховицкая
ОГЛАВЛЕНИЕ
От составителей | 5 |
Глава 1. Сравнительный анализ манипуляторов с различными типами кинематических схем | 7 |
| 1.1. Типы кинематических схем манипуляторов | 7 |
| 1.2. Оценочные критерии манипуляторов с различными типами кинематических схем | 14 |
| 1.2.1. Объем области пространства, обслуживаемой манипулятором | 14 |
| 1.2.2. Точность позиционирования | 20 |
| 1.2.3. Сложность управления движением манипулятора | 24 |
| 1.2.4. Вес конструкции манипулятора | 28 |
| 1.2.5. Мощность двигателей манипулятора | 30 |
| 1.3. Сравнение манипуляторов | 37 |
Глава 2. Конструкция манипулятора робота РК-1 | 41 |
| 2.1. Основные конструктивные решения | 41 |
| 2.2. Кинематическая схема | 45 |
| 2.3. Основные модули конструкции манипулятора | 47 |
| 2.3.1. Модуль поворота манипулятора | 47 |
| 2.3.2. Модуль вертикального перемещения руки манипулятора | 49 |
| 2.3.3. Модуль горизонтального перемещения руки манипулятора | 49 |
| 2.3.4. Модуль поворота кисти | 49 |
| 2.3.5. Модуль схвата | 49 |
| 2.4. Исполнительные двигатели | 56 |
| 2.5. Датчики обратной связи | 59 |
| 2.6. Дополнительные элементы конструкции манипулятора. Проводка | 63 |
| 2.7. Технические характеристики манипулятора | 65 |
| 2.8. Средства безопасности | 68 |
Глава 3. Расчет основных элементов конструкции манипулятора | 69 |
| 3.1. Расчет руки и колонны манипулятора | 69 |
| 3.1.1. Расчетная схема. Исходные данные | 69 |
| 3.1.2. Расчет на прочность | 73 |
| 3.1.3. Расчет на жесткость | 75 |
| 3.2. Оценка параметров упругих колебаний элементов конструкции манипулятора | 81 |
| 3.3. Оценка влияния контактной жесткости на точность позиционирования манипулятора | 84 |
| 3.4. Расчет механизма уравновешивания | 89 |
| 3.4.1. Расчет профилированного блока | 91 |
| 3.4.2. Расчет рабочего блока | 95 |
| 3.4.3. Расчет пружины | 96 |
| 3.4.4. Регулирование уравновешивающего механизма | 100 |
| 3.5. Расчет эксцентрикового ловителя | 102 |
| 3.6. Расчет усилия сжатия схвата | 108 |
| 3.7. Расчет пальцев схвата | 114 |
Глава 4. Система управления робота РК-1 | 120 |
| 4.1. Основные способы реализации систем управления роботов | 120 |
| 4.2. Состав и структура системы управления робота РК-1 | 122 |
| 4.3.Конструкция системы управления | 128 |
| 4.3.1. Микро-ЭВМ | 128 |
| 4.3.2. Коммутатор исполнительной системы | 134 |
| 4.3.3. Блок измерения | 136 |
| 4.3.4. Блок силового управления | 142 |
| 4.3.5. Коммутатор пультового канала | 151 |
| 4.3.6. Источники питания | 151 |
| 4.4. Технические характеристики системы управления | 152 |
| 4.4.1. Средства безопасности | 152 |
Глава 5. Цифровая следящая система | 155 |
| 5.1. Процессы | 155 |
| 5.2. Методы управления движением | 156 |
| 5.2.1. Позиционный метод управления | 156 |
| 5.2.1. Контурный метод управления | 157 |
| 5.3. Алгоритм цифровой следящей системы | 158 |
| 5.3.1. Следящая система с последовательно работающими регуляторами | 159 |
| 5.3.2. Следящая система с внешним и внутренним регуляторами | 161 |
| 5.3.3. Дискретный аналог | 162 |
| 5.4. Моделирование работы следящей системы | 163 |
| 5.5. Обобщение алгоритма следящей системы | 169 |
Глава 6. Программное обеспечение системы управления робота РК-1 | 178 |
| 6.1. Подходы к созданию программного обеспечения | 178 |
| 6.2. Язык поограммирования робота РК-1 | 181 |
| 6.2.1. Синтаксис | 181 |
| 6.2.2. Внутреннее представление | 183 |
| 6.3. Управляющая программа УП-1 | 185 |
| 6.4. Операции | 193 |
| 6.4.1. Операции, управляющие действиями робота | 193 |
| 6.4.2. Операции, управляющие порядком выполнения ПФР | 188 |
| 6.4.3. Операции, автоматизирующие задание ПФР | 203 |
| 6.4.4. Операции настройки параметров управляющей программы УП-1 | 207 |
| 6.5. Управляющая программа УП-1-ДВК | 209 |
| 6.6. Средства безопасности | 209 |
Глава 7. Использование робота РК-1 для обслуживания
токарного станка с УЧПУ | 211 |
| 7.1. Состав и структура связи аппаратных
средств комплекса | 212 |
| 7.2. Управление станком | 216 |
| 7.2.1. Блок связи робота со станком | 220 |
| 7.2.2. Операции управления станком | 226 |
| 7.3. Операции, выполняемые роботом при обслуживании станка | 232 |
| 7.4. Пример использования комплекса | 241 |
Литература | 259 |
|