Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Конструкция робота снаряжения
1. Анализ существующих средств подвески авиационных средств поражения на боевые летательные аппараты 7
2. Оценка размерных соотношений робота снаряжения
3. Анализ упругостей и деформаций механизма подъема робога снаряжения 25
4. Анализ допусков на подвеску авиационного средства поражения. 32
5. Проблема выбора информационной системы робога снаряжения. 37
1.5.1. Информационная система робота снаряжения 39
1.5.2. Информационная система ближнего радиуса действия 43
Глава 2. Исполнительный механизм робота снаряжения - платформа ориентации 50
2.1. Кинематические соотношения 51
2.2. Анализ зон обслуживания платформ ориентации различных конструкций 56
Глава 3. Алгоритмы управления платформой ориентации робота снаряжения 70
3.1. Алгоритмы ручного управления платформой ориентации 71
3.2. Алгоритмы автоматического управления платформой ориентации 80
3.3. Анализ точности приводов платформы ориентации 86
Глава 4. Динамическая модель робота снаряжения 105
4.1. Качественный анализ механических процессов 106
4.2. Модель робота снаряжения 108
Глава 5. Экспериментальные исследования
5.1 Экспериментальный стенд, реализация СУ РС и программное обеспечение 116
5.2. Экспериментальные данные 132
Выводы 144
Заключение 147
Библиографический список использованной литературы
Приложение
- Анализ упругостей и деформаций механизма подъема робога снаряжения
- Анализ зон обслуживания платформ ориентации различных конструкций
- Алгоритмы автоматического управления платформой ориентации
- Экспериментальный стенд, реализация СУ РС и программное обеспечение
Введение к работе
Роботизация является важной составляющей развития новых технологий военной и специальной техники, энергетики, промышленного оборудования, авиа- и судостроения, транспорта и других сфер деятельности, которые указаны в «Приоритетных направлениях развития науки, технологии и техники Российской Федерации», в «Направлениях целевых фундаментальных исследований» в рамках программ Федерального агентства по промышленности. Задачи роботизации военной техники сформулированы также в комплексной целевой программе «Роботизация ВВТ» Минобороны (раздел «Нетрадиционные вооружения»). В прикладные задачи роботизации оборудования, различных технологических процессов и военной техники входят задачи роботизированного точного позиционирования тяжелых крупногабаритных объектов; такие операции распространены в машиностроении, строительстве, на транспорте, в энергетике и в других отраслях, например, при точной установке тяжелых деталей и конструкций, при ремонте и замене агрегатов и энергетических установок, а также при снаряжении и ремонте военной техники. В данной работе рассмотрены проблемы, связанные с роботизированной подвеской авиационных средств поражения на летательные аппараты. Задача автоматической подвески АСП на ЛА решается с помощью робота снаряжения, оснащённого шестикоординатным приводом специальной компоновки, что в свою очередь потребовало создания сложных алгоритмов формирования задающих воздействий на многокоординатную систему. Результаты данной работы могут быть использованы в промышленности и в других отраслях, например: -автоматизированные и роботизированные склады — точная установка контейнеров и паллет на стеллажи и их съем; -автоматизированные и роботизированные цеха - подача и съем в заданных точках конвейера деталей и блоков при их точном позиционировании; автоматизация при проведении сборочных и ремонтных работ с крупногабаритными изделиями, например, замена авиационных двигателей; роботизированное позиционирование больных при диагностике и лечении и др.
В диссертации разрабатывается и исследуется исполнительный /координатный механизм робота, выполняющего операции точного позиционирования тяжелых крупногабаритных объектов (авиационных бомб и ракет) по шести координатам, а также эргономичная система управления исполнительным механизмом. Точное позиционирование практически всегда проводится в малом диапазоне линейных и угловых перемещений и при малых значениях скорости, поэтому выбрана кинематическая схема /-координатного механизма, который при сравнительно небольших скоростях и перемещениях в пространстве может создать значительные силы и моменты, /-координатные механизмы обладают высокой технологичностью и надежностью, что важно для практического применения. Несмотря на положительные свойства, на практике /-координатные механизмы используются редко, что можно объяснить только несоответствием направления вектора скорости механизма и вектора входного воздействия, и вследствие этого трудностью в управлении. Разработанный адаптивный многозвенный исполнительный приводной механизм и его система управления обеспечивают работу с объектами, масса которых на порядок превышает массу механизма. Такой механизм с системой управления может стать базовым для создания новой роботизированной технологии прецизионного позиционирования тяжелых крупногабаритных объектов, ускорит и повысит качество выполнения операций, освободит людей от тяжелого и опасного труда.
Анализ упругостей и деформаций механизма подъема робога снаряжения
Транспортное средство РС выполнено в виде четырёхколёсного полноприводного шасси со всеми управляемыми колёсами с системой дистанционного управления движением шасси. Каждый колёсный узел ТС имеет свой индивидуальный привод управления поворотом, что позволяет осуществлять боковое движение типа "краб". В рабочей зоне РС загружается АСП и осуществляет подъезд под снаряжаемое АПУ ЛА. Высокие мобильные качества РС позволяют с высокой точностью осуществлять первичную ориентацию РС вместе с изделием относительно места подвески. В данной работе ТС не исследуется, поэтому ему уделяется минимальное внимание. Механизм подъёма представляет собой шарнирно-рычажный механизм типа "ножницы" и обеспечивает подъём ПО на заданную высоту.
Платформа ориентации установлена на механизме подъема и предназначена для непосредственной подвески АСП. В состав ПО входят: 1) неподвижное основание ПО; 2) шесть идентичных приводов с шарнирами, образующие многозвенный исполнительный механизм; 3) подвижная платформа с ложементом, на котором закреплено АСП; 4) измеритель координат (ПК) для автоматического управления и шести- координатная рукоятка для дистанционного управления. Механизм подъема и платформа ориентации составляют многозвенный исполнительный механизм РС. Основание ПО представляет собой сварную конструкцию, на которой установлены шесть расположенных равномерно по окружности шарнирных двухосных опор вращения приводов. Каждый привод состоит из электромеханизма линейного перемещения. Выходные валы приводов попарно установлены в трёх верхних трёхосных шарнирах вращения, которые распределены равномерно по окружности на ПО. Подвижная платформа представляет сварную конструкцию, на которой закреплены верхние шарниры приводов. Подвижная платформа имеет также места крепления, на которых позиционируется ложемент с АСП. Ложемент представляет стапель рамной конструкции и предназначен для надёжного крепления и хранения АСП в процессе транспортировки и подвески. Измеритель координат предназначен для измерения рассогласования между местом подвески и АСП. Он представляет собой шарнирно-рычажный механизм с шестью вращающимися парами. Измеритель координат присоединяется к месту подвески с помощью специального захватного устройства. Основным назначением механизма подъёма (МП) является обеспечение перемещения платформы ориентации по вертикали. При этом он должен обеспечивать прямолинейное поступательное перемещение. Как видно из табл.4, характерной особенностью МП является большой ход (« 1,5м) при минимальных габаритах в сложенном состоянии (»0,3м). Анализ винтовых и рычажных механизмов поступательного перемещения показывает, что в большей степени такое свойство проявляется в механизме шарнирного параллелограмма, показанного на рис. 1.14. Именно такой механизм принимается за основу конструкции ТС. Анализ высот подвески АСП позволяет оценить размерные соотношения для данной конструкции. Если положить, что высота робота в транспортном положении с установленным средством поражения не должна превышать 700мм, то максимальная высота подъёма АСП должна составлять 1,5м. Положив длину площадки а, необходимую для размещения платформы ориентации, равной 1м, получим, что величина плеча механизма подъёма Ь = 2м. При этом угол плеча (р изменяется в диапазоне от 0 до 50. Длина направляющей Ь составляет 1м. вращения относительно центра С. Тогда момент, развиваемый приводом, будет равен что является минимальным значением момента для рассмотренных выше и действительно реализуемых конструкций механизма подъема. Можно сделать следующие выводы: 1. Анализ конструкций и мест размещения АПУ на ЛА позволил разработать конструкцию РС, которая обладает достаточной универсальностью и востребованностью, поскольку разрабатывается для операций с классом объектов, широко распространенных по весогабаритным показателям. 2. Соответственно выбранной высоте подъема и массе объекта работы предложена конструкция исполнительного механизма РС, состоящая из механизма подъема и платформы ориентации. 3. Для механизма подъема создана конструкция, которая является оптимальной по развиваемым силам и моментам, а также для энергетики приводов. аварийной остановки работы РС в процессе подвески АСП, когда 5 /тель АСП упирается в АПУ (точка подвески АСП). 4. В виду той же «мягкости» конструкции обеспечивается более плавная работа РС на ответственном этапе операции, когда АСП входих в зацепление с направляющими места подвески и продвигается вдоль её оси 5. Предложенный механизм подъема обладает свойствами адаптации к Малым линейным и угловым смещениям, неизбежным при позиционировании тяжелых объектов.
Анализ зон обслуживания платформ ориентации различных конструкций
С эргономической точки зрения такой метод управления не удобен, т.к. оператор должен позиционировать объект по шести координатам, а точные перемещения (конечный этап подвески) он может задавать только по одной из координат. (В транспортном режиме можно задать 2-3 координаты одновременно и только при наличии специально разработанного для этого режима пульта управления). Кроме того, при подвеске АСП на устройство типа АПУ470 наиболее сложное и точное оператор не видит положение дальних от него бугелей АСП, т.к. они закрываются корпусом АПУ. Экспериментальные исследования показали, что процесс подвески СП на ЛА при использовании командного метода управления утомителен для оператора и занимает времени в 5-10 раз больше, чем при использовании полуавтоматического метода управления. Однако элементы этого метода могут быть использованы и в полуавтоматическом режиме управления. Также этот метод может быть использован в качестве резервного (аварийного) управления, т.е. используя командный метод управления как резервный, можно либо завершить процесс подвески АСП на ЛА, либо вернуть АСП на исходную позицию в случае возникновения аварийной ситуации связанной, например, с выходом из строя основной системы управления. При этом реализация СУ, построенной на основе метода командного управления, достаточно проста. Использование этого метода оправдано при подвеске других типов ракет или авиабомб, имеющих значительно более простые крепления и значительно большие допуски на подвеску.
Управление по вектору положения с использованием шестистепенной рукоятки Условимся, что рукоятка управления представлена шестикоординатным датчиком измерения сил и моментов и расположена на подвижной платформе ориентации (рис.43).
Оператор воздействует на рукоятку управления, в результате чего формируется шестимерный вектор сил и моментов Ё3, который через коэффициент подобия
Кп преобразуется системой управления в сонаправленный вектор скоростей 3. Далее этот вектор преобразуется в вектор положения ПО Ъъ. Первый сумматор отражает тот факт, что рукоятка управления установлена непосредственно на подвижной ПО. В результате работы СУ и ПО отрабатывается заданное перемещение. В гл. 5 представлены результаты эксперимента по данному методу управления.
Отличительной особенностью является то, что эта система снабжена шестикоординатным датчиком сил и моментов, дающим информацию о нагрузке (сплошная линия) или шестью однокоординатными датчиками сил (пунктир), расположенными в каждом из приводов ПО. В последнем случае необходимо вычисление матрицы В"1, которая зависит от конкретной кинематики ПО. Соответствующий алгоритм определяется выражением Где: Р3 - вектор сил и моментов, формируемый силомоментной рукояткой управления; Р2 - вектор сил и моментов действующий на ПО; п - матрица масштабных коэффициентов. Так как вес перемещаемого объекта известен, можно программным методом скомпенсировать действие статических сил, и тогда система будет перемещать объект в соответствии с заданным вектором скорости, который пропорционален усилию, приложенному к рукоятке управления. При работе со связанным объектом (этап захвата бугелями боеприпаса направляющих пускового устройства и движение вдоль этих направляющих) оператор задаёт необходимую траекторию движения, а вектор усилий касания или заклинивания заставляет СП двигаться по вынужденному закону в режиме компенсации внешних усилий. При действующих усилиях со стороны АПУ оператор должен скомпенсировать это изменение путем приложения соответствующих усилий на рукоятке. При этом воспроизводится эффект ощущения воздействия со стороны нагрузки. Практически оператору нет необходимости контролировать движение СП вдоль направляющих АПУ, и было бы не рационально использовать ПО для этих целей, так как при этом существенно уменьшается зона начального позиционирования СП относительно АПУ. Эта проблема может быть решена с использованием дополнительного привода, перемещающего СП вдоль его оси на требуемое расстояние. При этом СУ, используя силомоментную связь компенсирует усилия, возникающие при подвешивании объекта. Реализация СУ с шестикоординатным датчиком сил-моментов установленном на верхнем столе ПО, представляется достаточно сложной. СУ с шестью датчиками сил, установленными в приводах ПО является более технологичной. Однако и при таком подходе к проектированию есть некоторые ограничения. Так, например, сила, возникающая в отдельном приводе ПО может достигать двукратного веса нагрузки, при этом знак силы может меняться на обратный. Получается, что датчик должен быть рассчитан не только на четырехкратный вес объекта манипулирования, но и иметь запас по ударным нагрузкам. Если вес объекта управления составит ЗООкгс, то полный диапазон датчика будет 1200кгс без учета запаса по ударам. При 10-ти разрядном АЦП получим, что разрешающая способность, будет около 12кгс. Также система должна иметь хорошую компенсацию по температуре и возможность начальной калибровки, что значительно усложняет всю систему в целом. Это означает, что в местах контакта при движении бугелей АСП вдоль направляющих АПУ возможно появление значительных усилий (около 50кгс) за счет разброса показаний датчиков системы. При манипулировании объектами меньшей массы, например 100кг, разрешающая способность датчиков останется той же, а следовательно и усилия, прилагаемые к АСП, будут такими же, что не является желательным.
Алгоритмы автоматического управления платформой ориентации
В данной работе рассматриваются способы построения робота снаряжения, и главное - ПО, имеющей шесть приводов по схеме компоновки /-координатного механизма, установленной на транспортном средстве. Очевидно, что кроме улучшенных массогабаритных показателей, расширенных компоновочных возможностей и технологических показателей, робот снаряжения должен удовлетворять техническому комплексу требований, предъявляемых к данной системе. Процесс выработки технических требований происходит путем согласования требуемого значения определенных выходных показателей системы управления с другими показателями. Согласуемые параметры при этом могут носить противоречивый характер. Так например, требование минимальной высоты РС в целом ведет к увеличению диаметра расположения нижних шарниров ПО, что хорошо согласуется с требованием увеличения перемещения по высоте, однако оно так же ведет к увеличению нагрузок на приводы, которые при определенных сочетаниях параметров неограниченно возрастают. Кроме того, в предыдущих главах было показано, что платформа ориентации установлена на достаточно упругом основании, что может вызвать появление в системе колебаний со значительными амплитудами при крайних положениях объекта управления, что недопустимо.
Основным показателем качества работы ПО будем считать ошибку воспроизведения заданной траектории, зависящую от вектора выходных динамических переменных. Поэтому при синтезе СУ требуется построение динамической модели ПО вместе с ее конструкционной моделью. При таком подходе появляется возможность получать требуемые выходные показатели, формируя требования как к системе управления ПО, так и к механической части ПО.
Таким образом, актуальными являются задачи построения динамической модели РС, анализа ее работы во временной и частотной области, в том числе выявление параметров конструкции, влияющих на свойства динамической модели и выходные показатели.
При системном подходе к проектировании РС с описанной ранее ПО необходимо учитывать особенности механической системы как объекта управления. ПО как силовой модуль имеет сложную кинематическую структуру, включающую ряд элементов, которые при перемещении платформы совершают движения различного вида: - корпуса приводов поворачиваются относительно нижних шарниров; - винты ШВП электромеханизмов перемещаются поступательно и поворачиваются относительно нижних шарниров вместе с корпусами; - роторы приводов с гайками вращаются относительно собственных осей и поворачиваются относительно осей нижних шарниров; - ПО совершает сложное движение, которое складывается из поступательного перемещения и поворотов относительно неподвижной СК; - платформа перемещает массивный объект, при этом она установлена на нежестком основании, что оказывает влияние на траекторию перемещения объекта. Неравномерное движение всех элементов конструкции вызывает появление динамических усилий и моментов, которые при определенных соотношениях конструктивных параметров и параметров СУ могут возбудить упругие колебания механической системы. Поэтому при синтезе и анализе работы ПО необходимо учитывать характеристики упругой механической системы как объекта управления. В большинстве систем управления возникновение подобных колебаний нежелательно, в том числе они нежелательны в работе ПО при перемещении объекта в транспортном режиме. Когда же производится конечное перемещение АСП вдоль направляющих АПУ, наличие колебаний играет положительную роль, так как позволяет избежать заклинивания бугелей. При построении дискретной модели реальная конструкция с большим числом степеней свободы заменяется конечной моделью с сохранением только существенных степеней свободы. При рассмотрении упругой механической системы будем исходить из общепринятых допущений: Упругие связи лишены массы, а сами упругие силы, воздействующие на материальные точки, рассматриваются как потенциальные, относя потери при деформации к работе непотенциальных сил. 2. В качестве обобщенных координат, характеризующих потенциальную энергию упругих связей, будем выбирать упругие деформации, определяющие отклонение упругой системы от ее жесткого скелета. 3. Считаем, что направления упругих сил, возникающих при деформации, совпадают с направлениями осей упругих связей, тем самым пренебрегая возникающими при деформации отклонениями осей упругих связей от их положения в жестком скелете. 4. Полагаем, что упругие деформации малы по сравнению с геометрическими размерами механической системы. 5. Полагаем, что упругие силы являются линейными функциями упругих перемещений. Введем также некоторые допущения, касающиеся непосредственно рассматриваемой платформы ориентации. Так как платформа ориентации представляет собой основание и подвижную платформу, соединенную шестью линейными приводами, то принимаем следующие допущения: 1. Основание и подвижная платформа являются жесткими телами. 2. Так как масса приводов значительно меньше массы перемещаемого объекта, а угловые и линейные скорости малы, то в динамической модели пренебрегаем как массами приводов, так и их влиянием на работу ПО. 3. Так как жесткость используемых приводов на 2-3 порядка выше жесткости опоры, (имеется в виду шарнирно-рычажный механизм типа "ножницы") то привода считаем жесткими. 4. Считаем верхние и нижние шарниры абсолютно жесткими. Из вышесказанного следует, что динамическая модель РС будет описывать работу платформы ориентации на упругом основании.
Экспериментальный стенд, реализация СУ РС и программное обеспечение
Контролирующее устройство состоит из жесткого основания 1, на котором в шарнире 2 закреплена токопроводящая металлическая пластина 3 с закрепленной на ней диэлектрической пластиной 4. В этой пластине с равным шагом 20±0.02мм просверлены отверстия диаметром 5±0.02мм. Пластина 3 поджата пружиной 5 к механическому упору 6. На ПО крепится выносная штанга 7 с металлическим наконечником. Его диаметр равен 4,4±0.02мм, а длина штанги составляет 1100±2мм от координатного центра ПО. Таким образом моделируются зазоры между бугелями АСП и АПУ. К пластине 3 и штанге 7 подсоединены провода, которые идут к блоку дискретного ввода с гальванической развязкой СУ. Алгоритм работы устройства прост. При правильной работе ПО и программного обеспечения с заложенными алгоритмами наконечник штанги 7 должен войти в отверстие диэлектрической пластины 4 и коснуться пластины 3, что будет зафиксировано СУ. Если такового не произошло, то необходимо скорректировать работу программного обеспечения ПО. Применение контролирующего устройства показано на рис.5.9 и рис.5.10.
Второе устройство (правое на рис.5.7) предназначено для контроля точности движения на заданной траектории по одной координате (X или У). Его принцип действия понятен из рисунка. Устройство состоит из основания с закрепленной на нем вертикальной пластиной на которую крепятся индукционный датчик линейного перемещения ДП2-40 и металлическая рейка, установленная в одностепенном шарнире. При движении наконечника штанги вдоль рейки датчик отслеживает отклонения траектории от прямолинейной. Принцип применения устройства показан на рис.5.11.
Система управления РС состоит из системы управления транспортным средством, системы управления механизмом подъёма и системы управления платформой ориентации. В данной работе не рассматриваются проблемы связанные с управлением транспортным средством и механизмом подъёма, хотя в СУ зарезервированы каналы для управления транспортным средством и механизмом подъёма. Аппаратурная реализация СУ ПО представлена на рис.5.12 , а общий вид СУ представлен на рис.5.13. Она включает микропроцессорную систему управления, блок усилителей мощности, блок коммутаций, пульт управления, измеритель координат, промежуточный усилитель, моментную рукоятку управления и отладочную ЭВМ.
Микропроцессорная СУ ПО включает: блок компоновочный, блок питания, модуль цифрового ввода, модуль цифрового вывода, модуль аналогового ввода-вывода, модуль центрального процессора, модуль процессора привода. Блок компоновочный обеспечивает крепление модулей, входящих в состав микропроцессорной СУ ПО, а также реализует межмодульную связь. Блок питания обеспечивает питанием модули, входящие в состав СУ ПО. Входное напряжение блока питания находится в диапазоне от 18 до 36В, что позволяет использовать аккумуляторы в качестве бортового источника питания. Модуль ввода предназначен для ввода информации от внешних устройств (кнопки, концевые выключатели и т.д.) в модуль центрального процессора. Количество каналов - 32. Каждый канал модуля имеет полную гальваническую развязку. Модуль вывода предназначен для дискретного управления оборудованием. Количество каналов вывода - 32, коммутируемый ток - 1А, коммутируемое напряжение - 24В. Каждый канал модуля имеет полную гальваническую развязку. Модуль аналогового ввода-вывода предназначен для ввода информации в центральный процессор от аналоговых источников сигнала - потенциометров, расположенных на приводах ПО, измерителе координат, а также с тензометрических усилителей, расположенных на моментной рукоятке управления. Количество каналов ЦАП - 4, количество каналов АЦП - 8. Каждый канал модуля имеет полную гальваническую развязку. Модуль процессора привода предназначен для сбора и обработки информации от инкрементного датчика привода ПО, реализации алгоритмов управления приводами ПО и выдачи сигналов управления на усилитель мощности. Каждый модуль имеет 3 канала управления. Всего имеется два таких модуля. Модуль центрального процессора предназначен для реализации алгоритмов управления ПО, а так же для управления модулем ввода, модулем вывода, модулем аналогового ввода/вывода. Так же модуль имеет два канала последовательного обмена в формате 118-232. Один канал используется для подключения пульта управления, другой связан с отладочной ЭВМ. Блок усилителей мощности включает: блок питания приводов, усилители приводов (ПІ.. .П6). Блок питания обеспечивает питанием силовые модули. Входное напряжение блока питания находится в диапазоне от 18 до 36В, что позволяет использовать аккумуляторы в качестве бортового источника питания. Усилитель привода предназначен для управления двигателями постоянного тока приводов ПО. Каждый модуль имеет защиту от короткого замыкания и обеспечивает ограничение тока управления электродвигателем.
Блок коммутаций обеспечивает отключение приводов ПО в аварийных ситуациях и переводит электромеханизмы в режим ручного управления. Это управление производится от выключателей, установленных рядом с приводами ПО. После ликвидации аварийной ситуации блок обеспечивает перекоммутацию электромеханизмов с целью включения их в состав микропроцессорной СУ.
Измеритель координат предназначен для измерения ошибки рассогласования между ПО и АПУ. ИК с помощью зажимного устройства прикрепляется к характерной точке АПУ. После измерения возможна автоматическая подвеска АСП на АПУ. Сигналы с ИК поступают на промежуточный усилитель. Это управляемый усилитель с изменяемым коэффициентом усиления. Он предназначен для увеличения чувствительности ИК в области, близкой к конечной точке подвески. В конечном счете, при применении управляемого усилителя достигается более точное позиционирование ПО в месте подвески. Переход с одного диапазона усиления на другой происходит автоматически, когда ПО выходит в точку подвески с "приблизительными координатами". После этого ПО "точно" выходит в точку подвески для данного типа АСП.
Похожие диссертации на Разработка и исследование автоматической системы управления процессом подвески авиационных средств поражения на летательный аппарат
