Лaбopaтopнaя paбoтa 1 (Теоретическая часть)

СИСТЕМЫ УПРАВЛНГИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ

 

Лабораторный практыкум

 

Для студентов специальности

1–53 «Информационные технологии и управление

В технических системах»

 

Минск 2008

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………… 3

Лабораторная работа 1 (Теоретическая часть). Исследование

кинематических моделей промышленных роботов...………………….. 4

Лабораторная работа 1 (Практическая часть). Исследование

кинематических моделей промышленных роботов...………………….. 13

Лабораторная работа 2 (Теоретическая часть). Изучение языка программирования ARPS на базе системы графического моделирования RSIM...………………………………………………….. 18

Лабораторная работа 2 (Практическая часть). Изучение языка программирования ARPS на базе системы графического моделирования RSIM...………………………………………………….. 28

Лабораторная работа 3 (Теоретическая часть). Исследование методов компоновки роботизированной ячейки………………………………… 38

Лабораторная работа 3 (Практическая часть). Исследование методов компоновки роботизированной ячейки………………………………… 44

Лабораторная работа 4 (Теоретическая часть). Планирование траектории движения робота РМ-01…………………………………… 51

Лабораторная работа 4 (Практическая часть). Планирование траектории движения робота РМ-01…………………………………… 62

Введение

 

Данный лабораторный практикум включает в себя четыре лабораторных работы по курсу "Системы управления промышленными роботами", посвященных изучению кинематических моделей ПР, а также вопросов, связанных с компоновкой роботизированных модулей, планированием траекторий и программирования ПР. Работы проводятся на персональных компьютерах типа IBM PC с использованием оригинального программного обеспечения. В первой лабораторной работе изучается метод описания кинематических моделей ПР с использованием параметров Денавита-Хартенберга (Д-Х) с использованием программы автоматически генерирующей кинематическую структуру ПР по введенной таблице параметров Д-Х. Во второй работе изучается система программирования ARPS применительно к управлению ПР РМ-01. В процессе выполнения данной работы изучаются также вопросы обучения ПР, составления технологических программ для робота-маляра, анализа траектории движения и др. Третья работа посвящена вопросам компоновки роботизированных модулей на базе ПР РМ-01 исходя из анализа достижимости инструментом ПР рабочей поверхности станков. В четвертой работе изучаются вопросы планирования траекторий, основные операторы движения системы программирования ARPS и их реализация в системе управления ПР РМ-01.

Использование оригинального программного обеспечения для выполнения лабораторных работ позволяет более детально изучить основные разделы курса и исключить возможные поломки дорогостоящего оборудования. После выполнения данного цикла лабораторных работ студенты подготовлены для работы на реальном роботе

Лaбopaтopнaя paбoтa 1 (Теоретическая часть)

Лaбopaтopнaя paбoтa 1 (Практическая часть)

Порядок выполнения работы

1. Для заданного варианта кинематической схемы манипулятора выбрать системы координат звеньев и составить таблицу параметров Денавита-Хартенберга. Получить матрицу инструмента и матрицу для задания положения основания робота.

2. Ввести полученную таблицу в компьютер и сгенерировать кинематическую структуру манипулятора. Проверить правильность полученной модели на соответствие заданию.

3. По заданной точке в обобщенных координатах решить прямую задачу кинематики с учетом выбранного представления оператору об ориентации охвата.

4. Используя полученную на компьютере модель, проверить правильность решения прямой задачи кинематики. С этой целью необходимо войти в режим обучения (РЕЖИМ ПУЛЬТА) и задать исходную точку в обобщенных координатах. Результат решения отображается в окне данных, расположенном вверху экрана.

Содержание отчета

Отчет выполняется согласно ГОСТ каждым студентом индивидуально и после проверки студент допускается к защите лабораторной работы. В отчете должна содержаться следующая информация:

1. Кинематическая схема ПР с расположением фреймов суставов.

2. Таблица параметров Д-Х звеньев и охвата.

3. Расчет прямой задачи кинематики в контрольной точке.

4. Распечатка кинематической модели ПР с окном данных, в котором отображены обобщенные и декартовы координаты контрольной точки.

Варианты кинематических структур

Варианты выполнения лабораторных работ

Описание пакета RSIM

 

Взаимодействие основных модулей системы моделирования можно описать с помощью следующей схемы

 

RSIM.EXE

ГЛАВНОЕ МЕНЮ >*.ARP ТЕКСТ

КОМПИЛЯТОР ARPS ПРОГРАММЫ

ТЕКСТОВЫЙ РЕДАКТОР

	RSIMCELL.EXE

ГРАФИЧЕСКИЙ РЕДАКТОР >*.PIC

RSIMTCH.EXE

МОДЕЛЬ РТК

МОДУЛЬ ОБУЧЕНИЯ >*.PNT

RSIMRUN.EXE

НАБОР ТОЧЕК МОДУЛЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ >*.PLA

РЕЗУЛЬТАТ

RSIMPLAY.EXE

МОДУЛЬ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

РЕЗУЛЬТАТОВ

Рис.2.4

Процедура обучения реализована в модуле RSIMTCH.EXE.

Пункт меню Edit/Teaching mode поддерживает обучение ПР контрольным точкам путем имитации выносного пульта оператора. Величина шага при обучении задается нажатием клавиши + или -. Контролировать от пульта предельные значения каждой из управляемых координат можно с помощью специальной панели в левой части окна. Для обучения ПР захвату детали необходимо нажать клавишу “Ввод”, после чего выбрать необходимую деталь. После повторного нажатия клавиши “Ввод” ПР выходит в позицию захвата, совмещая систему координат схвата с системой координат детали. Обученная точка может быть сохранена как прецизионная (в обобщенных координатах) либо в декартовых координатах. Для перевода ПР в исходное состояние GO READY служит клавиша Home. Открытие и закрытие схвата осуществляется нажатием соответственно клавиш Ins и Del.

Изменить точку зрения можно с помощью горячей клавиши F3. Физический смысл параметров приведен на рис. 2.5.

Рис. 2.5

3 Порядок выполнения работы

 

1. Изучить работу программы RSIM. С этой целью:

– запустить программу RSIM и ознакомиться с основными пунктами меню;

– освоить обучение ПР в координатах суставов joint, мировых координатах word и координатах инструмента tool.

2. В соответствии с вариантом необходимо обучить робота-маляра рисованию заданных букв алфавита. С этой целью:

– загрузить модель ячейки РМ-01 (выбрав в режиме File пункт New);

– по указанию преподавателя создать плоскость, на которой будет рисоваться буква алфавита. Размер буквы и расстояние инструмента робота до плоскости также задаются в варианте задания;

– обнулить файл обученных точек (выбрав в режиме File пункт New с последующим выбором файла точек);

– для заданного варианта выбрать все точки, необходимые для решения задачи;

– сориентировать в режиме обучения схват манипулятора перпендикулярно рабочей поверхности;

– обучить робота всем необходимым точкам;

– сохранить файл обученных точек (*.pnt) и файл с изображением робота (*.pic) с одинаковым именем.

3. С использованием встроенного редактора, а также окна команд языка ARPS и окна точек написать программу для выполнения роботом поставленной задачи. После этого готовая программа сохраняется в файле под таким же именем (*.агр).

4. Проанализировать результаты моделирования. С этой целью:

– загрузить программу на языке ARPS в окно редактора;

– загрузить файл обученных точек;

– установить вид отображаемой информации (углы, скорости, моменты суставов, либо декартовы координаты схвата);

– запустить программу на выполнение.

 

Содержание отчета

 

Отчет выполняется согласно ГОСТ каждым студентом индивидуально и после проверки студент допускается к защите лабораторной работы. В отчете должна содержаться следующая информация:

1. Кинематическая схема ПР с рабочей плоскостью.

2. Схема траекторий движения манипулятора.

3. Программа на языке ARPS.

4. Список использованных точек..

 

Порядок выполнения работы

 

1. Для заданного варианта техпроцесса создать эскизы объектов оборудования.

2. Определить значения углов ориентации и высоту в характерных точках техпроцесса.

3. Построить частные зоны достижимости для характерных точек оборудования, используя программу RSIMTCH.

4. Выбрать места расположения технологического оборудования.

5. Создать макеты объектов оборудования и деталей при помощи программы RSIMCELL и разместить их в ячейке.

6. Установить список пар графических примитивов для выполнения теста столкновений.

7. Сохранить файл с моделью ячейки и передать его программе RSIMTCH.

8. Убедиться в достижимости рабочих точек и отсутствии столкновений робота и манипулируемой детали с оборудованием.

9. Написать программу управления роботом на языке ARPS для выполнения им технологической задачи.

На рис. 3.3-3.6 изображен пример компоновки ячейки РТК. Задачей робота является захват детали с ленты конвейера, перенос ее на вертикально-сверлильный станок и затем в бункер.

 

 

 

Рис.3.3. Захват детали с конвейера. Рис.3.4 Установка детали на станок.

 

Рис.3.5. Частная зона достижимости для операции захвата

Рис.3.6 Частная зона достижимости для операции установки.

 

Содержание отчета

 

Отчет выполняется согласно ГОСТ каждым студентом индивидуально и после проверки студент допускается к защите лабораторной работы. В отчете должна содержаться следующая информация:

1. Перечень выбранных параметров (высота, ориентация инструмента и конфигурация руки робота) для построения частных зон достижимости для каждого вида оборудования.

2. Чертежи частных зон достижимости относительно робота.

3. Чертеж спроектированного робототехнического комплекса с указанием положения характерных рабочих точек в мировой системе координат (распечатка файла обученных точек).

4. Тестовая ARPS-программа выполнения заданного техпроцесса.

 

Варианты заданий

 

Варианты техпроцессов для выбора компоновки РТК и составления управляющей программы робота:

А. Складирование роботом деталей в палетту из питателя. Переменный параметр N = размер палетты.

В. Сортировка роботом деталей с конвейера в накопители (отбраковка). Переменный параметр N - количество типов деталей (соответственно количество накопителей).

С. Последовательная загрузка/разгрузка роботом обрабатывающих центров одной деталью из питателя. Переменный параметр N -количество обслуживаемых станков.

D. Сборка деталей на столе из различных частей, находящихся в питателях. Переменный параметр N - количество типов деталей.

Координата q3

В данном алгоритме после определения вычисляется угол . Это позволяет использовать его значение при вычислении и минимизирует общее количество расчетов поОКЗ.

где

Координата q2

Определяется выражением

,

где , .

Углы определяют положение вектора центра кисти в пространстве. Следующие три угла определяют ориентацию схвата.

Определение координат

Кинематическая схема манипулятора робота РМ-01 построена таким образом, что векторы осей четвертого и шестого звеньев могут быть параллельны. При этом робот "теряет" одну степень подвижности, поскольку изменение координат четвертого или шестого звена приводит к одному и тому же изменению ориентации схвата. Конфигурация робота при которой он "теряет" степени подвижности называется вырожденной. Вырожденность конфигурации при совпадении векторов осей четвертого и шестого звеньев означает, что оси Z связанных координатных систем третьего () и пятого () звеньев параллельны. При этом угол равен нулю. Формулы определения и зависят от значения угла и он из трех углов определяется первым.

Для определения углов ориентации используются матричные уравнения связывающие положение и ориентацию центра кисти, вычисленные по известным углам и с одной стороны, и то же положение и ориентацию вычисленные по известным векторам ориентации схвата n, s, а и углам , , . Сравнение одинаковых элементов матриц в обоих частях уравнения позволяет определить синусы и косинусы искомых углов.

Угол определяется по следующей формуле:

Если угол q5 = 0 (конфигурация вырождена) то будем считать, что q4 не изменяется

,

а угол q6 находится по следующей формуле:

При q5 <> 0 (конфигурация не вырождена):

 

Контрольные вопросы по лабораторной работе

 

1. Планирование траектории манпулятора.

2. Системы координат манипулятора РМ-01.

3. Решение ПЗК для манипулятора РМ-01.

4. Углы ориентации О, А, T.

5. Решение ОЗК для манипулятора РМ-01.

Планирование траекторий для ПР РМ-01

 

В программном обеспечении ПР РМ-01 в основе всех программ интерполяции движения как во внутренних так и во внешних координатах лежат соотношения, связывающие перемещения и временные параметры при трапецеидальном профиле скорости (разгон, установившееся движение, торможение, рис.4.1).

Если обозначить перемещение через S, скорость на среднем участке через , а время разгона, равномерного движения и торможения, соответственно, через , то, используя формулу площади трапеции, получим:

или

Поскольку в расчетах по планированию траектории времена разгона и торможения полагают одинаковыми , приведенные выше соотношения упрощаются

где

При известных значениях S, T, максимальные скорости и ускорения определяют из следующих выражений:

При расчетах текущее значение перемещения определяется через приращение, которое с точностью до знака совпадает с перемещением которое осталось отработать:

S(t) = + dS(t),

где - значениеS в конечной точке.

dS(t) в этой формуле изменяется от () в начальной точке до 0 в конечной точке. Такой подход особенно удобен при сопряжении траекторий, заданных последовательностью операторов движения. С учетом приведенных выше соотношений закон изменения величины S будет иметь вид

S(t) = + ()*(i - t /(2*T* ))

для участка разгона

S(t) = + ()*(T – t+ )/T

для участка равномерного движения

S(t) = + ()*(t – T - ) /(2*T* )

для участка торможения.

При небольших перемещениях движение состоит из двух участков - разгона и торможения, профиль скорости в этом случае будет треугольным. Условием треугольного профиля скорости является выполнение неравенства:

,

где Sp - путь разгона при трапецеидальном профиле Sp = * .

Для треугольного профиля скорости временные параметры движения находят из соотношения:

, .

Закон изменения S в этом случае тот же, что и для трапециидального профиля.

В системе программирования ПР РМ-01 существует возможность организации движения без останова в конечной точке установлением ключа DISABLE BREAK. (Рис.4.2) При этом производится совмещение участков торможения для текущего оператора движения и участка разгона для последующего. Для текущего оператора движения отрабатываются лишь два участка: разгон и равномерное движение, а на участке сопряжения текущее значение S вычисляется по формуле:

S(t) = + dS(t) + dS'(t),

где dS и dS' приращения для текущего и предыдущего операторов движения соответственно.

Величины приращении определяют для данного участка по тем же формулам, что и для движения без сопряжения

,

,

При сопряжении участков траекторий, если они не лежат на одной прямой, происходит сглаживание траекторий. За время равное приблизительно 0.3 секунды до окончания текущего интервала движения робот планирует и начинает выполнять движение для следующего интервала, заканчивая одновременно движение текущего интервала. В результате сложения движений траектория рабочего органа не проходит точно через промежуточную точку.

Степень отличия траектории от идеальной или степень "непопадания" в промежуточную точку зависит от угла под которым расположены начальная и конечная точки с вершиной в промежуточной точке. Чем острее угол, тем больше величина непопадания и сглаживания траектории. Величина непопадания также зависит от скорости движения (Рис.4.3).

Время движения между начальной и конечной точками зависит от значений, задаваемых командами системы программирования SPEED, SPEED%, SPEED NEXT. Команда SPEED задает значение скорости схвата при движении по прямой линии в мм/с. Если скорость не задавалась явно, то по умолчанию она устанавливается равной 100 мм/с. Максимальное значение средней скорости линейного движения для робота РМ-01 составляет ⁼ 500 мм/с. При задании движения с интерполяцией во внутренних координатах численные значения, задаваемые командой SPEED, воспринимаются как масштабный коэффициент по отношению к максимальной скорости по суставам. Это выполняется таким образом, что при движении по отдельным степеням подвижности и установленной скорости равной угловая скорость степени подвижности будет равна ее максимальной скорости . Команда SPEED% задает коэффициент масштабирования скорости. 100% задает коэффициент масштабирования текущей скорости 1. Полученная скорость ограничивается до максимальной.

Алгоритм расчета разнится для операторов типа GO, задающих планирование во внутренних координатах, и для операторов типа GOS планирующих движение в пространстве мировых координат.

В случае планирования движения во внутренних координатах расчет Т и производится для каждого звена в отдельности, а затем выбираются наибольшие значения Т, . Для трапециидального профиля скорости величина Т вычисляется по формуле

,

где m – масштабный коэффициент скорости, определяемый произведением

m = SPEED*SPEED% / 100,

и соответственно начальное и конечное значение углов поворота внутренней координаты робота, -максимальное значение угловой скорости по этой координате.

Величина для каждого звена является постоянной величиной. В дальнейшем при отработке движения каждый из суставов будет двигаться время, определяемое максимальными значениями Ти , aпоскольку расстояния они проходят разные, то разной будет скорость поворота.

При планировании траектории в мировых (декартовых) координатах (операторы GOS, CIR) определяется модуль расстояния между начальной и конечной точками

и время

где Vmax - максимальная линейная скорость.

Порядок выполнения работы

 

1. Изучить решения прямой и обратной кинематических задач ПР РМ-01, а также принципы планирования и отработки траекторий данного робота.

2. Используя пакет RSIM в режиме Teaching mode, обучить робота некоторой целевой точке и осуществить движение к ней из текущей точки, для которой робот имеет туже конфигурацию, что и для целевой точки, используя команду движения типа GO. Наблюдать движение модели робота на экране дисплея.

3. Повторить выполнение задания пункта 2 с той разницей, что целевая и текущая точки должны находиться в разных конфигурациях робота.

4. Выполнить задание пункта 2, используя команду движения типа GOS.

5. Просмотреть и проанализировать поведение модели робота в том случае, когда конфигурация робота в текущей точке разнится от его конфигурации в целевой точке и попытка движения к целевой точке осуществляется с помощью команды GOS.

6. Составить и выполнить программу движения конца схвата робота по прямоугольнику (треугольнику), точки которого расположены в одной из плоскостей XY, XZ, YZ мировой системы координат с использованием команд типа GO. Установить ключ прерывания движения в положение включено (ENABLE BREAK). Наблюдать проекции траекторий движения с использованием режима Run..Show graphics. Оценить время движения при установке различных скоростей движения (команда SPEED). Величины скоростей задавать в диапазоне 100.. 500 мм/с. Наблюдать как будет изменяться время движения при задании скорости более 500 мм/с.

Для данной программы наблюдать профиль скоростей и ускорений в суставах при задании различных скоростей движения. Сделать вывод о характере и величинах скоростей и ускорений в суставах.

7. Повторить выполнение пункта 6 с ключом стыковки траекторий (DISABLE BREAK).

8. Выполнить пункты 6 и 7 с использованием команд типа GOS.

9. Наблюдать профиль скорости и ускорения при малых перемещениях схвата манипулятора и использовании команд движения GO, а затем GOS.

10. Дополнить программу линейного движения по квадрату (треугольнику) обходом того же квадрата по дугам окружностей (команды CIR). Наблюдать соответствующие траектории с установленным ключом прерывания движения, а также при непрерывном движении по траектории.

По результатам наблюдений сделать выводы о траекториях схвата робота при выполнении различных команд движения, а также об изменении траекторий при их стыковке.

 

Содержание отчета

 

Отчет выполняется согласно ГОСТ каждым студентом индивидуально и после проверки студент допускается к защите лабораторной работы. В отчете должна содержаться следующая информация:

1. Профили скоростей в режиме обучения.

2. Профили скоростей для команды GO при прохождении траектории на различных скоростях.

3. Профили скоростей для команды GOS при прохождении траектории на различных скоростях.

4. Профили скоростей для команды CIR при прохождении траектории на различных скоростях.

5. Анализ полученных данных.

СИСТЕМЫ УПРАВЛНГИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ

 

Лабораторный практыкум

 

Для студентов специальности

1–53 «Информационные технологии и управление

В технических системах»

 

Минск 2008

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………… 3

Лабораторная работа 1 (Теоретическая часть). Исследование

кинематических моделей промышленных роботов...………………….. 4

Лабораторная работа 1 (Практическая часть). Исследование

кинематических моделей промышленных роботов...………………….. 13

Лабораторная работа 2 (Теоретическая часть). Изучение языка программирования ARPS на базе системы графического моделирования RSIM...………………………………………………….. 18

Лабораторная работа 2 (Практическая часть). Изучение языка программирования ARPS на базе системы графического моделирования RSIM...………………………………………………….. 28

Лабораторная работа 3 (Теоретическая часть). Исследование методов компоновки роботизированной ячейки………………………………… 38

Лабораторная работа 3 (Практическая часть). Исследование методов компоновки роботизированной ячейки………………………………… 44

Лабораторная работа 4 (Теоретическая часть). Планирование траектории движения робота РМ-01…………………………………… 51

Лабораторная работа 4 (Практическая часть). Планирование траектории движения робота РМ-01…………………………………… 62

Введение

 

Данный лабораторный практикум включает в себя четыре лабораторных работы по курсу "Системы управления промышленными роботами", посвященных изучению кинематических моделей ПР, а также вопросов, связанных с компоновкой роботизированных модулей, планированием траекторий и программирования ПР. Работы проводятся на персональных компьютерах типа IBM PC с использованием оригинального программного обеспечения. В первой лабораторной работе изучается метод описания кинематических моделей ПР с использованием параметров Денавита-Хартенберга (Д-Х) с использованием программы автоматически генерирующей кинематическую структуру ПР по введенной таблице параметров Д-Х. Во второй работе изучается система программирования ARPS применительно к управлению ПР РМ-01. В процессе выполнения данной работы изучаются также вопросы обучения ПР, составления технологических программ для робота-маляра, анализа траектории движения и др. Третья работа посвящена вопросам компоновки роботизированных модулей на базе ПР РМ-01 исходя из анализа достижимости инструментом ПР рабочей поверхности станков. В четвертой работе изучаются вопросы планирования траекторий, основные операторы движения системы программирования ARPS и их реализация в системе управления ПР РМ-01.

Использование оригинального программного обеспечения для выполнения лабораторных работ позволяет более детально изучить основные разделы курса и исключить возможные поломки дорогостоящего оборудования. После выполнения данного цикла лабораторных работ студенты подготовлены для работы на реальном роботе

Лaбopaтopнaя paбoтa 1 (Теоретическая часть)