Моделювання та аналіз пантографного механізму підйому промислового робота

Abstract

У магістерській кваліфікаційній роботі проведено дослідження механізмів паралельної кінематики, серед яких найбільше використання мають пантографні системи. Ці механізми, на відміну від платформ Стюарта та дельта-систем мають один привід та дозволяють реалізувати значні переміщення, мають компактні конструкції та високу швидкодію. Такі платформи можна використовувати як окремі підйомні засоби, як елементи вузлів промислових роботів, як окремі мобільні засоби для промислових роботів. В останньому випадку існує достатньо цікавих нових рішень, що суттєво підвищують ефективність та унікальність використання промислових роботів на виробництві. Тому, завдання аналізу пантографних систем є актуальним і дозволить не обмежувати використання лише стаціонарних промислових роботів. Мета магістерської кваліфікаційної роботи – встановити аналітичні та побудувати графічні залежності силових і кінематичних характеристик пантографного механізму підйому промислового робота. Завдання магістерської кваліфікаційної роботи: - класифікація та короткий огляд механізмів паралельної кінематики; - аналіз сучасного стану використання пантографних механізмів в робототехніці; - опис будови та принципу роботи механізму; - розробка кінематичної та силової схеми; - визначення аналітичних та побудова графічних залежностей; - модернізація механізму підйому; - техніко-економічне обґрунтування запропонованих рішень. Об’єкт дослідження – процес зміни силових і кінематичних характеристик під час зміни положення пантографного механізму підйому промислового робота. Предмет дослідження – пантографний механізм для підйому промислового робота. В першому розділі роботи визначено основні типи механізмів паралельної кінематики, їх структурні та кінематичні особливості. При цьому, вибрано як предмет дослідження пантографний механізм. Його використовують як підйомний пристрій, для розширення технологічних можливостей промислових роботів. Розглянуто декілька новітніх технічних рішень мобільних засобів, що містять в конструкції механізм підйому, що використовуються для автоматизації технологічних процесів на складах. Серед різних схем приводів пантографних механізмів використано найбільш відому з нижнім горизонтальним приводом важелів на основі передачі гвинт-гайка ковзання. У другому розділі розглянуто конструкцію механізму підйому та його базових вузлів. Описано кінематичну схему та принцип роботи. Встановлено, що базові приводи у вигляді 110 В двигунів постійного струму є фізично застарілими, а наявна система керування базується на малоефективній елементній базі. З метою модернізації приводу запропоновано використати новітні електродвигуни постійного струму з напругою живлення 12 В та потужністю 250 Вт. Для керування приводом вибрано необхідні компоненти та периферійні пристрої. Запропонована схема дозволить забезпечити більш ефективну роботу пристрою, а також можливість ручного керування джойстиком. У третьому розділі розроблено статичну розрахункову схему навантаження механізму пантографу. Складено рівняння рівноваги та визначено залежності для реакцій в опорах та рушійної сили від кута повороту важелів. Виконано кінематичний розрахунок переміщення ланок механізму, а також визначено коефіцієнти жорсткості компенсуючих пружин. Побудовано графічні залежності силових параметрів пантографного механізму від кута повороту важелів. Виконано порівняльний аналіз наявності пружин на значення силових параметрів. Встановлено, що використання цих пружин якісно впливає на зменшення цих силових параметрів. Визначено потужність приводу, швидкості переміщення основних ланок. В розділі економічної частини складено кошторис вибраних комплектуючих для модернізації механізму підйому та виконано техніко- економічне обґрунтування. Визначено термін окупності від впровадження вибраних засобів керування. В цілому, запропоновані рішення дають змогу більш ефективно забезпечити роботу механізму, визначити його структурні та кінематичні характеристики.The master's thesis examines parallel kinematic mechanisms, among which pantograph systems are the most widely used. Unlike Stewart platforms and delta systems, these mechanisms have a single drive and allow for significant displacement, compact design, and high speed. Such platforms can be used as separate lifting devices, as elements of industrial robot assemblies, or as separate mobile devices for industrial robots. In the latter case, there are many interesting new solutions that significantly increase the efficiency and uniqueness of industrial robots in production. Therefore, the task of analyzing pantograph systems is relevant and will allow us to not limit the use of only stationary industrial robots. The purpose of the master's thesis is to establish analytical and construct graphical dependencies of the force and kinematic characteristics of the pantograph lifting mechanism of an industrial robot. The objectives of the master's thesis are: - classification and brief overview of parallel kinematic mechanisms; - analysis of the current state of pantograph mechanisms in robotics; - description of the structure and principle of operation of the mechanism; - development of a kinematic and force diagram; - determination of analytical and construction of graphical dependencies; - modernization of the lifting mechanism; - technical and economic justification of the proposed solutions. The object of study is the process of changing the force and kinematic characteristics when changing the position of the pantograph lifting mechanism of an industrial robot. The subject of study is the pantograph mechanism for lifting an industrial robot. The first section of the paper defines the main types of parallel kinematic mechanisms, their structural and kinematic features. At the same time, the pantograph mechanism was chosen as the subject of research. It is used as a lifting device to expand the technological capabilities of industrial robots. Several of the latest technical solutions for mobile devices containing a lifting mechanism in their design, used for the automation of technological processes in warehouses, are considered. Among the various drive schemes for pantograph mechanisms, the most well-known one with a lower horizontal lever drive based on a sliding screw-nut transmission is used. The second section examines the design of the lifting mechanism and its basic components. The kinematic diagram and operating principle are described. It has been established that the basic drives in the form of 110 V DC motors are physically obsolete, and the existing control system is based on an inefficient component base. In order to modernize the drive, it is proposed to use the latest DC electric motors with a supply voltage of 12 V and a power of 250 W. The necessary components and peripheral devices have been selected to control the drive. The proposed circuit will ensure more efficient operation of the device, as well as the possibility of manual control with a joystick. The third section develops a static calculation scheme for the pantograph mechanism load. Equations of equilibrium are compiled and dependencies for reactions in supports and driving force from the angle of rotation of levers are determined. A kinematic calculation of the movement of the mechanism links is performed, and the stiffness coefficients of the compensating springs are determined. Graphical dependencies of the force parameters of the pantograph mechanism on the angle of rotation of the levers have been constructed. A comparative analysis of the presence of springs on the values of force parameters has been performed. It has been established that the use of these springs has a qualitative effect on the reduction of these force parameters. The drive power and the speed of movement of the main links have been determined. In the economic section, a cost estimate for selected components for modernizing the lifting mechanism was compiled and a technical and economic justification was performed. The payback period for the implementation of the selected control means was determined.In general, the proposed solutions make it possible to ensure the more efficient operation of the mechanism and to determine its structural and kinematic characteristics.