Система автоматического управления локтевого сустава робота

     ВВЕДЕНИЕ 

     Управление  – совокупность действий, обеспечивающих проведение любого процесса в целях достижения определенных результатов.

     Системы автоматического управления создаются  для того, чтобы автоматически, без непосредственного участия человека поддерживать необходимый режим работы различных обслуживаемых этими автоматами объектов. Системы автоматического управления самостоятельно, без вмешательства извне либо поддерживают постоянной, либо изменяют по заранее заданному закону одну или несколько физических величин, характеризующих процессы, происходящие в обслуживаемых объектах, или же сами определяют в зависимости от ряда условий нужный или оптимальный закон управления объектом.

     В данной курсовой работе разрабатывается  система автоматического управления локтевым суставом робота.

     Робот – автоматическое устройство с антропоморфным действием, которое частично или  полностью заменяет человека при  выполнении работ в опасных для  жизни условиях или при относительной  недоступности объекта.

     Робот может управляться оператором либо работать по заранее составленной программе. Использование роботов позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд на производстве, при работе с тяжелыми грузами, вредными материалами, а также в других тяжелых или небезопасных для человека условиях.

     Человекоподобный  робот после его создания станет первым универсальным инструментом, так как сможет пользоваться широчайшим набором любых технических средств, уже сделанных человеком для себя.

     Конструктивные  тенденции роботов: развитие модульных  конструкций как роботов в  целом, так и их сборочных единиц; расширение применения электромеханических роботов с волновыми передачами, обеспечение выборки зазоров. 

     1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Цель курсовой работы

 

     Целью данного курсового проекта является разработка системы автоматического управления локтевым суставом робота. Система должна отвечать заданным в техническом задании параметрам, обеспечивая необходимое быстродействие, а также точность регулирования. 

     1.2 Технические характеристики системы  регулирования 

     - грузоподъемность, Н           250;

     - частота опроса датчиков, с^-1        1500;

     - скорость обработки сигнала,            40;

     - тип привода           магнитожидкостный;

     - точность позиционирования, мм           0,1;

     - быстродействие, м/с             0,5;

     - время регулирования, с             ≤2;

     - перерегулирование, %              ≤20;

     - колебательность           ≤1,3;

     - максимально допустимое отклонение  регулируемой 

       величины  в установившемся режиме, %          ≤4;

     - период дискретизации, с             ≤2;

     - рабочий диапазон температур, ⁰С              -15..35. 

     1.3 Функциональная схема системы  регулирования 

     Система автоматического управления локтевым суставом робота состоит из микропроцессора (МП), магнитожидкостного цилиндра (МЖЦ), объекта управления (ОУ), магнитожидкостного датчика угла поворота (ДУ). Функциональная схема изображена на рисунке 1.

     

     

     

      

        

     МП  – микропроцессор, МЖЦ – магнитожидкостный  цилиндр, ОУ – объект управления, ДУ – магнитожидкостный датчик угла.

     Рисунок 1 – Функциональная схема системы автоматического

                         Регулирования локтевым суставом  робота 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА  ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

        ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПАВЛЕНИЯ

     2.1 Выбор микропроцессора 

     Одной из характерных особенностей нынешнего  этапа научно-технического прогресса  является все более широкое применение микроэлектроники. Особое внимание в настоящее время уделяется внедрению микропроцессоров, обеспечивающих решение задач автоматизации управления механизмами, приборами и аппаратурой. Адаптация микропроцессора к особенностям конкретной задачи осуществляется в основном путем разработки соответствующего программного обеспечения, заносимого затем в память программ.

     Микропроцессор  – программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких БИС с высокой степенью интеграции электрических элементов. 

     Для разрабатываемой системы автоматического  регулирования выбираем микропроцессор, исходя из технических характеристик  и экономической эффективности, INTEL80C31/32.

     Серия INTEL80C31/32 подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие ПЗУ позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.).

     Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает INTEL80C31/32 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры.

     Характеристики  микропроцессора:

     - точная эмуляция – отсутствие  каких-либо ограничений на использование  программой ресурсов микроконтроллеров;

     - до 256К эмулируемой памяти программ  и данных;

     - поддержка банкированной модели  памяти;

     - распределение памяти между эмулятором  и устройством пользователя с  точностью до одного байта;

     - до 512К аппаратных точек останова  по доступу к памяти программ  и данных;

     - аппаратная поддержка для отладки  программ на языках высокого  уровня;

     - трассировка 8 произвольных внешних  сигналов;

     - 4 выхода синхронизации аппаратуры  пользователя;

     - программируемый фильтр трассировки;

     - 48-разрядный таймер реального  времени;

     - встроенная система самодиагностики  аппаратуры эмулятора;

     - максимальная тактовая частота, МГц          30;

     - ROM/EPROM, Кбайт               4;

     - RAM, байт             512;

     - количество счетчиков               2;

     - число линий ввода/вывода             32;

     - напряжение питания, В                3,3...5;

     - рабочий интервал температур, ⁰С           55..+125.

     Так как микропроцессор является программно-управляемым  устройством, то его передаточная функция  имеет вид: 
 

     2.2 Магнитожидкостный датчик угла 

     Магнитожидкостный датчик угла предназначен для измерения пространственных углов относительно линии горизонта. Датчик состоит из полого цилиндрического корпуса, снаружи которого наматываются измерительные и питающие обмотки. В качестве чувствительного элемента в датчике используется постоянный магнит, взвешенный в магнитной жидкости.

       Технические характеристики:

     - диапазон измеряемых углов, град             -90..+90;

     - диапазон рабочих температур, град            -60..+60;

     - сохраняет работоспособность после  воздействия 

       механических ударов с перегрузкой, м/с²      1500;

     - синусоидальной вибрации в диапазоне  частот, Гц       500;

     - диаметр цилиндра, мм             17;

     - длина цилиндра, мм              55;

     - масса, г               6;

     - намагниченность насыщения, кА/м         100;

     - напряженность магнитного поля, А/м         10⁵.

     В качестве управляющей среды присутствует магнитная жидкость – вода. В качестве магнетика – высокодисперсное железо, ферромагнитные окислы Fe₂O₃, Fe₃O₄.

     Передаточная  функция магнитожидкостного датчика: 

где     – коэффициент передачи;

      = 0,5с - постоянная времени. 

  B – угол отклонения, град;

     А – входная величина напряжения, В.

     Передаточная  функция примет вид: 
 

     2.3 Выбор гидроцилиндра 

     Наиболее  важным критерием гидроцилиндра  в разрабатываемой системе является массогабаритные характеристики, а  также давление, на которое рассчитано данное устройство. Данный гидроцилиндр предназначен для перемещения рабочего органа в соответствии с поступающими на его вход импульсами.

     Так как величина хода штока небольшая  и давление не превышает 20МПа, его  не следует проверять на устойчивость от действия продольной силы.

     

     Рисунок 2 – Основные и расчетные параметры  гидроцилиндра 

     Внутренний  диаметр D=32мм;

     диаметр штока d_ш=0,5D=16мм;

     ход поршня S=10D=320мм;

     рабочее давление Р=0.33 Н.

     По  основным параметрам определим следующие  зависимости:

     - площадь поршня в поршневой  полости 1 и в штоковой полости  2

       соответственно 
 

     Расчет  на прочность. Прочностным расчетом определяют толщину стенок цилиндра, толщину крышек (головок) цилиндра, диаметр штока, диаметр шпилек или  болтов для крепления крышек.

     Толщину стенки цилиндра определим по формуле: 

где     условное давление, равное (1,2..1,3)P, Р_у=0,41 Н;

      - допустимое напряжение  на растяжение,

       коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона),  

     Для D=32 мм принимаем припуск на обработку металла, равный 0,7мм. 

     Толщина крышки цилиндра определим по формуле: 

где     - диаметр крышки,  

Уравнение движения гидроцилиндра имеет вид: 

где     Т – постоянная времени привода  гидроцилиндра, с;

     - относительное перемещение гидроцилиндра,  мм;

      - относительное регулирующее воздействие.

     Перейдя к стандартной форме изображения  передаточной функции звена, получим следующую формулу: 

     Таким образом, гидроцилиндр можно представить  в виде апериодического звена.