23 października 2021


Symulacje wszelkich układów kinematycznych wykonywane w „świecie wirtualnym”  dostarczają nam pożądanej wiedzy o geometrii ruchu modelowanego układu. Układ taki musi spełniać definicję mechanizmu, rozumianego zgodnie z teorią maszyn i mechanizmów - czyli musi posiadać ostoję, a poszczególne jego człony (czynne i bierne) muszą tworzyć z sobą ruchowe pary kinematyczne.

Marek Wyleżoł

Jednym z przykładów popularnego obecnie obiektu technicznego spełniającego strukturalnie wspomnianą definicję jest manipulator ramieniowy (rys. 1). Jego podstawa (przytwierdzona zwykle do fundamentu) spełnia rolę ostoi. Natomiast poszczególne ramiona są członami połączonymi w ruchowe pary kinematyczne. W naszym przypadku wszystkie pary kinematyczne są klasy p5, czyli odbierają pięć stopni swobody łączonym elementom. Jedynym pozostawionym stopniem swobody jest tu ruch obrotowy względem jednej osi. Prosta analiza modelu manipulatora widocznego na rysunku 1 pozwala nam na stwierdzenie, że zamodelowany manipulator traktowany całościowo posiada cztery stopnie swobody.

manipulator
rys. 1

Modele kinematyczne robotów czy manipulatorów ramieniowych zwykle służą do projektowania gniazd roboczych linii produkcyjnych. Jednym z elementów tego procesu jest programowanie geometrii ruchu ramienia roboczego, wykonującego użyteczną pracę. Zwykle dysponujemy niepełnymi danymi o postaci tego ruchu. Dane te dotyczą najczęściej realizacji ruchu roboczego końcówki roboczej zamocowanej do tzw. kiści ostatniego członu roboczego (w zależności od rodzaju wykonywanych działań mogą to być: chwytak, wiertarka, zgrzewarka czy spawarka). Znamy więc docelowe położenie lub kolejne położenia wybranego, jako reprezentatywny punktu narzędzia roboczego manipulatora. Powstaje zatem problem zaprogramowania ruchu całości ramienia manipulatora, a więc określenia przemieszczeń kątowych w poszczególnych przegubach (parach obrotowych).
Zadanie to jest zwykle rozwiązywane – na etapie rozważań teoretycznych – z użyciem równań kinematyki odwrotnej, gdzie współrzędne punktu docelowego służą do określenia przemieszczeń w poszczególnych parach kinematycznych układu kinematycznego o znanej postaci geometrycznej.  Proces ten wymaga stosownej wiedzy, a jego rozwiązania nie są zawsze jednoznaczne. Dlatego też intencją autora jest pokazanie metody postępowania, której efektem będzie wyznaczenie trajektorii ruchu reprezentatywnego punktu narzędzia roboczego ramienia manipulatora (a więc również określenia przemieszczeń kątowych w przegubach) z użyciem wyłącznie standardowych narzędzi programowych przykładowego systemu CAD. Oczywistym założeniem jest dysponowanie systemem, który umożliwia dokonywanie złożeń modeli 3D, realizację symulacji i analiz kinematycznych oraz zapis i stosowanie reguł wraz z formułami matematycznymi. W naszym przypadku został użyty system CATIA v5 w zakresie modułów: Part Design, Assembly Design, DMU Kinematics oraz Knowledge Advisor. Pierwsze dwa moduły posłużyły do zamodelowania postaci geometrycznej manipulatora oraz pozyskania informacji o przemieszczeniach kątowych w przegubach. Dwa następne posłużyły do wykonania symulacji (w tym automatyzacji sterowania ruchem) oraz analiz kinematycznych ruchu modelu manipulatora.

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 5 (32) maj 2010