Diseño y fabricación de robots móviles de paso alto para aplicaciones especiales fines utilizando CAD moderno.
Diseño y producción de robots móviles altamente maniobrables para fines especiales utilizando CAD moderno
Autores: Oleg Maslov, Andrey Puzanov, Konstantin Kuvanov, Oleg Platov (JSC «SKB PA», Kovrov)
La mente es, sin duda, Parece débil cuando pensamos en las tareas que enfrenta.
A. Einstein
Entre las muchas actividades destinadas a garantizar la seguridad y protección de la sociedad, las cuestiones relacionadas con la prevención de ataques terroristas que utilizan artefactos explosivos (DE) destinados a la destrucción de la población civil, así como la destrucción de objetos de actividad humana, ocupan un lugar destacado. lugar particularmente importante. Expertos de todo el mundo buscan formas eficaces de luchar y contrarrestar el terrorismo, una de las cuales es el desarrollo de robots móviles (MR) diseñados para identificar y destruir artefactos explosivos.
Cabe señalar que los desarrolladores extranjeros resuelven con bastante éxito las tareas de diseño y creación de dichos robots, como lo demuestra la amplia gama de equipos especiales que ofrecen. El rápido desarrollo de los medios robóticos en el extranjero se debe principalmente a la amplia experiencia en la lucha antiterrorista. Para la Rusia moderna, esa experiencia es relativamente pequeña. Sin embargo, los acontecimientos de los últimos años han obligado a los especialistas nacionales a concentrar sus esfuerzos en el diseño y fabricación de robots móviles para fines especiales. En un corto período de tiempo, aparecieron una serie de muestras nacionales de tecnología robótica, que se diferenciaban en clase, propósito y composición del equipo ejecutivo. «Vehículo todo terreno-TM3» — uno de estos modelos pertenece a la clase de robots ultraligeros, cuyo objetivo principal es el reconocimiento visual y acústico del terreno, locales, vehículos, inspección de lugares de difícil acceso, detección y destrucción de artefactos explosivos.
El robot móvil es capaz de moverse sobre terreno accidentado, superar obstáculos de umbral, obstáculos de agua y moverse sobre nieve y hierba. Para aumentar la maniobrabilidad cuando el robot opera en espacios reducidos (dentro de edificios y estructuras), se utiliza el método de giro a bordo. El equipo de trabajo del robot incluye un manipulador con dos grados de libertad, mecanismos de guía por cámara de vídeo de dos grados y un destructor hidrodinámico. Extender la varilla telescópica le permite examinar lugares de difícil acceso (el fondo de un automóvil, botes de basura, etc.), examinar y destruir objetos sospechosos.
El cliente del MR era el TsST del FSB de Rusia. El trabajo fue confiado a especialistas del Instituto de Investigación SM de MSTU. NORDESTE. Bauman (Moscú), responsable de la creación del sistema de control, así como especialistas de OJSC «Oficina de Diseño Especial de Fabricación de Instrumentos y Automatización» (OJSC «SKB PA», Kovrov), responsable del desarrollo del diseño de MR y la preparación de la documentación de diseño para la posterior producción en serie del producto en OJSC «Kovrov Electromechanical Plant» (JSC «KEMZ», Kovrov).
Ante el equipo de OJSC «SKB PA» La tarea consistía en desarrollar en el menor tiempo posible un diseño MR que cumpla con los requisitos de las especificaciones técnicas (TOR), desarrollar y emitir la documentación de diseño (CD) para la producción en serie del producto. Es obvio que el desarrollo y fabricación de un producto con un alto nivel de calidad sería imposible sin el uso de productos de software modernos.
Una de las etapas importantes en la configuración de la apariencia futura del robot fue el desarrollo de su modelo tridimensional preliminar en las versiones 5.3 y 9 del entorno Autodesk Inventor Series (AIS), como el más efectivo en términos de facilidad de diseño de robots complejos. elementos, así como la posibilidad de exportar dibujos 2D al entorno AutoCAD. Con la ayuda de AIS, se trabajó para determinar las principales características de diseño de los componentes y mecanismos del futuro robot, cuestiones relacionadas con el diseño y ubicación de los actuadores, elementos del sistema de control remoto a bordo y los principales y Se elaboraron los equipos auxiliares del robot (Fig. 1).
Fig. 1. Modelo tridimensional de un robot móvil,
desarrollado en el entorno AIS9
Durante el diseño del manipulador y los mecanismos de guía MR, se utilizaron varias capacidades de AIS9, como diseño adaptativo, representaciones de ensamblaje posicional y ensamblajes flexibles. Esto permitió calcular las posiciones más importantes del equipo actuador, obtener una imagen completa de las intersecciones de componentes y piezas durante la operación, y evitar sus posibles colisiones, así como estimar las dimensiones totales del MR durante la operación. del equipo actuador. Paralelamente al desarrollo de la versión principal del MR, se buscaron soluciones alternativas para el diseño del chasis del robot, el manipulador y el equipo auxiliar (Fig. 2, 3).
Fig. 2. RM del vehículo
con geometría variable de propulsión de rueda
Fig. 3. Versión alternativa del manipulador MR
De acuerdo con los requisitos del cliente, el módulo de transporte MR debe ser un medio de entrega de equipos ejecutivos al lugar de operación, con características de peso y tamaño reducidos, bajo consumo de energía de los actuadores del sistema de propulsión de ruedas y gran capacidad de cross-country. Capacidad y maniobrabilidad, capaz de soportar cargas de impacto. El cumplimiento de estos requisitos requirió que los desarrolladores realizaran una amplia gama de trabajos de cálculo y diseño. La base fue nuestra propia metodología para el diseño de vehículos con ruedas de alta capacidad en combinación con el entorno de software MSC.visualNastran.4D 2004. La metodología desarrollada permitió:
- .complementar y aclarar los métodos existentes para diseñar vehículos terrestres (VV), teniendo en cuenta las características inherentes a los MR ultraligeros y ligeros;
- determinar los parámetros geométricos del vehículo en función del posible relieve de la superficie de apoyo;
- realizar cálculos dinámicos de tracción del vehículo, teniendo en cuenta el tipo y las características de las transmisiones de tracción, las condiciones de carga de las ruedas de un vehículo de varios ejes, las condiciones ambientales en las que opera el MR, determinar la consumo de energía del vehículo para movimiento y maniobras;
- estudiar la estabilidad dinámica del futuro MR en el proceso de su interacción con la superficie de apoyo, evaluar la influencia de los parámetros del vehículo en su estabilidad;
- justificar la elección del tipo de estructura de soporte TM en función del volumen de los elementos colocados del SDS, la ubicación de los accesorios, el tipo y tipo de propulsión de las ruedas.
Una parte integral de la metodología son los modelos matemáticos desarrollados utilizando herramientas de modelado por computadora (por ejemplo, utilizando programas de simulación Matlab, Simulink), que permitieron no solo realizar de manera rápida y eficiente trabajos de cálculo y diseño para determinar los principales parámetros del MR. vehículo, sino también para realizar una serie de estudios científicos (Fig. 4, 5). Paralelamente, se realizaron los estudios requeridos teniendo en cuenta las no linealidades de las fuerzas que actúan sobre las ruedas del vehículo, lo que permitió evitar distorsiones de los resultados obtenidos debido a la simplificación de los modelos para obtener su análisis. solución.
Fig. 4. Modelo matemático para estudiar
la estabilidad dinámica de un vehículo
RM al interactuar con un
único obstáculo
Arroz. 5a — influencias perturbadoras
que actúan sobre un vehículo cuando choca contra un obstáculo;
Fig. 5b — aceleración lineal del vehículo al circular sobre asfalto;
Arroz. 5c — velocidad lineal y movimiento
del vehículo al interactuar con un obstáculo;
Fig. 5d — distribución de las reacciones normales
de la superficie de apoyo de las ruedas de un vehículo en pendiente
Fig. 5. Ejemplos de los resultados del trabajo de cálculo y diseño
realizado sobre la base de los
modelos matemáticos desarrollados:
Para realizar trabajos de diseño para seleccionar el tipo final de propulsión del vehículo y modelar el funcionamiento del equipo ejecutivo, se transfirió un modelo tridimensional preliminar del MR al entorno MSC.visualNastran.4D 2004 (Fig. 6).
Fig. 6. Exportar un modelo 3D de un robot móvil
al entorno MSC.visualNastran.4D 2004
Una de las tareas más difíciles a las que se enfrentaron los desarrolladores fue la selección del chasis óptimo que cumpliera con los requisitos para superar los obstáculos típicos. Para obtener el tipo óptimo de unidad de propulsión fue necesario desarrollar modelos tridimensionales en el entorno AIS9, que posteriormente fueron exportados a MSC.visualNastran.4D 2004 para su modelado comparativo, incluyendo:
- modelado del esquema clásico de un dispositivo de propulsión con ruedas (Fig. .7);
- modelado de un dispositivo de propulsión sobre ruedas;
- modelado de un dispositivo de propulsión sobre orugas de pequeño tamaño;
- modelado de un dispositivo de propulsión de ruedas con suspensión basculante independiente y ruedas gemelas;
- modelado de un dispositivo de propulsión con ruedas con suspensión oscilante forzada y ruedas emparejadas (Fig. 8);
- modelado de las características de resistencia de varias opciones de propulsión cuando interactúan con la superficie de soporte (Fig. 9).
Fig. 7. Simulación del movimiento de un robot móvil cuesta abajo
Fig. 8. Modelado de la superación de un obstáculo típico
para vehículos con diferentes tipos de propulsión
Fig. 9. Modelado de las características de fuerza dinámica
de la caja de cambios de una rueda
dispositivo de propulsión con suspensión oscilante
en diversas condiciones de superación de obstáculos
Los resultados de la simulación mostraron que un dispositivo de propulsión con ruedas es la opción más adecuada para un vehículo ultraligero de la clase MR, debido a sus características de peso y tamaño reducidos, combinadas con una capacidad de campo a través suficiente y la simplicidad del diseño. Al mismo tiempo, el uso de geometría variable en el diseño de un dispositivo de propulsión de ruedas no siempre mejora la maniobrabilidad del MR y puede provocar complicaciones significativas tanto del vehículo como del sistema de control del MR en su conjunto. Por lo tanto, se eligió como opción principal una unidad de propulsión con tracción total y actuadores ubicados dentro de la carrocería del vehículo.
La parte más difícil e interesante de probar el funcionamiento del equipo ejecutivo resultó ser la simulación de un disparo de un destructor hidrodinámico al simular la destrucción del aparato. La simulación de un disparo en el entorno MSC.visualNastran.4D 2004 con dos tipos de destructores sin retroceso y de retroceso permitió evaluar el efecto de las cargas de impacto en el MR (Fig. 10).
Fig. 10. Modelado del comportamiento de MR cuando es disparado por un destructor VU
Con base en los resultados del trabajo de cálculo y diseño, se identificaron y eliminaron las deficiencias del diseño preliminar del MR, se confirmó la funcionalidad esperada del MR, las características de tracción de los actuadores desarrollados de los mecanismos de propulsión, manipulador y guía de las ruedas. Se comprobaron y se aumentó la rigidez reactiva de la estructura. La versión finalmente aprobada del diseño MR hizo posible pasar a la etapa a gran escala de preparación y publicación de la documentación de diseño con la posterior preparación de la producción para la producción en serie del producto, que discutiremos en el siguiente artículo.
En la etapa de desarrollo del proceso tecnológico para la fabricación de MR, varias piezas tenían características de diseño que no permitían su fabricación utilizando equipos y herramientas de corte existentes. El diseño de estas piezas requirió el uso de máquinas de erosión eléctrica, que no están disponibles, o el uso de herramientas de corte especiales, cuya producción requiere mucho tiempo y mucha mano de obra.
Para solucionar este problema, se decidió fabricar estas piezas en máquinas CNC equipadas con un dispositivo giratorio (con 4 ejes controlados). Al desarrollar programas de procesamiento de control, se utilizó el sistema CAM EdgeCAM 9, en el que se cargaron modelos 3D de piezas creadas en Autodesk Inventor. Esto hizo posible regenerar rápidamente el programa de control para máquinas CNC, gracias a la estrecha integración de estos sistemas, por lo que EdgeCAM 9 redefine automáticamente la trayectoria del cortador de acuerdo con los cambios en el modelo 3D, lo que no era posible cuando se trabajaba con geometrías 2D. (Fig. 11, 12).
Figura 11. Soporte de manipulador en blanco
con el contorno de la pieza futura en el entorno EdgeCAM 9
Figura 12. Visualización del procesamiento de fresado
desbaste del soporte del manipulador en EdgeCAM 9
La traducción de la geometría de las piezas de AIS9 a EdgeCAM 9 se realizó preservando los enlaces asociativos. Esto hizo posible regenerar rápidamente el programa de control para máquinas CNC, gracias a la capacidad de EdgeCAM 9 de redefinir automáticamente la trayectoria del cortador de acuerdo con el modelo 3D modificado, lo que no era posible cuando se trabajaba con geometrías 2D.
Paralelamente a la creación de la UE, se trabajó en el diseño y elaboración de un CD bidimensional sobre la RM. La preparación del CD bidimensional se realizó mediante software de la empresa «Intermech» («InterMech», Minsk), destinado al diseño asistido por ordenador y al diseño tecnológico. Este software permite que los departamentos de diseño y tecnología trabajen en un único espacio de información y acelera significativamente el proceso de preparación técnica de la producción. La preparación y ejecución de los planos de RM se realizó en el entorno CadMech2000, que es compatible con los sistemas CAD más comunes y contiene una amplia base de información de referencia y una base de datos de elementos estándar de piezas y unidades de ensamblaje (Fig. 13).
Fig. 13. Dibujo de un robot móvil en entorno
CadMech2000 basado en AutoCAD 2002 (vista lateral)
Fig. Copias electrónicas de CD
a un robot móvil en el archivo Search8
Las vistas, cortes y secciones requeridas se prepararon en el entorno AIS9, se guardaron en formato DWG y luego se diseñaron de acuerdo con ESKD en CadMech2000. La documentación de diseño preparada se envió al archivo electrónico Search8, que sirve como depósito de todo tipo de documentos electrónicos y es el vínculo principal entre los servicios de diseño, tecnológicos y de gestión de la empresa (Fig. 14).
La etapa final del trabajo fue la producción de un prototipo de MR y su posterior prueba para verificar y confirmar su funcionalidad — tanto la muestra completa como un todo como sus unidades y mecanismos constituyentes (Fig. 15, 16). Durante el proceso de prueba también se confirmaron prácticamente los resultados calculados obtenidos y, en consecuencia, la exactitud de los métodos de diseño desarrollados.
Fig. Destrucción de un objeto que simula un dispositivo
Figura 16. Robot móvil»Vehículo todo terreno-TM3″
En conclusión, hay que decir que el uso de software de AutoDesk, InterMech, PathTrace, MSC hizo posible no solo reducir significativamente el tiempo de desarrollo del MP, sino también eliminar costos de material innecesarios para realizar el diseño, desarrollar e implementar el CD en producción. , pero también implementar un enfoque sistemático en el campo de la robótica de diseño móvil para fines especiales, realizar toda la gama de cálculos técnicos necesarios y realizar investigaciones científicas. Todo el software con licencia se compró a la «Compañía Industrial Rusa» (Moscú), los especialistas de esta empresa brindaron soporte técnico y de asesoramiento durante la implementación y el uso de los paquetes.
Se pueden obtener consultas detalladas y versiones de demostración del software de los especialistas de la Compañía Industrial Rusa:
en Moscú (095) 744-0004, Ekaterimburgo (343) 359-87-59, San Petersburgo (812) 164-54-08. Servicio centralizado de recepción de pedidos: info@cad.ru, tel. (095) 744-0004.
CAD/CAM/CAE Observer
Número 2 (20) 2005