بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله سیر تحول ربات استوارت به عنوان شبیهساز پرواز و چالشهای آن مورد بررسی قرار گرفته است. در شبیهسازهای پیشرفته امروزی که از محرکهای خطی الکترومکانیکی بهره میبرند، تولید ارتعاشات ناخواسته یکی از مشکلات اساسی و اجتناب ناپذیر است. به منظور جلوگیری از انتقال این ارتعاشات به کابین آموزش بیننده راهکارهای مختلفی وجود دارد که در این مقاله به تبیین و بررسی آنها پرداخته شده است. به منظور ارائه راه حل عملی و کاربردی، آزمایشات عملی بر روی خواص لاستیکها صورت گرفته است و از این اطلاعات در شبیهسازی سیستم جاذب ارتعاشی استفاده شده است. نتایج شبیهسازی حاکی از برطرف شدن ارتعاشات با فرکانس مورد نظر مساله میباشد.
-1 مقدمه
در دهههای اخیر استفاده از رباتها، در فرایندهای تولید و اتوماسیونهای صنعتی بسیار گسترده شده است. بر اساس زنجیره سینماتیکی رباتها به انواع مختلفی دستهبندی میشوند. رباتهای موازی دستهای از رباتها هستند که زنجیره سینماتیکی آنها بسته است. در کنار فضای کاری کوچک و سینماتیک و دینامیک پیچیده، رباتهای موازی مزایای زیادی از جمله صلبیت بالا، نسبت بار به وزن بالا، دقت بالا و قابلیت مانور بالا دارند.
با توجه به کاربرد رباتهای موازی به عنوان شبیهسازها، بررسی و تحلیل این رباتها بسیار حائز اهمیت است. مکانیزم استوارت یکی از رباتهای موازی معروف است که اولین بار توسط گوف در دستگاه تست تایر استفاده شد پیش از آن که توسط استوارت به عنوان ساختاری برای شبیهسازی پرواز معرفی شود .[1] امروزه ربات استوارت کاربرد گستردهای به عنوان شبیهساز پرواز در صنعت هوانوردی دارد.
سینماتیک مستقیم ربات استوارت با ساختار متنوع 3-3، 3-6 و 6-6 با روشهای عددی مختلف بررسی شده است. در یک روش کلی سینماتیک مستقیم ربات استوارت با صفحات ثابت و متحرک فضایی مورد بررسی قرار گرفته است
دینامیک ربات استوارت توسط محققان مختلف با روشهای گوناگونی بررسی شده است. در یک بررسی جامع و کامل سینماتیک و دینامیک ربات به روش تحلیلی به تفصیل حل شده است
در این بررسی که در حل دینامیک از روش نیوتون اویلر استفاده شده است اصطکاک مفاصل نیز در نظر گرفته شده است. همچنین در پژوهشهای بسیاری شاخصهای کارایی مختلف ربات استوارت مورد بررسی قرار گرفته است. یکی از مهمترین این شاخصها چالاکی ربات است
کاربرد گسترده مکانیزم استوارت در شبیهسازهای پرواز توجه محققان را بیش از سایر انواع رباتهای موازی به خود معطوف ساخته است. از این رو تحقیقات بسیاری بر روی جنبههای مختلف این ربات با هدف افزایش کارایی این مکانیزم در شبیهسازی حرکت انجام گرفته است.
در بیشتر شبیهسازها از عملگرهای هیدرولیک استفاده میشود به دلیل آن که این سیستمها کم ترین مقدار ارتعاشات ناخواسته را ایجاد میکنند. در مقابل از تعمیر و نگهداری، نیاز به تجهیزات گران و پر سر و صدا شامل پمپها و شیلنگهای فشار قوی، احتمال آلودگی و نشتی روغن و بازدهی پایین به عنوان اصلیترین معایب این سیستمها نام برده میشود
بنابراین با توجه به دلایل ذکر شده، عملگرهای الکترومکانیک به مرور جایگزین انواع هیدرولیک شدهاند. در سال 2006 اولین شبیهساز پرواز الکترومکانیکی استاندارد با موفقیت ساخته شد . غالبا در این عملگرها از مکانیزم بال اسکرو به همراه موتور الکتریکی به منظور انتقال قدرت استفاده میشود. استفاده از محرکهای الکترومکانیکی در شبیهسازها علاوه بر رفع معایب محرکهای هیدرولیک، امکان پیادهسازی روشهای کنترلی پیشرفته و پیچیده تری را نیز فراهم میسازند
شبیهسازهای الکترومکانیکی با تمام مزایایی که دارند به علت ساختار مکانیکی محرکها ارتعاشات نامطلوبی تولید و به کابین منتقل میکنند. در این مقاله راهکارهای جلوگیری از انتقال ارتعاشات به کابین در شبیهساز فام استوارت که در شکل 1 نشان داده شده است، مورد بررسی قرار گرفتهاند.
شکل : - 1 - ربات فام استوارت
-2 استفاده از سیستم تعدیلگر اثر وزن پنوماتیک
در رباتهای الکترومکانیکی با افزایش بار روی صفحه متحرک توان مورد نیاز محرکهای ربات برای شبیهسازی حرکت مورد نظر افزایش مییابد. علاوه بر افزایش بارهای دینامیکی، برخلاف انواع هیدرولیکی که در موثعیت سکون نیازی به صرف انرژی ندارند بارهای استاتیکی ربات نیز افزایش چشمگیری خواهند داشت. این موضوع سبب میشود تا بخش عمدهای از توان موتور به طور پیوسته صرف تحمل بارهای استاتیک شود. بنابراین توان در دسترس جهت شبیهسازی حرکت دینامیکی کاهش مییابد .
این موضوع سبب کاهش راندمان سیستم مکانیکی در شبیهسازی حرکت مطلوب گردیده و مسبب ایجاد ارتعاشات میگردد . لذا در رویکردی جدید ترکیبی از محرکهای پنوماتیک غیرفعال به منظور کاهش اثر وزن صفحه متحرک بر روی محرکهای فعال استفاده میشود. در نتیجه توان موتورها صرفا جهت ایجاد حرکتهای دینامیکی مورد استفاده قرار میگیرد.
با توجه به ابعاد و هندسه ربات راستای جکهای پنوماتیک تعیین شده است. برای تعیین راستای جکهای پنوماتیک از دو پارامتر Rb، فاصله پایه جکها از مرکز صفحه پایین و Rp، فاصله نوک جکها از مرکز صفحه متحرک است. نیروی Fp نیز نیروی ثابتی است که توسط هر یک از جکها اعمال میشود. مقادیر این پارامترها در جدول 1 آورده شده است
جدول : - 1 - پارامترهای طراحی سیستم تعدیلگر پنوماتیک
همان طور که در شکل 3 دیده میشود، بر مبنای شبیهسازیها استفاده از سیستم تعدیلگر اثر وزن مطابق بر جدول 1 سبب توازن کهادهای نیروهای دینامیکی ربات فام استوارت در مقایسه با شکل 2 شده است. نقاط واقع در نمودار کمینه و بیشینه نیروی محرکهای الکترومکانیکی در حین مسیرهای حرکت ششگانه را نشان میدهند. مطابق شکل پس از اعمال سیستم تعدیلگر پنوماتیکی، کمینه و بیشینه نیروی محرکها حول محور صفر متقارن شدهاند.
شکل : - 2 - نیروی دینامیکی محرکها در غیاب سیستم تعدیلگر
شکل : - 3 - نیروی دینامیکی محرکها با سیستم تعدیلگر پنوماتیکی
-3 نوسانات در حرکت
با وجود کاهش چشمگیر بار محرکهای الکترومکانیکی با بکارگیری سیستم تعدیلگر اثر وزن پنوماتیکی ارتعاشاتی در هنگام حرکت ربات در مسیرهای پیش فرض احساس میشود. همان طور که در شکل 4 مشاهده میشود آنالیز فرکانسی محرکهای الکترومکانیکی در طی حرکت Surge نمایانگر فرکانس 20 هرتز به عنوان نوسانات نامطلوب در مسیر بوده که منجر به ایجاد ارتعاشات در کابین میگردد.
شکل : - 4 - نمودارهای حرکت و آنالیز فرکانسی محرک شماره 4 ربات در مسیر Surge
هر چند تولید ارتعاش در سیستم اجتناب ناپذیر است، راهکار مناسب برای جلوگیری از انتقال ارتعاشات به کابین استفاده از پدهای میراگر میباشد. در شکل 5 محلهای ممکن برای قرار دادن پد میراگر نشان داده شده است.
شکل : - 5 - محلهای ممکن برای قرارگیری میراگرهای یک درجه آزادی در ربات
استفاده از پد میراگر در بین اجزای محرک سبب افزایش طول مرده میشود که تاثیر چشمگیری بر روی پارامترهای فضای کاری خواهد داشت. از طرفی با قرار گرفتن میراگر در بین پلتفرم و محرکها به هر پای ربات یک درجه آزادی اضافه میشود که حل تحلیلی مساله را بسیار پیچیده میکند. برای سادهسازی بهتر است میراگر مابین پلتفرم و کابین در نظر گرفته شود.
-4 تست عملی خواص لاستیکها
برای استفاده از دستگاه نوسانگر، وزن شتابسنج متصل به انتهای تیر لاستیکی باعث خمش آن شد. علاوه بر این به علت پایین بودن فرکانس طبیعی تیرهای لاستیکی فرکانس تیر در محدوده فرکانسی قابل تشخیص برای شتاب سنج موجود قرار نداشت و اطلاعاتی از این تست استخراج نشد. در نتیجه برای تعیین خواص الاستیکی و میرایی لاستیکهای مورد بررسی از دو آزمایش مجزا استفاده گردید. در آزمایش اول برای اندازهگیری مدول الاستیسیته لاستیک با استفاده از یک میکرومتر مطابق شکل 6 جابجایی نوک تیر به ازای بارگذاریهای مختلف اندازهگیری میشود.
با توجه به رابطه 1 که ارتباط تغییر طول نوک تیر را نسبت به نیروی اعمالی نشان میدهد میتوان سختی تیر را محاسبه نمود.
در معادله 1 میزان سختی ارتباط مستقیم با مدول الاستیسیته لاستیک دارد که در رابطه 2 نشان داده شده است.
شکل : - 6 - آزمایش اندازهگیری سختی تیر
نمودار تغییرات نوک این تیر متناسب با نیروی اعمالی در شکل نشان داده شده است. شیب نشان دهنده ضریب سختی نمونه لاستیک مورد آزمایش میباشد. بر مبنای نمودار، مدول الاستیسیته لاستیک برابر 4,52 N/m2 است.
شکل : - 7 - نمودار جابجایی بر حسب نیروی تیر 10 میلی متری
آزمایش طراحی شده برای اندازهگیری ضریب دمپینگ لاستیکها بر مبنای ارتعاشات آزاد تیر اولر-برنولی میباشد. اساس این آزمایش به این صورت است که مطابق شکل انتهای تیر لاستیکی بین دو فک گیره بسته شده و به صورت یک تیر یکسر گیردار در نظر گرفته میشود. سپس انتهای آزاد تیر لاستیکی با یک ضربه مرتعش میشود و با استفاده از یک دوربین با قابلیت فیلمبرداری فریم بالا ارتعاشات تیر ضبط میشود. در پشت زمینه تصویر این فیلمها یک خطکش قرار داده شده است تا در هر لحظه موقعیت انتهای تیر قابل بررسی باشد. ساختار آزمایش بر مبنای شکل میباشد.
شکل : - 8 - ساختار آزمایش ارتعاشات آزاد تیر اولر-برنولی و نمونه فریمهای استخراج شده از یک آزمایش
همان طور که فریمهای استخراج شده نیز نشان میدهند دامنه نوسان تیر در اثر میرایی با گذشت زمان کاهش مییابد. به طور کلی چنین رفتاری به شکل نمودار زیر که به کاهش لگاریتمی معروف است میباشد. با رسم دامنه نوسانات تیر مرتعش بر حسب زمان نمودار کاهش لگاریتمی را بدست میدهد.
