Системы статической разгрузки и повышения динамической манипулятивности в механизмах параллельной структуры

Одним из перспективных направлений развития современного станочного оборудования является использование станков — манипуляторов с параллельной кинематикой [1]. Механизм параллельной структуры (рис. 1), как правило, содержит выходное звено (1), соединенное с основанием (2) при помощи нескольких кинематических цепей сходного строения (3). Каждая кинематическая цепь состоит из нескольких подвижно соединенных звеньев, приводимых в движение однотипными приводами.

Наиболее важным достоинством манипуляторов параллельной структуры, в сравнении со станками традиционной компоновки, представляющими совокупность последовательных незамкнутых кинематических цепей, является относительно низкая металлоемкость, достаточная жесткость, равномерное распределение нагрузки и как следствие, более высокие динамические показатели несущей системы. В этом отношении использование механизмов параллельной структуры открывает новые возможности интенсификации режимов металлообработки и применения прогрессивных стратегий обработки [2].

Благодаря отмеченным выше свойствам, данные механизмы находят все более широкое применение в машиностроении и робототехнике, а также при построении различного вида испытательных установок и другого технологического оборудования.

Технологическое оборудование на основе механизмов параллельной структуры производит многокоординатную обработку деталей с более высоким быстродействием в сравнении с обычным оборудованием. Таким образом, применение механизмов указанного типа приведет к существенному уменьшению времени обработки и стоимости готового изделия.

Оборудование на основе механизмов параллельной структуры имеет огромное множество возможных вариантов исполнения. В самом общем виде все механизмы параллельной структуры можно разделить на группы по числу степеней подвижности выходного звена (Жсп=2, Жсп=3, Wcu=4, Wcn=5, Wcn=6) [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14].

Вместе с тем, в связи с требованиями по жесткости к конструкции механизмов параллельной структуры, звенья механизмов могут иметь существенный вес, и часть момента приводных двигателей приходится тратить не на достижение максимальных ускорений выходного звена, а на преодоление сил тяжести.

Значительные ускорения требуются при механообработке сложных поверхностей (рис. 2), состоящих из множества участков с различной кривизной [15]. Поэтому производительность обработки сложных поверхностей в основном о! раничена ускорением. рис. 2.

Ранее задача статической разгрузки в робототехнических системах решалась конструктивными методами: методом корректировки масс, установкой дополнительных разгружающих элементов, как управляемых, так и не управляемых [16, 17].

Однако не рассматривались вопросы повышения динамических характеристик манипуляционных систем, построенных на основе механизмов параллельной структуры, путем использования систем активной управляемой разгрузки.

В связи с этим задача обеспечения значительных ускорений выходного звена манипуляторов параллельной структуры, при механообработке сложных поверхностей, путем построения систем активной управляемой разгрузки является актуальной.

Таким образом, целью настоящей работы является увеличение быстродействия станков — манипуляторов параллельной структуры, за счет обеспечения более высоких показателей ускорений выходного звена в пределах рабочей зоны, путем использования систем активной управляемой разгрузки с дополнительными приводами.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие научные и практические задачи:

— анализ и выбор способов статической разгрузки приводов манипуляторов параллельной структуры, обеспечивающих минимальную статическую нагрузку;

— анализ способов формообразования сложных поверхностей. Определение требований на скорости и ускорения при формообразовании сложных поверхностей;

— анализ и обоснование критериев для оценки кинематических и динамических характеристик механизмов параллельной структуры;

— формулировка и вывод критерия для количественной оценки эффективности установки дополнительных приводов в механизмы параллельной структуры;

— расчет усилий дополнительных приводов, выполняющих функции активной управляемой разгрузки;

— проверка выбранного критерия на примере манипулятора перемещения заготовки роботастанка «РОСТ — 300».

— проверка выбранного критерия на примере манипулятора перемещения заготовки роботастанка «РОСТ — 300».

Работа состоит из четырех глав и приложения: в первой главе рассматриваются способы разгрузки от статических сил в механизмах параллельной структуры. Предлагается алгоритм расчета усилий неуправляемых разгрузочных устройств, обеспечивающих минимальную статическую нагрузку на приводы механизма. Приводится расчет усилий неуправляемых разгрузочных устройств, для плоского пятизвенного манипулятора параллельной структуры.

Во второй главе рассматриваются особенности технологической обработки изделий сложных пространственных форм, способы формообразования сложных поверхностей. Формируются требования на скорости и ускорения при обработке изделий сложной пространственной формы.

В третьей главе приводится анализ и выбор критериев для оценки динамических характеристик манипуляционных механизмов. Для оценки максимального ускорения во всех возможных направлениях в пределах рабочей зоны выходного звена, предлагается критерий динамической манипулятивности для манипуляторов параллельной структуры. Предлагается алгоритм выбора параметров устройств активной управляемой разгрузки и повышения динамических характеристик, и оценка их по критерию динамической манипулятивности.

В четвертой главе производится синтез параметров устройств повышения динамической манипулятивности, плоского пятизвенного манипулятора параллельной структуры, манипулятор служит для перемещения заготовки робота-станка РОСТ — 300, и предназначенного для финишной обработки пера лопаток турбин различного промышленного назначения.

В приложении приводится описание программных средств расчета усилий неуправляемых разгрузочных устройств, манипулятора перемещения заготовки роботастанка «РОСТ -300», также приводится прикладная программа для расчета параметров системы активной управляемой разгрузки и оценка ее по критерию динамической манипулятивности для манипулятора перемещения заготовки роботастанка «РОСТ — 300».

Программы могут быть использованы для различных конфигураций механизмов параллельной структуры.

Основные результаты и выводы.

1. В работе решена научнотехническая задача, имеющая большое значение для производств, применяющих робототехнические системы, заключающаяся в увеличении быстродействия станковманипуляторов параллельной структуры при обработке сложных поверхностей.

2. В результате экспериментальных исследований показано, что разгрузочные устройства, с рассчитанными усилиями существенно разгружают приводные двигатели манипулятора перемещения заготовки «РОСТ — 300» от статических сил. Так, значения статических моментов М, действующих на привод D в пределах рабочей зоны, составляют не более 16% от номинального момента привода. Значения статических моментов М2, действующих на привод D2 в пределах рабочей зоны, составляют не более 24% от номинального момента привода.

3. При обеспечении требуемых режимов обработки на проблемных участках рабочей поверхности лопатки (кромка, прикомлевой участок и др.), необходимо создавать большие тангенциальные и центростремительные ускорения сферического инструмента относительно детали, что обеспечивается манипуляторами параллельной структуры с использованием систем активной управляемой разгрузки с дополнительными приводами.

4. Предложенный критерий динамической манипулятивности, для манипуляторов параллельной структуры позволяет:

— провести сравнение вариантов места установки исполнительных двигателей в сочленения механизма параллельной структуры и определить вариант, обеспечивающий одно и то же ускорение выходного звена меньшим значением моментов приводов.

— определить необходимую минимальную сумму квадратов динамических моментов в исполнительных приводах исходя из требований на ускорения выходного звена.

5. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что предложенный критерий динамической манипулятивности для манипуляторов параллельной структуры, может эффективно использоваться для моделирования механизмов на стадии проектирования кинематических схем станочного оборудования на основе манипуляторов параллельной структуры.

6. Для манипулятора перемещения заготовки, для заданного ускорения выходного звена lg, при установке пяти приводов, рассчитываемый критерий изменяется в пределах от 0.8 313/(Н-с2) до 0,11 111/(Н-с2), при сумме квадратов усилий приводных элементов изменяемой в пределах от 7,3ТО4 (Нм)2 до.

5 2.

3,35−10 (Нм). При использовании двух приводов, критерий динамической манипулятивности изменяется в пределах от 0,19 465/(Н-с2) до 0,34 976/(Н-с2), при сумме квадратов усилий приводных элементов, изменяемой в пределах от 3 • 105 (Нм)2 до 1,96 • 10б (Нм)2.

7. Для кинематической схемы манипулятора перемещения заготовки и его весовых характеристик (Ри=96 Я, PL2=62,5 Я, PL3=67,2 Я, Ри=95,2, Рл5=34 Я, 7^=2192 Я, Рв=641 Я, Р^бб9 Я, РВ=Ш Я, Рё=2055 Я, //=1900 Я), для заданного ускорения выходного звена 1 g, при использовании в качестве активной управляемой разгрузки дополнительных приводов, сумма моментов пяти приводов (2109 Нм) в два с половиной раза меньше по сравнению с суммой моментов двух приводов (5703 Нм), установленных на основании манипулятора.

8. Материалы работы использованы в учебном пособии «Обрабатывающее оборудование на основе механизмов параллельной структуры», издательство МГТУ «СТАНКИН».