Введение к работе
Актуальность темы. К современным проблемам автоматизации и управления
технологическими процессами в машиностроении относят управление
различными манипуляционными механизмами в дистанционном режиме.
В традиционных конструкциях задающего устройства и исполнительного
органа системы дистанционного управления (СДУ), являющихся
кинематически разомкнутыми, существуют следующие недостатки: в
кинематической цепи манипулятора происходит последовательное накопление
ошибки позиционирования; линейное увеличение консольной нагруженности с
удлинением механизма; большая металлоемкость, особенно в звеньях, близких
к основанию; велико взаимовлияние между степенями подвижности в
механизмах; затруднено унифицирование приводных элементов; повышение
жесткости сопровождается увеличением массы элементов конструкции.
Обеспечение желаемого быстродействия, точности, уменьшение
металлоемкости, повышение производительности СДУ традиционными
методами не представляется возможным. Поиск альтернативных технических
решений проводят в США, Японии, Великобритании, Германии, Канаде,
Италии, Франции и других странах мира, обладающих высокими
технологиями. В России эту проблему решают в институте Машиноведения им.
А.А.Благонравова, Станкине, МГТУ им.Н.Э.Баумана, Хабаровском ГТУ и
некоторых других научно-технических и учебных организациях. К одному из
эффективных решений относят создание манипуляционных устройств с
параллельным кинематическим строением. Механизм параллельной
кинематической структуры (ПКС) или параллельный механизм содержит
неподвижное основание и подвижную платформу, соединенные между собой
параллельными кинематическими цепями.
Фундаментальные основы проектирования и расчета механизмов,
применяемых в составе исполнительных органов (ИО) и задающих устройств
(ЗУ) систем дистанционного управления различного кинематического
строения, заложены в работах И.И.Артоболевского, развитие которых
применительно к проблемам анализа и синтеза механизмов параллельной
кинематической структуры отражено в работах отечественных ученых:
Д.Е.Охотцимского, В.АГлазунова, Ф.МДиментберга, У.А.Джолдасбекова,
А.Ф.Крайнева, А.Ш.Колискора и других, а также их зарубежных коллег:
M.Cecarelli, C.M.Gosselin, J.-P.Merlet, V.Parenti-Castelly, R.E.Stamper, L.-W.Tsai
и других.
Основная тема работы связана с синтезом и исследованием систем
дистанционного управления, в состав которых входят многостепенные
механизмы параллельной кинематической структуры. В частности, - с
разработкой многостепенного задающего устройства и исследованием
исполнительного органа, содержащих механизмы ПКС. К достоинствам
подобных СДУ следует отнести возможность шестистепенного движения
выходного звена, высокую ж КОСТЬ *"ТуКПИИ уг>ттдтпггаг,т'"Гґч Opraia и
задающего устройства, высокую ПОЗИЦИОННук
ЯОйЛЛиЧвймМКг рвена, как БИЕЛН0ТВ1А f ^
"gyaagj
Cfle
правило, единый тип информационно-измерительных и приводных элементов в составе механизмов ПКС, а также универсальный вид уравнения динамики обобщенной силы ИО.
Многостепенной исполнительный орган параллельной кинематической структуры в составе СДУ представляет собой сложный нелинейный, многосвязный объект, содержащий подвижную платформу, с установленной на ней нагрузкой, и неподвижное основание, соединенные между собой, в большинстве случаев, идентичными кинематическими цепями, содержащими приводные и информационные элементы. Качественное управление подобными объектами является весьма сложной задачей в связи с особенностями их кинематического строения, выраженными в замыкании всех входящих в состав механизма кинематических цепей на общую нагрузку, а также наличием нелинейных геометрических ограничений на движение его элементов. Целью диссертационной работы является разработка и исследование системы дистанционного управления, содержащей механизмы параллельной кинематической структуры.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать структуру системы дистанционного управления, содержащей в составе механизмы ПКС.
Синтезировать кинематическую схему задающего органа параллельной кинематической структуры для СДУ шестистепенным объектом, а также решить прямую задачу кинематики для предложенной кинематической схемы.
Исследовать геометрические свойства задающего органа, определить относительные размеры и форму зоны обслуживания механизма, его коэффициент сервиса.
Исследовать математическую модель динамики исполнительного органа параллельной кинематической структуры.
Разработать и исследовать систему управления ИО параллельной кинематической структуры.
Произвести экспериментальное исследование полунатурного образца задающего устройства ПКС с учетом предложенной кинематической структуры и эргономических требований, предъявляемых к рычагам управления систем "человек-машина".
Методы исследования. В теоретических исследованиях применены методы аналитической геометрии, линейной алгебры, дифференциальных уравнений, моделирования, теории автоматического управления. Компьютерное моделирование СДУ производилось с использованием прикладной программы математических вычислений MatLab. Экспериментальные исследования производились на полунатурной модели, выполненной на основе полученных теоретических расчетов, а также с применением программы твердотельного моделирования SolidWorks. Оценка точности производилась с применением прецизионного оборудования трехкоординатного измерения Mitutoyo BLN231.
Научная новизна полученных результатов.
Предложена классификация СДУ по признаку кинематического строения исполнительного органа и задающего устройства.
Разработана кинематическая схема механизма ПКС для задающего органа СДУ шестистепенным объектом, обладающая двойной симметрией и содержащая центральное звено, с расположенным на нем датчиком измерения собственного вращения выходного звена и радиус-вектора положения характерной точки.
Определена область оптимальных параметров кинематической цепи к проектированию задающего органа, содержащего механизм ПКС предложенного кинематического строения, в соответствии с государственным стандартом, предъявляемым к рычагам управления систем "человек-машина".
Решена прямая задача кинематики для задающего органа, содержащего механизм ПКС предложенного строения.
Произведен синтез специализированного вычислителя СДУ многостепенным объектом.
Разработана система управления многостепенным объектом ПКС, основанная на комбинированном управлении.
Практическое значение полученных результатов.
Результаты геометрического исследования механизма ЗУ использованы при проектировании эффективного ЗУ параллельной кинематической структуры.
Решена прямая задача кинематики, разработан алгоритм и определена структура специализированного вычислителя для СДУ многостепенным механизмом, управление которым производят от ЗУ параллельной кинематической структуры.
Синтезирована система управления исполнительным механизмом ПКС в дистанционном режиме, позволяющая производить сепаратное управление приводами многосвязной системы.
Разработанная конструкция ЗУ и синтезированная система управления ИО использованы в учебном процессе ДВГТУ.
Реализация результатов. Результаты исследований, которые получены в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс кафедры АПС ИМАПТ ДВГТУ, кафедры ТСМ ИМАПТ ДВГТУ, Российско-японском центре передовых технологий.
Апробация результатов диссертации. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Достижения науки и техники развитию сибирских регионов" (Красноярск, март 1999 г.); на Первой международной технической конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке" (Хабаровск, апрель 1999 г.); на студенческой научно-технической конференции "Молодежь и научно-технический прогресс"(Владивосток, апрель 2000г., апрель 2002г.); 3, 4 и 5 международных форумах "International Forum of Young Scientists from Asia-Pasific Region" (Vladivostok, October 1999r., October 2001г., October 2003r.),
ежегодных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава ДВГТУ "Вологдинские чтения" (Владивосток, ноябрь 1999 - 2004 гг.), научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ползуновский грант" (Барнаул, сентябрь 2002г.), международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, апрель 2002г., апрель 2003г.), ежегодной Дальневосточной математической школе-семинаре им. академика Е.В.Золотова "Золотовские чтения" (Владивосток, сентябрь 2004г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них 5 статей и 11 тезисов докладов.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и 4 приложений. Общий объем работы - 173 страницы, в том числе 56 иллюстраций и 9 таблиц. Список источников содержит 141 наименование.
