Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы 5
1.1 Особенности построения ИИУС технологических машин нового поколения 9
1.2 Цель и основные задачи работы 17
Выводы 18
Глава 2. Исполнительные приводы ИИУС 19
2.1 Основные характеристики электроприводов 19
2.2 Структура электропривода 23
2.3 Датчики обратных связей, применяемые в электроприводах 25
2.3.1 Датчики тока, применяемые в электроприводах 25
2.3.2 Датчики скорости, применяемые в электроприводах 27
2.3.3 Датчики положения, применяемые в электроприводах 33
2.4 Усилители мощности электроприводов 43
2.5 Механические устройства 44
2.6 Регуляторы параметров электроприводов 46
2.7 Электродвигатели электроприводов 50
2.7.1 Электродвигатели постоянного тока 50
2.7.2 Вентильные электродвигатели 51
2.7.3 Асинхронные электродвигатели 53
2.8 Контуры регулирования моментов в электроприводах 55
2.9 Контуры регулирования скорости в электроприводах 57
2.10 Контуры регулирования положения в электроприводах 60
2.11 Обобщенная структурная схема электропривода 62
Выводы 74
Глава 3. Анализ устойчивости ИИУС 75
3.1 Обзор методов анализа устойчивости сложных систем 75
3.1.1 Критерии анализа устойчивости линейных систем 75
3.1.2 Критерии и методы анализа устойчивости нелинейных систем ...76
3.2 Вероятности метод анализа устойчивости ВЭМАУС 77
3.2.1 Определение интенсивностей потоков контуров скорости 80
3.2.2 Определение интенсивностей потоков контуров положения 83
Выводы 87
Глава 4. Синтез устройств ИИУС, повышающих эффективность ИИУС 88
Выводы 100
Заключение 101
Библиография 102
Приложения
- Особенности построения ИИУС технологических машин нового поколения
- Датчики обратных связей, применяемые в электроприводах
- Контуры регулирования моментов в электроприводах
- Критерии и методы анализа устойчивости нелинейных систем
Введение к работе
Совершенствование средств производства является основой развития машиностроения. Только на совершенном технологическом оборудовании возможно создание новейшей космической и авиационной техники, автомобилей, бытовой техники и в том числе самих средств производства.
Поэтому современное технологическое оборудование, должно в первую очередь воплощать все новое, что возникает в области новых механизмов, исполнительных приводов, средств измерения и контроля, вычислительной технике и программном обеспечении [1].
Однако современное станкостроение, как правило, базируется на традиционных механизмах, и в основном совершенствуются системы управления, средства контроля, исполнительные приводы, внедряются интеллектуальные системы управления. Построение технологического оборудования на основе механизмов параллельной структуры (МПС) позволяет качественно изменить представление о станке, о его кинематической структуре. МПС позволили получить более простые структуры станков с более широкими технологическими возможностями [2].
Основные преимущества механизмов параллельной структуры при создании на их основе станочного оборудования:
создание облегченных конструкций,
возможность одним и тем же механизмом выполнять транспортные и технологические операции,
расширение возможных перемещений при обработке сложных корпусных деталей,
создание гибкой механической системы, позволяющей встраивать дополнительные датчики и приводы.
Тем не менее, создание облегченных станочных конструкций на базе подвижных стержневых механизмов ставит главное препятствие - это возможное возникновение вибраций и снижение точности изготавливаемых изделий. Поэтому создание облегченных станочных конструкций должно в первую очередь исключать при этом вибрации и обеспечивать жесткость конструкции. Данная проблема сродни проблеме создания ферменных конструкций с той лишь разницей, что механизмы подвижны и должны обеспечивать жесткость конструкции при движении.
В стержневых станочных механизмах вибрационные колебания должны быть измеряемыми и управляемыми. В этом случае возможно «вредное» влияние вибраций превратить в «полезное». Например, колебание инструмента по касательной к обрабатываемой поверхности только улучшает процесс обработки (существуют способы виброобработки). Поэтому при проектировании стержневых механизмов необходимо рассматривать и оптимизировать в целом систему «станок - инструмент - деталь» в
динамических режимах. Необходимо обеспечивать управление стержневым механизмом таким образом, чтобы максимальная нагрузка действовала вдоль стержня. В данных механизмах требование на уменьшение вибрации в процессе движения, управление напряжениями, возникающими в механической конструкции, и обеспечение необходимой точности возлагается на системы управления и контроля [3].
Новые механизмы предусматривают переход к более совершенным технологическим процессам. Появляется возможность финишной обработки сложных фасонных поверхностей (например, лопатки газотурбинных двигателей, художественных изделий) без применения ручного труда.
Совершенно новый подход в данном случае можно предусмотреть к изготовлению крупногабаритных деталей. При наличии, например, единой оптической системы контроля относительно положения обрабатываемых поверхностей крупногабаритной детали и обрабатывающих голов или станков возможна установка данного облегченного обрабатывающего оборудования непосредственно на самой детали. В этом случае исключаются длинномерные направляющие для перемещения обрабатывающих головок.
Достаточно сложно компенсировать деформации гибкой системы типа руки робота, построенной на основе незамкнутой кинематической цепи. Создание механизмов на замкнутых кинематических цепях позволяет перераспределять нагрузку на звенья.
Особую роль в таком оборудовании начинает играть информационно — измерительные и управляющие системы (ИИУС).
Кроме традиционных задач производства, необходимых измерений и выработки управляющих воздействий они позволяют производить компенсацию погрешностей, вызванных упругими деформациями механической части оборудования, изменениями моментов инерции отдельных звеньев системы, взаимовлияниями степеней подвижности друг на друга.
Следует отметить, что исследованиями ИИУС занимались многие ведущие ученые и трудовые коллективы. Следует особо выделить работы Цапенко М.П. [4], Пономарева В.М. [5], Д. Пиани [6], Каверин И.Я. [7], Беседина Б.А. [8], Гарипова В.К. [9], однако все они посвящены в основном исследованиям собственно информационно - измерительных систем широкого назначения. В работах Иванова В.А. [10], Башарина А.В. [11,12], Александровой Р.Н [13], Кнауэра И.Б. [14,15], проводятся серьезные исследования ИИУС традиционного станочного оборудования. В работах Каспарайтиса А.Ю. [16], Слепцова В.В. [17], Лукашкина В.Г. [18] проводятся исследования ИИУС промышленных роботов и координатно -измерительных машин, что имеет уже некоторые общие технические решения с рассматриваемыми.
Анализируя вышеизложенное можно сделать вывод о новизне и перспективности разработки ИИУС нового технологического оборудования — механизмов с параллельной структурой, чему и посвящена данная работа.
Диссертационная работа состоит из 4-х глав, заключения, списка используемой литературы и 2-х приложений.
В первой главе проводится анализ состояния проблемы - выявляются основы построения механических машин нового поколения на базе МПС, анализируются особенности построения ИИУС данного класса машин, формируется цель и задачи исследования.
Во второй главе проводится анализ важнейшей составной части ИИУС
— исполнительных электроприводов. Рассматриваются основные схемы их
построения, организации контуров тока, скорости и положения,
разрабатываются их математические модели и анализируются их
механические характеристики, регламентируемые ГОСТ 27803 - 91
«Электроприводы, регулируемые для металлообрабатывающего
оборудования и промышленных роботов» [19].
В третьей главе проводится разработка математического аппарата, позволяющего проводить анализ устойчивости системы следующих приводов, базирующихся на методе ВЭМАУС [19].
В четвертой главе проводится синтез устройств ИИУС, уменьшающих влияние переменности моментов инерции отдельных электроприводов на показатели качества всей технологической машины, а также синтез устройств, уменьшающих влияние упругостеи механических передач на показатели качества всей технологической машины.
В заключении изложены основные результаты работы.
В приложении I приведена принципиальная электрическая схема корректирующего устройства, уменьшающего влияние переменного момента инерции.
В приложении 2 приведена система разностных уравнений, обеспечивающих ограничение интенсивности изменения управляющего сигнала задания положения.
Особенности построения ИИУС технологических машин нового поколения
Информационно - измерительную и управляющую систему следует представить состоящую из двух подсистем. Подсистема управления высшего уровня, выполняет функции хранения информации об обрабатываемом изделии, технологическом процессе, задачах выполняемых на обрабатываемом оборудовании. Основная задача, стоящая перед данной подсистемой это - моделирование процесса обработки, выбор перемещений и управляющих действий, которые должна выполнить реальная исполнительная система в реальном времени. Система высшего уровня выполняет функции в виртуальном мире.
Входом системы высшего уровня (рис. 1.1) является Блок ввода информации, предназначенный для ввода данных о результатах выполняемой технологической операции и объекта управления. Информация на вход системы поступает с датчиков, определяющих состояние объекта управления, а также о технологическом процессе. Входная информация поступает в Блок логического вывода, либо сразу в базу данных. База данных (БД) - совокупность таблиц, хранящих, как правило, символьную и числовую информацию о технологическом процессе и обрабатываемых изделиях.
Блок логического вывода и формирования управляющей информации обеспечивает нахождение решений для нечетко формализованных задач, осуществляет планирование действий и формирование управляющей информации для пользователя и управления системой низшего уровня на основе Базы знаний (БЗ), БД, Базы целей (БЦ) и Блока алгоритмических методов решений. БЗ - это совокупность правил и действий, которые необходимо выполнить с данной деталью и заданным технологическим процессом. БЦ - это множество локальных целей системы, представляющих собой совокупность знаний, активизированных в конкретный момент и в конкретной ситуации для достижения глобальной цели. Это отдельные запрограммированные перемещения инструмента, выполняемые в зависимости от информации получаемой, например, от оптической системы контроля.
Блок алгоритмических методов решений содержит программные модули решения задач в предметной области по жестким алгоритмам. Блок усвоения знаний осуществляет анализ динамических знаний с целью их усвоения и сохранения в БЗ. Блок объяснения решений интерпретирует для системы низшего уровня последовательность логических действий и конкретных движений инструмента относительно детали. На выходе системы высшего уровня Блок вывода информации обеспечивает выдачу информации в реальном времени для управления системой низшего уровня. Контур обратной связи с системы низшего уровня позволяет реализовать адаптивное управление и обучение системы. На этапе проектирования системы и наполнения ее знаниями о процессе и обрабатываемых деталях эксперты и инженеры наполняют базу знаний и базу целей, а программисты разрабатывают программы алгоритмических методов решений. База данных создается и пополняется, как правило, в процессе эксплуатации интеллектуальной системы. Работа системы осуществляется в следующей последовательности. При поступлении информации на вход Блока ввода информации на внешнем языке системы производится её интерпретация во внутреннее представление для работы с символьной моделью системы. Блок логического вывода и формирования управляющей информации выбирает из БЗ множество правил, активизированных поступившей входной информацией, и помещает эти правила в БЦ, как текущие цели системы. Далее Блок логического вывода и формирования управляющей информации по заданной стратегии, например стратегии максимальной достоверности, выбирает правило из БЦ и пытается доопределить переменные модели внешнего мира и исполнительной системы с объектом управления. На основе этого активизируются новые правила в БЗ и начинается логический вывод в системе правил. Эта процедура заканчивается, как- только решение будет найдено, либо когда будет исчерпана БЦ. Найденное решение из внутреннего представления интерпретируется блоком вывода информации во внешний язык подсистемы управления низшего уровня и объекта управления. Искусственный интеллект системы, рассмотренной выше, заключается в возможности распознавать детали и их поверхности с точки зрения качества и соответствия заданным геометрическим размерам по чертежу, управлять технологическим процессом и принимать решения по его изменению. В свою очередь принятие решения включает формирование промежуточных целей для выполнения поставленной задачи. Интеллектуальная система низшего уровня (рис. 1.2) включает объект управления совместно со средой, в которой она работает [25]. Внешней средой для технологической системы является непосредственно технологический процесс. Объект управления представляет механизмы перемещения инструмента и изделия. В состав манипуляторов входят исполнительные двигатели, которые осуществляют их перемещение по заданным законам Rfl и RH.
Датчики обратных связей, применяемые в электроприводах
Датчики тока применяются в настоящее время практически во всех ЭП для получения информации как о токах в фазных цепях электродвигателей, так и о токах в цепях питания [33]. Следует отметить, что ток в фазных цепях электродвигателей из-за управления прямоугольными широтно-модулированными сигналами носит пульсирующий характер, причем амплитуда и частота пульсаций зависит от частоты фазных сигналов, параметров двигателя и соединительного кабеля (активного сопротивления и индуктивности). Например, осциллограмма тока электропривода ПРШ-10 с электродвигателем МИ-2 с суммарной индуктивностью двигателя и кабеля, равной 5 мГн, суммарным активным сопротивлением двигателя и кабеля, равным 0,5 Ом, при частоте , равной 2,5 кГц, и номинальном токе двигателя, равном 25 А, имеет вид, как на рис. 2.3. Проведение вычислительных операций с таким пульсирующим током в случае применения практически безинерционных датчиков токов затруднено, поэтому его необходимо сгладить. Следует отметить, что сглаживание, возможно, проводить как в аналоговом, так и цифровом виде. В качестве датчиков тока долгое время использовались токовые шунты с устройствами модулятор-демодулятор и аналоговыми фильтрами. Шунт представляет собой четырехзажимный резистор, к токовым зажимам которого подводится ток (входные зажимы) и, с потенциальных зажимов которого снимается напряжение (выходные зажимы). Шунт выполняется из материала с низким температурным коэффициентом сопротивления, например, из манганина. Стандартные шунты имеют определенные номинальные падения напряжения 45, 60, 75, 100 и 300 мВ и классы точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5. Обычно в автоматизированном электроприводе используют шунты с номинальным падением напряжения 75 иЮОмВ. Следует отметить, что подключение нагрузки к выходным зажимам шунта меняет значение его выходного напряжения. Кроме того, ввиду малости собственного сопротивления шунта существенное влияние на его входное напряжение может оказывать и сопротивление соединительных проводов, соединяющих нагрузку с выходными зажимами.
Эти два обстоятельства необходимо учитывать при настройке контура тока. Шунт является достаточно простым датчиком тока. В последнее время стали широко использоваться датчики тока на основе датчиков Холла. Основные преимущества датчиков Холла: - измерение постоянного, переменного, импульсного токов (напряжений); - аналоговый токовый выходной сигнал; - высокий уровень изоляции между первичной и вторичной цепями; - широкий диапазон измерений и большие перегрузочные способности; - высокая точность, превосходные динамические характеристики; - надежность (среднее время наработки на отказ превышает 10 ч); - пригодность к работе в агрессивных средах; - простота применения, малые размеры и вес. Работа датчиков основана на принципе компенсации магнитного поля или нулевого магнитного потока (система с обратной связью). Принцип устройства системы с обратной связью, применяемой в датчике ЛЕМ. 1. Магнитное поле постоянно сводится к нулю. Величина ком пенсирующего тока, необходимого, чтобы поддерживать нулевой магнитный поток, меньше первичного тока в количество раз, соответствующее коэффициенту трансформации магнитной системы. Компенсирующий ток создает падение напряжение на выходном резисторе. 2. Диапазон измерений определяется полным падением напряжений на транзисторах, внутреннем сопротивлении R, RI13M. и, таким образом, меньше, чем напряжение питания, обеспечивающее компенсирующий ток. Широкая гамма таких датчиков тока изготавливается фирмой «Твелем» (Россия) и представлена в таблице 2.3. Важной характеристикой датчика тока является его статическая характеристика, разработчики стараются сделать ее линейной. В ряде случаев (особенно при использовании для гальванической развязки цепей) при использовании устройств широтно-импульсной модуляции, в выходном сигнале присутствуют высокочастотные помехи, некоторые складываются с пульсациями самого сигнала датчика, вызванными особенностями работы двигателя. Для их устранения используют фильтры. Динамическую характеристику датчиков тока обычно представляют в виде передаточной функции вида: где War(S)- передаточная функция; Кат, Тат - коэффициент передачи и постоянная времени датчика, обычно выбирают Тпт «Ю -ИО с. Эта характеристика соответствует аналоговым датчикам или цифровым при высокой частоте квантования и большой разрешающей способности. Наиболее распространенным датчиком скорости в автоматизированном электроприводе является тахогенератор, который представляет собой маломощную электрическую машину, как правило, мощностью 1,1-200 Вт, магнитный поток которой создается посредством либо независимых обмоток возбуждения, либо постоянных магнитов [34]. Реальный сигнал с тахогенератора представлен на рис. 2.4. Как видно из рисунка, реальный выходной сигнал тахогенератора имеет оборотные 5UoG и зубцовые SUj пульсации. Оборотные пульсации представляют собой низкочастотные пульсации, зубцовые высокочастотные. Оборотные пульсации обусловлены изменением магнитного потока за время одного оборота вследствие эксцентриситета якоря и магнитной анизотропии его материала, эллиптичности якоря. Зубцовые пульсации обусловлены зубчатым строением якоря, периодическим изменением числа секций в параллельных ветвях якоря при малом числе коллекторных пластин, вибрацией щеток и замыканием накоротко части секций при коммутации (у коллекторных тахогенераторов). Кроме того, для тахогенераторов характерны полюсные пульсации, обусловленные изменением магнитного потока при чередовании полюсов и коллекторные, обусловленные коллекторным током. При этом полюсные пульсации, как правило, низкочастотные, а коллекторные - высокочастотные. Следует отметить, что по мере уменьшения скорости относительная величина пульсации возрастает и на низких и инфранизких скоростях увеличивается с 0,25...1 % до десятков процентов, что вызывает значительные по величине погрешности формирования информационного сигнала от скорости и существенно ограничивает возможности использования тахогенераторов на низких скоростях вращения. Фильтрация же этих пульсаций связана с серьезными затруднениями, характерными для фильтрации электрических сигналов - увеличением постоянной времени цепи обратной связи, уменьшением амплитуды выходного сигнала, чувствительности тахогенератора и др. Следует также отметить, что высокочастотные зубцовые пульсации можно отфильтровать, если нет ограничений по быстродействию. Низкочастотные же оборотные пульсации уменьшают за счет повышения качества тахогенераторов, увеличения воздушного зазора. В тахогенераторах с полым немагнитным якорем, а также в тахогенераторах с дисковым якорем зубцовые и оборотные пульсации обычно отсутствуют.
Контуры регулирования моментов в электроприводах
Как было показано выше одной из основных задач проектирования ИИУС технологических машин нового поколения, является обеспечение устойчивости. В данной главе рассматриваются основные методы анализа устойчивости систем, и излагается новый метод анализа устойчивости сложных систем. Понятие устойчивости является одним из центральных в теории систем. Устойчивость системы во многом определяет ее работоспособность и надежность работы (39). В общем виде условие устойчивости имеет следующий вид: Заданное невозмущенное движение будет устойчивым, если возмущенное движение, порожденное возмущением, возникшим под действием внезапно приложенных к системе дополнительных внешних сил, по истечении некоторого времени войдет в заданную область (40). Система будет асимптотически устойчива по Ляпунову A.M., если заданная область стягивается в нулевую точку. Для определения устойчивости системы применяют различные правила - критерии устойчивости, алгебраические или частотные. Характерным свойством линейных систем является их устойчивость при больших возмущениях в случае устойчивости при малых возмущениях. Наиболее часто применяемыми критериями являются критерии Рауса, Гурвица, Найквиста. а) Критерий Рауса. Этот критерий был разработан английским математиком Э.Раусом в 1877 г. и гласит, что для устойчивости автоматической системы необходима положительность коэффициентов Рауса, составленных по определенным правилам (41) Критерий Рауса легко программируется на ЭВМ, позволяет исследовать линейные системы, описываемые уравнениями высокого порядка. б) Критерий Гурвица. Этот критерий был разработан немецким математиком
Гурвицем в 1895.г. и гласит, что для устойчивости автоматической системы необходима положительность всех определителей Гурвица, составленных по определенным правилам (42) Критерий Гурвица легко программируется на ЭВМ. в) Критерий Льенара-Шипара. Этот критерий был разработан французскими математиками Льенаром и Шипаром в 1914.г. и гласит, что для устойчивости автоматической системы необходима положительность коэффициентов характеристического уравнения и определителей Гурвица с четными индексами (43). г) Критерий Михайлова. Этот критерий гласит, что для устойчивости автоматической системы необходимо, чтобы полное приращение фазы характеристического полинома N-ой степени при изменении частоты со от 0 до бесконечности было равно N х ТІ/2 (44).Критерий Михайлова не очень удобен для применения в инженерной практике. д) Критерий Найквиста. Этот критерий гласит, что для устойчивости автоматической системы необходимо, чтобы амплитудно-фазовая характеристика охватила точку (-1J0) столько раз, сколько корней в правой полуплоскости содержит знаменатель передаточной функции разомкнутой системы (45). Этот критерий особенно удобен в случае использования логарифмических амплитудно-частотных характеристик (46). Анализ устойчивости нелинейных систем значительно сложнее, чем линейных (47) Большинство методов анализа устойчивости нелинейных систем ориентировано на определенные узкие классы таких систем с небольшим количеством типовых нелинейностей (реле, насыщение и т.д). Наиболее часто применяемыми методами и критериями являются методы и критерии Попова В.М, гармонической, энергетической линеаризации. а) Критерий Ляпунова. Этот критерий гласит, что для устойчивости автоматической системы необходимо, чтобы для системы дифференциальных уравнений N-ro порядка, описывающей ее динамику, можно было подобрать такую знакопеременную функцию, при которой ее производная по времени тоже была знакоопределенной (или знакопостоянной), но противоположного знака (48) . Использование критерия достаточно эффективно для систем невысокого порядка, однако в инженерной практике он практически не используется. б) Метод фазовых траекторий. Этот метод основан на построении фазовых траекторий автоматических систем и их анализе с целью определения предельных углов и поведения при различных возмущениях (49). Метод достаточно эффективен, но неудобен для применения на ЭВМ и требует высокой квалификации разработчика. в) Критерий В.М. Попова. Этот критерий гласит, что для устойчивости автоматической системы с одной нелинейностью, имеющий очертание, не выходящее за пределы угла (arctg к) необходимо и достаточно подобрать тоже конечное действительное число h, при котором при всех частотах со 0 соблюдалось для передаточной функции линейной части системы W(jco) условие Re [(l+jcoh)xW(jft))+l/k] 0 (50). Метод неудобен для применения в инженерной практике. г) Метод гармонической линеаризации. Этот метод основан, на замене нелинейностей в автоматической системе гармонически линеаризированным звеном (51) и применении для анализа устойчивости известных методов. Метод хорош, достаточно эффективен при анализе систем с небольшим количеством нелинейностей, описываемых системами дифференциальных уравнений невысокого порядка. д) Метод энергетической линеаризации. Этот метод был предложен Удерманом Э.Г., аналогичен методу гармонической линеаризации со всеми его достоинствами и недостатками, отличается от него видом линеаризированного звена (47). ж) Метод гармонического эквивалента. Этот метод является развитием метода гармонической линеаризации (52), хорошо приспособлен для применения в ЭВМ. Анализ всех вышеперечисленных методов позволяет сделать вывод, что в случае, когда динамику автоматической системы можно описать системой линейных дифференциальных уравнений, проблема анализа устойчивости решается достаточно легко за исключением систем высокого порядка (более 100-го). В случае, когда динамику автоматической системы можно описать системой нелинейных дифференциальных уравнений, проблема анализа устойчивости решается лишь в отдельных простых случаях — когда либо число нелинейностей мало, либо порядок системы невысок. Представим процесс движения системы, выведенной внешним возбуждением из некоторой области, в виде последовательности случайных событий: YO, Yl,...Yi...,YN, где Y1 - событие, заключающееся в нахождении і координат изображающей точки в пределах, а всех других вне заданной области, п-число координат изображающей точки. Вышеизложенное поясняется на рис. 3.1. Для большинства сложных систем интенсивности потоков событий зависят от большого числа параметров системы, поэтому их можно считать Пуассоновскими [53], т.е. они обладают ординарностью (вероятность появления на бесконечно малом интервале времени At одного события значительно больше вероятности появления на этом интервале двух и более событий) и отсутствием последействия (число событий, происходящих на двух различных временных интервалах, не зависит друг от друга) и стационарностью (вероятность появления события на интервале At зависит от длины этого интервала).
Критерии и методы анализа устойчивости нелинейных систем
Напрашивается логичное решение - создавать прямолинейные и другие сложные движения механизмами, построенными на вращательных парах. Это возможно только в совокупности с управляющей системой, формирующей любой закон движения. Подобные системы применяются в робототехнических системах. Но в станочном оборудовании это не нашло широкого применения, s
Всё это обосновывает только одно положение новой концепции: использование направляющих механизмов с вращательными парами вместо направляющих звеньев и поступательных пар.
Следующее положение - это многопоточность или параллельность передачи энергии и, в частности, использование механизмов параллельной структуры. Сколько бы ни говорилось об утрате значения жесткости при наличии измерительных и управляющих систем, все же пока достаточно сложно компенсировать деформации гибкой системы типа руки робота на основе незамкнутой кинематической цепи. Создание механизмов на основе замкнутых кинематических цепей позволяет перераспределять нагрузку на звенья. По такому принципу построена, в частности, шестиподвижная платформа Стюарта.
Еще один принцип, заложенный в концепцию создания нового поколения обрабатывающего оборудования - это четкое разделение функций между отдельными механизмами и/или системами. Новая концепция предусматривает переход к более совершенным технологическим процессам. Появляется возможность финишной обработки сложных фасонных поверхностей (например, лопатки газотурбинных двигателей, художественные изделия) без применения ручного труда. Нарезание зубьев зубчатого колеса методами обкатки - имитации зацепления колеса и инструмента, предусматривая лишь математическую связь (вместо реальной кинематической цепи, как это выполняется в современных зубонарезных станках). Совершенно новый подход в данном случае можно предусмотреть в изготовлении крупногабаритных деталей. При наличии, например, оптической системы контроля относительного положения детали и станка, возможно, его базирование на самой детали и перемещение на новые обработанные этим же станком поверхности.[22] В общем, данная концепция предусматривает максимальную универсальность механической системы и возможность получения заданных поверхностей только за счет математического перепрограммирования. Отдельные возможные аспекты, связанные с проектированием обрабатывающего оборудования нового поколения [23,24] которое характеризуется: 1. Подвижными стержневыми механизмами, приводящими к качественному изменению функциональных возможностей обрабатывающего оборудования. 2. Быстродействующими исполнительными приводами и вычислительной техникой, которые позволяют не только выполнять технологические операции, но и компенсировать «недостатки» механической части технологической машины. 3. Встроенными системами контроля, которые в совокупности с быстродействующей вычислительной техникой приводят к возможности решения интеллектуальных задач. Технологические машины с элементами искусственного интеллекта способны выполнять финишные операции при обработке сложных поверхностей и даже художественных изделий. Другие сопутствующие, но далеко не исчерпывающие характерные черты данного класса механизмов следующие:расположение исполнительных приводов на основании или на медленно движущихся звеньях; использование в основном вращательных пар (цилиндрических или сферических); использование звеньев в виде стержней, преимущественно рабо- тающих на растяжение/сжатие, но не на изгиб; кратчайшее замыкание сил на основание, малые углы давления и разделение функций между несколькими замкнутыми кинематическими цепями. Перечисленные выше черты обусловливают получение новых качеств в целом для технологических машин. Рассматриваемые механизмы применимы не только в механообрабатывающем оборудовании. Это и оборудование для сварки, покраски, сборки и многих других операций. Однако авторы в основном сделали упор на операциях механообработки, так как полученные результаты в этом случае могут быть распространены на самый широкий круг технологических операций. В первую очередь новым качеством для технологических машин является то, что подвижные звенья имеют малую массу и требуют малых энергетических затрат для их перемещения. Вращательные пары проще в изготовлении (по сравнению с поступательными парами) и их легче выполнить самоустанавливающимися, исключить перекосы и нежелательное деформирование сопряженных поверхностей. Стержневые системы (при параллельной передаче нагрузки) могут представлять собой достаточно жесткую пространственную ферму (при заторможенных приводах). Рациональное направление сил и разделение функций между несколькими элементами, деталями, соединениями позволяет иметь минимальные энергетические затраты и минимальные нагрузки на звенья и приводы. Малое число соединений на пути замыкания сил приводит к меньшим деформациям и более высокой точности воспроизводимых движений. В механообрабатывающем оборудовании, благодаря применению стержневых механизмов, появляются новые качества. В частности, выполнение транспортных операций по установке заготовки и инструмента, контрольных и технологических операций обработки осуществляется с использованием одного и того же механизма. При проектировании нового поколения механообрабатывающего оборудования ставится задача компенсировать вибрационные и другие процессы, обусловленные силами резания, не увеличивая мощность исполнительных приводов и не создавая жестких металлоемких механических конструкций, а используя современную вычислительную и измерительную технику. Что позволяет решать данные задачи средствами управления. Основные функции, возлагаемые на систему управления в рассматриваемом классе технологических машин: - осуществление координированного управления исполнительными приводами, обеспечивая требуемый закон перемещения выходного звена или звеньев;, - расчет дополнительных перемещений, выполняемых исполнительными приводами, для компенсации упругих деформаций; - управление скоростью и силовыми параметрами исполнительных приводов, обеспечивая режимы обработки и другие требования к технологической операции. Для выполнения указанных функций системы управления должны обеспечивать сложные вычисления с высоким быстродействием.
