Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Разработка и внедрение новых автоматизированных робототехнических систем для выполнения различных технологических и транспортных операций является важнейшим направлением модернизации предприятий текстильной, лёгкой и других отраслей промышленности с целью повышения их производительности и конкурентоспособности.
Начиная с конца восьмидесятых годов прошлого века, активное развитие получил особый класс промышленных роботов на базе манипуляционных механизмов (манипуляторов) параллельной структуры. В настоящее время данный класс механизмов уже широко применяется на практике в различных робототехнических системах станкостроительной, авиационной, медицинской и ряда других отраслей отечественной промышленности.
Манипуляционные механизмы параллельной структуры имеют меньшую по сравнению с манипуляторами традиционной последовательной структуры рабочую зону, однако обладают при этом такими важными преимуществами как более высокая скорость и точность манипулирования, большая грузоподъемность относительно массы собственной металлоконструкции, имеющей, как правило, повышенную жесткость и малую инерцию.
На сегодняшний день на предприятиях текстильной и лёгкой промышленности весьма перспективные манипуляторы параллельной структуры практически не используются. Для их разработки и внедрения требуется учет множества факторов, начиная с возможностей самих механизмов и заканчивая спецификой технологических процессов.
Поэтому тема диссертационной работы, направленной на разработку и исследование нового пространственного манипулятора параллельной структуры для использования на предприятиях текстильной и лёгкой промышленности, является актуальной с точки зрения научной и практической значимости поставленной проблемы.
Цель работы. Разработка конструкции и исследование основных характеристик нового пространственного манипулятора параллельной структуры с тремя поступательными степенями свободы для робототехнических систем предприятий текстильной и лёгкой промышленности.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
-
Проведён анализ опубликованных результатов исследований в области разработки манипуляторов параллельной структуры с различным числом степеней свободы и применения робототехники на предприятиях текстильной и лёгкой промышленности.
-
Выполнены структурный синтез и анализ новой конструкции пространственного манипулятора параллельной структуры с тремя поступательными степенями свободы.
-
Разработаны математические модели:
для решения задачи о положениях и определения параметров рабочего пространства манипулятора;
для решения задачи о скоростях и определения особых положений манипулятора в границах его рабочего пространства;
для решения задачи об ускорениях и исследования динамики манипулятора.
-
Созданы прикладные компьютерные программы, реализующие разработанные математические модели, и выполнены с их помощью численные расчёты по определению параметров рабочей зоны манипулятора, кинематических и динамических характеристик его конструкции.
-
Осуществлена проверка адекватности созданных математических моделей манипулятора с помощью виртуального эксперимента в компьютерной среде «MATLAB / Simulink».
-
Выполнена экспериментальная проверка работоспособности манипулятора на физической модели механизма.
-
Разработаны рекомендации по проектированию и определению технических характеристик манипулятора.
Методы исследований. При проведении теоретических исследований использованы методы теоретической механики, теории механизмов машин и роботов, теории винтов, аналитической геометрии, дифференциального и матричного исчисления, вычислительной математики и компьютерного моделирования. Экспериментальное исследование выполнено в компьютерной среде «MATLAB / Simulink» с использованием встроенных численных методов анализа и средств визуализации.
Научная новизна. Научная новизна заключается в том, что разработан новый манипуляционный механизм параллельной структуры с тремя поступательными степенями свободы, проанализированы его основные свойства и определены основные технические характеристики.
В ходе выполнения диссертационной работы впервые получены и выносятся на защиту следующие результаты:
синтезирована новая структурная схема манипулятора параллельной структуры с тремя поступательными степенями свободы;
разработана математическая модель для решения задачи о положениях и определения параметров рабочего пространства нового манипулятора;
построена математическая модель для решения задачи о скоростях и определения особых положений нового манипулятора в границах его рабочего пространства;
создана математическая модель для решения задачи об ускорениях и исследования динамики нового манипулятора.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Практическую значимость имеют следующие результаты работы:
разработаны прикладные компьютерные программы для выполнения чис
ленных расчётов по определению формы и размеров рабочего пространства,
кинематических и динамических характеристик манипулятора при заданных
входных параметрах его конструкции;
создана компьютерная модель манипулятора в среде «MATLAB / Simulink» для экспериментальной проверки его работоспособности и расчётных параметров конструкции;
предложены рекомендации по проектированию и определению технических характеристик манипулятора.
Результаты диссертационной работы приняты к использованию в системе научно-исследовательских и конструкторских работ Института машиноведения имени А.А. Благонравова Российской академии наук.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и апробированы на следующих научно-технических конференциях:
Пятая Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Искусственный интеллект: философия, методология, инновации», Москва, МГТУМИРЭА,2011;
Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2011), Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2011;
XXIII Международная инновационно - ориентированная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС-2011), Москва, ИМАШ РАН, 2011;
Международная научно-техническая конференция «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2012), Иваново, ИГТА, 2012;
Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике», Димитровоград, ДИТИ НИЯУ МИФИ, 2012;
RoManSy 2012 - 19th CISM-IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control. Paris, France, 2012;
EUCOMES 2012 - 4th European Conference on Mechanism Science. Santander, Spain, 2012;
Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2012), Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2012;
65-я межвузовская научно-техническая конференция молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ производству, Кострома, КГТУ, 2013;
Международная научно-техническая конференция «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2013), Иваново, ИГТА, 2013.
Окончательные результаты работы доложены и обсуждены на заседании кафедры «Прикладная механика» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии».
Публикации. По результатам диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе 4 статьи в журналах из списка ВАК, 3 статьи в зарубежных журналах, 2 патента РФ на изобретения и 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложений. Объём диссертации составляет 169 страниц машинописного текста, включает 81 рисунок. Список использованной литературы содержит 143 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения представлены на 23 страницах.
