Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основой современного технологического оборудования для контурной обработки листовых заготовок и плоских поверхностей в настоящее время являются ортогональные координатные столы. Кинематические схемы подобного оборудования содержат в обязательном порядке устройства преобразования вращательного движения приводов в поступательные движения рабочего стола и/или инструмента. Научные исследования в этом направлении ведутся как в России, так и за рубежом. Значительные результаты опубликованы в трудах Е.П. Попова, Ю.М. Соломенцева, В.Л. Афонина, В.С. Кулешова,
Н.А. Локота, Ю.В. Подураева, С.Л. Зенкевича, А.С. Ющенко, И.А. Каляева, В.М. Лохина, И.М. Макарова, А.В. Тимофеева, С.А. Кузнецова и др.
Подобные технические решения позволяют получить высокую точность обработки заготовок и возможность регулирования скорости обработки заготовки в широком диапазоне, а также упростить подготовку управляющих программ в декартовой системе координат с использованием разработанных за последние двадцать лет компьютерных CAD и CAM систем. Однако линейные направляющие, винтовые пары, каретки, гибкие связи усложняют конструкцию и существенно повышают массогабаритные показатели оборудования, что повышает его конечную стоимость.
Развитие малых форм производства в сфере услуг определяет ряд специфических требований к производительности и эксплутационной простоте производственного оборудования, главными из которых являются повышение энергоэффективности при одновременном снижении материалоёмкости и стоимости оборудования.
В заявляемой области применения, а именно в сфере контурной обработки изделий из дерева, пластика, металла и камня, указанным требованиям отвечает предложенный в данной работе переносной комплекс с поворотной платформой. Данное техническое решение позволяет добиться улучшения таких технических характеристик, как материало- и энергоёмкость, упрощение конструкции и повышение конкурентоспособности в сравнении с конструкциями на базе ортогонального координатного стола. Особенно большое значение имеет существенное снижение стоимости готового образца оборудования.
Расширение сферы услуг с применением предложенного комплекса достигается за счёт реализации переносного варианта устройства и возможности различных способов крепления заготовки, в том числе расположение устройства на поверхности заготовки в любом её месте и возможность работы на вертикально расположенной поверхности.
Таким образом, создание переносного комплекса с поворотной платформой для контурной обработки стационарных поверхностей в сфере услуг отвечает современным вызовам и условиям данной сферы.
Соответствие диссертации плану работы ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с государственным контрактом на производство научно-технической продукции в рамках ЕЗН по теме «Теоретические основы построения систем управления мехатронным устройством для формирования программнозаданной траектории пространственного перемещения рабочего инструмента» 2009 г., государственным контрактом по программе УМНИК «Разработка механизмов и программно-аппаратных средств транспортных и технологических машин», государственным контрактом № 7234р/10119 от 11.06.2009, а также в рамках прикладной НИР по теме «Синтез системы автоматического управления манипулятором с подвесом схвата на гибких звеньях» от 01.01.2011. Исследования, связанные с организацией передачи по радиоканалу сигналов управления на вращающуюся платформу, выполнены по проекту №2.1.2/1127 (ЮРГУЭС-1.09.Ф) аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» «Теоретические основы построения СФ-блоков для СВЧ систем связи и телекоммуникации нового поколения» и в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы «Теоретические основы синтеза методов обработки цифровых сигналов в условиях априорной неопределённости и их практическая реализация в информационно-телекоммуникационных и вычислительных системах», №02.740.11.5130 от 09.03.2010.
Целью диссертационного исследования является разработка переносного комплекса с поворотной платформой для контурной обработки стационарных поверхностей в сфере услуг.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
-создание кинематической схемы механизма с поворотной платформой и точкой приложения вращающего момента на расстоянии, равном радиусу звена относительно оси вращения;
-разработка алгоритмов планирования траектории перемещения рабочего инструмента по заданному контуру;
-определение методики оценки линейной погрешности разработанных алгоритмов планирования (интерполяции) траектории;
-компьютерное моделирование разработанных алгоритмов управления угловыми координатами звеньев в соответствии с принятыми законами управления;
-разработка и изготовление опытного образца комплекса, реализующего предложенную кинематическую схему и программно-аппаратную систему управления;
-проведение комплексного теоретико-экспериментального исследования опытного образца устройства и оценка его технических характеристик.
Объектом исследования является переносное устройство для контурной обработки листовых заготовок и стационарных поверхностей.
Предметом исследования является процесс планирования механизмом с поворотной платформой траектории перемещения рабочего инструмента.
Методы исследования. Решение поставленных задач диссертационного исследования осуществляется на основе методов и средств теоретической механики, теории машин и механизмов, теории автоматического регулирования, а также экспериментальных методов исследования, методов синтеза цифровых и микропроцессорных систем управления. Исследования проведены с использованием современных компьютерных средств моделирования.
Научная новизна работы:
-установлена зависимость между угловыми координатами звеньев и прямоугольными координатами траектории инструмента;
-разработана методика планирования (интерполяции) траектории рабочего инструмента для механизма с поворотной платформой;
-установлена зависимость линейной погрешности от углов поворота начальных звеньев и размеров звеньев для предложенных интерполяционных алгоритмов.
Практическая значимость работы:
-предложена схема мехатронного комплекса с поворотной платформой для перемещения рабочего инструмента по заданному контуру;
-реализованы компьютерные модели алгоритмов планирования траектории рабочего инструмента, на основе которых созданы программные модули управления перемещением двухзвенного механизма;
-предложена методика определения статических моментов сопротивления движению элементам устройства при механической обработке материалов;
-предложены варианты механической части переносного комплекса контурной обработки стационарных поверхностей.
Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается обоснованностью принятых допущений, корректным применением методов аналитической геометрии, теоретической механики, теории автоматического регулирования, адекватностью результатов, полученных на основе математических и компьютерных моделей и результатов, полученных в ходе опытной эксплуатации рассматриваемого комплекса.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы излагались в научных статьях и докладывались на Международной научно-технической мультиконференции «Мехатроника, автоматизация, управление», МАУ-2009, (Дивноморское, 2009г.), на VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2009г.), на научно-технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2007 – 2010 гг.) и
Южно-Российского государственного технического университета (НПИ)
(г. Новочеркасск, 2007 – 2009 гг.). Разработка экспонировалась на выставках разного уровня, в том числе на «Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи» НТТМ-2010, (г.Москва, ВВЦ, 2010г.),
«I Молодёжном инновационном конвенте Южного федерального округа» (г.Ростов-на-Дону, 2009г.), и выставках-ярмарках в г. Новочеркасске, ИННОВ-2007, ЭВРИКА 2007 и ЭВРИКА 2008.
Результаты работы использованы в ООО «Тигрис» г. Шахты.
Материалы диссертации использованы в учебном процессе ЮРГУЭС при изучении дисциплины «Электромеханические устройства», в курсовом и дипломном проектировании.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 10 работ, в том числе одна в изданиии из перечня ВАК, а также получено 3 патента на изобретение, 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и издана монография.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и содержит 156 страниц машинописного текста, 92 рисунка, 2 таблицы и список литературных источников из 105 наименований.
Диссертация выполнена на кафедре «Радиоэлектронные системы» Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.
