Введение к работе
Актуальность работы. Механизмы пространственных манипуляторов с развитой системой приводов широко используют для автоматизации отдельных технологических операций, расширению возможностей технологического оборудования, для создания тренажеров, имитирующих кинематическое возбуждение от дорожного полотна или траекторий безопорного движения и др. Совокупное действие приводов позволяет реализовать любое пространственное движение исполнительного органа в пространственной зоне функционирования. Манипуляторы имеют, как правило, цифровую систему управления исполнительным движением, что позволяет получить любой вид движения и изменять его характеристики. Сложность системы управления в значительной мере зависит от схемного решения манипулятора, поскольку парциальные движения от отдельных приводов являются связанными. Кроме того, результирующее движение зависит от последовательности исполнения парциальных движений, особенно угловых движений, поворотов. Так, например, широко используемая в различных тренажерах схема манипулятора по типу «платформы Стюарта» имеет жесткую связь всех парциальных движений, формируемых шестью электромеханическими или гидравлическими приводами. Система управления движением платформы Стюарта является сложной, однако в силу востребованности, платформа Стюарта отработана и реализована в серийном производстве. Тем не менее, актуальной остается задача синтеза пространственного манипулятора общего вида с независимыми парциальными движениями, включая независимость последовательности их исполнения, с целью упрощения системы управления исполнительным движением.
Цель диссертационной работы: расширение возможностей технологических машин путем оснащения их пространственными манипуляторами общего вида с шестью независимыми парциальными движениями, включая независимость последовательности их исполнения с целью упрощения системы управления исполнительным движением.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка всего семейства модифицированных схем привода платформы типа «платформа Стюарта», исследование схем по критерию жесткости, выбор рационального технического решения.
-
Разработка оригинального схемного и технического решения пространственного манипулятора с независимыми парциальными движениями.
-
Определение кинематических свойств предлагаемого шестикоординатного пространственного манипулятора.
-
Определение приведенной жесткости модели пространственного манипулятора и предварительный расчет собственных частот.
-
Создание кинетостатической модели пространственного манипулятора, в составе технологического оборудования, в условиях переменного внешнего нагружения.
-
Разработка макетного образца пространственного манипулятора и проведение его испытаний для уточнения выводов и принятых решений.
На защиту выносятся:
-
Доказательство эффективности модернизации технологического оборудования оснащением его манипуляторами пространственного типа.
-
Техническое решение пространственного манипулятора общего вида с шестью независимыми парциальными движениями, включая независимость последовательности их исполнения.
-
Возможность создания универсального пространственного манипулятора на базе унифицированных узлов.
Научная новизна:
– Разработка критерия оценки жесткости систем с параллельной структурой.
– Доказательство возможности реализации значительных парциальных перемещений в любой их комбинации для достижения конечного движения исполнительного органа пространственного манипулятора.
Практическая значимость полученных результатов
– Создание технических решений манипуляторов с динамическими характеристиками, сравнимыми с характеристиками основного оборудования.
– Разработан алгоритм синтеза механических замкнутых стержневых систем с внутренними входами по исполнительному движению и жесткости их конфигураций.
– Предложено оригинальное схемное решение шестикоординатного манипулятора позволяющего доказать возможность реализации значительных парциальных перемещений в любой их комбинации и достижения конечного движения исполнительного органа пространственного манипулятора.
– Определена приведенная жесткость предложенного оригинального пространственного манипулятора, произведен предварительный расчет собственных частот колебаний, проведены испытания и определен диапазон рабочих режимов модернизированного технологического оборудования.
– Предлагаемое техническое решение механизма шестикоординатного манипулятора можно реализовать унифицированными узлами, что перспективно к использованию в технологических машинах машиностроительных производств.
– Результаты работы приняты к использованию в Филиале «ОМО им. П.И. Баранова» ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» г. Москва для разработки варианта конструкции шлифовально-заточного станка с параллельной структурой и математического обеспечения для его управления.
Достоверность результатов обусловлена корректностью допущений применяемых при моделировании и подтверждением предлагаемых в работе теоретических зависимостей результатами экспериментальных исследований, выполненных как автором, так и другими исследователями. Эксперимент проведен с использованием аттестованного электронного прибора – виброанализатора «Диана-2М».
Личный вклад автора:
– развитие элементов теории строения стержневых многоповодковых структур механизмов: математические зависимости для определения общего числа вариантов схем многоповодковых механизмов, классификационные таблицы многоповодковых механизмов, критерий оценки схемных решений манипуляторов;
– отработка технических решений вариантов пространственных манипуляторов;
– разработка технического решения пространственного механизма манипулятора, подтвержденного патентом 120599 RU МПК B25J1/00. Бюл. № 27. 2012;
– технический проект и изготовление опытных образцов (макетов): модернизированной платформы Стюарта и предлагаемого пространственного манипулятора;
– испытания опытных образцов технических решений манипуляторов;
– Разработка алгоритма определения геометрических, кинематических и силовых соотношений, а также динамических параметров шестикоординатного манипулятора.
Методы исследований. Разработка и исследование шестикоординатного пространственного манипулятора для технологических машин основано на приложениях математики, аналитической механики, теории механизмов и машин, теории упругости и динамики механических систем. Разработка алгоритма анимационной модели проведена с помощью программы 3D Max.
Апробация работы. По направлению исследования получен патент на полезную модель, опубликовано 13 статей, результаты работы докладывались на 3 Международных (Одесса, Москва, Омск 2012 г.) научно-практических конференциях; обсуждалась на кафедре Теории механизмов и машин ОмГТУ, на межкафедральном семинаре «Проблемы прикладной механики» при ОмГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе в 7 рецензируемых изданиях из перечня ВАК, рекомендуемых для публикации результатов диссертационных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 175 страниц текста, 94 рисунка и поясняющих схем, 7 таблиц, списка литературы из 120 наименований и Приложения из 18 страниц (26 рисунков, Копия Свидетельства-сертификата на аттестацию виброанализатора «Диана-2М» и Копия Гражданско-правового договора с Актом его выполнения по внедрению).
