Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разгрузка приводов механизмов параллельной структуры от статических сил 12
1.1. Способы разгрузки приводов манипуляторов от действия статических сил 12
1.2. Разгрузочные устройства для манипуляционных механизмов параллельной структуры 16
1.3. Методика расчета усилий разгрузочных устройств для манипуляторов параллельной структуры 20
1.4. Пример расчета усилий для неуправляемых разгрузочных устройств манипулятора перемещения заготовки робота- станка «РОСТ -300» 23
1.5. Управляемые разгрузочные устройства. расчет усилий управляемых разгрузочных устройств для трехстепенного манипулятора параллельной структуры 35
1.6. Экспериментальные данные проверки работы разгрузочных устройств манипулятора перемещения заготовки робота- станка «РОСТ-300» 37
Глава 2. Особенности технологической обработки изделий сложных пространственных форм 43
2.1. Геометрия изделий сложной пространственной формы 44
2.2 Способы формообразования сложных поверхностей методами размерного шлифования 54
2.3. Требования на скорости и ускорения при обработке изделий сложной пространственной формы 65
Глава 3. Системы управляемой статической разгрузки и повышения динамической манипулятивности механизмов параллельной структуры 75
3.1. Введение дополнительных приводов в механизмы параллельной структуры 75
3.2. Критерии оценки кинематических и динамических свойств манипуляторов параллельной структуры 87
3.3. Критерий динамической манипулятивности для манипуляторов параллельной структуры 91
3.4. Управляемые системы статической разгрузки манипуляторов параллельной структуры с дополнительными приводами 99
3.5. Методика выбора параметров устройств повышения динамичесои манипулятивности манипуляторов параллельной структуры по критерию динамической манипулятивности... 103
Глава 4. Пример синтеза параметров устройств повышения динамической манипулятивности плоского 3 - x степенного манипулятора параллельной структуры 110
4.1. Решение обратной задачи о положение, определение углов положения звеньев и углов между звеньями для манипулятора перемещения заготовки 113
4.2. Построение матрицы обратных инерционных коэффициентов для манипулятора перемещения заготовки 119
4.3. Сравнительный анализ механизма перемещения заготовки при установке двух приводов и при установке пяти приводов 122
4.4. Расчет усилий приводных элементов для повышения динамической манипулятивности манипулятора перемещения заготовки, при установке двух приводов и установке пяти приводов 127
Основные результаты и выводы 134
Список литературы 137
Приложения 145
- Разгрузочные устройства для манипуляционных механизмов параллельной структуры
- Способы формообразования сложных поверхностей методами размерного шлифования
- Критерии оценки кинематических и динамических свойств манипуляторов параллельной структуры
- Построение матрицы обратных инерционных коэффициентов для манипулятора перемещения заготовки
Введение к работе
Одним из перспективных направлений развития современного станочного оборудования является использование станков - манипуляторов с параллельной кинематикой [1]. Механизм параллельной структуры (рис. I), как правило, содержит выходное звено (1), соединенное с основанием (2) при помощи нескольких кинематических цепей сходного строения (3). Каждая кинематическая цепь состоит из нескольких подвижно соединенных звеньев, приводимых в движение однотипными приводами.
рис. 1
Наиболее важным достоинством манипуляторов
параллельной структуры, в сравнении со станками традиционной
компоновки, представляющими совокупность последовательных
незамкнутых кинематических цепей, является относительно низкая
металлоемкость, достаточная жесткость, равномерное
распределение нагрузки и как следствие, более высокие
7 динамические показатели несущей системы. В этом отношении использование механизмов параллельной структуры открывает новые возможности интенсификации режимов металлообработки и применения прогрессивных стратегий обработки [2].
Благодаря отмеченным выше свойствам, данные механизмы находят все более широкое применение в машиностроении и робототехнике, а также при построении различного вида испытательных установок и другого технологического оборудования.
Технологическое оборудование на основе механизмов параллельной структуры производит многокоординатную обработку деталей с более высоким быстродействием в сравнении с обычным оборудованием. Таким образом, применение механизмов указанного типа приведет к существенному уменьшению времени обработки и стоимости готового изделия.
Оборудование на основе механизмов параллельной структуры имеет огромное множество возможных вариантов исполнения. В самом общем виде все механизмы параллельной структуры можно разделить на группы по числу степеней подвижности выходного звена (Wcu=2, 1сп=Ъ, Wcn=A, WCYl=5, Жсп=6) [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, И, 12,13, 14].
Вместе с тем, в связи с требованиями по жесткости к конструкции механизмов параллельной структуры, звенья механизмов могут иметь существенный вес, и часть момента приводных двигателей приходится тратить не на достижение максимальных ускорений выходного звена, а на преодоление сил тяжести.
Значительные ускорения требуются при механообработке сложных поверхностей (рис. 2), состоящих из множества участков с
8 различной кривизной [15]. Поэтому производительность обработки сложных поверхностей в основном ограничена ускорением.
рис. 2
Ранее задача статической разгрузки в робототехнических системах решалась конструктивными методами: методом корректировки масс, установкой дополнительных разгружающих элементов, как управляемых, так и не управляемых [16, 17].
Однако не рассматривались вопросы повышения
динамических характеристик манипуляционных систем, построенных на основе механизмов параллельной структуры, путем использования систем активной управляемой разгрузки.
В связи с этим задача обеспечения значительных ускорений
выходного звена манипуляторов параллельной структуры, при
механообработке сложных поверхностей, путем построения систем
активной управляемой разгрузки является актуальной.
Таким образом, целью настоящей работы является увеличение быстродействия станков - манипуляторов параллельной структуры, за счет обеспечения более высоких показателей ускорений выходного звена в пределах рабочей зоны, путем использования систем активной управляемой разгрузки с дополнительными приводами.
Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие научные и практические задачи:
анализ и выбор способов статической разгрузки приводов манипуляторов параллельной структуры, обеспечивающих минимальную статическую нагрузку;
анализ способов формообразования сложных поверхностей. Определение требований на скорости и ускорения при формообразовании сложных поверхностей;
анализ и обоснование критериев для оценки кинематических и динамических характеристик механизмов параллельной структуры;
формулировка и вывод критерия для количественной оценки эффективности установки дополнительных приводов в механизмы параллельной структуры;
расчет усилий дополнительных приводов, выполняющих функции активной управляемой разгрузки;
проверка выбранного критерия на примере манипулятора перемещения заготовки робота- станка «РОСТ - 300».
10 - проверка выбранного критерия на примере манипулятора перемещения заготовки робота- станка «РОСТ - 300».
Работа состоит из четырех глав и приложения: в первой главе рассматриваются способы разгрузки от статических сил в механизмах параллельной структуры. Предлагается алгоритм расчета усилий неуправляемых разгрузочных устройств, обеспечивающих минимальную статическую нагрузку на приводы механизма. Приводится расчет усилий неуправляемых разгрузочных устройств, для плоского пятизвенного манипулятора параллельной структуры.
Во второй главе рассматриваются особенности технологической обработки изделий сложных пространственных форм, способы формообразования сложных поверхностей. Формируются требования на скорости и ускорения при обработке изделий сложной пространственной формы.
В третьей главе приводится анализ и выбор критериев для оценки динамических характеристик манипуляционных механизмов. Для оценки максимального ускорения во всех возможных направлениях в пределах рабочей зоны выходного звена, предлагается критерий динамической манипулятивности для манипуляторов параллельной структуры. Предлагается алгоритм выбора параметров устройств активной управляемой разгрузки и повышения динамических характеристик, и оценка их по критерию динамической манипулятивности.
В четвертой главе производится синтез параметров устройств повышения динамической манипулятивности, плоского пятизвенного манипулятора параллельной структуры, манипулятор служит для перемещения заготовки робота-станка РОСТ - 300,
предназначенного для финишной обработки пера лопаток турбин различного промышленного назначения.
В приложении приводится описание программных средств расчета усилий неуправляемых разгрузочных устройств, манипулятора перемещения заготовки робота- станка «РОСТ -300», также приводится прикладная программа для расчета параметров системы активной управляемой разгрузки и оценка ее по критерию динамической манипулятивности для манипулятора перемещения заготовки робота- станка «РОСТ - 300».
Программы могут быть использованы для различных конфигураций механизмов параллельной структуры.
Разгрузочные устройства для манипуляционных механизмов параллельной структуры
Для механизмов параллельной структуры задача разгрузки приводов от статических сил веса звеньев также имеет важное значение, так как чем меньше статическая нагрузка Мст, тем будет больше динамический момент, развиваемый приводами Мдт, при ограничениях на моменты, развиваемые приводами Мдв. Особенность разгрузочных устройств для механизмов параллельной структуры состоит в том, что кроме статической нагрузки от веса звеньев по каждой кинематической цепи, возникает статическая нагрузка от реакций связей в местах их соединения с другими звеньями. Так для плоского пятизвенного механизма (состоит из неподвижного звена 0 и четырех подвижных звеньев 1, 2 и 5, 3, 4), представляющего простейший механизм параллельной структуры (рис. 1.6- а), устройства статической разгрузки должны обеспечивать разгрузку исполнительных приводов М\ и М2 от воздействия реакций связи в сочленениях Ru и RJI (рис. 1.6 б). Разгрузка от веса звеньев левой и правой кинематических цепей может быть осуществлена аналогично, как это осуществляется для разомкнутых кинематических цепей. В механизмах параллельной структуры звенья, в которых не содержатся приводы, представляют конструкцию, масса которой обеспечивается только конструктивными элементами, обеспечивающими ее прочность. Поэтому для разгрузки звеньев необходимо вводить дополнительные массы (рис. 1.2 б), что безусловно утяжеляет конструкцию и увеличивает инерционные силы. В работе [18] приводится пример плоского механизма параллельной структуры, разгруженного от сил веса звеньев пружинами (рис. 1.7 а), на рисунке 1.7 б приведена разгрузочная кинематическая схема для плоских механизмов параллельной структуры.
На рисунке 1.8 приведена модель шестистепенного механизма с тремя кинематическими цепями (6- DOF Hybrid Parallel Manipulator), разработанного в техническом университете Лавал (Канада), разгруженного пружинными системами. Выходное звено механизма соединено с основанием тремя пятизвенными кинематическими цепями. Разгрузка приводов осуществлена введением по две пружины в каждую кинематическую цепь механизма. Пружинные разгрузочные устройства имеют ограниченную энергоемкость и имеют неравномерную нагрузку [19]. Часто применение пружин требует наличия дополнительных передаточных механизмов. В работе [20] рассматриваются системы позиционно-силового управления манипуляционных механизмов параллельной структуры. В работе в качестве силовой разгрузки предлагается устанавливать дополнительные приводы в свободные сочленения механизма, дополнительные приводы разгружают от статических сил основные приводы. Для разгрузки приводов манипуляционных механизмов параллельной структуры от действия сил веса звеньев возможно совместное использование упругих элементов и дополнительных разгружающих элементов (пневматических, гидравлических или электромагнитных). Следует отметить, что разгрузка манипуляторов с замкнутыми кинематическими схемами должна осуществляться в соответствии с количеством независимых управляемых координат. Силовые параметры разгружающих устройств должны максимально разгружать основные приводы и обеспечивать минимальные значения статических моментов нагрузки на данные приводы манипуляторов. Методика подбора пассивных устройств и расчета их силовых параметров приводится в следующем параграфе. Для определения последовательности расчета усилий разгрузочных устройств, для манипуляторов параллельной структуры, составляется алгоритм последовательности действий. На рисунке 1.9 приведен алгоритм расчета усилий развиваемых неуправляемыми разгрузочными устройствами от статических сил в механизмах параллельной структуры. Расчет усилий развиваемых разгрузочными устройствами, для манипуляторов параллельной структуры в работе производится в следующей последовательности
Способы формообразования сложных поверхностей методами размерного шлифования
В связи с высокой трудоемкостью изготовления деталей ГТД и энергетических установок, особенно при финишных операциях, требуются всестороннее исследование процесса формообразования сложнопрофильных поверхностей и возможностей его механизации и автоматизации. Существующие методы формообразования сложнофасонных поверхностей деталей шлифованием и полированием, подразделяются на методы безразмерной и размерной обработки (рис. 2.5). К методам безразмерной обработки относятся: обработка свободным (в вибробункерах, барабанах, гидроабразивная и т.д.) и укрепленным абразивами (например, обработка сложнопрофильных поверхностей на свободной ветви абразивной ленты); эластичными полировальниками, набранными из полос абразивной ленты; лепестковыми кругами; абразивными лентами, надетыми на пневматический рабочий ролик. Кроме того, сюда относятся методы, применяемые для отделочных работ, повышения квалитета шероховатости поверхности и обеспечения заданных физико-механических показателей [22]. К методам размерной обработки относятся все методы, связанные с использованием закрепленного каким-либо образом абразива (жестко: абразивные и алмазные круги, сегменты, бруски, ленты на металлической основе и др.; упругопластично: абразивные и алмазные ленты на тканевых, лавсановых, вулканитовых и других основах, надетых на жесткий рабочий ролик). В свою очередь, методы размерной обработки можно разделить на две группы: — методы обработки с использованием следящей системы в станках, когда образующими режущего инструмента являются поверхности цилиндра, конуса, сферы, тора и др.; - методы обработки без следящей системы, когда формообразование деталей осуществляется режущими инструментами (копирами), воспроизводящими обрабатываемую поверхность, и рабочими надувными элементами, копирующими под действием прижимных усилий форму профиля сложнопрофильных деталей. Из всех методов шлифования и полирования сложнофасонных деталей, наибольший интерес представляют методы размерной обработки, обеспечивающие не только требуемую шероховатость обработанной поверхности, но и физико-механические показатели поверхностного слоя и, что очень важно в машиностроении, точность размеров и геометрической формы деталей [ 22].
Наибольшее распространение при изготовлении сложнопрофильных поверхностей, получили станки со следящей системой в механизме копирования. Отличительными признаками таких станков являются неограниченные возможности формообразования сложнопрофильных поверхностей с углами любой закрутки и различных геометрических размеров. Изготовление поверхностей со следящей системой осуществляется строчечным методом (рис. 2.6). Обработку ведут инструментами с цилиндрической, конической, сферической, эллиптической, торовой, радиусной и другими режущими поверхностями. В зависимости от назначения операции, в качестве режущего инструмента применяют фрезы, абразивно- алмазные круги и ленты. При использовании режущего инструмента на упругопластической основе (абразивной ленты), необходимый профиль их режущей поверхности обеспечивается профилированным рабочим контактным элементом (рис. 2.6, к) Формообразование поверхностей строчечным методом может быть выполнено раздельной, круговой и двусторонней обработками в зависимости от конструктивных особенностей и габаритных размеров сложно - профильных поверхностей. Строчечный метод обработки широко применяют в производстве для формообразования широкого класса поверхностей. Этот метод характерен следующими преимуществами: - возможностью обработки поверхностей деталей любых размеров и любой закрутки при значительной кривизне профиля; - небольшими силами резания, а следовательно, малой теплонапряженностью обработанной поверхности, что позволяет управлять физико-механическими показателями поверхностного слоя материала; - возможностью подачи смазочно-охлаждающей жидкости непосредственно в зону резания. Строчечный метод обработки в зависимости от характера взаимодействия инструмента и детали, условно подразделен на линейный (рис. 2.6 виды а, б, в, г, д, е, н) и точечный (рис. 2.6 виды ж, з, и, к, л, м). Это позволило аналитически установить и записать многие его параметры применительно ко всем видам обработки и инструментам с различной геометрией режущей поверхности. На видах рис. 2.6 (виды б, в, г, д, е, н), приведены схемы формообразования сложно-профильной поверхности, не имеющей закрутки, или детали, имеющей закрутку, образующая которой по длине (высоте) не деформируется. Эти детали обрабатывают одновременно по всей длине или ширине. На рис. 2.6 а, приведена схема обработки сложнопрофильных поверхностей, имеющих закрутку или другую кинематику ее образования. При этом диаметр и ширина инструмента зависят от конструктивных особенностей и угла закрутки изделия. На рис. 2.6 (ж, з, и, к, л, м), приведены некоторые схемы обработки поверхностей с точечным взаимодействием инструмента, где показаны раздельная, круговая и двусторонняя обработка поверхностей поперечными и продольными строками. Производительность процесса формообразования, стойкость режущего инструмента и эффективность его использования, качество обработанных поверхностей, точность размеров и геометрических форм поверхностей детали зависят от выбранного способа формообразования поверхностей, схемы и величины подачи инструмента на строку, правильной базировки детали при установке, конструктивных размеров инструмента и станка, режима обработки. При формообразовании сложнопрофильных поверхностей строчечным методом, подача инструмента на строку, в зависимости от кинематической схемы резания станка (рис. 2.7) периодически или непрерывно осуществляется параллельно по одной из осей координат или поворотом вокруг оси вращения оправки (детали) [21].
Критерии оценки кинематических и динамических свойств манипуляторов параллельной структуры
Для оценки кинематических и динамических характеристик манипуляторов-различных степеней подвижности с основными и дополнительными приводами разработано достаточно большое количество критериев. В таблице 3.1. приведены основные из данных критериев, используемых для манипуляторов построенных по разомкнутой кинематической схеме.
При определении траектории движения манипуляционных систем роботов в пределах рабочей зоны наиболее существенной является проблема обхода особых точек (положение манипуляторов, при которых прямая или обратная задача о скоростях не имеет решения и манипулятор становиться неуправляемым). Критерии обхода особых точек основаны на получении матрицы Якоби манипуляционной системы, которая выражает линейную зависимость между обобщенными скоростями и скоростью движения выходного звена. Мера манипулятивности, предложенная в [29], позволяет определить наличие особой точки, однако не дает возможности оценить расстояние до нее. Для оценки расстояния до особых точек более эффективно применять минимальное собственное число произведения матрицы Якоби на транспонированную матрицу Якоби [62].
При синтезе манипуляторов с дополнительными приводами, в качестве критерия, позволяющего оценить наличие особых точек, в рабочей зоне применяется условный индекс [63] (мера изотропности). Данный критерий выражает равномерность максимального передаточного отношения от обобщенных скоростей к скорости выходного звена, для всех возможных направлений движения.
Манипуляционные системы с основными и дополнительными приводами могут иметь ограничения на управляемые обобщенные координаты. В работе [64] эти ограничения учитывались в виде гиперболической функции, резко возрастающей, если какая либо обобщенная координата приближается к своему предельному значению. Такой подход позволяет свести ограничения к одному критерию, что упрощает задачу, однако существуют численные методы, позволяющие учитывать ограничения непосредственно [65]. То же относится и к задаче обхода препятствий, поскольку препятствия создают ограничения на положения звеньев манипулятора. Chang Р.Н. в 1987 г. [66] получил дополнительные уравнения, определяющие необходимое условие минимума критерия обхода препятствий.
При механической обработке сложных поверхностей, манипуляционные механизмы обычно работают в периодически повторяющихся циклических режимах. В зависимости от вида выполняемой работы, каждый из таких циклов может состоять из ряда чередующихся интервалов покоя и движения. В этих условиях приобретают существенное значение свойства манипуляторов, которые обеспечивают достаточно быстрый разгон из состояния покоя.
В работе [67] для оценки множества возможных ускорений предлагается критерий приемистость. Критерий «приёмистость» оценивает только объём множества возможных ускорений, в то время как в одних направлениях возможное ускорение может быть существенно больше чем этого достаточно, а в других -существенно меньше чем требуется. Yoshikawa в 1985 году предложил критерий динамическая манипулятивность. В работе [68] приводится критерий динамической манипулятивности для манипуляторов с последовательными кинематическими схемами. Этот критерий представляет собой отношение нормы ускорения объекта манипулирования к норме усилия в приводных кинематических парах, вызванного инерционной нагрузкой для заданной конфигурации механизма при нулевой скорости. Он напрямую характеризует способность механизма к разгону из неподвижного состояния, в частности, при крайних конфигурациях циклического движения.
В диссертационной работе для оценки динамических характеристик манипуляторов параллельной структуры, при обработке сложных поверхностей, предлагается критерий динамической манипулятивности, поскольку при обработке изделий сложной пространственной формы нужны большие ускорения.
Построение матрицы обратных инерционных коэффициентов для манипулятора перемещения заготовки
По критерию динамической манипулятивности выбираются наилучшие, в смысле максимального значения критерия в пределах всей рабочей зоны выходного звена. Блок- схема программы расчета критерия динамической манипулятивности для различных механизмов приведена на (рис. 3.17). В соответствии с блок- схемой расчет критерия динамической манипулятивности производится в следующей последовательности: - решается обратная задача о положении механизма параллельной структуры, и определяются координаты сочленений звеньев механизмов; - определяются координаты центров масс звеньев механизма; - определяются углы положения звеньев относительно осей неподвижной системы координат и углы между звеньями; - из полученных координат центров масс, углов положения звеньев и углов между звеньями, формируются вектор положения механизма и вектор приводных координат; - определяются моменты инерции, и формируется матрица инерционных коэффициентов; - вычисляется матрица частных производных вектора положения и вектора управляемых координат; - вычисляется матрица, описывающая линейные соотношения между усилиями в приводных кинематических парах и ускорением выходного звена при нулевой скорости (матрица обратных инерционных характеристик); - рассчитывается сумма квадратов усилий динамической составляющей приводных элементов для всей рабочей зоны; - для всей рабочей зоны выходного звена рассчитывается критерий динамической манипулятивности; - для выбранной по критерию динамической манипулятивности оптимальной комбинации приводов рассчитывается вектор компонентов динамических усилий приводных элементов. Далее для расчета номинальных моментов приводных элементов рассчитывается вектор компонентов статических составляющих встраиваемых двигателей.
Расчет статических моментов производится в соответствии с блок- схемой (рис. 3.18) в следующей последовательности: - решается обратная задача о положении механизма параллельной структуры, и определяются координаты сочленений звеньев механизмов; - определяются координаты центров масс звеньев механизма; - определяются углы положения звеньев относительно осей неподвижной системы координат и углы между звеньями; - из полученных координат центров масс формируется вектор центров масс механизма и вычисляется матрица частных производных по координатам оси, направления сил тяжести манипуляционного механизма; - из углов между звеньями формируется вектор управляемых координат и вычисляется матрица частных производных по координатам положения механизма; - вычисляется вектор сил действующих на звенья и выходное звено механизма; - рассчитывается псевдообратная матрица, соответствующая матрице частных производных управляемых координат; - вычисляется вектор компонентов статических усилий приводных элементов. По полученным максимальным значениям компонентов вектора статических усилий, и компонентов вектора динамических усилий, рассчитывается номинальный момент для каждого привода механизма параллельной структуры. - Проведен обзор и анализ критериев, применявшихся для оценки кинематических и динамических свойств манипуляционных механизмов.
Для оценки максимального ускорения в наихудшем из всех возможных направлениях, в пределах рабочей зоны выходного звена, манипуляторов параллельной структуры при нулевой скорости, предложен критерий динамической манипулятивности. - На основании методов линейной алгебры и численных методов предложен вывод критерия динамической манипулятивности для манипуляторов параллельной структуры. - Для повышения динамической манипулятивности механизмов параллельной структуры предлагаются управляемые системы активной разгрузки с дополнительными приводами. - Предложен алгоритм расчета усилий активной управляемой разгрузки и повышения динамической манипулятивности манипуляторов параллельной структуры и оценки механизмов по критерию динамической манипулятивности. Основные исследования по синтезу систем управляемой статической разгрузки и повышению динамической манипулятивности для механизмов параллельной структуры в настоящей работе проводятся на примере робота - станка РОСТ -300, предназначенного для финишной обработки пера лопаток турбин различного промышленного назначения. На рис. 4.1 а и 4.1 б приведен общий вид робота- станка, который в настоящее время проходит цеховые испытания. Станок состоит из двух манипуляторов. Первый манипулятор имеет две степени подвижности и предназначен для перемещения обрабатывающего инструмента.
Второй манипулятор имеет четыре степени подвижности и служит для перемещения обрабатываемой заготовки, содержит плоский пятизвенный механизм. Взаимное положение инструмента и детали обеспечивается шестью приводами, два из которых перемещают манипулятор инструмента и четыре - манипулятор заготовки. Пятизвенный механизм манипулятора перемещения заготовки представляет собой простейший двухстепенной механизм параллельной структуры. Задача расчета усилий устройств повышения динамической манипулятивности и оценка механизма с дополнительными приводами по критерию динамической манипулятивности, решается для манипулятора перемещения заготовки. Расчеты проводятся для случая двух приводов, установленных на основании в сочленениях А и Е, и для случая использования пяти приводов, двух на основание и трех дополнительных установленных в сочленения В, С и D рис. 4.2. Схема нагружения инерционными и статическими нагрузками манипулятора перемещения заготовки приведена на рис. 4.3.
