Введение к работе
І. Актуальность темы исследования. Приоритетной проблемой развития высокотехнологичной промышленности Российской Федерации в соответствии с Перечнем критических технологий федерального уровня Пр-842 от 21 мая 2006 года по направлению «Мехатронные технологии и микросистемная техника» является создание технологических комплексов формирования и обработки поверхностей деталей сложной пространственной формы на основе интеграции средств точной механики, электротехники и электроники с компьютерными компонентами.
Для обеспечения пространственного перемещения (манипулирования) обрабатываемого изделия относительно неподвижного инструмента обработки или инструмента обработки относительно неподвижного обрабатываемого изделия по сферической или криволинейной поверхности (траектории) необходимы многокоординатные манипуляторы (ММ). Известны ММ для пространственного перемещения обрабатываемых изделий или инструмента обработки по сложным траекториям, выполненные с применением редукторного электропривода и имеющие в своей структуре звенья для преобразования видов движения: вращательного движения в поступательное. Наличие редукторов, дополнительных звеньев точной механики снижает точность и повторяемость перемещения рабочего органа, повышает эксплуатационные расходы. Если редукторный электропривод выполняет требования по точности и повторяемости движений, то не отличается высоким быстродействием, и наоборот, если выполняются требования по быстродействию, то не отличается высокой точностью и повторяемостью движений. Практически все существующие технические решения ММ с редукторным электроприводом, по крайней мере, в отечественном производстве, не отвечают требованиям по конкурентоспособности, предъявляемым к технологическим комплексам пространственного перемещения.
Научно-технический прогресс, борьба фирм-разработчиков за конкурентоспособность собственной продукции последовательно повышают требования к технико-эксплуатационно-экономическим характеристикам (ТЭЭХ) оборудования, технологий и материалов. Следовательно, объективно существует проблема создания для технологических комплексов пространственного перемещения ММ нового типа. Одним из перспективных путей совершенствования ММ, в которых рабочий орган максимально адаптирован в рационально организованную технологическую среду и совершает сложные пространственные манипуляции инструментом или изделием, является создание их на основе электропривода прямого действия (ЭППД). Он всегда привлекал внимание исследователей и разработчиков отсутствием промежуточных механических устройств и высокими техническими характеристиками, несмотря на существование ряда нерешенных научных и технических проблем, обусловленных определенным уровнем технологий, материалов и электронной техники. Начиная с 80-тых годов, в связи с появлением промышленных микропроцессоров, функциональных и силовых интегральных схем, новых магнитных материалов, позволяющих управлять сложными нелинейными и динамическими процессами в ЭППД, с обеспечением достаточно высокого уровня выходной механической мощности, внедрение ЭППД в автоматизированное оборудование стало необходимостью. Научно-технические проблемы разработки и вне-
дрения ЭППД широко представлены в рабочих программах ведущих зарубежных и отечественных фирм, в публикациях и патентах.
Проблемами многокоординатных устройств для манипулирования в системах автоматики, приборостроения и робототехники, линейному электроприводу посвящены работы таких зарубежных ученых, как Андре П., Вукобрато-вич М., Гонсалес Р., Кирчански Н., Куафе Ф., Ли К., Накано,Э., Ноф, III, Стокич Д., Фу К. и др., а также отечественных ученых - Воробьева Е.И., Го-ритова А. Н., Григорьева В.Е., Дмитриева В.М., Ивоботенко Б.А., Ильинского Н.Ф., А.А. Кобринского А.Е., Корикова A.M., Кожина С.С, Луценко В.Е., Осипова Ю.М., Сафонова Ю.М. Свечарника Д.В., Соломахина Д.В., Фролова К.В. и др. Однако подавляющее большинство научных трудов отличаются недостаточностью изученности теории и практики создания многокоординатных манипуляторов на основе дуговых (ДЭМД) и линейных (ЛЭМД) элек-тромехатронных модулей движения, малым количеством моделей, методик и программных продуктов, а также новшеств — оригинальных схемно-конструкторских решений, обеспечивающих создание конкурентоспособных изделий по критерию «цена-качество» для отечественной высокотехнологичной промышленности. Этим определяется тема настоящей диссертации и актуальность проведенных исследований.
В диссертационной работе исследуются и разрабатываются многокоординатные манипуляторы нового поколения с дуговым и линейным электроме-хатронными приводами прямого действия (ДЭМД и ЛЭМД). Основным элементом ММ является 3-х степенной сферический электромеханизм, геометрический центр которого можно перемещать, в зависимости от схемноконструк-торской классификации 1-м, 2-мя или 3-мя ЛЭМД. Манипуляторы такого типа востребованы, в частности, в технологических комплексах для высокоточной обработки деталей сложной формы при помощи лазерного луча без наплывов, рваных краев, деформаций, непроплавленных участков, разных глубин прогрева.
Недостаточная изученность вопросов разработки и исследования ММ на основе ЭППД, малое количество теоретических и практических работ, новшеств, оригинальных схемоконструкторских решений по дуговым и линейным электромехатронным модулям движения в мировой практике, предопределяют актуальность и необходимость исследований по данной проблеме.
Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и разработка моделей, методик и программ, обеспечивающих создание многокоординатных манипуляторов на основе дуговых и линейных электромехатрон-ных модулей движения. В соответствии с поставленной целью были определены и решены следующие основные задачи:
1. Разработка схемно-конструкторских решений и конфигураций ММ со сферическим электромеханизмом на основе дуговых и линейных ЭМД с обеспечением:
выбора вариантов схемно-конструкторской компоновки ММ;
непересекаемости элементов подвижных конструктивов координат ММ в заданных диапазонах углового и линейного перемещения
прогнозирования величины остаточной неуравновешенности Ада в зависимости от точности изготовления элементов конструкции;
минимизации массогабаритные характеристики ММ;
создания конструкторской документации.
2. Анализ технико-эксплуатационно-экономических характеристик направляющих различных типов, разработка конфигураций ДЭМД и выбор оптимального конструктивного решения в соответствии с критерием «цена-качество».
3.Исследование электромагнитной системы ДЭМД и разработка методики, позволяющей осуществлять проектирование рациональных конфигураций магнитопроводов электромагнитной системы ДЭМД с энергопассивным и энергоактивным дуговым магнитопроводом-ротором.
4. Разработка методики электромагнитного согласования систем сег
ментных индукторов и дуговых магнитопроводов ДЭМД по каждой координа
те ММ для максимизации величины развиваемого тягового усилия;
5. Исследование экспериментального образца четырехкоординатного ма
нипулятора и ДЭМД в его составе, проверка соответствия экспериментально
полученных ТЭЭХ результатам теоретических расчетов.
Объектом исследования являются общие свойства и принципы функционирования многокоординатных манипуляторов на основе электропривода прямого действия.
Предметом исследования является разработка схемно-конструкторских решений ММ для лазерного технологического комплекса на основе ДЭМД, алгоритмов, программ и методик оптимизации параметров манипулятора.
Область исследований. Содержание диссертации соответствует п. 1 «Разработка научных основ создания, исследование элементов, схем и устройств вычислительной техники и систем управления» специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления Паспорта номенклатуры специальностей научных работников (технические науки).
Теоретической и методологической основой исследования послужили труды отечественных и зарубежных авторов по проблемам мехатроники и робототехники, безредукторного электропривода и микропроцессорного управления, теории дифференциальных уравнения и вариационного анализа. Методы моделирования базируются на технологии трехмерного твердотельного проектирования с использованием САПР SolidWorks 2005, конечно-элементном анализе. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем испытаний экспериментального образца, а также путем 3D-моделирования.
Научная новизна диссертации состоит в теоретическом обосновании и разработке моделей, методик и программных продуктов, обеспечивающих создание ММ на основе ДЭМД и ЛЭМД. Наиболее существенные результаты, содержащие научную новизну, состоят в следующем.
1. Разработана конструкция многокоординатного манипулятора со сферическим электромеханизмом на основе дуговых и линейных электромеха-тронных модулей движения с использованием САПР SolidWorks 2005, включающей блок выбора конфигурации и конструктивных параметров манипулятора; блок анализа непересекаемости элементов подвижных конструктивов манипулятора в заданных диапазонах углового и линейного перемещения; блок прогнозирования остаточной неуравновешенности Ада подвижных конструктивов манипулятора, достаточной для «безмоментной» фиксации рабочего стола в положении равновесия, что позволяет создать рациональную конфигу-
рацию манипулятора по указанным свойствам.
Создан дуговой электромехатронный модуль движения, выполненный с залитыми диамагнетиком с низким коэффициентом трения зубчатыми поверхностями трехфазного сегментного индуктора и дугового возвратно-поворотного ротора.
Разработана методика расчета магнитной проницаемости зазора «диа-магнетик-воздух-диамагнетик» электромагнитной системы, включающая универсальный алгоритм и программное обеспечение для энергоактивного и энергопассивного вариантов дуговых магнитопроводов, позволяющая проектировать рациональные конфигурации электромагнитных систем дуговых и линейных электромехатронных модулей движения.
Разработана методика электромагнитного согласования сегментных индукторов и дуговых магнитопроводов роторов, расположенных по окружности движения по каждой координате манипулятора, позволяющая получить максимальную величину момента вращения, включающая одновременную подачу электрического тока номинальной величины в соответствующие фазы сегментных индукторов, один из которых установлен неподвижно относительно конструктивов соответствующих координат, остальные фиксируются неподвижно после согласования электромагнитных цепей сегментных индукторов и дуговых магнитопроводов роторов соответствующих координат.
Практическая значимость
Полученные в ходе диссертационного исследования научные результаты позволяют создавать устройства на основе ЭППД для различных применений: устройств с высокоточным электроприводом, электроприводом средней и низкой точности с учетом существующих производственно-технологических и финансовых возможностей предприятия.
На базе разработанного сферического электромеханизма возможно создание навигационных устройств (горизонтированных платформ инерциальных навигационных систем), платформ слежения солнечных батарей за перемещением солнца.
Реализация результатов работы
Научные и практические результаты диссертационного исследования внедрены:
- в совместные разработки Отделения кафедры ЮНЕСКО и ООО «Науч
но-производственная фирма «ЮМО» а именно:
а) учебный аппаратно-программный технологический комплекс с ла
зерной установкой «БетаМарк-2000» по государственному контракту
№ ОК-24/6189/06 от 04.10.2006 г.;
б) лечебно-оздоровительный тренажер «Всадник»
в учебный процесс Отделения кафедры ЮНЕСКО по направлению 220600 «Инноватика» (лабораторные работы по курсам «Основы мехатрони-ки», «Электрические машины и электропривод»);
в эскизно-техническом проекте «Автономная электростанция с ориентированными солнечными батареями», являющейся совместной разработкой ОАО «НИИПП» и ООО «Научно-производственная фирма «ЮМО».
Личный вклад автора. В диссертации использованы результаты, в которых автору принадлежит определяющая роль. Некоторые из опубликованных работ написаны в соавторстве с сотрудниками научной группы. В совме-
7 стных работах диссертант принимал участие в непосредственной разработке моделей, алгоритмов, теоретических расчетах и вычислительных экспериментах, в интерпретации результатов. Постановка задачи исследований осуществлялась научным руководителем, д.т.н., профессором Ю.М. Осиповым.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации и результаты исследований представлены в материалах следующих конференций: всероссийских научно-технических конференций «Научная сессия ТУСУР - 2005» (Томск, май 2005) и «Научная сессия ТУСУР - 2007 (Томск, май 2007); всероссийской научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, НПЦ «Полюс», апрель 2008); международных научно-методических конференций Современное образование: вызовам времени - новые подходы (Томск, ТУСУР, январь-февраль 2008), Современное образование: проблемы и перспективы в условиях перехода к новой концепции образования (Томск, ТУСУР, январь 2009), XVI международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке» (Санкт-Петербург, февраль 2009 года, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет); пятой международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Итоги реализации программы развития электроники и IT-технологий в Томской области» (Томск, сентябрь 2008).
Также материалы диссертации опубликованы в форме статьи в журнале «Доклады ТУСУР», г. Томск, рекомендованном ВАК; в виде свидетельства об отраслевой регистрации программного продукта в периодическом издании Отраслевого фонда алгоритмов и программ ФГНУ «Государственный координационный центр информационных технологий» Федерального агентства по образованию, г. Москва, патента Российской Федерации № 2361567.
Публикации. По материалам исследований опубликована 21 научная работа, в том числе 1 монография, 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ, патент РФ на изобретение № 2361567 и свидетельство об отраслевой регистрации программы в отраслевом фонде алгоритмов и программ.
Объем и структура диссертации. Общий объем работы - 181 лист основного текста, и содержит 17 таблиц, 79 рисунков, список использованной литературы включает 96 наименований. Диссертация имеет следующую структуру:
