книги / Эффективные методы решения задач кинематики и динамики робота-станка параллельной структуры
..pdf1, 1. Концепция развития инновационного станкостроения |
11 |
структуре с верхним для вертикальных и вынесенным Боковым для горизонтальных расположением стержневой системы (по типу станков фирмы «Ингерсолл»),
Должны быть предусмотрены исполнения с автоматической сменой инструментов из магазина и сменой столов-спутников,
1.1.2. Мехатронные компоненты. Одним из важнейших направ лений в разработке и освоении производства инновационных станков является применение мехатронных компонентов, сочетающих в одном конструктиве средства прецизионной механики, электроники, электро техники, Конструктивное объединение исполнительного и приводного элементов механизмов линейных и вращательных перемещений стан ков, реализующих концепцию привода прямого действия Direct Drive, позволяет исключить промежуточные механические преобразователи и передачи, повысить точность, быстродействие, снизить потери, Нали чие в таких конструкциях встроенных систем автоматического управ ления и датчиков контроля технологического процесса превращает мехатронные узлы в интеллектуальные модули, на базе которых могут создаваться станки нового поколения традиционной и нетрадиционной компоновок, в том числе с параллельной структурой,
Применение мехатронных компонентов позволяет:
—существенно повысить производительность станков с реализаци ей технологий скоростной обработки,
—упрощать и облегчать конструкцию станков, в том числе за счет устранения громоздких кинематических звеньев и др, деталей,
—реализовать принцип агрегатно-модульного конструирования,
Основными станочными мехатронными узлами являются:
—высокоскоростные электрошпиндели,
—модули линейных перемещений на базе линейных двигателей,
—модули вращательных перемещений (поворотные столы),
—координатно-силовые столы,
—мотор-редукторы с волновой и планетарной передачами,
—другие станочные узлы (инструментальные головки, револьвер ные головки, план-суппорты),
В качестве системы управления мехатронных компонентов основ ным техническим решением является цифровой микропроцессорный
электропривод, имеющий функции адаптивного управления, системы связи и обменных сигналов с устойчивыми ЧПУ, измерительными и технологическими датчиками контроля,
Новейшим направлением в развитии мехатронных компонентов яв ляется создание систем цифрового управления, встроенных в кон струкцию электродвигателя и мотор-редуктора, Это первый пример интеллектуального мехатронного модуля,
12 Гл. 1. Обзор конструкций роботов-станков
Среди мехатронных компонентов важное место занимают устрой ства микромеханики, применяемые в особоточных механизмах, и ре шающие задачи нанотехнологий.
В качестве первоочередной номенклатуры станочных мехатронных компонентов следует выделить:
—высокоскоростные электрошпиндели мощностью 10-40 (80) кВт,
смаксимальной частотой вращения 40000 (80000) об/мин, с гибрид ными подшипниками или электромагнитными опорами, системами спе циальной смазки опор и эффективного охлаждения корпуса электро шпинделя;
—модули линейных перемещений на базе линейных двигателей, имеющие высокие технические характеристики: максимальное усилие до 20000 Н, максимальная длина перемещения — не ограничивается,
максимальная скорость — 150-210м/ мин, ускорение до 5g;
—поворотные столы, развивающие моменты от 100 до 2500 Нм диа метром 200-2000 мм, максимальная частота вращения 12-100 об/мин,
точность 5угл.с;
—комплектные цифровые электроприводы для механизмов главного
движения мощностью до 100 кВт, для механизмов перемещения узлов с крутящими моментами до 200 Нм.
Дискретность отсчета в электроприводах — менее 0,5 мс, полоса пропускания частот более 0,4 кГц.
Создание и внедрение мехатронных компонентов позволит обеспечить:
—повышение производительности и точности в 2-3 раза;
—снижение металлоемкости в 1,5 раза;
—снижение энергоемкости на 15-20%;
—обеспечение новых технологических возможностей станков;
—сокращение в 2-2,5 раза потребных производственных мощностей. Основным результатом применения мехатронных компонентов яв
ляется создание новых видов металлообрабатывающего оборудования высшего современного технического уровня. Разработка перспектив ной номенклатуры мехатронных компонентов — интеллектуальных ме хатронных модулей и узлов — позволит в ближайшие годы приступить к созданию нового поколения гибкого технологического оборудования, в т. ч. для средне- и крупносерийных производств.
1.2. Направления и структура исследований
При исследовании и создании роботов-станков необходимо решить следующие задачи:
—структурный анализ и синтез,
—выбор схемы и его конструкции привода и типов датчиков,
1.2. Направления и структура исследований |
13 |
— синтез системы управления.
Структура исследований показана на рис. 1.1.
К задачам структурного анализа и синтеза относятся проблемы классификации, синтез структуры, адекватной поставленной задаче, оптимизация полученной структуры, проверка степени ее устойчиво сти. Специфической проблемой данного класса механизмов является также возможность возникновения особых положений, при которых
Р ис. 1.1. Структура исследований
14 Гл. 1. Обзор конструкций роботов-станков
они теряют управляемость. Мы не касаемся данного круга задач, подробно освещенных в работах [3, 4, 32]
Существует большое количество схем и конструктивных исполне ний приводов станочного оборудования на основе МПС. Привод штан ги может быть электромагнитным, электрогидравлическим, электроме ханическим, пьезоэлектрическим или магнитострикционным. В свою очередь, электромеханические приводы делятся на приводы без само торможения и приводы с самотормозящимися передачами, например, с передачей винт-гайка или с червячной передачей и параллелограммным механизмом. В качестве датчиков в цепях обратной связи могут использоваться датчики напряжения, скорости, силомеры, акселеро метры, геофоны. Также могут использоваться разнообразные конструк ции шарниров, с помощью которых штанги крепятся к основанию
иподвижной платформе.
Встаночном оборудовании рассматриваемого типа широко применя ют электрогидравлические исполнительные механизмы, которые вслед ствие повышенной сложности конструкции при эксплуатации системы не исключают возникновение проблем при работе в неблагоприятных средах. Кроме того, необходимо наличие гидросистемы.
Электромеханический исполнительный механизм является наибо лее простым по своему конструктивному исполнению, эксплуатаци
онным характеристикам и обеспечивает возможность эксплуатации в неблагоприятных средах. Частотный диапазон работы механизма определяется, главным образом, частотным диапазоном используемого электродвигателя. Как правило, можно построить систему так, чтобы частотный диапазон покрывал всю рассматриваемую частотную об ласть в нижней части спектра. В качестве датчиков обратных связей используются акселерометры, установленные на объекте и основании, и датчик относительного перемещения.
Следующим направлением работы является создание системы управления, обеспечивающей решение поставленных задач. Здесь применимы следующие методы:
—частотные методы синтеза, основанные на составлении и реше нии уравнения Винера-Хопфа;
—методы теории пространства состояний;
—методы робастного управления, в частности методы оптимизации по нормам H 2 и H ж;
—методы адаптивного управления;
—методы построения инвариантного нелинейного управления;
—методы теории нейронных сетей и т. д.
1.3. Примеры станочного оборудования |
15 |
1.3.Примеры станочного оборудования на базе механизмов параллельной структуры
Число степеней свободы для механизма параллельной структуры с голономными связями вычисляется по известной формуле Малышева
|
|
W = 6n - 5pi - 4p2 - Зрз |
- 2p4 - Р5, |
(1.1) |
где |
n |
— число подвижных звеньев (подвижных тел |
механизма), |
|
p i |
— |
число одноподвижных пар (пятого |
класса), р2 — |
число двух |
подвижных пар (четвертого класса), рз — число трех подвижных пар (третьего класса), р4 — число четырех подвижных пар (второго клас са), р5 — число пяти подвижных пар (первого класса).
Уравнение (1.1) получается из условия, что n подвижных тел пере мещаются по шести независимым координатам каждое. Тогда суммар ное число степеней свободы для n тел будет 6n. Но р 1 одноподвижных пар накладывают 5р1 ограничений (дают 5р1 уравнений связей). Соот ветственно остальные пары в соответствии с их числом подвижностей накладывают соответствующее число ограничений. Тогда число сте пеней подвижности для механизма, имеющего n подвижных звеньев, определяется разностью между общей суммой степеней свободы всех перемещающихся тел механизма и общим числом ограничений, кото рые накладывают соединения между звеньями (пары звеньев).
Таким образом, разные значения формулы позволяют получить раз ные типы механизмов. В табл.1.1 приведены наиболее распространен ные типы МПС.
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 1.1. |
|
Типы МСПС |
n $j — |
oj ) f (netj ) |
Pi |
P2 |
Р з |
W |
Трипод |
з |
з |
з |
5 |
з |
з |
Тетрапод |
4 |
4 |
2 |
2 |
4 |
4 |
Тетрапод |
4 |
4 |
0 |
6 |
2 |
4 |
Гексапод |
6 |
6 |
0 |
6 |
6 |
6 |
Наиболее распространенным механизмом является гексапод, обес печивающий 6 степеней свободы. Широким распространением они обязаны наличию целого ряда преимуществ. Так, в отличие от тра диционных многокоординатных последовательных систем, в которых погрешности по каждой из осей суммируются, погрешности в механиз мах параллельной структуры могут взаимно компенсироваться, так что точность может достигать долей микрона.