книги / Эффективные методы решения задач кинематики и динамики робота-станка параллельной структуры
..pdfУДК 62-2.589 ББК 72
Р 93
Р ы б а к Л. А., Е р ж у к о в В. В., Ч и ч в а р и н А. В. Эффективные мето
ды решения задач кинематики и динамики робота-станка параллельной структуры. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. - 148 с. - ISBN 978-5-9221-1296-3.
Монография посвящена широко развиваемому в настоящее время направ лению исследований в области создания инновационного технологического оборудования — роботов-станков параллелвной структуры. Излагаются методы и алгоритмы решения задач кинематики и динамики, основанные на исполвзовании векторной алгебры, теории нейронных сетей, численного моделирования. Приведен анализ динамических свойств приводных механизмов робота-станка различных типов. Дано обоснование необходимости применения нейронных сетей для решения прямой задачи кинематики, подробно описаны методы обу чения сети, а также представлены сравнителвные характеристики нейронной сети различной структуры.
Для конструкторов, исследователей и инженеров в области станкостроения, мехатроники и робототехники.
ISBN 978-5-9221-1296-3
©ФИЗМАТЛИТ, 2011
©Л. А. Рыбак, В. В. Ержуков,
А.В. Чичварин, 2011
о г л а в л е н и е
Введение................................................................................................................ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
Гла в а |
1. |
Обзор конструкций роботов-станков с механизмами па |
|
|||||||||
раллельной структуры |
............................................................................. |
|
|
|
|
|
|
7 |
||||
1.1. Концепция развития инновационного станкостроения........................ |
|
|
7 |
|||||||||
1.1.1. Роботы-станки параллельной структуры |
(9). |
1.1.2. Ме- |
|
|||||||||
хатронные компоненты |
|
(11) . |
|
|
|
|
|
|
|
|||
1.2. Направления и структура исследований |
................................................ |
|
|
|
|
12 |
||||||
1.3. Примеры станочного оборудования на базе механизмов параллель |
|
|||||||||||
ной структуры............................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
||
1.3.1. Трехстепенные |
(триподы) |
(17). |
1.3.2. Четырехстепенные |
|
||||||||
(тетраподы) (28). |
1.3.3. Шестистепенные (гексаподы) |
(31). |
|
|
||||||||
Гла в а |
2. |
Кинематический |
анализ |
механизмов |
параллельной |
|
||||||
структуры ..................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
41 |
||
2.1. Задача кинематики М П С ........................................................................ |
|
|
|
|
|
|
41 |
|||||
2.2. Кинематический анализ .............................................................трипода |
|
|
|
|
|
|
42 |
|||||
2.3. Кинематический анализ ........................................................тетрапода |
|
|
|
|
|
47 |
||||||
2.4. Кинематический анализ ........................................................гексапода |
|
|
|
|
|
50 |
||||||
2.5. Оптимизация траектории .............движения рабочего инструмента |
|
60 |
||||||||||
Гла в а |
3. |
Динамический анализ приводных механизмов д л я МПС |
66 |
|||||||||
3.1. Электромеханический |
исполнительный |
механизм |
с передаточной |
|
||||||||
парой «винт-гайка»..................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
66 |
|||
3.1.1. |
Характеристика |
исполнительного |
механизма |
(66). |
|
|||||||
3.1.2. Разработка математической модели (67). |
3.1.3. Исследова |
|
||||||||||
ние динамических свойств исполнительного механизма |
(71). |
|
|
|||||||||
3.2. Электромеханический исполнительный механизм с червячной пере |
|
|||||||||||
дачей на базе параллелограммного .....................................механизма |
|
|
|
74 |
||||||||
3.2.1. |
Характеристика |
исполнительного |
механизма |
(74). |
|
|||||||
3.2.2. |
Разработка |
математической |
модели |
(77). |
3.2.3. Исследо- |
|
4 |
|
Оглавление |
|
вание динамических свойств исполнительного механизма (79). |
|||
3.2.4. Перспективы применения шаговых двигателей в системах |
|||
электропривода (83). |
|
|
|
3.3. Электрогидравлический исполнительный механизм.......................... |
100 |
||
3.3.1. |
Характеристика |
исполнительного механизма |
(100). |
3.3.2. Разработка математической модели (102). 3.3.3. Исследова |
|||
ние динамических свойств исполнительного механизма (106). |
|||
3.4. Рекомендации по выбору типа исполнительного механизма............. |
112 |
||
Гла в а 4. |
Управление движением робота-станка на основе нейрон |
||
ных с е т е й ..................................................................................................... |
|
115 |
|
4.1. Управление МПС........................................................................................ |
|
115 |
|
4.2. Подбор алгоритма обучения нейронной сети........................................ |
120 |
||
4.2.1. Математическое описание алгоритма обратного распро |
|||
странения ошибки (120). |
4.2.2. Метод имитации отжига |
(123). |
|
4.2.3. Комбинирование обратного распространения с методом |
|||
имитации отжига (124). |
|
|
|
4.3. Реализация комбинированного алгоритма для обучения Н С |
.......... 125 |
||
4.4. Применение НС для решения прямой задачи кинематики (ПЗК) . . 130 |
|||
Список литературы............................................................................................. |
|
143 |
Введение
Создание высокопроизводительных станков, форсированных по мощностям, точности, нагрузкам и другим рабочим характеристикам, неизбежно приводит к необходимости разработки принципиально но вых схем их компоновки. Одним из вариантов решения этой проблемы является использование механизмов параллельной структуры (МПС).
В книге рассматривается класс металлорежущих станков парал лельной структуры, у которых все координаты связаны, а перемещение по любой одной координате требует одновременного согласованного изменения всех других. Отличительной особенностью таких станков является связь посредством шарнирных штанг узла, на котором уста новлена обрабатываемая деталь, с узлом, несущим инструмент, причем требуемая траектория перемещения инструмента относительно детали достигается согласованным изменением либо длин этих штанг, либо угловых и линейных положений штанг постоянной длины.
К станкам со штангами переменной длины относятся так называ емые «гексапод» (с шестью штангами), «трипод» (с тремя штангами) и их модификации, а к станкам со штангами постоянной длины — «гексаглайд» (с шестью штангами), «триглайд» (с тремя штангами) и их модификации.
Перечисленные станки позволяют производить перемещения ин струмента относительно обрабатываемой детали в некотором объеме, определенном структурой и размерами несущей системы.
С другой стороны, одним из важнейших направлений в разработке и освоении производства инновационных станков является применение мехатронных компонентов, сочетающих в одном конструктиве средства презиционной механики, электроники, электротехники. Конструктив ное объединение исполнительного и приводного элементов механиз мов линейных и вращательных перемещений станков, реализующих концепцию привода прямого действия «Direct Drive», позволяет ис ключить промежуточные механические преобразователи и передачи, повысить точность, быстродействие, снизить потери. Наличие в таких конструкциях встроенных систем автоматического управления и дат чиков 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 кинематикой.
6 |
Введение |
В первой главе представлена классификация роботов-станков с па раллельной структурой и определено их место среди всего спектра станочного оборудования в соответствии с программой развития инно вационного станкостроения.
Во второй главе проводится кинематический анализ механизмов параллельной структуры, в частности, трипода, тетрапода и гексапода. Поставлена задача оптимизации траектории движения инструмента в станках подобной структуры с целью улучшения их характеристик. Оптимизация траектории проводится с целью уменьшения реверса приводных двигателей во время перемещения рабочего инструмента, т.к. реверс вызывает нежелательные переходные процессы и может служить источником автоколебаний.
В третьей главе дан анализ схемотехнических решений исполни тельных механизмов электромеханического и электрогидравлического типов, методы и результаты исследования их динамических характери стик. Получены основные аналитические зависимости и дан их срав нительный анализ, представлены результаты математического моде лирования. Обоснована возможность применения шаговых двигателей
всистеме привода.
Вчетвертой главе показана возможность применения нейронных се тей для управления движением станков параллельной структуры, при водится анализ возникающих при этом ошибок. Показано применение аппарата нейронных сетей для аппроксимации траектории движения рабочего инструмента при обработке криволинейных поверхностей.
Глава 1
о б з о р к о н с т р у к ц и й р о б о т о в -с т а н к о в с м е х а н и з м а м и п а р а л л е л ь н о й
ст р у к т у р ы
1.1.Концепция развития и н н о в а ц и о н н о г о
станкостроения
Концепция развития инновационного станкостроения России до 2010г. разработана коллективом сотрудников Инновационного про мышленного комплекса «Инновационное станкостроение» (ИПК ИС), Ассоциации инновационного станкостроения и мехатроники (АИММ), Экспериментальным НИИ металлорежущих станков (ОАО ЭНИМС), Национального института авиационных технологий (ОАО НИАТ) при участии специалистов МЭИ и МГТУ «Станкин».
В первом разделе концепции определено понятие «инновация» как общественный, технический, экономический, управляемый процесс, ко торый через практическое использование нововведений (научно-техни ческих идей и изобретений) приводит к созданию лучших по своим свойствам изделий, технологий, дающих при появлении на рынке до бавочную прибыль или решающих экономические и социальные про блемы. Суть инновационной деятельности — внедрение нововведений.
Важнейшим понятием концепции инновационного станкостроения является «инновационный станок» (ИСТ). Инновационный станок, или производственный комплекс, реализующие перспективную технологию станкостроения, обеспечивают многоразовое увеличение потребитель ских свойств, в том числе для продукции машиностроительного ком плекса (МСК). Инновация охватывает весь спектр видов деятельно сти — от исследований и разработок до маркетинга продукции, всегда учитывая потребности и запросы рынка.
Станкостроение рассматривается, с одной стороны, как базовая от расль машиностроения, снабжающая технологическим оборудованием, формируя их технологическую среду, все стратегические отрасли оте чественного машиностроительного комплекса (авиастроение, оборон ное машиностроение, судостроение, автомобильную промышленность, энергетическое, нефтехимическое машиностроение и др.), и, с другой стороны, как изготовитель наукоемкой продукции, конкурентоспособ ной на отечественном и мировом рынках. Невозможно организовать производство конкурентоспособного наукоемкого продукта, не имея
8Гл. 1. Обзор конструкций роботов-станков
всоставе технологической цепочки определяющего высокоэффективно го технологического оборудования.
Процесс развития технологической среды машиностроительного комплекса в различных отраслях промышленности идет одновременно по четырем направлениям:
—модернизация существующего технологического оборудования;
—создание нового оборудования, аналогичного ранее выпускаемому;
—импорт необходимого оборудования и комплектующих изделий;
—новое высокоэффективное оборудование, созданное в рамках развития инновационного отечественного машиностроения,
Инновационный процесс в станкостроении предусматривает разра ботку с последующим внедрением:
—базовых технологий станкостроения (высокоскоростная обработ
ка резанием, «сухое» резание, лазерная обработка, электрофизические методы обработки, водоструйная обработка, сверхпрецизионные и на нометрические технологии, комбинированные методы обработки);
— информационных технологий («безбумажные» технологии на всех стадиях жизненного цикла изделия — от заказа до эксплуатации; обмен цифровой информацией между участниками разработки, изго товления изделий и заказчиками; интегрированные системы управле ния предприятиями; информация о ходе процесса обработки на станке);
—станков с параллельной структурой;
—мехатронных компонентов;
—новых материалов;
—мероприятий по энергосбережению;
—решения проблем экологии и техники безопасности, Конструкции традиционных станков, начиная с 1985 г, претерпели
коренные улучшения в связи с использованием нового поколения комплектующих изделий (высокомоментных двигателей, широкорегу лируемых приводов главного движения, микропроцессорных систем с ЧПУ и др,),
Принципиальным с точки зрения обеспечения эффекта инноваци онного станкостроения является освоение производства отечественной промышленностью комплексных систем ЧПУ на базе промышленных персональных компьютеров, цифровых электроприводов и современных измерительных систем, а также новых материалов (алюминиевых спла вов, синтеграна и др,), определяющих функциональные и технические характеристики перспективного технологического оборудования, При этом особое внимание следует уделить комплектующим изделиям, способствующим внедрению в отечественном машиностроении и стан костроении новых информационных технологий (диагностических датчиков для контроля состояния узлов станка и режущего инструмен та, протекания процесса резания, температурных деформаций станка,
1, 1. Концепция развития инновационного станкостроения |
9 |
||
аппаратных средств для встройки в информационную систему более |
|||
высокого уровня и др.). |
|
|
|
1.1.1. |
Роботы-станки параллельной структуры. |
Наряду с тра |
|
диционными «последовательными» кинематическим схемами роботов- |
|||
станков, допускающими независимое изменение узлов по одной из |
|||
координат |
при неизменном значении других координат, |
в последние |
годы появился новый класс металлорежущих станков «параллельной» структуры, у которых все координаты связаны и перемещение по любой одной координате требует одновременного согласованного изменения всех других. Отличительной особенностью таких станков является связь посредством шарнирных штанг узла, на котором установлена об рабатываемая деталь, с узлом, несущим инструмент, причем требуемая траектория перемещения инструмента относительно детали достигает ся согласованным изменением либо длин этих штанг, либо угловых и линейных положений штанг постоянной длины.
Перечисленные станки позволяют производить перемещения ин струмента относительно обрабатываемой детали в некотором объеме, определенном структурой и размерами несущей системы.
Помимо «объемных» станков нашли применение стержневые «плос кие» станки, у которых инструмент перемещается относительно детали только в одной плоскости (так называемые W -образные станки, напри мер Dyna-M).
Инновационный характер станков параллельной структуры, поми мо оригинальности, определяется их существенными преимуществами в некоторых областях использования перед станками с традиционной кинематикой, а именно:
— оптимальные условия хранения станков для реализации ско ростной обработки (значительно меньшая масса подвижных частей
ипостоянство их массы);
—значительное упрощение конструкции в особенности по сравне нию со станками для пятикоординатной обработки (простая станина, где все приводы перемещения узлов и измерительные системы одина
ковы, значительное уменьшение количества узлов и общего количества деталей, отсутствие «наслоения» одних узлов на другие, повторяемости деталей);
—значительное сокращение общей массы станка;
—штанги работают только на растяжение-сжатие при отсутствии изгибающих нагрузок;
—высокая жесткость несущей системы станка;
—легкая сборка станка.
Вместе с тем рассматриваемые станки имеют определенные недо статки, существенно ограничивающие область их преимущественного
10 |
Гл. 1. Обзор конструкций роботов-станков |
использования по сравнению со станками традиционной структуры,
аименно:
—даже простейшие прямолинейные перемещения инструмента вдоль основных координатных осей требуют одновременного изменения длин всех штанг, работы приводов и обеспечения точности результи
рующего перемещения интерполяцией всех составляющих перемеще ний. Несмотря на высокие динамические характеристики современных приводов, высокоточные измерительные системы и быстродействующие УЧПУ, перемещение одного узла по хорошей направляющей в тра диционных станках позволяет получать при резании, с колебаниями нагрузки в особенности при фрезеровании, более высокую точность обработки простых поверхностей;
—нагрузочная и демпфирующая способности штанг, их шаровых шарниров о других контактных сопряжений при перемещении плат формы со шпинделем у рассматриваемых станков намного ниже, чем
унаправляющих при традиционной кинематике станков. Поэтому пер вые не могут воспринимать большие силовые нагрузки (в особенности переменные), возникающие при обдирочных работах, и позволяют про изводительно выполнять только чистовую обработку с относительно небольшим сечением стружки и усилиями резания;
—система стержней ограничивает возможность угловых наклонов шпинделя обычно диапазоном ± 30°, что не позволяет производить полную пятикоординатную обработку корпусных деталей без дополни тельной установки на подвижную платформу поворотной головки;
— неблагоприятное соотношение объема рабочего пространства к объему станка, затрудненный доступ к обрабатываемой детали при наладочных работах, ограничения для автоматизации смены инстру ментов из магазина и смены столов-спутников.
Всвязи с вышеизложенным настоящая концепция предусматри вает ограничение области преимущественного использования станков параллельной структуры чистовой обработки деталей со сложными объемными поверхностями таких, например, как штампы, пресс-фор мы, импеллеры, лопатки турбин авиационных двигателей и т. п. (эти ограничения не относятся к области использования измерительных машин параллельной структуры).
Прогнозируемый объем выпуска таких станков к концеу 2010 г. не должен превышать ~ 20% от общего выпуска инновационных станков.
Врассматриваемом концепцией периоде, предусматривается разра ботка и освоение производства наиболее перспективных станков па раллельной структуры — гексаподов с вертикальной и горизонтальной
компоновками.
Все станки должны обеспечивать высокоскоростную обработку де талей. Из известных структур гексоподов предпочтение следует отдать