книги / Эффективные методы решения задач кинематики и динамики робота-станка параллельной структуры

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,

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 на базе механизмов параллельной структуры

Число степеней свободы для механизма параллельной структуры с голономными связями вычисляется по известной формуле Малышева

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.

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.