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

о г л а в л е н и е

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.

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,