Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1. Исследования в области тепловыделения в станках 10
Экспериментальные исследования температурных полей и температурных деформаций станков 10
Аналитические методы исследования теплового состояния станков 15
Источники тепловыделения в станках и методы компенсации тепловых деформаций 17
Механизмы с параллельной структурой 21
Постановка задачи 28
П. КИНЕМАТИКА МНОГОПОДВИЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ 29
2.1. Решение прямой задачи кинематики матричным методом 33
щ 2.1.1. Решение прямой задачи кинематики для робота-станка для
обработки лопаток турбин матричным методом 38
2.1.2. Решение прямой задачи кинематики геометрическим
методом для оборудования типа «трипод» 42
2.2. Кинематический анализ манипуляторов параллельной структуры
методом на основе теории винтов 44
ф 2.3. Обратная задача кинематики 47
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 49
III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ В УЗЛАХ
СТАНКОВ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КИНЕМАТИКОЙ 50
3.1. Общие положения расчета нестационарных температурных полей
и температурных деформаций 50
/ft
3.2. Оценка теплового поля и температурных деформаций механизма с
параллельной кинематикой типа «гексапод» 54
3.3. Оценка теплового поля и температурных деформаций робота-
^ станка для обработки лопаток турбин 65
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 71
IV. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ ОТКЛОНЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ
МЕХАНИЗМОВ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КИНЕМАТИКОЙ С УЧЕТОМ
ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА 72
Расчет траектории движения платформы 75
Расчет управляемых координат платформы 77
Расчет деформаций стержневых составляющих механизмов с
параллельной КИНЕМАТИКОЙ 81
Ф 4.4. Расчет новых координат подвижной платформы 85
4.5. Примеры расчета ошибки позиционирования для некоторых
станков с параллельной кинематикой 91
Робот MTS: 3-х подвижная система транспортировки материала 91
Фрезерный станок «Tornado 2000» фирмы Hexel 93
SMTTricept ТМ805 95
4.6. Методы компенсации тепловых деформаций станков с
параллельной кинематикой 97
' ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 101
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 102
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 104
Введение к работе
.,.ф Современное станкостроение имеет тенденцию перехода на более
облегченные конструкции исполнительных механизмов и более широкое
применение вычислительной техники. Современная вычислительная техника
позволяет одновременно управлять технологическим процессом, сложным
исполнительным механизмом, обрабатывать информацию и оптимизировать
работу в целом всей технологической системы «исполнительный механизм -
технологический механизм - система управления».
В настоящее время в мире ведутся работы по созданию новых видов станочного и измерительного оборудования облеченной конструкции (станки АО «Лапик» (Саратов), DYNA-M фирма WSM (г. Ache)), опытный станок новосибирского электротехнического института, параллельный манипулятор
* для поворотного захватного устройства робота.
Подвижные стержневые механизмы позволяют создавать облегченные технологические машины для операций, выполняемых в настоящее время только вручную: финишная обработка турбинных лопаток, медицинских протезов, художественных изделий сложной конфигурации. Данные механизмы позволяют создавать облегченное переносное технологическое оборудование для обработки крупногабаритных изделий.
Актуальность темы. Развитие техники связанно с непрерывным повышением требований к точности машин, включая ее сохранение под нагрузкой и во времени. Постоянный поиск принципиально новых решений привел к появлению механизмов с параллельной кинематикой. Для дальнейшего развития механизмов с параллельной кинематикой, расширения и углубления областей их применения необходимо повышать точность станков данной группы. Точность позиционирования таких механизмов зависит от механических настроек станка, программного обеспечения и от температурного фактора. Изменение теплового режима станка влечет за
собой пространственные изменения положения узлов и деталей станков,
нарушая тем самым первоначальную настройку станка. Температурные
# деформации носят нестационарный характер и в процессе работы станка
изменяются как по величине, так и по направлению, обуславливая
постоянное воздействие на формирование показателей качества обрабатываемых поверхностей.
Особенностью технологических машин нового поколения, построенных на основе механизмов относительного манипулирования, является:
применение подвижных стержневых механизмов, соединяющих функции переноса заготовки и изделия с функциями их обработки;
повышение мобильности исполнительных механизмов, благодаря новой приводной технике;
использование нетрадиционных для станков и роботов информационно-измерительных систем;
использование цифровых датчиков, в основе которых лежит оптическая линейка.
Быстродействующая вычислительная техника совместно с датчиками контроля позволяет компенсировать "недостатки" подвижных стержневых механизмов и оптимизировать технологическую систему в целом.
Механизмы, созданные на базе рычажных механизмов, работают по
(Л заданной программе. Для точного воспроизведения законов движения
исполнительным звеном рычажного механизма необходимо точное
выполнение законов изменения обобщенных координат механизма, и точное
знание длин звеньев рычажного механизма.
Целью работы является повышение точности позиционирования
станков с параллельной кинематикой, за счет выявления источников
^ тепловыделения, определения характера нагрева деталей механизмов, а
также оценки величины температурных деформаций станков данной группы.
Невозможно обеспечить качественное управление системой, если ее
математическая модель не известна с достаточной точностью.
Ф Методы исследования. Результаты работы получены путем
' аналитических расчетов с применением теории робототехники, метода
конечных элементов для решения нестационарных тепловых задач, законов
математической статистики и методов аналитической геометрии.
Результаты, получаемые с помощью моделей, являются важнейшим (а в ряде случаев и единственным) источником информации, который исследователь использует:
в процессе проектирования принципиально новых машин, комплексов, технологий;
в процессе оценки качества и эффективной работы созданных машин и технологических процессов;
при разработке и создании эффективных систем управления, как автоматических, в работе которых человек не принимает участия, так
л ив автоматизированных, где человек является одной из подсистем,
непосредственно участвующей в работе всей системы;
при разработке, создании и эксплуатации систем управления движущимися объектами;
при определении оптимальных законов управления разрабатываемыми и функционирующими объектами и
ф технологическими процессами;
при организации процедур диагностики текущего состояния работающих объектов и комплексов;
при решении задач адаптивного регулирования по отношению к внешним и внутренним возмущениям и т.п.
Для построения математической модели могут быть использованы как
теоретические, так и экспериментальные методы.
Любая модель представляет изучаемый объект лишь в некоторых его
свойствах, при этом изучение отдельных свойств моделируемой системы
ц осуществляется ценой отказа от исследования других ее свойств.
Достоверность знания, полученного с помощью моделирования, тем
выше, чем полней аналогия прототипа и модели, поэтому возможности методов моделирования необходимо рассматривать в связи с тем, какой критерий подобия использовался при создании модели (аналогия результата, поведения, структуры) и каким образом она получена.
Научная новизна диссертационной работы заключается:
в выявлении закономерностей формирования температурных полей станков с параллельной кинематикой;
в оценки влияния нагрева элементов станка на точность позиционирования;
в разработке методики определения и контроля температурных деформаций станков с параллельной кинематикой.
Практическая ценность. На основе разработанной методики создан программный продукт, позволяющий оценить влияние нагрева основных узлов и деталей станков с параллельной кинематикой на выходную точность.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались
автором на VI-й научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-
научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ
^ РАН» в 2003 г. (г. Москва), на VIII-й научной конференции МГТУ
«СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» в 2005 г. (г. Москва), на кафедре АТП Владимирского государственного университета (2004 г.).
По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.
Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доценту А.К. Алешину
^ (ИМАШ РАН) за практические советы и консультации по целому ряду
вопросов.
