автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Проектирование структуры станков типа "гексапод"

Предисловие Введение

Глава 1 Обзор оборудования параллельной структуры.

Глава 2 Кинематика оборудования параллельной структуры ферменного типа.

Глава 3 Геометрическое описание кинематики оборудования "гексапод".

Глава 4 Математическое описание кинематрпси оборудования 94 "гексапод".

Глава 5 Инструментальная среда для проведения оптимизации 112 оборудования "гексапод".

Глава 6 Критерии выбора геометрических параметров 156 оборудования "гексапод".

Глава? Примеры проектирования оборудования "гексапод".

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию нового класса машин — оборудованию параллельной структуры ферменного типа, которому на сегодняшний момент в машиностроении всех стран мира уделяется большое внимание. Появление оборудования параллельной структуры — было логическим этапом в процессе совершенствования средств автоматизации производства. Это связано с хорошей точностью обработки при высоких скоростях и простотой конструктивного исполнения.

Оборудование параллельной структуры в мире ещё не получило широкого использования, т.к. существует "боязнь" покупателей в этой малоизученной новизне, кроме того метод проектирования такого оборудования сильно отличается от традиционных из-за существенно меньшей наглядности. Со временем будет наблюдаться изменение культуры инженерного конструирования и проектирования оборудования параллельной структуры. При этом культура инженерного конструирования и проектирования развивается в зависимости от развития компьютерной техники и технологий.

Успешная реализання новой концепции конструирования оборудования параллельной структуры невозможна без изменения процесса проектирования и без использования компьютерного моделирования уже на самой ранней стадии проектирования. Однако до сих пор не создано программных средств для проектирования данного оборудования. Существуют современные программные продукты (ProEngineer, ANIS YS, и др) позволяющие решить широкий спектр задач, но они не доступны и дороги, а также часто не могут рассматривать конкретные задачи проектирования. Например, ни один программный продукт не может решить задачу изображения объёма рабочего пространства обслуживаемой рабочим органом оборудования в зависимости от геометрии кинематики с учётом коллизии (пересечения) элементов. Поэтому в данной работе для полномасштабного исследования кинематжи оборудования параллельной структуры типа "гексапод" с реализацией всех её математических моделей создана инструментальная среда в виде законченного пакета программ собственной разработки, реализованной на языке программирования С++ с поддержкой трёхмерной графической библиотеки OpenGL.

В настоящей работе предложена концепция проектирования металлообрабатывающего и измерительного оборудования параллельной структуры типа "гексапод" на ранней стадии разработки с применением современных средств обеспечивающих получение эффективных результатов и исключающих возможность возникновения грубых ошибок.

Введение

Одна из первоочередных задач, стояпщх перед современным машиностроением — это создание более эффективных многофункциональных машин и механизмов, обеспечивающих высокую производительность, надёжность, точность и долговечность. Прогресс науки в мире и обусловленное им развитие новых или усовершенствованных технологий, процессов и оборудования постепенно вытесняют из машиностроения традиционную технику. Быстрые темпы развития вычислительной индустрии благоприятны для развития нетрадиционной техники, поэтому роль вычислительной техники в развитии машиностроения постоянно возрастает.

Основное требование к машиностроительному оборудованию — качественное выполнение двигательных функций исполнительного органа. Среди подсистем, определяющих суть оборудования: исполнительная, управляющая и информационно-сенсорная. Исполнительная подсистема -это совокупность механизмов, обеспечивающих движение конечного звена, имеет определяющее и ключевое значение. Именно эта подсистема во многом определяет такие важные характеристики оборудования, как точность, надёжность, производительность и долговечность.

Поэтому концепция конструирования нетрадиционного оборудования параллельной структуры заключается не только в изменении всей кинематической структуры, но и в новых подходах к проектированию таких машин. При разработке нетрадиционного оборудования не всегда удаётся подходить к проектированию с традиционных позиций. Это изменение приводит к изменению процессов инженерного проектирования и конструирования, которые протекает строго интерактивно между концепцией и конструированием.

В области станкостроения, как, пожалуй, ни в какой другой области машиностроения, конструктор или проектировщик встречается с уникальной ситуацией, когда на большинство важных вопросов, связанных с устройством оборудования, с выбором основных параметров исполнительных систем, выбором системы движении, он вынужден опираться лишь на свой опыт и интуицию. Вероятно, этим, в частности, можно объяснить многообразие структур, конструкций, построенных в последние годы. Хочется отметить, что применение хорошо разработанных классических методов аналитической механики мало исправляет это положение, поскольку, как правило, приводит к сложным и громоздким уравнениям, из которых далеко не всегда удаётся получить требуемые решения.

Положение усугубляется еще и тем, что исполнительная система — это "скелет" оборудования, описывается не только уравнениями кинематики, но и сложными уравнениями, определяющими силовые параметры системы. Развитые в настоящее время методы моделирования на компьютере, являясь мощным средством выявления рациональной компоновочной схемы оборудования и оптимальных параметров, практически мало доступны разработчикам, в связи с дороговизной. Они являются основным инструментом исследовательских лабораторий, которые часто не в состоянии охватить широкие и оперативные задачи проектирования.

Например, графические программные продукции ProEngineer и ANISYS универсальны для расчёта и визуализации любого объекта, но они имеют существенный недостаток по скорости вычисления и трудоёмки при простом изменении конструктивных параметров. В некоторых случаях даже не возможно реализовать необходимую информацию, например, визуализацию объёма рабочего пространства перемещаемой рабочим органом в зависимости от геометрии кинематики с учётом коллизии элементов. Поэтому для моделирования оборудования с параллельной кинематикой в данной работе использован язык программирования (Visual С++ V.6.0) с поддержкой трёхмерной графической библиотеки Open GL, т.к. позволяет наглядно видеть процесс при варьировании большого количества параметров. Не смотря на сложность системы программирования можно получить большой выигрыш в динамичности и скорости вычисления, а также в получении достоверности информации.

При моделировании оборудования на первый план выступают важные свойства манипуляционной системы - геометрические и механические, определяющие главные "рабочие" качества оборудования. Сейчас среди всех систем моделирования, особо важны так называемые экспертные системы, позволяющие в начале разрабатывать методы расчёта и проектирования, обоснованно сравнивать различные конструкции, эффективно использовать их возможности, а на стадии проектирования выбирать их оптимальные параметры. В системе моделирования на компьютере существуют триада: модель, алгоритм, программа с 3-х мерной графической визуализацией. При помощи интерактивного тесного диалога человека и компьютера (рис.В.1) с 3-х мерной графической визуализацией можно эффективно исследовать и анализировать объект и быстро принимать оптимальные решения для дальнейшего проектирования.

Компьютер

Входные параметры I

Решение

Интеллект человека

Модель объекта

Выходные параметры

Графическая визуализация объекта

Монитор

Рис.В.1 Диалог человека и компьютера.

Суть алгоритма рис.В.1 заключается в том, что из-за сложности и большой масштабности исследовательской работы возможны ошибки в расчёте, что ухудшает ценность полученных результатов. Поэтому в данной работе максимально использованы автоматизированные расчёты с применением собственной разработанной программы, но контролируемые человеком. В основе построенной программы реализованы все математические модели, представляют собой совокупность множества элементарных математических вычислений индивидуального объекта. Таким образом, при тесном диалоге компьютера с человеком и применением разработанной программы можно получить максимальную эффективность в конструировании и достоверность полученных результатов.

Рассмотрению некоторых важных вопросов проектирования и конструирования оборудования параллельной структуры типа "гексапод", определяющих те или иные важные рабочие качества, посвящена настоящая работа. в первой главе дана предпосылка создания оборудования параллельной структуры ферменного типа, обзор и конъюнктура рынка её применения, а также история и обзор научно-исследовательской публикации.

Во второй главе рассмотрена классификация кинематик параллельной структуры ферменного типа, на основе формулы Сомова - Малышева. Здесь приведены разные кинематики оборудования такие как "гексапод", "трипод" и "дельта", где конструкция фермы работает только на нагрузки растяжениЯ-сжатия.

В третьей главе приведены геометрические параметры элементов конструкции оборудования типа "гексапод".

В четвёртой главе дано математическое описание кинематики оборудования типа "гексапод", приведён метод определения характеристики рабочего пространства и кинематической точности и жёсткости.

В пятой главе описана инструментальная среда для исследования и проектирования оборудования типа "гексапод", в виде законченной профаммы собственной разработки и представлен алгоритм конструирования для решения оптимизированных геометрических параметров оборудования типа "гексапод".

В шестой главе выведены критерии рабочего пространства с учётом коллизии элементов и критерии точности и жёсткости кинематической структуры с учётом сингуляра (потери жёсткости).

В седьмой главе разработаны технические требования для оборудования типа "гексапод", приведены рекомендации и результаты ош-имйзацйи геометрических параметров оборудования тигш "гексапод" т основе критериев рабочего пространства, точности и жёсткости структуры с применением разработанной инструментальной среды. Кроме этого представлен анализ существующих станков типа "гексапод".

Выводы по работе.

1. При проектировании оборудования параллельной структуры типа "гексапод" традиционные методы проектирования не обеспечивают требуемую точность и жёсткость кинематической структуры и не обеспечивают устранение коллизии (пересечений) элементов конструкции со значительным смещением рабочей зоны от центра рабочего стола, а также случаи потери жёсткости кинематической структуры (сингуляра) и т.п. Разработанная инструментальная среда позволяет избежать недостатки традиционного проектирования на ранней стадии разработки.

2. Как показали проведённые теоретические исследования, очень важным является назначение рациональных геометрических параметров основных элементов конструкции на ранней стадии проектирования, поскольку они влияют как на конфигурацию рабочего пространства, объём занимаемый станком, так и на основные характеристики жёсткости и точности кинематической структуры. При не оптимальном выборе этих параметров исправить ситуацию в дальнейшем будет невозможно.

3. Назначение параметров основных элементов конструкции, оценка объёма занимаемого станком и фактической конфигурации рабочего пространства целесообразно проводить с учётом измене1шя относительной точности и жёсткости структуры по всему рабочему пространству. Это позволяет избежать потери точности и жёсткости при перемещении инструмента в рабочей зоне.

4. На относительную точность и жёсткость проектируемого оборудования значительно влияют коэффициент эффективности - отношение площади занимаемой станком к площади рабочего пространства, геометрические параметры шпиндельной платформы: (Шр - расстояние между тремя верхними и тремя нижними точками расположения шарниров и dWp - разница углового положения трёх верхних и трёх нижних точек расположения шарниров. Чем больше величина коэффициента эффективности, тем меньше изменение относительной точности и жёсткости по рабочему пространству. При больших углах наклона шпинделя до 40 ° в пределах рабочего пространства образуются зоны потери жёсткости, что значительно сказывается на точностных и жёсткоСтных характеристиках оборудования.

5. По результатам анализа установлена существенная связь между основными эксплуатационными характеристиками (такими как конфигурация рабочей зоны, изменения точности и жёсткости структуры) и углом расхождеьшя штанг. Это можно использовать при классификации оборудования типа "гексапод" по углу расхождения штанг на станки с малым (до 45°) и большим (свыше 65°) углом расхождения Штанг. Описаны области рационального использования того или иного вида оборудовашю, в частности:

- у оборудования с большим углом расхождения штанг диаметр шпиндельной платформы меньше, а диаметр основания станка больше;

- применение оборудования с большим углом расхождения штанг предпочтительнее для обработки деталей с большими углами наклона шпинделя, из-за более благоприятной зоны работоспособности (по жёсткости) рабочего органа;

- реальная величина рабочего пространства при малых углах наклона шпинделя больше у оборудования с малым углом расхождения штанг;

- в процессе проектирования изменением параметров оборудования с большим углом расхождения штанг легче исключить зоны потери жёсткости в рабочем пространстве.

У двух классов данного оборудования (с большим и малым углом расхождения штанг) при изменехтаи угла наклона шпинделя, зоны потери жёсткости меняются по-разному. Параметр йЯТ, влияет на относительную точность и жёсткость при больших углах' наклона шпинделя, увеличивая этот параметр можно избежать'Л потери жёсткости. Параметр с1}¥р влияет на относительную точность, поэтому рекомендуется располагать три пары шарниров на верппшах равностороннего треугольника. Но все эти параметры влияют на конфигурацию рабочего пространства, поэтому при выборе данных параметров необходимо исключать уменьшение рабочего пространства до недопустимых размеров.

6. Компьютерный анализ показал, что конфигурация рабочего пространства имеет сложную пространственную форму, которая зависит от максимального и минимального вылета штанг, конструкции шарниров и от коллизии (пересечений) элементов штанг и шпинделя. На конфигурацию рабочего пространства проектируемого оборудования значительно влияет угол расхождения штанг. При изменении углового положения шпиндельной платформы изменяется как конфигурация рабочего пространства, так и его положение относительно центра рабочего стола. Поэтому в процессе обработки при больших углах наклона шгшнделя для данного оборудования рекомендуется устанавливать детали больших размеров не в центре рабочего стола, а с учётом изменения положения рабочего пространства.

7. Анализ конструкции станков с применением программы показал, что слабым местом в оборудовании "гексапод" является конс1рук1и1я шарниров на платформе, т.е. при увеличении угла наклона шпинделя значительно ухудшается конфигурация рабочего пространства, это связано с ограничением угла наклона в конструкции шарниров. Поэтому конструкция шарниров ограничивает угол поворога шпинделя.

8. Эффективность предложенной концепции подтверждает проведённая автором оптимизащтя станков известных фирм (АО Лапик и Фраунхоферского института). При оптимизации станка Фраунхоферского института был снижен объём занимаемого счанком на 33%). В станке фирмы Лапик исключена область резкого изменения точности и жёсткости и показана необходимость изменения геометрических элементов при переходе от чисто измерительной к обрабатывающей системе, например, при больших углах наклона шпинделя (уД = 40°-л-60°) имеется зона полной потери жёсткости.

1. Артоболевский И. И. "Теория механизмов и машин". Учебник для вузов. 4-е изд.1. Издательство "Наука".1. Москва 1988 г.

2. Боресков A.B. Шикин Е.В. ШикинаГ.Е. "Компьютерная графика: первое знакомство"

3. Издательство "Финансы и (татистика" Москва 1996 г.

4. Выгодский М.Я. "Справочник по математике"

5. Издательство "Высшая школа". Москва 1988 г.

6. Глазунов В, А., Колискор А.Ш., Крайнев А.Ф. "Пространственные механизмы параллельной структуры"

7. Издательство "Наука" Москва 1991 г.

8. Журнал "Приводная техника" №7/8 1999 г.

9. Журнал "Станки и инструмент" №3 1993 г.

10. Журнал "Станки и инструмет ы" №4 1996 г.

11. Кобринский A.A. Кобринский А.Е. "Манипуляционные системы роботов"

12. Издательство "Наука" Москва 1985

13. Корн Г., Корн Т "Справочник по математике для научных работников и инженеров."

14. Издательство "Наука" Москва 1970г.

15. Ласло М. "Вычислительная геометрия и компьютерная графика на С-Н-" перевод с английского под редакцией В. Львова.

16. Издательство "БИНОМ" 1997г.

17. Лесин В.В. Лисовец Ю.П. "Основы методов оптимизации"

18. Издательство: МАИ Москва 199812. "Ман1шуляционные системы роботов." Под редакцией дТт.н. Корендясева А.И. стр.296-331

19. Издательство „Машиностроение". Москва 1989 г.13. "Механик омышленных роботов". Под редакцией Фролова К. В., Воробьёва L. И.

20. Издательство "Высшая школа". Москва 1988 г.

21. Мешков A.M. Тихомиров Ю.С. "Visual С++ и MFC Программирование для Windows NT и Windows 95" в трёх томах

22. Издательство BVH Санкт-Петербург 1997

23. Паппас К., Мюррей У. " Си/Си-н- Руководство программиста" В 2 томах.

24. Издательство "СК Пресс" Москва 1997г.

25. Проников А.С. и др. "Проектирование металлорежущих станков и станочных систем." в 3-х томах

26. Издательство "Машиностроение МГТУ им. Баумана". Москва 1994 г,

27. Прохоров А.Ф. "Общая методология проектирования машин"

28. Издательство "МГТУ им. Н.Э. Баумана " Москва 1994

29. Прохоров А.Ф. "Системное проектирование технологических машин"

30. Издательство "МГТУ им. Н.Э. Баумана " Москва 199419. "Расчётные и курсовые работы по сопротивлению материалов" учебное пособие для вузов/Алмаметов Ф.З., Арсеньев СИ., Енгалычев С. А. и др.

31. Издательство "Высшая школа" Москва 1992г.20. "Сбалансированные манипуляторы" под редакцией члена-корресподента АН СССР П.Н. Белянина.

32. Издательство "Машиностроение" Москва 1988 г.21. "Справочник по промышленной робототехнике" Под редакцией Нофа Ш.

33. Издательство "Машиностроение" Москва 1989 г.

34. Тарасов И.А. "Основы программирования OpenGL" учебный курс

35. Горячая линия ТЕЛЕКОМ" Москва 2000.

36. Тихомиров Ю. "Программирование трёхмерной графики" Руководство для профессионалов.

37. Издательство "БХВ" Санкт-Петербург 1999 г.24. "Точность и надёжность станков с числовым программным управлением" Под редакцией д.т.н. проф. А. С. Проникова

38. Издательство "Машиностроение" Москва 1982 г.

39. Шикин Е.В. Боресков A.B. "Компьютерная графика: полигональные модели"

40. Издательство: Диалог-МИФИ Москва 2000

41. Янг М. "Программирование графики в Windows 95. Векторная графика на С-Н-" перевод с английского под редакцией В. Тимофеева.

42. Издательство "БИНОМ" Москва 1997 г.

43. Chemnitzer Parallelsöncnir-Seminarl2./13. April 2000

44. Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. habil. R. Neugebauer Verlag Wissenschaftliche Spirten Zwickau 2000.

45. Chemnitzer Parallelstructur-Seminar28./29. April 1998

46. Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. habil. R. Neugebauer Verlag Wissenschaftliche Spirten Zwickau 1998.

47. Claussen U. "Programmieren mit Open GL. 3D-Grafik und Bildverarbeitung"

48. Verlag "SPRINGER VERL. GMBH & CO KG" 1997

49. Fosner Ron "Open GL Programming for Windows 95 and Windows NT"1. ADDISION WESLEY" 1996.

50. Jean-Pierre Merlet "Les robots parallèles"1. Hermes, Paris 199732. "Leistungen und Ergebnisse Jahresbericht 1998"1. FrauntoferIWU 1998

51. Masory 0., Wang J. "Workspace evaluation of Stewart plaífonn" DE-Vol. 45. Robotics, Spatial Mechanisms, and Mechanical Systems ASME 1992

52. Matthias Hebsacker "Statische Auslegung und Optimierung des Arbeitsraumes von Werkzeugmaschinen dh dem Hexaglide-Prinzip beruhen"

53. Diplomarbeit am histitut für i nd Fertigung IWF der ETH Zürich 1996

54. Neue Maschinenkoncepte mit pa allelen Structuren fur Handhabung und Production: Tagung Braunschwe g, 10. Und 11. November 1998 / VDl-Geselschaft Entwicklung, t onstruction, Vertrieb. Düsseldorf: VDI Verl., 1998

55. Open GL Reference Manual. The Official Reference Document for Open GL, Version 1.1 (KempfR, Frazier C.)1. ADDISION WESLEY" 1997

56. Perfomance and Results Annual Report 19981. Fraunhofer IWU 1998

57. Root M., Boer J "DirectX Complete "1. MCGRAW HILL" 1999

58. Sirotin v., Debeloff V. " Direct-X-Programmierung mit VisualC-H- "

59. ADDISION WISLE Y LONGMANN" München 1999

60. Wright R., Sweet M. "Open GL SuperBible"1. WAIT GROUP PRESS" 1996.