автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка переносного комплекса с поворотной платформой для контурной обработки стационарных поверхностей

На правах рукописи

двэиии >

Наумов Иван Иванович

РАЗРАБОТКА ПЕРЕНОСНОГО КОМПЛЕКСА С ПОВОРОТНОЙ ПЛАТФОРМОЙ ДЛЯ КОНТУРНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЦИОНАРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (коммунальное хозяйство и сфера услуг)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Шахты-2011

1 6 ИЮН 2011

4850001

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС) на кафедре «Радиоэлектронные системы»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Валюкевич Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Сергей Анатольевич

доктор технических наук, профессор Крутчинский Сергей Георгиевич

Ведущая организация ОАО "Роствертол", г.Ростов-на-Дону.

Защита состоится «29» июня 2011г. в 13® часов на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 при ФГБОУ ВПО «Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса» по адресу: 346500, г.Шахты, Ростовской области, ул. Шевченко, 147, ауд. 2247.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

Текст автореферата размещён на сайте ЮРГУЭС: http: vvwvv.sssu.ru

Автореферат разослан: «28» мая 2011 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.313.01

Куренова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Основой современного технологического оборудования для контурной обработки листовых заготовок и плоских поверхностей в настоящее время являются ортогональные координатные столы. Кинематические схемы подобного оборудования содержат в обязательном порядке устройства преобразования вращательного движения приводов в поступательные движения рабочего стола и/или инструмента. Научные исследования в этом направлении ведутся как в России, так и за рубежом. Значительные результаты опубликованы в трудах Е.П. Попова, Ю.М. Соломенцева, B.JI. Афонина, B.C. Кулешова, H.A. Локота, Ю.В. Подураева, C.JI. Зенкевича, A.C. Ющенко, И.А. Каляева, В.М. Лохина, И.М. Макарова, A.B. Тимофеева, С.А. Кузнецова и др.

Подобные технические решения позволяют получить высокую точность обработки заготовок и возможность регулирования скорости обработки заготовки в широком диапазоне, а также упростить подготовку управляющих программ в декартовой системе координат с использованием разработанных за последние двадцать лет компьютерных CAD и САМ систем. Однако линейные направляющие, винтовые пары, каретки, гибкие связи усложняют конструкцию и существенно повышают массогабаритные показатели оборудования, что повышает его конечную стоимость.

Развитие малых форм производства в сфере услуг определяет ряд специфических требований к производительности и эксплутационной простоте производственного оборудования, главными из которых являются повышение энергоэффективности при одновременном снижении материалоёмкости и стоимости оборудования.

В заявляемой области применения, а именно в сфере контурной обработки изделий из дерева, пластика, металла и камня, указанным требованиям отвечает предложенный в данной работе переносной комплекс с поворотной платформой. Данное техническое решение позволяет добиться улучшения таких технических характеристик, как материало- и энергоёмкость, упрощение конструкции и повышение конкурентоспособности в сравнении с конструкциями на базе ортогонального координатного стола. Особенно большое значение имеет существенное снижение стоимости готового образца оборудования.

Расширение сферы / услуг с применением предложенного комплекса достигается за счёт реализации переносного варианта устройства и возможности различных способов крепления заготовки, в том числе расположение устройства на поверхности заготовки в любом её месте и возможность работы на вертикально расположенной поверхности.

Таким образом, создание переносного комплекса с поворотной платформой для контурной обработки стационарных поверхностей в сфере услуг отвечает современным вызовам и условиям данной сферы.

Соответствие диссертации плану работы ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с государственным контрактом на производство научно-технической продукции в рамках ЕЗН по теме «Теоретические основы построения систем

управления мехатронным устройством для формирования программнозаданной траектории пространственного перемещения рабочего инструмента» 2009 г., государственным контрактом по программе УМНИК «Разработка механизмов и программно-аппаратных средств транспортных и технологических машин», государственным контрактом № 7234р/10119 от 11.06.2009, а также в рамках прикладной НИР по теме «Синтез системы автоматического управления манипулятором с подвесом схвата на гибких звеньях» от 01.01.2011. Исследования, связанные с организацией передачи по радиоканалу сигналов управления на вращающуюся платформу, выполнены по проекту №2.1.2/1127 (ЮРГУЭС-1.09.Ф) аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» «Теоретические основы построения СФ-блоков для СВЧ систем связи и телекоммуникации нового поколения» и в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы «Теоретические основы синтеза методов обработки цифровых сигналов в условиях априорной неопределённости и их практическая реализация в информационно-телекоммуникационных и вычислительных системах», №02.740.11.5130 от 09.03.2010.

Целью диссертационного исследования является разработка переносного комплекса с поворотной платформой для контурной обработки стационарных поверхностей в сфере услуг.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

-создание кинематической схемы механизма с поворотной платформой и точкой приложения вращающего момента на расстоянии, равном радиусу звена относительно оси вращения;

-разработка алгоритмов планирования траектории перемещения рабочего инструмента по заданному контуру;

-определение методики оценки линейной погрешности разработанных алгоритмов планирования (интерполяции) траектории;

-компьютерное моделирование разработанных алгоритмов управления угловыми координатами звеньев в соответствии с принятыми законами управления;

-разработка и изготовление опытного образца комплекса, реализующего предложенную кинематическую схему и программно-аппаратную систему управления;

-проведение комплексного теоретико-экспериментального

исследования опытного образца устройства и оценка его технических характеристик.

Объектом исследования является переносное устройство для контурной обработки листовых заготовок и стационарных поверхностей.

Предметом исследования является процесс планирования механизмом с поворотной платформой траектории перемещения рабочего инструмента.

Методы исследования. Решение поставленных задач диссертационного исследования осуществляется на основе методов и средств теоретической механики, теории машин и механизмов, теории

автоматического регулирования, а также экспериментальных методов исследования, методов синтеза цифровых и микропроцессорных систем управления. Исследования проведены с использованием современных компьютерных средств моделирования. Научная новизна работы:

-установлена зависимость между угловыми координатами звеньев и прямоугольными координатами траектории инструмента;

-разработана методика планирования (интерполяции) траектории рабочего инструмента для механизма с поворотной платформой;

-установлена зависимость линейной погрешности от углов поворота начальных звеньев и размеров звеньев для предложенных интерполяционных алгоритмов.

Практическая значимость работы:

-предложена схема мехатронного комплекса с поворотной платформой для перемещения рабочего инструмента по заданному контуру;

-реализованы компьютерные модели алгоритмов планирования траектории рабочего инструмента, на основе которых созданы программные модули управления перемещением двухзвенного механизма;

-предложена методика определения статических моментов сопротивления движению элементам устройства при механической обработке материалов;

-предложены варианты механической части переносного комплекса контурной обработки стационарных поверхностей.

Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается обоснованностью принятых допущений, корректным применением методов аналитической геометрии, теоретической механики, теории автоматического регулирования, адекватностью результатов, полученных на основе математических и компьютерных моделей и результатов, полученных в ходе опытной эксплуатации рассматриваемого комплекса.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы излагались в научных статьях и докладывались на Международной научно-технической мультиконференции «Мехатроника, автоматизация, управление», МАУ-2009, (Дивноморское, 2009г.), на VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2009г.), на научно-технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2007 - 2010 гг.) и Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) (г. Новочеркасск, 2007 - 2009 гг.). Разработка экспонировалась на выставках разного уровня, в том числе на «Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи» НТТМ-2010, (г.Москва, ВВЦ, 2010г.), «I Молодёжном инновационном конвенте Южного федерального округа» (г.Ростов-на-Дону, 2009г.), и выставках-ярмарках в г. Новочеркасске, ИННОВ-2007, ЭВРИКА 2007 и ЭВРИКА 2008.

Результаты работы использованы в ООО «Тигрис» г. Шахты.

Материалы диссертации использованы в учебном процессе ЮРГУЭС при изучении дисциплины «Электромеханические устройства», в курсовом и дипломном проектировании.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 10 работ, в том числе одна в изданиии из перечня ВАК, а также получено 3 патента на изобретение, 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и издана монография.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и содержит 156 страниц машинописного текста, 92 рисунка, 2 таблицы и список литературных источников из 105 наименований.

Диссертация выполнена на кафедре «Радиоэлектронные системы» Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертационного исследования, описана идея работы и методы исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна работы, подтверждена обоснованность и достоверность полученных результатов, а также выделено их научно-практическое значение.

В первой главе приведена классификация оборудования для контурной обработки материалов, приведён аналитический обзор конструктивных и технологических особенностей оборудования использованием как линейных направляющих, так и оборудования на базе манипуляторов, подробно рассмотрены их преимущества и недостатки, обоснованы ограничения для применения подобных устройств на предприятиях малого бизнеса, занимающихся предоставлением услуг населению.

На основе проведённого анализа определены требования к конструктивным и функциональным особенностям оборудования, применяемого для контурной обработки изделий на предприятиях малого бизнеса в сфере услуг, и сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе предложена кинематическая схема направляющего механизма, которая состоит из двух звеньев, одно из которых представляет собой круглую поворотную платформу, а второе установлено на ней с возможностью программного поворота. На расчётной схеме, представленной на рисунке 1, начало системы координат хоу совмещено с осью вращения первого звена. Второе звено закреплено на первом с возможностью вращения вокруг точки крепления Н, расположенной на краю первого звена. В точке М, расположенной на внешнем диаметре второго звена, установлен рабочий инструмент. Рабочая зона ограничена кругом радиуса R по конструктивным соображениям. Поскольку исследуется кинематическая модель двухзвенного манипулятора в двумерной системе, то для определения положения звеньев целесообразно найти аналитические выражения, связывающие декартовы координаты рабочей точки с изменением полярных координат каждого

звена. При решении задачи определения положения направляющей точки применяется дополнительная система координат*"у \

У

Рисунок 1 - Кинематическая схема устройства М- рабочая точка с координатами xftj, y(l) в основной (неподвижной) системе координат хоу и X2(t), У2 (t) в дополнительной системе координатх'у'-, aft) - угол поворота диска относительно основной системы координат;

P(t) - угол поворота штанги относительно дополнительной системы координат; а,Ь - концы отрезка ab, который должна проходить точка М; в - угол наклона отрезка ab; R - радиус дисков.

Так как звеньев в кинематической схеме два, то вместо матриц перехода от одного звена к другому целесообразнее воспользоваться тригонометрической записью. Запишем координаты направляющей точки М относительно осей х у':

jx2(t) = Reos/3(1) [y2(0 = tfsin/?(0

Используя свойства преобразования угловых координат в линейные и решая систему уравнений 1, получим:

I 2Л(яп/?(/) + 1) J

0)

/?(0 = /(resin

* 0) + /(0 2 R2

-1

Так как угол /3(0 может принимать любое значение (ограничения в нашем случае накладываются только областью изменения х(1) и у(1)), то любому значению аргумента арксинуса будут соответствовать два угла, вычисляемые по формуле для периода арксинуса:

Arc sin

x\t) + y\t) 2 R2

-1

= (-1)" arcsin

V(Q + /(Q 2 R2

-1

+ mi.

где n=0,I,2...

Этим объясняется неоднозначность соответствия углов а и /? точкам на плоскости (одна точка может быть задана двумя парами углов). Эта неоднозначность позволяет уменьшить изменение значений углов а и fi при перемещении рабочего инструмента к точке начала обработки. Для этого рассчитывается арксинус для и=0 и для п= 1 и выбирается та пара углов, для которой перемещение минимально.

Основную погрешность в точности позиционирования механизма на основе двухзвенного манипулятора будут вносить конструктивные особенности, связанные с переменным шагом единичного перемещения. Рассмотрим влияние конструктивных особенностей на точность перемещения рабочего инструмента, обусловленную дискретным изменением углов a(t) и p(t). Величина единичного перемещения может быть определена векторным уравнением:

L = AX(a,P) + AY(cc,/3). (3)

Зададимся величиной единичного изменения углов: i - шаг изменения угла 0{t), j - шаг изменения угла a(t) - и определим выражение для модуля единичного шага перемещения:

L = fa (a + j,fi + i) - X (а, р)2+ (Г, (a + + i) - Y(a, pf . (4) Решение уравнения 4 может быть представлено в виде:

L = R-

cos/?(Ocos/sina(i)cos y' + cos/?(i)cosi'sin ycosa(i)-sirwsin/?(/)sina(f)cos j- sin/sin /?(i)sin y'cosa(0 + sin/?(i)cos/cosa(i)cosy-sin/?(i)cos/sin/sina(i) + + sin/cos/?(Ocosa(f)cos y-sini'cos/9(i)sin/sinar(/) + coscr(/)cos y'-sin y'sina(/)-- cos Pit) sin a(l) - sin p{t) cos a(t) - cos a(i)

-sin/7(/)cos;'sina(i)cos j -smp(t)cosis\x\ ycosa(/)-sin/'cos/?(i)sina(i)cos j --sin/cos/?(/)sin jcosa(/) - cos/?(()cos/cosa(i)cos j + cos/?(i)cosi'sin/sina(/) + + sin/sin/?(i)cosa(/)cos у — sin/sin /?(i)sin _/'sina(i)-sina(;)cos j-sin jcosa(t) + + sin /?(/)sin ait) + cos P(t)cosa(t) + sin a(/)

V

\2

L = k(a,P)R

(5)

Таким образом, согласно полученной модели единичного смещения рабочей точки, на конструктивную погрешность, помимо дискретности приводов, также сложным образом влияет текущее положение манипулятора. На рисунке 2 показана зависимость точности величины единичного смещения рабочей точки от углов поворота обоих звеньев манипулятора.

На графике значение коэффициента ошибки к(аф) приведено в безразмерных единицах. Дискретность изменения переменных а,р принята равной 0,0314 рад.

кт,рук>-,

опярашер.

т

Рисунок 2 - Зависимость величины единичного смещения рабочей точки от углов поворота звеньев манипулятора

На рисунке 3 показана зависимость величины единичного смещения рабочей точки от угла поворота сегмента при неподвижной платформе, из которой видно, что максимальная точность будет достигаться в центре обрабатываемой зоны станка, а отклонение на краях обрабатываемой зоны зависит от величины единичного углового шага, определяемого из конструктивных особенностей электроприводов и размера звена. На рисунке 4 показана методическая погрешность определения координат в зависимости от изменения угла поворота звена 1.

дм 0.00011

0.00010

0.00009

0.00008

0.00007

о.ооооб

3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 рай.

Рисунок 3 - Зависимость величины единичного смещения рабочей точки от угла поворота звена 2

0 12 3 Р°д-

Рисунок 4 -Зависимость методической погрешности определения координат от изменения угла поворота звена 1

Из анализа графиков, показанных на рисунках 2-4, видно, что погрешность планирования траектории движения рабочего инструмента

устройства на основе предложенной схемы двухзвенного механизма зависит от удалённости фрагмента траектории от центра первого звена и величин единичного перемещения по угловым координатам.

Разработанное программное обеспечение (ПО), реализующее предложенный алгоритм планирования траектории рабочего инструмента, может быть представлен как узкоспециализированная САМ система, в состав которой введены функции интерпретатора и интерполятора, в большинстве случаев реализованных в системе ЧПУ на аппаратном или программно-аппаратном уровне. Разработанное в данном разделе диссертации ПО предназначено для обработки изделий с контурной скоростью резания до 2 м/мин.

Основным препятствием применения известных CAD/CAM систем в нашем случае является традиционно используемая для описания подобных механизмов угловая система координат. Специализированные САМ системы для манипуляторов, к классу которых можно отнести представленный механизм, стоят достаточно дорого, в связи с чем целесообразной является разработка процедуры планирования траектории рабочего инструмента в прямоугольной системе координат.

На рисунке 5 приведена геометрическая интерпретация процедуры интерполяции прямой линии в прямоугольной и угловой системе координат, которая наглядно показывает, что узловые точки интерполяционной решётки в прямоугольной системе координат, определяемые как пересечение линий абсцисс и ординат с шагом Ах=Лу и узловые точки интерполяционной решётки в угловой системе координат, образованные пересечением концентрических окружностей с центрами, совпадающими с осью вращения первого звена и окружностями, образованными вращением второго звена вокруг своей оси, при смещении первого звена на величину Аа не совпадают.

Величина единичного линейного перемещения при переходе из одного интерполяционного узла в другой существенным образом зависит от направления перемещения и положения узла в зоне обслуживания. Следовательно, проекции AI на оси в декартовой системе координат обладают теми же свойствами, т.е. имеют существенно нелинейный характер.

На рисунке 5 также приведены результаты интерполяции отрезка прямой М1,М2 в декартовой и угловой системе координат, представленные в виде полилинии 1 и 2 соответственно. Шаг интерполяции в декартовой системе координат принят, исходя из условия:

Ах=Ау=А1е (6)

где А1е - длина хорды дуги угла. Аа с радиусом окружности R.

При выполнении условия (6) замена угловой системы координат на прямоугольную правомерна. Для реализации подобного подхода необходимо разработать математическую модель преобразователя координат для двухзвенного механизма и провести сопряжение устройства на её основе с традиционной системой ЧПУ.

угловых координатах в случае задания траектории в линейных координатах: Я- радиус первого и второго звеньев механизма; :

Х1„У1,- координаты текущего положения начальной точки (центра вращения) второго звена; Х21,\'2)- координаты текущего положения конечной точки второго звена (ось инструмента); а], текущие угловые координаты первого и второго звена; Да , др- единичные приращения угловых координат первого и второго звена; Д1е- единичное линейное приращение; Дх, Ду - единичное приращение в декартовой системе координат; г,- текущий радиус окружности, образованной концом второго звена при р=соп51 и изменение а в пределах 0+2л;

М1,М2 - точки начала и конца интерполируемого отрезка прямой.

Первой задачей построения математической модели является преобразование угловой координаты точки окружности в линейные координаты с использованием целочисленной арифметики.

Решение задачи формирования следа окружности в прямоугольной системе координат широко известно в теории систем с ЧПУ и реализовано в виде стандартной функции интерполяции окружности.

Интерполяция функции окружности может быть реализована на основе цифрового дифференциального анализатора (ПДА). Теория построения и описание функционирования круговых интерполяторов широко представлены в технической литературе. Анализ показал, что в большинстве описаний опущена цепочка преобразований от выхода интерполятора до истинного положения следа инструмента в рабочей зоне оборудования. Каждый импульс унитарного кода х и у формирует задание на единичное угловое перемещение валов электроприводов А<рх=А(ру, которые затем

посредством механических преобразователей (шариковинтовая пара, тросовая система и т.д.) преобразуется в единичные линейные перемещения Ах и Ау, формируя в координатах станка заданный закон (в нашем случае дугу окружности). Обычно величина Ах и Ау, принятая в метрической системе (например 0,01 мм), соответствует единице в младшем разряде разрядной сетки интерполятора или кратно этому значению.

Планирование траектории основанное на преобразовании угловых координат в линейные реализовано с помощью структуры, показанной на рисунке 6.

САР положения электропривода

Интерпретатор

Рисунок 6 - Функциональная схема системы ЧПУ станка на базе двухзвенного механизма РКИ - реверсивный круговой интерполятор; КИ - круговой интерполятор - выполняет функции преобразования координат второго звена; ЛКИ - линейно-круговой интерполятор - предназначен для преобразования фрагмента траектории в последовательность опорных точек перемещения в режиме реального времени; ВОЦ - вычислитель оценочной функций - предназначен для формирования приращений по угловым координатам а и (J на основе анализа текущего и

заданного состояния координат рабочего инструмента (X2,Y2); XI,Y1 -текущие линейные координаты конца первого звена; У А - управляющий автомат - предназначен для синхронизации и управления блоками системы; пДр - импульсная последовательность, число импульсов которой пропорционально угловому положению второго звена (5;

Для структуры, приведенной на рисунке 6, значение А1е можно определить из соотношения:

¿К*™ <?>

где R - радиус окружности первого звена; N - число элементов разбиения окружности, соответствующее заданному А<р.

Знак приближённого равенства учитывает в общем случае неравенство дуги и стягивающей эту дугу хорды, однако при достаточно большом N ошибкой можно пренебречь. Для опытного образца устройства с параметрами К=225 мм, N=25000 отсюда А1е=0,05652 мм - точность вполне приемлемая для заявляемой области применения, причём погрешность округления при А<р=0,00025132 в уравнении (9) проявляется только в восьмом значащем знаке.

Аппаратная реализация устройства, преобразования координат в реальном масштабе времени соответствует технологическим требованиям по скорости перемещения рабочего инструмента для заявленной области применения.

Реализация компьютерной программы управления на основе способа преобразования угловых координат в линейные показала полную функциональную работоспособность предложенных решений.

В третьей главе разработана структурная модель электромеханической части комплекса, показано, что объект регулирования представляет собой систему электроприводов взаимосвязанную по трём параметрам управления: динамическая нагрузка, статическая нагрузка, задающее воздействие. Для расчёта САР выбрана динамическая модель с учётом сил трения. Структурная схема модели представлена на рисунке 7.

Для управления комплексом была разработана двухконтурная система автоматического регулирования положения первого и второго звеньев, реализованная в виде двухконтурной системы с ПИД регулятором скорости и П регулятором положения. Основным требованием при выборе параметров настройки регуляторов скорости САР является идентичность переходных характеристик по положению на входной сигнал, изменяющийся линейно. В работе расчёт параметров САР проведён для опытного образца устройства.

Синтез контуров скорости и положения системы автоматического регулирования выполнен методом построения желаемой ЛАЧХ, причём критерием настройки контура скорости второго звена выбран минимум интегральной величины рассогласования переходных характеристик по скорости для первого и второго механических звеньев.

Минимизация интегральной величины рассогласования переходной характеристики в первом приближении достигнута за счёт увеличения запасов устойчивости по модулю и фазе для контура регулирования скорости второго механического звена.

Выбор величины коэффициента передачи регулятора положения САР2 проведён с помощью модели по минимуму рассогласования углового положения звеньев 1 и 2, его значение принято равным 2400.

Рассогласование по заданному и истинному угловому положению между первой и второй САР при подаче одинакового управляющего воздействия в установившемся режиме составляет Дарр=0,02 рад. (рисунок 8, а), при пуске Да(1п=0,038 рад. (рисунок 8, б) и торможении Дарт=0,044 рад (рисунок 8 в).

Рисунок 7 — Структурная схема электромеханической части системы

U|(S), U^S) - изображение управляющего сигнала координат I и 2 (напряжение якоря); Wet(S), W^S) - передаточные функции атектрической части электродвигателей звеньев 1 и 2 соотвеилвенно; KMi, К^ - коэффициент передачи по моменту электродвигателей звеньев 1 и 2 соответственно; К«], К^ - коэффициент передачи по ЭДС электродвигателей звеньев 1 и 2

соответственно; Ki i, К21, K^i - коэффициенты сухого и вязкого трения механического звена 1 ; Kt2, К22, К«п2 -коэффициенты сухого и вязкого трения механического звена 2; WM|(S), W^S) - передаточные функции механической части электроприводов 1 и 2 соответственно; Wsj(S), W^S) - передаточные функции по положению валов электроприводов 1 и 2 соответственно; К<ь Кр - коэффициенты передачи по механическому моменту звеньев I и 2 соответственно; i - передаточное число между электродвигателями и звеньями механизма звеньями 1 и 2; Kj - коэффициент передачи по моменту инерции; I|(S), tyS) соображение ситалов тока якоря атсктродвиттедей звеньев 1 и 2 соответственно; N^pi(S), M^S) -изображение сигнала полного момента трения звеньев 1 и 2 соответственно; 4>i(S), (f^S) - изображение сигнала углового положения вала электродвигателей t и 2 соответственно; o(S),p(S)-изображения сигналов углового положения осей t и 2 механизма; FCT - изображение сигнала силы сопротивления приложенной к звеньям 1 и 2 механизма; Mpi(S), MrzCS) - дополнительные моменты при вертикальном расположении механизма; 9(S) - угол наклона отрезка траектории;/- сила сопротивления, приложенная к инструменту.

Рисунок 8 - Переходные характеристики контуров положения

САР1(кривые 1), САР2 (кривые 2), а,- равномерное движение, 6,- разгон в.- торможение.

Таким образом, синтезированные САР звеньев соответствуют заявленным требованиям в рабочем диапазоне скоростей обработки материалов.

В четвёртой главе производится конструктивная проработка переносного комплекса с поворотной платформой, реализуется опытный образец устройства и система управления. Приводятся так же проработки различных вариантов кинематических схем. Показаны возможные направления изменения конструкции за счёт изменения типа механической передачи между приводами и звеньями механизма и даются рекомендации по их применению.

Конструктивная реализация механизма, показанная на рисунке 9, состоит из корпуса (1), который неподвижно крепится над обрабатываемой поверхностью. На подшипниках качения закреплена круглая поворотная платформа (2), которая приводится во вращение электродвигателем (4), через зубчатую передачу (7). На поворотной платформе закреплена инструментальная штанга (3), перемещение которой осуществляется электродвигателем (6) посредством зубчатого сегмента (5). Расположенный на инструментальной штанге рабочий инструмент (8) перемещается в сквозном пазу (9), расположенном концентрично по отношению к центру вращения штанги. В качестве рабочего инструмента может быть использован перфоратор, устройство плазменной, гидроабразивной или лазерной резки материала; кроме того, в силу своей универсальности манипулятор пригоден для установки механического или магнитного захвата. К достоинству данной конструкции можно отнести и то, что угловой размер сквозного паза соответствует угловому размеру поворотной платформы, что повышает максимальную поддерживаемую постоянную контурную скорость в центре обрабатываемой зоны.

Устройство для растровой обработки плоского материала, показанное на рисунке 10, содержит основание, которое неподвижно крепится над обрабатываемой поверхностью. На упорно-радиальных подшипниках качения подвижно закреплена круглая колонна, которая приводится во вращение электроприводом колонны через зубчатый венец. На колонне с возможностью вращения установлено выходное звено устройства.

Перемещение выходного звена осуществляется мальтийским механизмом (1), который, взаимодействуя с кулачком (2), вращает ведущую шестерню, которая в свою очередь вращает ведомую шестерню, закреплённую на звене

Рисунок 9 - Чертеж механизма с Рисунок 10 - Чертеж устройства с поворотной платформой мальтийским механизмом

устройства, благодаря чему происходит перемещение рабочего инструмента в сквозном пазу круглой колонны. При каждом последующем взаимодействии мальтийского механизма и кулачка происходит перемещение рабочего инструмента на один шаг. При непрерывном вращении круглой колонны звено манипулятора совершает движение от края к центру, либо, наоборот, благодаря такому перемещению обрабатывается вся поверхность заготовки. Использование всего одного электропривода значительно упрощает систему управления, а, следовательно, и стоимость комплекса данного типа оборудования. Недостатком данной конструкции является невозможность осуществления контурной обработки.

Конструктивная схема и фотография изготовленного опытного образца портативного комплекса с поворотной платформой для контурной обработки стационарных поверхностей показаны на

Рисунок 11 - Схема опытного образца

Разработана и отлажена система управления электроприводами устройства на базе персонального компьютера и микроконтроллеров, функциональная схема управления станком показана на рисунке 13.

САР1

Рисунок 13 - Функциональная схема системы управления станком

ПК - персональный компьютер; МК1 - микроконтроллер семейства AVRmega, реализующий функции системы ЧПУ; МК2, МКЗ - микроконтроллеры семейства ARM9,

реализующие регуляторы CAPI и САР2 соответственно; ШИШ, ШИП2 - широтно-импульсные преобразователи приводов 1 и 2 соответственно; ДПТ1, ДПТ2 - двигатели постоянного тока электроприводов звеньев 1 и 2 соответственно; ДП1, ДП2 - датчики углового положения валов электродвигателей 1 и 2 соответственно; МО - механическое оборудование; ЭА - электроавтоматика, установленная на механическом оборудовании (датчики нулевого положения звеньев, управление вкл., откл. рабочего инструмента); COMI, COM2, COM2 - периферийные интерфейсы персонального компьютера; fl,f2 -задающая импульсная последовательность, частота которой соответствует скорости вращения вала электропривода в дискетах датчика положения, количество импульсов заданному угловому перемещению вала электродвигателей звеньев 1 и 2 соответственно;

sign fl, sign f2 - направление вращения валов электродвигателей звеньев 1 и 2 соответственно; <pl, ф2 - данные датчиков углового положения валов электродвигателей 1

и 2 соответственно.

Интерпретатор и интерполятор реализованы программным способом в составе разработанной информационно-управляющей оболочки (ИУО), устанавливаемой на персональном компьютере. Степень сходимости результатов расчётов параметров САР по скорости с данными, полученными опытным путём, удовлетворительная.

Полученная экспериментальным путём динамическая ошибка рассогласования по положению в режиме разгона составляет од=17 дискрет датчика положения, а в режиме равномерного движения Ос=8 дискрет, что достаточно близко результатам, полученным путём математического моделирования, расхождение 10% и вполне приемлемо для практического применения САР.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

I. В результате анализа существующего оборудования для контурной обработки установлено, что в сфере услуг существует потребность в переносном оборудовании для обработки стационарных поверхностей - как вертикальных, так и горизонтальных.

2. Сформулированы и обоснованы обобщённые требования к кинематической схеме, конструкции и системе управления переносного комплекса с поворотной платформой для контурной обработки стационарных поверхностей:

• два ведущих звена равной длины;

• простота, малый вес, портативность;

• максимальная технологическая скорость обработки материала до 2 м/мин при точности поддержания заданной угловой скорости не ниже

0.5.).

3. Разработан алгоритм планирования траектории перемещения двухзвенного механизма, погрешность которого составляет ±1 угловую дискрету вращения каждого из звеньев.

4. Разработана система преобразования линейных координат в угловые в режиме реального времени для задания контура с помощью стандартных CAD-CAM программ с погрешностью не более ±2 угловые дискреты вращения каждого из звеньев, что делает возможным применение комплекса в сфере услуг и в условиях малого бизнеса.

5. Путём компьютерного моделирования определены основные статические и динамические характеристики разработанных систем автоматического регулирования: рассогласование по угловому положению между первой и второй САР при подаче одинакового управляющего воздействия в установившемся режиме составляет 0,02 рад, при пуске - 0,038 рад и торможении - 0,044 рад для выбранных двигателей типа IP55 31 GS. Эти показатели могут быть улучшены при использовании мотор-редукторов.

6. Испытания опытного образца устройства, реализованного по предложенным в настоящей работе решениям, показали полную функциональную работоспособность устройства и удовлетворительную сходимость (не хуже 10%) технологических параметров с параметрами, полученными в ходе расчётов и компьютерного моделирования.

7. На основе результатов, полученных в ходе выполнения данной работы, предложен ряд вариантов конструктивного исполнения комплекса для контурной и растровой обработки материалов (патенты РФ № 2381891, 2399478,2404041).

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах Статья в ведущем рецензируемом журнале

1. Валюкевич Ю.А., Наумов И.И Устройство для силомоментной обработки плоских материалов на базе двухзвенного механизма: журнал «Научно-технические ведомости СПбГПУ» г. Санкт-Петербург: 2010.№1 (95) С. 177-181

Патенты, свидетельства о регистрации программного продукта

2. Пат. 2381891 Российская Федерация, МПК B25J11/00 Манипулятор / Ю.А. Валюкевич, И.И. Наумов, A.A. Зеленский, О.Г Толстунов; заявитель и патентообладатель ЮРГУЭС - № 2008122861/02. Заявл. 06.06.2008. Опубл. 20.02.2010, Бюл. №5.-4 е.: ил.

3. Пат. 2399478 Российская Федерация, МПК B25J11/00. Манипулятор Г Ю.А. Валюкевич, И.И. Наумов, A.B. Алепко; заявитель и патентообладатель ЮРГУЭС. - № 2008152518/02. Заявл. 29.12.2008. Опубл. 20.09.2010, Бюл. № 26. - 5 е.: ил.

4. Пат. 2404041 Российская Федерация, МПК B23Q5/22. Устройство для контактной обработки плоского материала / Ю.А. Валюкевич, И.И. Наумов, A.B. Алепко, Р.В. Заяц; заявитель и патентообладатель ЮРГУЭС. - № 2009108798/02. Заявл. 10.03.2009. Опубл. 20.11.2010. Бюл. № 32. - 4 е.: ил.

5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: №2007615207, РОСПАТЕНТ, 2008 / Отладочная информационно управляющая оболочка для системы электроприводов постоянного тока // Валюкевич Ю.А., Наумов И.И.

6. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: №2008612614, РОСПАТЕНТ, 2008 / Способ определения характеристик электроприводов для двухподвижного механизма // Валюкевич Ю.А., Зеленский A.A., Наумов И.И.

7. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: №2009611191, РОСПАТЕНТ, 2009 / Модель двухзвенного манипулятора в неортогональной системе координат // Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Алепко A.B.

Публикации в журналах, сборниках трудов, материалах конференций

8. Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Толстунов О.Г., Алепко A.B. Мехатронные системы для формирования программнозаданной траектории пространственного перемещения рабочего инструмента: монография. Шахты: ЮРГУЭС, 2009. 78с.

9. Наумов И.И. Кинематическая модель манипулятора для силомоментной обработки плоских материалов: сб. науч. тр. «Информационные системы и технологии. Теория и практика». - Шахты: ЮРГУЭС, 2011. С. 148-151

10. Наумов И.И., Алепко A.B. Манипулятор для обработки и раскроя плоского материала / Материалы Всероссийского смотра конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2008» Новочеркасск: 2008. С. 98-100

11. Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Алепко A.B. Двухзвенный манипулятор для силомоментной обработки плоских материалов: сборник трудов межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая весна - 2009». Новочеркасск: НПИ, 2009. С. 97-100

12. Наумов И.И., Алепко A.B., Толстунов О.Г. Станок для обработки плоских поверхностей на основе вырожденного двухзвенного манипулятора / Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии». - Шахты: ЮРГУЭС, 2009 С. 19-20

13. Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Алепко A.B. Двухзвенный механизм с повышенными силомоментными показателями: сборник трудов международной научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ - 2009)». Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2009. С.157-162

14. Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Алепко A.B. Двухзвенный силомоментный манипулятор: сборник трудов седьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2009. С. 309-311

15. Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Алепко A.B. Компьютерная модель двухзвенного манипулятора с повышенными силомоментными характеристиками: сборник научных трудов «Информационные системы и технологии. Теория и практика». Шахты: ЮРГУЭС, 2009. С. 85-88

16. Система управления технологическими объектами: материалы Всероссийского смотра - конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2007» / A.A. Зеленский, И.И. Наумов. Новочеркасск: 2007. С. 314-316

17. Наумов И.И., Алепко A.B. Зависимость величины единичного перемещения от координат рабочей точки в вырожденном двухзвенном манипуляторе / Материалы международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Перспектива -2010». Том 5. -Нальчик: Каб.-Балк. ун-т., 2010. С. 279-282

Подписано в печать 25.05.2011г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Ризография. Усл.п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак.15. Отпечатано в типографии: ИП Бурыхина Б.М. Адрес типографии: 346500, Ростовская обл., г.Шахты, ул. Шевченко, 143.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Аналитический обзор конструктивных и технологических особенностей оборудования для контурной обработки предприятий сферы услуг

1.1 Системы контурной обработки, использующие линейные направляющие в прямоугольной системе координат

1.2 Системы контурной обработки, построенные на базе манипуляторов

1.3 Системы числового программного управления

1.4 Решение кинематических задач для двухзвенного манипулятора типа «Бсага»

1.5 Выводы

ГЛАВА 2. Синтез алгоритмов планирования траектории перемещения рабочего инструмента для двухзвенного механизма

2.1 Планирование траектории перемещения рабочего инструмента на основе решения прямой и обратной задач кинематики механизма ^

2.2 Математическая модель кинематики двухзвенного механизма на основе ЦЦА и планирование траектории в прямоугольной системе координат

2.3 Выводы

ГЛАВА 3. Синтез и исследование САР положения звеньев устройства

3.1 Определение математической модели электромеханической части системы

3.2 Синтез следящей САР углового положения электроприводов звеньев механизма ^

3.3 Выводы

ГЛАВА 4. Разработка, реализация и экспериментальное исследование комплекса контурной обработки стационарных поверхностей ^ ^

4.1 Варианты конструкций механической части устройства и их анализ

4.2 Сравнительный анализ возможных способов реализации систем ЧПУ для комплекса

4.3 Экспериментальное исследование опытного образца устройства и разработка рекомендаций по его промышленной реализации

4.4 Выводы 143 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 146 ПРИЛОЖЕНИЕ А 157 ПРИЛОЖЕНИЕ Б 164 ПРИЛОЖЕНИЕ В

Развитие малых форм производства в сфере услуг определяет ряд требований к производительности и эксплутационной доступности производственного оборудования для металлообработки, деревообработки, обработки камня и т.д. При этом существенно повышаются требования к энергоэффективности и материалоёмкости и стоимости оборудования. Применение обрабатывающего оборудования в условиях малого бизнеса предъявляет также весьма высокие требования к снижению сложности эксплуатации и обслуживания оборудования, так как работы в условиях малого предприятия ведутся с привлечением малого количества обслуживающего персонала с невысоким уровнем квалификации. По этой причине система управления станками, применяемыми на этих предприятиях должно быть предельно простым и интуитивно понятным работнику — начиная с задания управляющей программы, заканчивая, обслуживаем комплекса оборудования.

Основным оборудованием обработки плоских и рельефных изделий в настоящее время из различных материалов (дерево, пластик, металл и т.д.) являются координатные столы. При массе несомненных достоинств по точности и скорости обработки подобные технические решения являются стационарными, что вносит существенные ограничения для применения этого оборудования в сфере услуг по производству элементов дизайна и интерьеров жилых помещений.

В последнее время для обработки плоских заготовок с целью получения контурных изделий всё чаще используются бесконтактный способ обработки (лазерная, гидроабразивная и плазменная). Также некоторое распространение для бесконтактной обработки материалов получили роботы-манипуляторы. Однако область их применения весьма незначительна в виду сложности программного обеспечения для подготовки управляющих программ и аппаратно-программной реализации систем управления, что делает невозможным их применение в сфере малого предпринимательства ввиду высокой стоимости. Механическая обработка с помощью манипуляторов используется довольно редко из-за низких динамических характеристик и существенной ограниченности зоны обработки.

В заявляемой области применения оборудования, а именно, изготовление изделий из дерева, пластика, металла и камня по индивидуальным заказам потребителей в виде единичных экземпляров и мелких серий, можно предложить механическое устройство станка на базе двухзвенного механизма с повышенными по сравнению с традиционным манипулятором прочностными характеристиками и отсутствием редукторов в приводе звеньев в явном виде. Роль редуктора в этом случае выполняют несущие элементы конструкции звеньев манипулятора. Подобное техническое решение при некотором снижении точности позиционирования рабочего инструмента позволяет добиться улучшения других технических характеристик станка (материало и энергоёмкость, сложность конструкции) и повысить конкурентоспособность по сравнению с конструкциями на базе координатного стола. Особенно большое значение имеет существенное снижение стоимости конечного образца подобного оборудования. Предложенное техническое решение переносит часть функций, традиционно решаемых в области механики, в область программно-аппаратной системы управления станком. При этом для подготовки управляющих программ обработки изделий могут использоваться широко распространенные в настоящее время CAD и САМ системы, используемые для станков с системой ЧПУ.

Областью применения станков с предложенной кинематической схемой могут являться как традиционные области контактной и бесконтактной обработки различных материалов, так и использование устройства в качестве манипулятора с высокой нагрузочной способностью (в сравнении с существующими манипуляторами).

Расширение сферы услуг с применением предложенного комплекса достигается за счёт реализации портативного варианта устройства и различных способов крепления заготовки, в том числе расположение устройства на поверхности заготовки в любом её месте и возможность работы на вертикально расположенной поверхности.

Соответствие диссертации плану работы ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с государственным контрактом на производство научно-технической продукции в рамках ЕЗН по теме «Теоретические основы построения систем управления мехатронным устройством для формирования программнозаданной траектории пространственного перемещения рабочего инструмента» 2009 г., государственным контрактом по программе УМНИК «Разработка механизмов и программно-аппаратных средств транспортных и технологических машин», государственным контрактом № 7234р/10119 от 11.06.2009, а также в рамках прикладной НИР по теме «Синтез системы автоматического управления манипулятором с подвесом схвата на гибких звеньях» от 01.01.2011. Исследования, связанные с организацией передачи по радиоканалу сигналов управления на вращающуюся платформу, выполнены по проекту №2.1.2/1127 (ЮРГУЭС-1.09.Ф) аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» «Теоретические основы построения СФ-блоков для СВЧ систем связи и телекоммуникации нового поколения» и в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы «Теоретические основы синтеза методов обработки цифровых сигналов в условиях априорной неопределённости и их практическая реализация в информационно-телекоммуникационных и вычислительных системах», №02.740.11.5130 от 09.03.2010.

Цель и задачи исследования. Целью данной диссертационной работы является разработка переносного комплекса с поворотной платформой для контурной обработки стационарных поверхностей в сфере услуг.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

• создание кинематической схемы механизма с поворотной платформой и точкой приложения вращающего момента на расстоянии, равном радиусу звена относительно оси вращения;

• разработка алгоритмов планирования траектории перемещения рабочего инструмента по заданному контуру;

• определение методики оценки линейной погрешности разработанных алгоритмов планирования (интерполяции) траектории;

• компьютерное моделирование разработанных алгоритмов управления угловыми координатами звеньев в соответствии с принятыми законами управления;

• разработка и изготовление опытного образца комплекса, реализующего предложенную кинематическую схему и программно-аппаратную систему управления;

• проведение комплексного теоретико-экспериментального исследования опытного образца устройства и оценка его технических характеристик.

Объектом исследования является переносное устройство для контурной обработки листовых заготовок и стационарных поверхностей.

Предметом исследования является процесс планирования механизмом с поворотной платформой траектории перемещения рабочего инструмента.

Методология и методы исследования. Решение поставленных задач диссертационного исследования осуществляется на основе методов и средств теоретической механики, теории машин и механизмов, теории автоматического регулирования, а также экспериментальных методов исследования, методов синтеза цифровых и микропроцессорных систем управления. Исследования проведены с использованием современных компьютерных средств моделирования.

Научная новизна:

• установлена зависимость между угловыми координатами звеньев и прямоугольными координатами траектории инструмента;

• разработана методика планирования (интерполяции) траектории рабочего инструмента для механизма с поворотной платформой;

• установлена зависимость линейной погрешности от углов поворота начальных звеньев и размеров звеньев для предложенных интерполяционных алгоритмов.

Практическая ценность:

• предложена схема мехатронного комплекса с поворотной платформой для перемещения рабочего инструмента по заданному контуру;

• реализованы компьютерные модели алгоритмов планирования траектории рабочего инструмента, на основе которых созданы программные модули управления перемещением двухзвенного механизма;

• предложена методика определения статических моментов сопротивления движению элементам устройства при механической обработке материалов;

• предложены варианты механической части переносного комплекса контурной обработки стационарных поверхностей.

Достоверность полученных результатов работы подтверждается обоснованностью принятых допущений, корректным применением методов аналитической геометрии, теоретической механики, теории автоматического регулирования, адекватностью результатов, полученных на основе математических и компьютерных моделей и результатов, полученных в ходе опытной эксплуатации рассматриваемого комплекса.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы излагались в научных статьях и докладывались на Международной научно-технической мультиконференции «Мехатроника, автоматизация, управление», МАУ-2009, (Дивноморское, 2009г.), на VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2009г.), на научно-технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2007 - 2010 гг.) и Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) (г. Новочеркасск, 2007 — 2009 гг.). Разработка экспонировалась на выставках разного уровня, в том числе на «Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи» НТТМ-2010, (г.Москва, ВВЦ, 2010г.), «I Молодёжном инновационном конвенте Южного федерального округа» (г.Ростов-на-Дону, 2009г.), и выставках-ярмарках в г. Новочеркасске, ИННОВ-2007, ЭВРИКА 2007 и ЭВРИКА 2008.

Полностью работа обсуждалась и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Радиоэлектронные системы» ГОУ ВПО ЮРГУЭС с участием ведущих преподавателей кафедр «Прикладная механика и конструирование машин», «Математика», «Энергетика и i безопасность жизнедеятельности», «Информационные системы и радиотехника».

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 10 работ, в том числе одна из перечня ВАК, а также получено 3 патента на изобретение, 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и издана монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и содержит 156 страниц машинописного текста, 92 рисунка, 2 таблицы и список литературных источников из 105 наименований.

4.4 Выводы

4.4.1 Приведены результаты конструктивной проработки четырёх вариантов механической части оборудования. Показаны возможные направления изменения конструкции за счёт изменения типа механической передачи между приводами и звеньями механизма.

4.4.2 Разработан и изготовлен опытный образец портативного комплекса контурной обработки материалов на базе механизма с двумя поворотными звеньями. Разработана и отлажена система управления электроприводами устройства на базе персонального компьютера и микроконтроллеров с учетом компенсации зазоров в зубчатых передачах.

4.4.3 Приведены результаты разработки информационно-управляющей оболочки выполняющей функции общего управления комплексом, а так же планирования траектории (интерполяции) по двум алгоритмам, разработанным в главе 3 диссертационной работы.

4.4.4 Наглядно представлена достаточно высокая степень идентичности рисунков и следовательно возможность использования обоих разработанных алгоритмов планирования траектории (интерполяции) для практических целей.

4.4.5 Показана приемлемая степень сходимости результатов расчётов параметров САР по скорости, с данными, полученными опытным путём, максимальное расхождение по времени достижения установившегося.

4.4.6 Динамическая ошибка рассогласования по положению полученная экспериментальным путём в режиме разгона составляет ад=17, и в режиме равномерного движения ос=8, что достаточно близко результатам полученным путём математического моделирования, расхождение 10%, и вполне приемлемо для практического применения САР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена достаточно актуальная научно-техническая задача создания портативного комплекса контурной обработки стационарных поверхностей на базе механизма с двумя поворотными звеньями. Для использования в сфере оказания услуг по изготовлению элементов дизайна помещений предприятиями малого бизнеса. При выполнений исследований получены следующие выводы и результаты, имеющие научное и практическое значение:

1. В результате анализа существующего оборудования для контурной обработки установлено, что в сфере услуг существует потребность в переносном оборудовании для обработки стационарных поверхностей — как вертикальных, так и горизонтальных.

2. Сформулированы и обоснованы обобщённые требования к кинематической схеме, конструкции и системе управления переносного комплекса с поворотной платформой для контурной обработки стационарных поверхностей:

• два ведущих звена равной длины;

• простота, малый вес, портативность;

• максимальная технологическая скорость обработки материала до 2 м/мин при точности поддержания заданной угловой скорости не ниже 0,5%).

3. Разработан алгоритм планирования траектории перемещения двух-звенного механизма, погрешность которого составляет ±1 угловую дискрету вращения каждого из звеньев.

4. Разработана система преобразования линейных координат в угловые в режиме реального времени для задания контура с помощью стандартных CAD-CAM программ с погрешностью не более ±2 угловые дискреты вращения каждого из звеньев, что делает возможным применение комплекса в сфере услуг и в условиях малого бизнеса.

5. Путём компьютерного моделирования определены основные статические и динамические характеристики разработанных систем автоматического регулирования: рассогласование по угловому положению между первой и второй САР при подаче одинакового управляющего воздействия в установившемся режиме составляет 0,02 рад, при пуске - 0,038 рад и торможении - 0,044 рад для выбранных двигателей типа 1Р55 ЗШБ. Эти показатели могут быть улучшены при использовании мотор-редукторов.

6. Испытания опытного образца устройства, реализованного по предложенным в настоящей работе решениям, показали полную функциональную работоспособность устройства и удовлетворительную сходимость (не хуже 10%) технологических параметров с параметрами, полученными в ходе расчётов и компьютерного моделирования.

7. На основе результатов, полученных в ходе выполнения данной работы, предложен ряд вариантов конструктивного исполнения комплекса для контурной и растровой обработки материалов (патенты РФ № 2381891, 2399478, 2404041).

1. Автоматизированный электропривод с упругими связями: книга для инженеров и научных работников / Ю.А. Борцов, Г.Г. Соколовский; 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: Энергоатомиздат, 1992. 288 с.

2. Автоматическое управление: учебник / Гальперин M.B. М.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2004. 224 с.

3. Аналитическая геометрия: учеб. для вузов / А.Н. Канатников, А.П. Крищенко; 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 388 с.

4. Анхимюк B.JI. Теория автоматического управления: учеб. пособие для втузов / 3-е изд., перераб. и доп. Минск: Вышэйш. школа, 1979. 350 с.

5. Асанов А.З. Введение в математическое моделирование динамических систем: учеб. пособие / Казань: изд. Казанского гос. университета, 2007. 205 с.

6. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: учеб. пособие для втузов / Ю.И. Топчеев. М.: Машиностроение, 1989. 752 с.t

7. Барыльник Д. В. Электромеханическая система компенсации силы тяжести с асинхронным частотно-регулируемым электроприводом: диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук /Новочеркасск 2009. 171 с.

8. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учеб. для вузов / 3-е издание. М.: Академия, 2007. 576с.

9. Бесекерский В.А., Герасимов А.Н., Лучко C.B., Небылов A.B. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1978.512 с.

10. Босинзон М. А. Современные системы ЧПУ и их эксплуатация. М.: Академия, 2008. 192с.

11. Бутенин Н.В. Введение в аналитическую механику. М.: Наука, 1971. 364 с.

12. М.Валюкевич Ю.А., Наумов И.И Устройство для силомоментной обработки плоских материалов на базе двухзвенного механизма: журнал «Научно-технические ведомости СПбГПУ» г. Санкт-Петербург: 2010. №1 (95) С. 177-181

13. Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Алепко A.B. Двухзвенный механизм с повышенными силомоментными показателями: сборник трудов международной научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ 2009)». Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2009. С.157-162

14. Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Алепко A.B. Компьютерная модель двухзвенного манипулятора с повышенными силомоментными характеристиками: сборник научных трудов «Информационныесистемы и технологии. Теория и практика». Шахты: ЮРГУЭС, 2009. С. 85-88

15. Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Толстунов О.Г., Алепко A.B. Мехатронные системы для формирования программнозаданной траектории пространственного перемещения рабочего инструмента: монография. Шахты: ЮРГУЭС, 2009. 78с.

16. Введение в MatLab. Часть 1: учеб. пособие / JI. Мироновский, К. Петрова. СПб.: ГУАП, 2005. 201 с.

17. Введение в MatLab. Часть 2 Текст.: учеб. пособие / Л. Мироновский, К. Петрова. СПб.: ГУАП, 2006. 164 с.

18. Веселовский И.Н. Динамика. М.: государственное издательство технико-теоретической литературы, 1941. 128 с.23 .Воронков И.М. Курс теоретической механики. М.: главная редакция физико-технической литературы, 1964. 596 с.

19. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике: справочник / М.: ACT: Астрель, 2006. 991с.

20. Герман-Галкин С. Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК: учеб. / М.: Корона-Век, 2008. 368 с.

21. Гулиа Н.В., Клоков В.Г., Юрков С.А. Детали машин. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 416 с.

22. Дащенко А.Ф. MATLAB в инженерных и научных расчетах: монография / Одесса, 2003. 214 с.

23. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы: справочник / пер. с англ. 2-е изд., испр. М.: Наука, Гос. изд. физ-мат. лит., 1966.228 с.

24. Динамика свободного твёрдого тела и определение его ориентации в пространстве / под общ. ред. В.И. Чернецкого. Л.: издательство ленинградского университета, 1968. 209 с.

25. Дифференциальные уравнения: учеб. для вузов / С.А. Агафонов, А.Д. Герман, Т.В. Муратова; 3-е изд., стер. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 352 с.

26. Егоров В.Н., Шестаков В.М. Динамика систем электропривода. М.: Энергоавтомиздат, 1983. 216 с.

27. Емельянов В.Ю. Методы моделирования стохастических систем управления: учеб. пособие / СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2004. 168 с.

28. Иванов Г.М., Левин Г.М., Хуторецкий В.М. Автоматизированный многодвигательный электропривод постоянного тока. М.: Энергия, 1978. 160 с.

29. Инженерная и компьютерная графика: учеб. для вузов / A.A. Пузиков, Б.Г. Миронов, Д.А. Пяткина, P.C. Миронова. М.: Высшая школа, 2004. 336 с.

30. Исследование систем управления: учеб. / A.B. Игнатьева, М.М. Максимцов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. 157 с.

31. Калачев О.Н. Компьютерно-интегрированное машиностроение и CAD/CAM Cirnatron // Информационные технологии. 1998. - №10. С.43-47, 49.

32. Компьютерная графика: учеб. для вузов / В. Молочков, М. Н. Петров. СПб.: Питер, ISBN: 5-318-00430-Х, 2002. 736 с.

33. Компьютерная графика: учеб. для вузов / В. П. Молочков, М. Н. Петров СПб.: Питер, 2004. 816 с.

34. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании: учеб. пособие / Ю.В. Васильков, H.H. Василькова М.: 2002.-256 с.

35. Костюкова Н. И. Введение в компьютерную графику. Методические рекомендации: пособие для вузов / Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003. 80 с.

36. Кошкин, B.JI. Аппаратные системы числового программного управления: практ. пособие. М. : Машиностроение, 1989. 245 с.

37. Куропаткин П.В. Теория автоматического регулирования. М.: Высшая школа, 1973. 528 с.

38. Лазарев Ю.Г. Моделирование процессов и систем в MATLAB: учеб. пособие / СПб.: Питер, 2005. 300 с.

39. Математическое и компьютерное моделирование процессов и систем в среде MATLAB/SIMULINK: учеб. пособие / В.В. Васильев, Л.А. Симак, A.M. Рыбникова. К.: HAH Украины, 2008. 91 с.

40. Математическое моделирование и компьютерный эксперимент: учеб. пособие / М .А. Артемов, E.H. Коржов. Воронеж: ВГУ, 2001. 64 с.

41. Мерчанский Д.П. Зуборезное дело. М.: Машиностроение, 1969. 224 с.

42. Методы синтеза систем управления: Матрично-структурные преобразования и алгоритмы управляющих ЦВМ /В.В. Барковский; под ред. A.C. Шаталова. 2-е изд.перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1981.277 с.

43. Минков, К. Неортогонолизм в природе и машиностроении / Труды ИМБМ София: изд-во Болг.АН, 1988. с. 174-180.51 .Моделирование систем: учебное пособие / О.Н. Авдеев, Л.В. Мотайленко. СПб.: СПбГТУ, 2001.170с.

44. Моделирование: системное, имитационное, аналитическое: учеб. пособие / O.A. Петухов, A.B. Морозов, Е.О. Петухова. СПб.: СЗТУ, 2008. 288 с.

45. Морговский Ю.Я., Рубашкин И.Б., Гольдин Я.Г. Взаимосвязанные системы электропривода. Л.: Энергия, 1972. 200 с.

46. Мураховский В.И. Компьютерная графика: учеб. для вузов / М.: АСТ-ПРЕСС, 2002. 640 с.

47. Наумов И.И., Алепко A.B. Мехатронное устройство для силомоментной обработки плоских материалов на базе двухзвенного манипулятора: сборник трудов IV Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2009. С.207-212

48. Научная школа члена-корреспондента РАН Ю.М. Соломейцева: сборник научных трудов М.: «Янус-К», 1999. 144 с.

49. Никулин Е. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики: учеб. для вузов / СПб.: BHV Санкт Петербург, 2003. 560 с.

50. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений: учеб. для вузов / 2-е изд., перераб. и доп. Ленинград: Издательство Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1991. 304 с.

51. Основы автоматизированного электропривода / М.Г. Чиликин, М.М. Соколов, В.М. Терехов, A.B. Шинянский. М.: Энергия, 1974. 568 с.

52. Основы теории цифровых систем управления: учебное пособие / К.Ю. Поляков. СПб.: Изд.Центр СПбГМТУ, 2006. 161 с.

53. Пат. 2381891 Российская Федерация, МПК B25J11/00 Манипулятор / Ю.А. Валюкевич, И.И. Наумов, A.A. Зеленский, О.Г Толстунов; заявитель и патентообладатель ЮРГУЭС № 2008122861/02. Заявл. 06.06.2008. Опубл. 20.02.2010, Бюл. №5.-4 е.: ил.

54. Пат. 2399478 Российская Федерация, МПК B25J11/00. Манипулятор / Ю.А. Валюкевич, И.И. Наумов, A.B. Алепко; заявитель и патентообладатель ЮРГУЭС. № 2008152518/02. Заявл. 29.12.2008. Опубл. 20.09.2010, Бюл. № 26. - 5 е.: ил.

55. Подураев Ю.В., Кулешов B.C. Принципы построения и современные тенденции развития мехатронных систем / журнал Мехатроника. 2000. №1. с.5-10.

56. Подураев Ю. В. Мехатроника. Основы, методы, применение / 2-е изд., перераб и доп. М.: Машиностроение, 2007. с. 256.

57. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления Текст.: учеб. пособие для вузов / Е.П. Попов 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1989.

58. Порев В. Компьютерная графика: учеб. пособие / Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2004. 432 с.

59. Практическое моделирование динамических систем: учеб. пособие / Е.С. Бенькович, Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сениченков. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 464 с.

60. Проектирование шагового электропривода: учеб. для вузов / Б.А. Ивоботенко, В.Ф. Казаченко. М.: Моск. энерг. ин-т. 1985. 100 с.

61. Путов В.В. Адаптивное управление динамикой сложных мехатронных систем / журнал Мехатроника. 2000. №1. с.20-25.

62. Разработка программного обеспечения для систем управления электрическими двигателями: учебно-методическое пособие / A.C. Каракулов, Д.С. Аксенов, Б.В. Арещенко, B.C. Саидов. Томск: ТУСУР, 2007. 261 с.

63. Робототехника и гибкие автоматизированные производства: учеб. пособие для втузов / Ж.П. Ахромеев, Н.Д. Дмитриева, В.М. Лохин и др. М.: Высш.шк., 1986. 175 с.

64. Рубашкин И.Б. Адаптивные системы взаимосвязанного управления электроприводами. JL: Энергия, 1975. 186 с.

65. CAD/CAM/TDM. Черчение, моделирование, механообработка : практ. Пособие / A.B. Быков, В.В. Силин, В.В. Семенников, В.Ю. Феоктистов СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 320 с.

66. Cirnatron компьютерное моделирование и производство: практ. пособие/ В.И. Зильбербург, С.М. Марьяновский, В.И. Молочник, Е.И. Яблочников СПб.: КПЦ «МиР», 1998. 166 с.

67. Сабинин Ю.А. Позиционные и следящие электромеханические системы: учеб. пособие для вузов СПб.: Энергоатомиздат, 2001. 207 с.

68. Самофалов К.Г Электронные цифровые вычислительные машины. Киев: Вища школа, 1976. 480 с.

69. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: № №2007611933, РОСПАТЕНТ, 2007 / Информационно управляющая оболочка для четырехкоординатной системы ЧПУ// Валюкевич Ю.А., Зеленский A.A., Наумов И.И.

70. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: № №2007615207, РОСПАТЕНТ, 2008 / Отладочная информационно управляющая оболочка для системы электроприводов постоянного тока // Валюкевич Ю.А., Наумов И.И.

71. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: № №2008612339, РОСПАТЕНТ, 2008 / Способ определения результирующего вектора линейной скорости для неортогонального двухподвижного механизма // Валюкевич Ю.А., Зеленский.А.А., Наумов И.И.

72. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: № №2008612614, РОСПАТЕНТ, 2008 / Способ определения характеристик электроприводов для двухподвижного механизма // Валюкевич Ю.А., Зеленский.А.А., Наумов И.И.

73. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: № №2009611191, РОСПАТЕНТ, 2009 / Модель двухзвенного манипулятора в неортогональной системе координат // Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Алепко A.B.

74. Синг Дж. JI. Классическая динамика / перевод с английского JI.C. Покала. М.: государственное издательство физико-математической литературы, 1963. 448 с.

75. Система управления технологическими объектами: материалы Всероссийского смотра конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2007» / A.A. Зеленский, И.И. Наумов. Новочеркасск: 2007. С. 314-316.

76. Современный станок с ЧЕТУ и CAD/CAM система: учеб для вузов / А. Ловыгин, А. Васильев, С. Кривцов. М.: Эльф ИПР, 2006. 288с.

77. Справочник по высшей математике: справочник / A.A. Гусак, Г.М. Гусак, Е.А. Бричикова. Мн.: ТетраСистемс, 1999. 640 с.

78. Справочник по дифференциальным уравнениям с частными производными первого порядка: справочник / В.Ф. Зайцев, А.Д. Полянин. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 416 с.

79. Справочник по интегральным уравнениям: методы решения: справочник / A.B. Манжиров, А.Д. Полянин. М.: Изд-во «Факториал Пресс», 2000. 384с.

80. Справочник по математике для научных работников и инженеров: справочник / Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1974. 832 с.

81. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям: справочник / В.Ф. Зайцев, А.Д. Полянин. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. 576 с.

82. Теория Электропривода: учеб. для вузов / С.А. Ковчин, Ю.А. Сабинин. М.: Энергоатомиздат, 1994. 496 с.

83. Управление электроприводами : учеб. пособие для вузов / A.B. Башарин, A.B. Новиков, Г.Г. Соколовский. Л.: Энергоиздат, 1982. 392 с.

84. Фролов К.В., Попов С.А., Мусатов А.К., Тимофеев Г.А., Никоноров В.А. Теория механизмов и механика машин / изд. 4-е , испр. и доп. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 664 с.

85. Цифро-аналоговая система управления технологическими объектами: пятый международный научно-практический семинар «Актуальные проблемы аналоговой микросхемотехники» / Валюкевич Ю.А., Зеленский A.A., Наумов И.И. Шахты: 2007. С. 60-62.

86. Численные методы : учеб. пособие для физ.-мат. специальностей вузов / под общ. ред. Н. И. Тихонова. 2-е изд. М.: Физматлит: Лаб. базовых знаний ; СПб. : Нев. диалект, 2002. 630 с.

87. Datasheet KR5 six R650. URL: http://www.kuka-robotics.com/res/sps/f776ebab-f613-4818-9feb-527612db8dc4PF0055KR 5sixxes.pdf

88. Datasheet of KR 5 scara R550 Z200. URL: http://www.kuka-robotics.com/res/sps/f776ebab-f613-4818-9feb-527612db8dc4PF0056KR 5scaraen.pdf (дата обращения 10.02.2011)

89. Feedback Interpolators for CNC Machine Tools (article)/Lo C. CM Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 119, pp. 587-592, 1997.

90. Harashima F. Mechatronics- «What Is It, Why and How ?» /F. Harashima, M. Tomizuka, T. Fukuda// IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, vol .1, 1996.

91. Interpolator for a Computer Numerical Control System (article)/ Koren Y.// IEEE Transactions on Computers, Vol. C-25, No. 1, pp. 32-37, 1976.

92. MATLAB 7. Наиболее полное руководство / И. Ануфриев, А. Смирнов, Е. Смирнова. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 1082 с.

93. MatLab 7: программирование, численные методы: учеб. / Ю. Кетков, А. Кетков, М. Шульц. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 752 с.

94. Mechatronics: the basis for new industrial development / Editors: M. Asar, J .Macra, E. Penney// Computational Mechanics Publ., 1994.

95. Forml->Imagel->Canvas->Brush->Color = cl White; Forml->Imagel->Canvas->Brush->Style = bsSolid;

96. Form 1 ->Image 1 ->Canvas->Rectangle(0,0, Form 1 ->Image 1 ->'Width, Form 1 ->Imagel ->Height);

97. Forml->Imagel->Canvas->Brush->Style = bsClear; Xlw = 0; Ylw = 0;

98. Forml->Panel6->Color = cl Yellow; bufKomOut0. = 'S'; bufKomOut[ 1 ] = '0';1. OutKom(); }void fastcall TForml::ButtonlClick(TObject *Sender) {if(!(OpenDialogl->Execute())) return;strcpy(namfil,OpenDialog 1 ->FileName.cstr()); nachust(); DCris();

99. Forml->Editl5->Text = AnsiString(bufComlInp0.); //Form 1 ->Edit 16->Text = AnsiString(Count);if(fltstcom == 1){ fltstcom = 0; VaComm 1 ->ReadBuf(bufCom 1 Inp, 1); ch2 = bufCom 1 Inp 0.;// AnsiString(bufComlInp[0]).cstr();

100. Editl5->Text = Editl5->Text + ch2; return; }if(Count >- 3){

101. Forml->Timerl->Enabled = false; }--------------------------------------------------------------------------дешифратор сообщения UARTvoid DCJJART(void) {

102. Forml ->Editl->Text = Forml->Editl->Text + buflnp0. + bufInp[l];s witch(bufInp 1 .) {case 'O' : if(bufInp2. == '1')

103. Forml ->Shape 1 ->Brush->Color = clYellow; if(bufInp2. == '2')

104. Forml ->Shape2->Brush->Color = clYellow; break;case 'E' : if(bufInp2. =='1'){

105. ShowMessage("OfflH6Ka кода команды"); break; }if(bufInp2. = '2'){

106. ShowMessage("OmH6Ka готовности устр."); break; }case 'У : //Forml->Editl->Text Forml->Editl->Text + bufInp0. + bufInp[l]; if(flrrl = 1){

107. Forml->Shapel->Brush->Color = clLime;

108. Form 1 ->Edit 1 ->Text = Forml->Editl->Text + buflnp0. + bufInp[l]; }if(flrr2 = 1)

109. Forml->Shape2->Brush->Color = clLime; break;дешифратор сообщения голова/хвостvoid DCGH(void) {int chl;

110. Form 1 ->Edit 1 ->Text = AnsiString(fil); }if(flrr2 != 0){ delta2 = chshag;bufKomOut0. = 'R'; bufKomOut[l] = delta2 | znak2; }if((flrrl != 0) II (flrr2 != 0)){

111. OutKom(); bufKomOut2. = 0; bufKomOut[l] =0; }void OutKom(void) {

112. Forml->Timerl->Enabled = false;

113. Модели САР скорости первого и второго звеньев1. Step1. О OK!1. О 00006s»11. Galn31. Transfer Fcn4