автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Строение, кинематика и испытания шестикоординатного манипулятора для модернизации технологических машин

На правах рукописи

ШАМУТДИНОВ АЙДАР ХАРИСОВИЧ

СТРОЕНИЕ, КИНЕМАТИКА И ИСПЫТАНИЯ ШЕСТИКООРДИНАТНОГО МАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

МАШИН

Специальность 05.02.18 - Теория механизмов и машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013

0мск-2013

005058502

005058502

На правах рукописи

ШАМУТДИНОВ АИДАР ХАРИСОВИЧ

СТРОЕНИЕ, КИНЕМА ГИКА II ИСПЫТАНИЯ ШЕСТИКООРДИНАТНОГО МАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Специальность 05.02.18 - Теория механизмов и машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

0мск-2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

доктор технических наук, профессор Балакин Павел Дмитриевич, зав. каф. ТММ ОмГТУ доктор технических наук, профессор Воронов Евгений Александрович, профессор каф. ОТМ и АУ

кандидат технических наук, доцент Редреев Г.В., зав. каф. инженерной графики и механики ОмГАУ

Ведущая организация: Филиал ОМО им. П.И. Баранова ФГУП

«НПЦ газотурбостроения «Салют» г. Москва

Защита состоится 24 мая 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.178.06 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. 0мск-50, пр. Мира, 11, ауд. 6-340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. 0мск-50, пр. Мира, 11.

Электронная почта: dissovet_omgtu@omgtu.ru Автореферат разослан «24» 04 2013 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.178.06 к.т.н., профессор /укб^^

В.Н. Бельков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Механизмы пространственных манипуляторов с развитой системой приводов широко используют для автоматизации отдельных технологических операций, расширению возможностей технологического оборудования, для создания тренажеров, имитирующих кинематическое возбуждение от дорожного полотна или траекторий безопорного движения и др. Совокупное действие приводов позволяет реализовать любое пространственное движение исполнительного органа в пространственной зоне функционирования. Манипуляторы имеют, как правило, цифровую систему управления исполнительным движением, что позволяет получить любой вид движения и изменять его характеристики. Сложность системы управления в значительной мере зависит от схемного решения манипулятора, поскольку парциальные движения от отдельных приводов являются связанными. Кроме того, результирующее движение зависит от последовательности исполнения парциальных движений, особенно угловых движений, поворотов. Так, например, широко используемая в различных тренажерах схема манипулятора по типу «платформы Стюарта» имеет жесткую связь всех парциальных движений, формируемых шестью электромеханическими или гидравлическими приводами. Система управления движением платформы Стюарта является сложной, однако в силу востребованности, платформа Стюарта отработана и реализована в серийном производстве. Тем не менее, актуальной остается задача синтеза пространственного манипулятора общего вида с независимыми парциальными движениями, включая независимость последовательности их исполнения, с целью упрощения системы управления исполнительным движением.

Цель диссертационной работы: расширение возможностей технологических машин путем оснащения их пространственными манипуляторами общего вида с шестью независимыми парциальными движениями, включая независимость последовательности их исполнения с целью упрощения системы управления исполнительным движением.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка всего семейства модифицированных схем привода платформы типа «платформа Стюарта», исследование схем по критерию жесткости, выбор рационального технического решения.

2. Разработка оригинального схемного и технического решения пространственного манипулятора с независимыми парциальными движениями.

3. Определение кинематических свойств предлагаемого шестикоординатного пространственного манипулятора.

4. Определение приведенной жесткости модели пространственного манипулятора и предварительный расчет собственных частот.

5. Создание кинетостатической модели пространственного манипулятора, в составе технологического оборудования, в условиях переменного внешнего нагруже-ния.

6. Разработка макетного образца пространственного манипулятора и проведение его испытаний для уточнения выводов и принятых решений.

На защиту выносятся:

1. Доказательство эффективности модернизации технологического оборудования оснащением его манипуляторами пространственного типа.

2. Техническое решение пространственного манипулятора общего вида с шестью независимыми парциальными движениями, включая независимость последовательности их исполнения.

3. Возможность создания универсального пространственного манипулятора на базе унифицированных узлов.

Научная новизна:

- Разработка критерия оценки жесткости систем с параллельной структурой.

- Доказательство возможности реализации значительных парциальных перемещений в любой их комбинации для достижения конечного движения исполнительного органа пространственного манипулятора

Практическая значимость полученных результатов

- Создание технических решений манипуляторов с динамическими характеристиками, сравнимыми с характеристиками основного оборудования.

- Разработан алгоритм синтеза механических замкнутых стержневых систем с внутренними входами по исполнительному движению и жесткости их конфигураций.

- Предложено оригинальное схемное решение шестикоординатного манипулятора позволяющего доказать возможность реализации значительных парциальных перемещений в любой их комбинации и достижения конечного движения исполнительного органа пространственного манипулятора.

- Определена приведенная жесткость предложенного оригинального пространственного манипулятора, произведен предварительный расчет собственных частот колебаний, проведены испытания и определен диапазон рабочих режимов модернизированного технологического оборудования.

- Предлагаемое техническое решение механизма шестикоординатного манипулятора можно реализовать унифицированными узлами, что перспективно к использованию в технологических машинах машиностроительных производств.

- Результаты работы приняты к использованию в Филиале «ОМО им. П.И. Баранова» ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» г. Москва для разработки варианта конструкции шлифовалыго-заточного станка с параллельной структурой и математического обеспечения для его управления.

Достоверность результатов обусловлена корректностью допущений применяемых при моделировании и подтверждением предлагаемых в работе теоретических зависимостей результатами экспериментальных исследований, выполненных как автором, так и другими исследователями. Эксперимент проведен с использованием аттестованного электронного прибора - виброанализатора «Диана-2М».

Личный вклад автора:

- развитие элементов теории строения стержневых многоповодковых структур механизмов: математические зависимости для определения общего числа вариантов схем многоповодковых механизмов, классификационные таблицы многоповодковых механизмов, критерий оценки схемных решений манипуляторов;

- отработка технических решений вариантов пространственных манипуляторов;

- разработка технического решения пространственного механизма манипулятора, подтвержденного патентом 120599 ГШ МПК В25Л/00. Бюл. № 27. 2012;

- технический проект и изготовление опытных образцов (макетов): модернизированной платформы Стюарта и предлагаемого пространственного манипулятора;

- испытания опытных образцов технических решений манипуляторов;

- Разработка алгоритма определения геометрических, кинематических и силовых соотношений, а также динамических параметров шестикоординатного манипулятора.

Методы исследований. Разработка и исследование шестикоординатного пространственного манипулятора для технологических машин основано на приложениях математики, аналитической механики, теории механизмов и машин, теории упругости и динамики механических систем. Разработка алгоритма анимационной модели проведена с помощью программы 30 Мах.

Апробация работы. По направлению исследования получен патент на полезную модель, опубликовано 13 статей, результаты работы докладывались на 3 Международных (Одесса, Москва, Омск 2012 г.) научно-практических конференциях; обсуждалась на кафедре Теории механизмов и машин ОмГТУ, на межкафедральном семинаре «Проблемы прикладной механики» при ОмГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе в 7 рецензируемых изданиях из перечня ВАК, рекомендуемых для публикации результатов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 175 страниц текста, 94 рисунка и поясняющих схем, 7 таблиц, списка литературы из 120 наименований и Приложения из 18 страниц (26 рисунков, Копия Свидетельства-сертификата на аттестацию виброанализатора «Диана-2М» и Копия Гражданско-правового договора с Актом его выполнения по внедрению).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности задачи синтеза пространственного манипулятора общего вида с независимыми парциальными движениями, включая независимость последовательности их исполнения с целью упрощения системы управления исполнительным движением.

В первой главе рассмотрены характеристики технологического оборудования нетрадиционной компоновки (ТОНК) и их анализ, в частности по критериям точности и жесткости. Представлен обзор оборудования нетрадиционной компоновки, его достоинство и недостатки. Изложена цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы.

Во второй главе приведены основные положения принципа конструирования механических систем с внутренними входами. Рассмотрены некоторые схемные решения ТОЫК и области их применения. Выделена проблема модернизации станочного оборудования с ЧПУ и поставлена задача поиска схемного решения механизма с замкнутой системой параллельной структуры, жесткость которого бы не уступала технологическому оборудованию традиционной компоновки, но система управления движением была бы простой. Разработаны алгебраические зависимости для определения общего числа вариантов многоповодковых механизмов, в зависимости от числа приводов и общего числа поводков (1) - (2):

Кс,7 =2" -1

(1)

к;. = с;, (2)

где количество вариантов механизмов /-ой группы, в зависимости от числа приводов т и числа поводков п, К„, - общее количество вариантов механизмов, составленных из /-ой структуры, имеющей я-поводков, С™ - это число яг-сочетаний из п

элементов. Например, для группы е5: у° = с" = = 1, К',=С'= —= 4,

0!-4! 11-3!

Ул\ = С; = —- = 6, V ,

4.5 4 2,_2! 4..

= с; = — = 4; к;5 =с44 ЗМ!

4!-0!

= 1> Кл=24—1=15, что соответствует

действительности (рис. 1).

Рис. 1. Варианты механизмов группы е;

Составлены классификационные таблицы (Табл. 1 - 2) многоповодковых механизмов манипуляторов: в табл. 1 симметричные структуры с одинаковой длиной поводков; в табл.2 структуры в общем виде, т.е. у которых поводки имеют разную длину.

Таблица 1

с I Л А N И Ж Я Е Ж Ж ш м т II Ж ш ш Ж Ж Ж

е| К," ез Сз ев в7 е* ею еп в|2 еп ем еи еп е.! е,9 егп

V". 11,1 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1 1 1 I I 1 1 1 1 I 1

к'. 1 1 1 3 1 2 3 3 3 3 5 5 1 2 3 6 6 6 6 6

Vг. и.» 1 1 3 3 4 4 6 6 6 10 10 4 4 9 15 15 15 15 15

К, 1 1 1 2 3 6 6 6 10 10 4 6 10 20 20 20 20 20

К 1 1 1 3 3 3 5 5 4 4 9 15 15 15 15 15

к, 1 1 1 1 1 1 2 3 6 6 6 6 6

к 1 1 1 1 1 1 1 1

к, 2 3 4 8 7 10 12 20 20 20 32 32 16 20 36 64 64 64 64 64

Таблица 2

С I Л А N И Ж Ж Ж Ж Ж ш Ж № Ж Ж ш № Ж Ж Ж

К" е. е2 е3 е4 е5 е8 е7 е» е, ею ем е,2 ец еи е!5 ек. еп ец е19

С 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I

К 1 2 3 3 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6

К: 1 3 3 6 6 6 10 10 10 10 10 15 15 15 15 15 15 15 15

К, 1 1 4 4 4 10 10 10 10 10 20 20 20 20 20 20 20 20

к. 1 1 1 5 5 5 5 5 15 15 15 15 15 15 15 15

к 1 1 1 1 1 6 6 6 6 6 6 6 6

к, 1 1 1 1 1 1 1 1

Кп1 2 4 8 8 16 16 16 32 32 32 32 32 64 64 64 64 64 64 64 64

Предложен критерий оценки жесткости многоповодковых структур - коэффици-

. .. „ Ю2 Пч

ент симметричности ;-ои группы:

где (К„!) 1 и (К„,)2 - это количество структур механизмов ;'-ой группы, соответственно в табл. 1 и табл. 2. Для наглядности выпишем значения 51/ в табл. 3.

Таблица 3

С I N ш д& ш ш Ж Ж Ж Л Я Ж ж Ж Ж ж А И Ж №

е1 е. е4 еп <=12 е,7 ец е19 его ег е? ч е8 е, вю е15 ез ем еи

1 1 1 1 1 1 1 1 I 1,33 1,33 1,6 1,6 1,6 1,6 1,78 2 2,29 3,2 4

Анализируя данные табл. 3 видно, что максимальные значения коэффициентов симметричности имеют группы: е„ (.9/5=1,78), №=2), е5 (5у=2), е5 ($5=2,29), еы

еи (5/^-4). По возрастанию коэффициента симметричности, выделим цепь: 1) ец-^-вз—*е5—*в14~>е,}. Выделяя из цепи 1) только шестиповодковые механизмы, выделяем ещё одну цепь: 2) е15-^вы-*е13 или Я,/3,2)-» Группы е5 и в3, представляют собой «модули» для сборки шестиповодковых механизмов. Как отдельные механизмы они нашли широкое применение в робототехнике, в виде: трех -и четырёхкоординатных манипуляторов. Структуры: е,3 (платформа Стюарта), е5 и е3 по своим кинематическим и динамическим свойствам описана уже довольно подробно во многих источниках литературы. Поэтому большой интерес представляет собой исследование малоизученной группы е,4. На основе ее анализа, для исследования, предложено схемное решение модернизированной структуры (е/4) классической платформы Стюарта (рис. 2).

Рис. 2. Механизм структуры ем Проведены эксперименты по определению движения, а также статических (рис. 3, 5) и динамических характеристик (рис. 4, 6, 7) модернизированной платформы и сделаны выводы, что в данном механизме не удается сделать движения независимыми и,

в соответствии с этим, система управления движением исполнительного органа манипулятора остается сложной.

Поставлена задача поиска принципиально иного схемного решения пространственного манипулятора, парциальные движения которого были бы независимыми.

Магнитная стойка с индикатором

Виброанализатор

Вибродатчики

Рис. 4. Снятие динамических характеристик платформы б)

Вннт

домк

Рис. 3. Определение статической жесткости платформы

а)

Зависимость перемещения от нагрузки при растяжении

1— (нижняя точка рабочей зо ны}

—■ —*

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Нагрузка, Н

Зависимость перемещения от нагрузки при растяжении

Рис. 5. а) и б) Зависимости перемещения подвижной платформы от нагрузки

Рис. 6. Временная реализация колебаний платформы при максим, жесткости

Рис. 7. Частотный спектр колебаний платформы при максим, жесткости

@-10

Рис. 8. Пространственный механизм шестикоординатного манипулятора по патенту №120599

В третьей главе для поиска схемного решения пространственного манипулятора. парциальные движения которого были бы независимыми, с позиций аналитической механики, рассмотрены свойства конечных перемещений твердого тела (рабочего органа) и комбинации сложения его движений. Как перспективный, в реализации унифицированной конструкции манипулятора, выделен вариант сложения движений -пара двух одинаковых встречных конечных вращений, которые эквивалентны поступательному перемещению (рис. 8). —'

Позиции на рис. 8: 1-установочное звено (рабочий стол); 2-опорно-поворотное устройство; 3-наклонная платформа; 4, 12, 13- приводы поступательного перемещения, как правило, гидро- и электромеханические двигатели; 5, 10, 11- электромеханические двигатели поступательных движений и вращения поворотного стола 6; 7-поперечная каретка; 8-продольная каретка; 9-станина (основание). Доказано, что конечные повороты элементов манипулятора - коммутативны, т.е. разрабатываемый механизм манипулятора обеспечивает независимость последовательности исполнительных парциальных движений. Составлена математическая модель кинематики оригинальной части манипулятора (ОЧМ) предлагаемой схемы, рассмотрены элементы кинематики ОЧМ (рис. 9) и найдены функциональные зависимости, в частности, угла поворота платформы 3 от времени: а(п, I) = агссо$(1 - п-Г), где п=У'/2аЬ при а - Ъ, К-линейная скорость т. К.

Анализ графика (рис.10) показал: с увеличением п, а, следовательно, с увеличением скорости К угловое движение платформы осуществляется быстрее; зависимость а(п, 0 = агссо$(1 - п-Г) при п = 0,01 - 0,05 и 1<5,4 сек, практически линейна, в рабочем диапазоне (а = 0° - 45°) изменение угла и угловая скорость движения наклонной платформы 3 (или опорно-поворотного устройства 2) изменяются незначительно.

Для исследуемого макета механизма манипулятора (рис. 11) аналитически решена прямая задача кинематики (4), а при ф| = ср2 - обратная задача (5):

Ъ

Рис. 9. Расчетная схема изменяемого треугольника механизма манипулятора при 1 = уаг

хр = [" 1р''СОз(я2 + V - Ч| - у) + Ь-соэ^+у) - а/2]$тя3,

УР = [- У-С08(ц2 + у - я, - у) + Ь-соз(ц,+у) - а/2]-созяз, гр = 1рЧт(я2+ у - 41 - У) + Ь-вт^-Ну).

Время, сек.

Рис. 10. Зависимость угла поворота платформы от времени: кривая 1 при п=0.01, кривая 2 при п=0.02, кривая 3 при п=0.05

Это позволяет, для каждого момента времени, определить положение исполнительного органа манипулятора.

Ч\ = Я2 = агс«11 --—7-\~Г, Яз = агс'ё

(5)

В четвертой главе составлена приведенная схема оригинальной части пространственного манипулятора (рис. 12-13), аналитически рассчитана приведенная жесткость связей ОЧМ, при этом звенья ОЧМ остаются жесткими:

(6)

1,8211-1п| 1,522 — К,Я

.'Е

где Р — сжимающая сила, Е¡, Е2 и К,, Л? ~ модули упругости материалов и радиусы кривизны активных поверхностей в связях.

Рассчитаны коэффициенты жесткости связей при следующих параметрах модели: I = 5 10 2 м, Е = 2-10"Па; Я,=4,910"3 м; К2=5103 м. Усилие Р изменялось: Р, = 102 Н, Р2 = Ю3 Н, Р3 = 104 II, Р5 = 105 Н, Р6 = 106 Н. Расчеты приводят к следующим значениям: с,=5,236-Ю8 Н/м,

с2=5,881 ■ Ю8 Н/м,

с3=6,708 108 Н/м, (7)

С4=7,805-108 Н/М, с5=9,ЗЗМ08 Н/м.

Рис. 11. Кинематическая схема макета оригинальной части манипулятора

Позиции на рис. 11:1— Поворотный стол; 2 - Левый стержень (двигатель поступательного перемещения): 3 - Верхний стержень (двигатель поступательного перемещения): 4 - Опоры; 5 — Рабочий стол; 6 — Опорно-поворотное устройство; 7 - Наклонная платформа; 8 — Правый стержень (двигатель поступательного перемещения); хр, ур, гр- координаты рабочего органа (т.Р")

В предлагаемом схемном решении такие связи расположены последовательно, поэтому жесткость переведена в податливость и её приведённое значение будет:

с«р=§. (8)

где с - С/ = с2 = с3 — жесткости шарнирных соединений.

Рис. 12. Расчетная схема ОЧМ

Рис. 13. Контакт активных поверхностей в связях

Позиции на рис. 12: 1-установочное звено (рабочий стол), 2-опорно-поворотное устройство; 3-наклонная платформа; 4-поворотный стол; а,Ь,с- приводные устройства (двигатели поступательного перемещения).

Используя расчетные значения жесткости (7) по формуле (8) находим:

(с,,,,,,„п-с„р,<1И>=(1,745-Ю8...3,110-108) Н/м. (9)

Из литературных источников известно, что жесткость суппортов станков средних размеров составляет (30... 100) Н/мкм или (3-107... 108) Н/м, откуда следует, что жесткость связей предлагаемого пространственного механизма сравнима с жесткостью суппортов современных станков, что доказывает принципиальную возможность его использования в качестве манипулятора, расширяющего возможности современного технологического оборудования. Определен качественный параметр приведенной

1

системы - собственная частота её колебаний к: к = — -Л— . Используя ранее.рассчитанные значения с,ч, (9) и, задавая значения массы ш, найдём собственные частоты системы: при т1=10 кг: к|=(665-888) Гц, при т2=20 кг: к2=(470-628) Гц, при ш3=30 кг: к3=(384-512) Гц. Зависимости собственных частот колебаний от приведенной жесткости манипулятора от его массы и показаны на (рис. 14-15).

900

840

780

720

660

600

I Р(сО540

5 480 8

J 420

360 300

1 к(с|ь

3 '<c1)

Масса, кг

I

........ • •••• »——

^ * ^

Рис. 14. Зависимость собственных частот колебаний от приведенной массы системы: кривая 1 при

745-10* Н/м, кривая 2 при с„„=1,960-10" Н/м, кривая 3 при с„„=2,236-10я Н/м

Рис. 15. Зависимость собственных частот колебаний от приведенной жесткости системы: кривая 1 при т = 10 кг, кривая 2 при т=20 кг, кривая 3 при т=30 кг

Приведённая жесткость, Н/м

В работе приведены примеры определения реакций, возникающих в сопряжениях элементов конструкции механизма, позволяющие сделать расчеты на прочность связей и звеньев механизма.

Аналитическим расчетом показано, что собственные частоты колебаний манипулятора на порядок выше эксплуатационных частот силового возбуждения технологического оборудования.

В пятой главе описано устройство экспериментального стенда, и приемы определения рабочей зоны оригинальной части пространственного манипулятора. Используя пакет программ KOMPAS 3D - VI2, показаны формы рабочей зоны, изучение которых подтвердило широкие возможности манипулятора в реализации необходимого движения (рис. 16).

Описана методика определения статических и динамических характеристик опытного образца манипулятора (рис. 17-19). Приведены графики зависимости статической жесткости манипулятора (рис. 20). Показаны временные реализации и частотный спектр

свободных и вынужденных колебаний опорно-поворотного устройства макета под действием периодически меняющейся внешней нагрузки в плоскости ХОУ и УС^, а также амплитудно-частотные характеристики для вынужденных колебаний при минимальной и максимальной жесткости ОЧМ. На рис. 21-22, для примера, показаны графики временной реализации и частотный спектр вынужденных колебаний ОПУ при максимальной жесткости ОЧМ в плоскости YOZ. Определены диапазоны собственных и резонансных частот. Сравнивая полученные значения с эксплуатационными частотами технологического оборудования видно, что оборудование, оснащенное предлагаемым манипулятором, будет работать в дорезонансной зоне. Разработана анимационная модель движений пространственного манипулятора.

Рис. I7. Определение статической Рис. 18. Снятие динамических жесткости ОЧМ характеристик ОЧМ в плоскости

ХОУ

Позиции на рис. 17:1- ОЧМ; 2 - Стойка с индикатором; 3 - Динамометр с индикатором; 4 - Домкрат.

Позиции на рис. 18: 1 - Эл/двигатель; 2 - Рабочий стол ОЧМ; 3 - Опорно-поворотное устройство ОЧМ; 4 - Наклонная платформа ОЧМ; 5 - Неподвижное основание; 6 - Виброанализатор ; 7 - Вольтметр; 8 - Эксцентрик; 9 - Вибродатчик.

Рис. 19. Снятие динамических характеристик ОЧМ в плоскости YOZ

Позиции на рис. 19: 1 - Эл/двиг.; 2 - Скоба крепления; 3 - Рабочий стол ОЧМ; 4 -Опорно-поворотное устройство ОЧМ; 5 - Наклонная платформа ОЧМ; 6 - Виброанализатор «Диана-2М»; 7 - Вольтметр; 8 - Вибродатчик; 9 - Эксцентрик.

а) б)

Рис. 20. а) и б) Зависимости перемещения РС ОЧМ от нагрузки

Рис. 21. Временная реализация вынужденных колебаний ОПУ при максимальной жесткости ОЧМ (плоскость У (У/.)

~во Г55 Го гоо г«о 53о Зго зео «оо <чо <ао ио ио ёоо мо ёво 720 760 воо »«о еао ¿20 ввв.з/

Рас. 22. Частотный спектр вынужденных колебаний ОПУ при максимальной жесткости ОЧМ (плоскость YOZ)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны алгебраические зависимости для определения общего числа вариантов многоповодковых механизмов, в зависимости от числа приводов и общего числа поводков. Составлена классификационная таблица многоповодковых механиз-

mob. Введено понятие коэффициента симметричности схемных решений манипуляторов и, на этой основе, предложены перспективные схемы по критериям жесткости;

2. Экспериментально доказано, что жёсткость многоповодкового механизма пропорциональна коэффициенту симметричности;

3. Анализ кинематических структур многоповодковых механизмов показал, что при сохранении основных характеристик точности, жесткости, виброактивности в модернизированном решении не удается сделать парциальные движения независимыми и, как следствие, система управления движением исполнительного органа замкнутой системы остается сложной;

4. На уровне патента разработана схема шестикоординатного пространственного манипулятора и показано, что конечные повороты наклонной платформы и опорно-поворотного устройства, в этом техническом решении, коммутативны, т.е. итоговое положение рабочего стола манипулятора не зависит от последовательности исполнительных парциальных движений, решены прямая и обратная задачи о движении исполнительного органа манипулятора.

5. Предлагаемое схемное решение механизма пространственного манипулятора расширяет функциональные возможности устройства манипулирования и допускает максимальную унификацию связей звеньев и приводов парциальных движений.

6. Результаты расчета приведенной жесткости показали, что жесткость предложенной модели пространственного манипулятора сравнима с жесткостью суппортной группы станков средних размеров, а собственные частоты предлагаемой конструкции манипулятора выше эксплуатационных частот силового возбуждения технологического оборудования.

7. Изготовлен рабочий макет и проведен комплекс экспериментальных исследований пространственного манипулятора; найдены зона обслуживания; исследованы параметры жесткости и собственные частоты; установлены эксплуатационные характеристики устойчивой работы манипулятора.

8. Результаты работы приняты к использованию в Филиале «ОМО им. П.И. Баранова» ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» г. Москва для разработки варианта конструкции шлифовально-заточного станка с параллельной структурой и математического обеспечения для его управления.

Основные публикации по теме диссертации Публикации в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Гаврилов В.А., Кольцов А.Г., Шамутдинов А.Х. Классификация механизмов для технологических машин с параллельной кинематикой // СТИН. - 2005. - № 9. - С. 28-31.

2. Шамутдинов А.Х. Исследование классификации многоповодковых механизмов параллельной кинематики // Омский научный вестник. - 2011. - №2. - С.85-90.

3. Кольцов А.Г., Шамутдинов А.Х. Экспериментальные исследования механизма параллельной кинематики с новой структурой // Омский научный вестник. - 2012. -№1. -С.96-101.

4. Балакин П.Д., Шамутдинов А.Х. Схемное решение механизма пространственного манипулятора// Омский научный вестник. - 2012. —№1. - С.65-69.

5. Балакин П.Д., Шамутдинов А.Х. Исследование жесткости пространственного механизма // Омский научный вестник. - 2012. - №3. - С.44-48.

6. Шамутдинов А.Х., Кольцов А.Г. Определение оптимального параметра жесткости структур многоповодковых механизмов параллельной кинематики. // Омский научный вестник. - 2012. - №3. - С.184-186.

7. Кольцов А.Г., Шамутдинов А.Х. Исследования динамики механизма параллельной кинематики с новой структурой // Вестник УГАТУ. - 2012. - Т. 16, №4. -С.128-137.

Патенты

Пат. №120599 РФ, МПК B25J1/00. Пространственный механизм / Балакин П.Д., Шамутдинов А.Х. Заявка №2011153160/02, 26.12.2011. Опубл. 27.09.2012, Бюл. № 27.

Статьи в Российских изданиях; материалы международных и региональных

конференции

1. Белый В.Д., Гаврилов В.А., Шамутдинов А.Х. Исследование и разработка структур многоповодковых механизмов технологических машин // Материалы III Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин».-Омск, 1999.-кн. 1 С. 52-53.

2. Гаврилов В.А., Кольцов А.Г., Шамутдинов А.Х. Анализ элементарных групп механизмов на базе пространственных стержневых систем // Материалы V Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин». -Омск, 2004. - кн. 1 С. 58-61.

3. Гаврилов В.А., Кольцов А.Г., Шамутдинов А.Х. Структурный анализ механизмов на базе пространственных стержневых систем // Материалы V Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин». -Омск, 2004. - кн. 1 С. 61-63.

4. Шамутдинов А.Х. Анализ и определение общего числа элементарных структур многоповодковых механизмов для технологических машин с параллельной кинематикой // Сб. науч. тр. «Актуальные проблемы развития техники и экономики в условиях крайнего севера». - Омск, 2007 С.66-74.

5. Шамутдинов А.Х. Новые особенности классификации многоповодковых механизмов параллельной структуры // Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий». - Саратов, 2010.-т. 1 С. 163-166.

6. Шамутдинов А.Х. Теоретическое исследование структур многоповодковых механизмов с параллельной кинематикой.// Материалы III Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Передовые технологии в промышленность». -Омск, 2010.-кн. 1 С. 106-110.

7. Шамутдинов А.Х. Определение количества вариантов многоповодковых механизмов параллельной структуры методом комбинаторики // Материалы V Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». - Уфа, 2011. - т. 4 С. 337-341.

8. Шамутдинов А.Х. Анализ многоповодковых механизмов параллельной структуры на основе параметра жесткости // Материалы VI международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» - Москва, 2011. - С. 34-38.

9. Шамутдинов А.Х. Классификация многоповодковых механизмов параллельной кинематики // Материалы IV межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Инновации в угольной отрасли и экономике Кузбасса» - Белово, 2011. - С. 203-208.

10. Шамутдинов А.Х., Кольцов А.Г. Исследование динамики механизмов параллельной кинематики с новой структурой // Межвузовский научный сборник «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий». - Уфа, 2012. — С. 223-230.

11. Балакин П.Д., Шамутдинов А.Х. Схемное решение механизма пространственного манипулятора // Материалы Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2012». - Одесса, 2012. т.6 С.49-53.

12. Балакин П.Д., Шамутдинов А.Х. Исследование жесткости пространственного механизма // Материалы V международной научно-практической конференции «Теория и практика современной науки». - Москва, 2012. т.1 С. 187-194.

13. Шамутдинов А.Х. Исследование жесткости пространственного манипулятора // Материалы VIII Междунар. научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин». - Омск. 2012. к.1 С.67-71.

Печатается в авторской редакции

Компьютерная верстка Д. Ю. Карицкой

Подписано в печать 16.04.13. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 242.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ТРАНСПОРТА НЕФТИ И ГАЗА КАФЕДРА ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН

О ¿2«"Н

ШАМУТДИНОВ АЙДАР ХАРИСОВИЧ

СТРОЕНИЕ, КИНЕМАТИКА И ИСПЫТАНИЯ ШЕСТИКООРДИНАТНОГО МАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Не

Специальность:

05.02.18 - Теория механизмов и машин

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., профессор Балакин П.Д.

Омск-2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ..................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................;...................5

ГЛАВА 1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................................11

1.1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ......................................................................................................11

1.2. ОБЗОР ОБОРУДОВАНИЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ КОМПОНОВОК . 13

1.3. ЗАДАЧИ, ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ..............................15

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ВНУТРЕННИМИ ВХОДАМИ...............................................19

2.1. КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ТАБЛИЦЫ МНОГОПОВОДКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ.................................................................................................29

2.2. СТЕПЕНЬ СОВЕРШЕНСТВА МНОГОПОВОДКОВЫХ СТРУКТУР 34

2.3. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ГРУППЫ е14......................................................39

2.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ ПЛАТФОРМЫ СТЮАРТА..............................41

2.4.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ....41

2.4.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ ПЛАТФОРМЫ СТЮАРТА..........................................................................................................49

2.4.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ ПЛАТФОРМЫ СТЮАРТА..........................................................................................................56

2.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...............................................................................66

ГЛАВАЗ. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КИНЕМАТИКИ

ПРОСТРАНСТВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА.......................................68

3.1. КОНЕЧНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И СЛОЖЕНИЕ ДВИЖЕНИЙ ТВЕРДОГО ТЕЛА.............................................................................................68

3.1.1. СЛОЖЕНИЕ ПОСТУПАТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ ТВЕРДОГО ТЕЛА...................................................................................................................69

3.1.2. СЛОЖЕНИЕ ВРАЩЕНИЙ ТЕЛА ВОКРУГ ДВУХ ОСЕЙ................69

3.1.3. СЛОЖЕНИЕ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО И ВРАЩАТЕШЛЬНОГО ДВИЖЕНИЙ. ВИНТОВОЕ ДВИЖЕНИЕ.......................................................72

3.2. ОРИГИНАЛЬНЫЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МЕХАНИЗМ МАНИПУЛЯТОРА...........................................................................................74

3.3. ЭЛЕМЕНТЫ КИНЕМАТИКИ ПРИВОДОВ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕХАНИЗМА..............................76

3.4. ПРОИЗВОЛЬНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ОПОРНОГО СТОЛА ПРОСТРАНСТВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА.............................................81

3.5. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ОПОРНОГО СТОЛА ПРОСТРАНСТВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА ПРИ ф! = ср2......................................................................85

3.6. ПРЯМАЯ И ОБРАТНАЯ ЗАДАЧИ КИНЕМАТИКИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА.............................................88

3.7. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...............................................................................94

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА.......................................95

4.1. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ПРОСТРАНСТВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЕГО ЖЕСТКОСТИ.................................................................95

4.2. НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ......................................................................96

4.3. СОБСТВЕННЫЕ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ СИСТЕМЫ...................100

4.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКЦИЙ ОПОР МЕХАНИЗМА ПРОСТРАНСТВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА...........................................104

4.4.1. НАГРУЖЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СИЛОЙ Рх.........................................................................................................107

4.4.2. НАГРУЖЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СИЛОЙ Ру.........................................................................................................ПЗ

4.4.3. НАГРУЖЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

СИЛОЙ Pz.........................................................................................................118

4.5. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА МОДЕЛИ МЕХАНИЗМА ПРОСТРАНСТВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА...........................................126

4.6. КОНСТРУКЦИЯ И РАБОТА ОРИГИНАЛЬНОГО ШЕСТИКООРДИНАТНОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА.........................................................................................128

4.7. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.............................................................................131

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАКЕТА ОРИГИНАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО МАНИПУЛЯТОРА.......................................................................................132

5.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ МАНИПУЛЯТОРА.........................................................................................132

5.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАНИПУЛЯТОРА......................................................142

5.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАНИПУЛЯТОРА......................................................149

5.4. ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ.........................................................................163

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ...................................................164

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................177

ВВЕДЕНИЕ

Как известно для автоматизации отдельных технологических операций [20, 45, 68, 85], расширению возможностей технологического оборудования [22, 45, 85], реализации механических движений в агрессивных средах [32, 44, 45], для создания тренажеров [99], имитирующих кинематическое возбуждение от дорожного полотна или траекторий безопорного движения [62, 73, 93] и др. широко используют механизмы пространственных манипуляторов с развитой системой приводов, совокупное действие которых позволяет реализовать любое пространственное движение исполнительного органа в пространственной зоне обслуживания, имеющей любую форму.

В последнее время подобные манипуляторы имеют цифровую систему управления исполнительным движением, что позволяет получить любой вид движения и изменять его характеристики. Однако сложность системы управления в значительной мере зависит от схемного решения манипулятора, поскольку парциальные движения от отдельных приводов являются связанными. Кроме того, результирующее движение зависит от последовательности исполнения парциальных движений, особенно угловых движений, поворотов. Так, например, широко используемая в различных тренажерах схема манипулятора по типу «платформы Стюарта» [45, 120] и её модификаций имеет жесткую связь всех парциальных движений, формируемых шестью электромеханическими или гидравлическими приводами. Поэтому система управления движением платформы Стюарта является сложной, но силу востребованности, к настоящему времени, именно, она хорошо отработана и реализована в серийном производстве.

Тем не менее, актуальной остается задача синтеза пространственного манипулятора общего вида с независимыми парциальными движениями, включая независимость последовательности их исполнения с целью упрощения системы управления исполнительным движением.

В дальнейшем прикладная часть исследования будет в основном ориентироваться на промышленное металлообрабатывающее оборудование, хотя основные выводы и приложения носят межотраслевой характер, они полезны при создании, например, транспортных, погрузочных механизмов и машин, штабелеров и др.

Манипуляционные системы способны развить возможности традиционного оборудования до уровня станков с ЧПУ. Доказано, что такое оборудование [4 - 16, 75 - 83] может быть создано из унифицированных звеньев и связей, что позволяет минимизировать затраты на его изготовление.

Помимо общих критериев оценки технического совершенства при разработке такого оборудования (прочность, надежность, износостойкость, технологичность, экологичность, экономичность) особое значение при его реализации в технологических машинах, применяемых в машиностроении, имеют критерии точности исполнительных движений,. жесткости несущей конструкции, низкой виброактивности.

В работе сделана попытка модернизации схемного решения приводов платформы Стюарта на основе разработанной классификации подобных схем. Показано, что при сохранении основных характеристик точности, жесткости, виброактивности в любом модернизированном решении не удается сделать парциальные движения независимыми и, как следствие, система управления движением исполнительного органа остается сложной.

В этой связи разработано, на уровне патента, оригинальное схемное решение пространственного манипулятора для технологических машин. Парциальные движения предлагаемого манипулятора являются независимыми, поэтому система управления движением исполнительного органа будет простой.

Выполнен весь комплекс необходимых исследований возможностей оригинального манипулятора, разработаны рекомендации по его проектированию.

Диссертация изложена на 176 стр. машинописного текста, содержит введение, пять основных глав, основные результаты работы, список литературы, содержащий 120 источников и Приложения из 18 стр.(26 рисунков, Копия Свидетельства-сертификата на аттестацию виброанализатора «Диана-2М» и 2-х копий Гражданско-правовых договоров с Актами их выполнения по внедрению).

В первой главе рассмотрены характеристики технологического оборудования нетрадиционной компоновки (ТОНК) и их анализ, в частности по критериям точности и жесткости. Представлен обзор оборудования нетрадиционной компоновки, его достоинство и недостатки. Изложена цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы. Во второй главе приведены основные положения принципа конструирования механических систем с внутренними входами. Рассмотрены некоторые схемные решения ТОНК и области их применения. Выделена проблема модернизации оборудования с ЧПУ и поставлена задача поиска схемного решения механизма с замкнутой системой параллельной структуры, жесткость которого бы не уступала технологическому оборудованию традиционной компоновки, но система управления движением была бы простой. Разработаны алгебраические зависимости для определения общего числа вариантов многоповодковых механизмов, в зависимости от числа приводов и общего числа поводков. Составлены классификационные таблицы многоповодковых механизмов манипуляторов: в табл. 1 симметричные структуры с одинаковой длиной поводков; в табл.2 структуры в общем виде, т.е. у которых поводки имеют разную длину.

Предложен критерий оценки жесткости многоповодковых структур -коэффициент симметричности /-ой группы. Проведены эксперименты по определению движения, а также статических и динамических характеристик модернизированной платформы и сделаны выводы, что в данном механизме не удается сделать движения независимыми и, в соответствии с этим, система

управления движением исполнительного органа манипулятора остается сложной. Поставлена задача поиска принципиально иного схемного решения пространственного манипулятора, парциальные движения которого были бы независимыми.

В третьей главе для поиска схемного решения пространственного манипулятора, парциальные движения которого были бы независимыми, с позиций аналитической механики, рассмотрены свойства конечных перемещений твердого тела (рабочего органа) и комбинации сложения его движений. Как перспективный, в реализации унифицированной конструкции манипулятора, выделен вариант сложения движений - пара двух одинаковых встречных конечных вращений, которые эквивалентны поступательному перемещению. Доказано, что конечные повороты элементов манипулятора -коммутативны, т.е. разрабатываемый механизм манипулятора обеспечивает независимость последовательности исполнительных парциальных движений. Составлена математическая модель кинематики оригинальной части манипулятора (ОЧМ) предлагаемой схемы, рассмотрены элементы кинематики ОЧМ и найдены функциональные зависимости, в частности, угла поворота платформы от времени. Анализ графика показал: с увеличением п, а, следовательно, с увеличением скорости V угловое движение платформы осуществляется быстрее; зависимость а(п, t) = arceos(1 - n-t2) при п = 0,01 — 0,05 и t<5,4 сек, практически линейна, в рабочем диапазоне (а = 0° - 45°) изменение угла и угловая скорость движения наклонной платформы (или опорно-поворотного устройства) изменяются незначительно.

Для исследуемого макета механизма манипулятора аналитически решена прямая задача кинематики, а при cpi = ср2 - обратная задача, что позволяет, для каждого момента времени, определить положение исполнительного органа манипулятора.

В четвертой главе составлена приведенная схема оригинальной части пространственного манипулятора, аналитически рассчитана приведенная

жесткость связей ОЧМ, при этом звенья ОЧМ остаются жесткими. Рассчитаны коэффициенты жесткости связей. В предлагаемом схемном решении такие связи расположены последовательно, поэтому жесткость переведена в податливость. Приведены зависимости приведенной жесткости манипулятора от его массы и собственных частот колебаний. В работе приведены примеры определения реакций, возникающих в сопряжениях элементов конструкции механизма, позволяющие сделать расчеты на прочность связей и звеньев механизма.

Аналитическим расчетом показано, что собственные частоты колебаний манипулятора на порядок выше эксплуатационных частот силового возбуждения технологического оборудования.

Описана конструкция и работа оригинального пространственного механизма манипулятора, разработанная с участием автора, подтвержденного патентом № 120599 МПК В25Л/00. Бюл. № 27. 2012.

В пятой главе описано устройство экспериментального стенда, и приемы определения рабочей зоны оригинальной части пространственного манипулятора. Используя пакет программ КОМРАБ ЗБ - VI2, показаны формы рабочей зоны, изучение которых подтвердило широкие возможности манипулятора в реализации необходимого движения.

Описана методика определения статических и динамических характеристик опытного образца манипулятора. Приведены графики зависимости статической жесткости манипулятора. Показаны временные реализации и частотный спектр свободных и вынужденных колебаний опорно-поворотного устройства макета под действием периодически меняющейся внешней нагрузки в плоскости ХОУ и УОг, а также амплитудно-частотные характеристики для вынужденных колебаний при минимальной и максимальной жесткости ОЧМ. Определены диапазоны собственных и резонансных частот. Сравнивая полученные значения с эксплуатационными частотами технологического оборудования видно, что оборудование, оснащенное предлагаемым манипулятором, будет работать в

дорезонансной зоне. Разработана анимационная модель движений пространственного манипулятора.

В заключении содержатся основные выводы по диссертации.

Работа апробирована на трех Международных конференциях: 1 материал Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2012» (Одесса, 20-31 марта 2012 г.); 1 материал V международной научно-практической конференции «Теория и практика современной науки» (Москва, 3-4 апреля 2012 г.); 1 материал VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», посвященной 70-летию ОмГТУ (ОмГТУ, 13-15 ноября 2012 г.); По направлению исследования получен патент на полезную модель [83], опубликовано 13 статей; диссертация обсуждалась на кафедре Теории механизмов и машин ОмГТУ, на межкафедральном семинаре «Проблемы прикладной механики» при ОмГТУ.

Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах, в том числе в 7 рецензированных изданиях из перечня ВАК, рекомендуемых для публикации результатов диссертационных работ.

Результаты работы использованы в Филиале «ОМО им. П.И. Баранова» ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» (г. Москва) для разработки варианта конструкции шлифовально-заточного станка с параллельной структурой и математического обеспечения для его управления (см. Приложения).

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ИХ

АНАЛИЗ

Необходимый уровень качества технологического оборудования определяется в первую очередь, требованиями к точности обрабатываемых деталей, включая точность размеров, формы, шероховатость. Анализ работ Б.М. Базрова, A.M. Бронна, В.Н. Евстигнеева, В.А. Кудинова и др. [22, 34, 49, 62], посвященных обработке изделий на станках различного технологического назначения, позволяет сделать вывод, что основными параметрами станка как элемента технологической системы должны быть характеристики точности осуществления заданных движений узлов, несущих инструмент и заготовку, то есть формообразующих узлов станка. Главным является обеспечение условий, необходимых для получения деталей с минимальными погрешностями размеров и формы, что возможно при отсутствии отклонений от заданных устойчивых положений инструмента и заготовки. Такие отклонения возникают как результат с