Выбор конфигурации механизмов относительного манипулирования с избыточными степенями подвижности
Тимофеев Г. А. Разработка методов расчёта и проектирования волновых зубчатых передач для приводов следящих систем. М. — ИМАШ, 1997. Астанин В. О., Сергиенко В. М. Исследование металлорежущего станка нетрадиционной компоновки// Станки и инструмент. № 3, 1993. -с. 5−8. Юсупова Н. И. Гончар Л.Е. Рембольд У. Избыточные манипуляторы. Управление. Планирование траекторий. препринт монографии. Уфа, 1998… Читать ещё >
Содержание
Современное станкостроение имеет тенденцию перехода на более облегченные конструкции исполнительных механизмов и более широкое применение вычислительной техники. Современная вычислительная техника позволяет одновременно управлять технологическим процессом, сложным исполнительным механизмом, обрабатывать информацию и оптимизировать работу в целом всей технологической системы «исполнительный механизм — технологический процесс — система управления».
В настоящее время в мире ведутся работы по созданию новых видов станочного и измерительного оборудования облегчённой конструкции (станки АО «Лапик» (Саратов), ОУИА-М фирма ШЗМ (г.АсЬеп), опытный станок новосибирского электротехнического института [3], параллельный сферический манипулятор для поворота захватного устройства робота [27]).
Подвижные стержневые механизмы позволяют создавать облегченные технологические машины для операций, выполняемых в настоящее время только вручную: финишная обработка турбинных лопаток, медицинских протезов, художественных изделий и других изделий сложной конфигурации. Данные механизмы позволяют создавать облегченное переносное технологическое оборудование для обработки крупногабаритных изделий.
С целью уменьшения массы и габаритов станков для механической обработки сложных поверхностей в институте 6 машиноведения им. А. А. Благонравова были предложены новые механизмы относительного манипулирования на основе подвижных стержневых конструкций [4,16].
Механизм относительного манипулирования (рис.1) состоит из манипулятора перемещения инструмента и манипулятора перемещения детали, которые совместно выполняют операцию обработки, а по отдельности — замену детали и инструмента. рис.1
Быстродействующая вычислительная техника совместно с датчиками контроля позволяет компенсировать «недостатки» подвижных стержневых механизмов и оптимизировать технологическую систему в целом. В работе [4] был предложен метод решения обратной задачи о положении для таких механизмов с использованием промежуточных координат, определяющих положение детали и инструмента.
Особенностью технологических машин нового поколения, построенных на основе механизмов относительного манипулирования является: применение подвижных стержневых механизмов, соединяющих функции переноса заготовки и изделия с функциями их обработки- повышение мобильности исполнительных механизмов, благодаря новой приводной технике- использование нетрадиционных для станков и роботов информационно-измерительных систем (система измерения поверхности НПО «Луч» г. Подольск) перенос реализации части функций технологической машины с механизма на систему управления- оптимизация структуры машины и количества ее модулей под заданный технологический процесс, что и обеспечивает экономическую эффективность таких машин.
Таким образом, основным преимуществом механизмов относительного манипулирования является возможность использовать один и тот же механизм для выполнения операции обработки и для транспортного перемещения инструмента и детали.
Транспортными операциями являются операции захвата заготовки, перенос её на позицию обработки. Готовая деталь после обработки переносится в тару. Транспортные операции для инструмента — это перенос его на позицию замены или правки. Выполнение данных транспортных операций в механизмах относительного манипулирования осуществляется манипуляторами перемещения детали и инструмента. Манипуляторы должны иметь достаточное число степеней 8 подвижности для независимого перемещения инструмента, детали и их ориентации. В связи с этим в совокупности механизм относительного манипулирования может иметь большее число степеней подвижности, чем необходимо для обработки сложных поверхностей.
Избыточные степени подвижности существенно расширяют технологические и манипуляционные возможности механизмов роботов. В работе [60] рассматривались возможности выбора оптимальной конфигурации двурукого робота с избыточными степенями подвижности для выполнения заданной сборочной операции, характеризуемой эллипсоидом манилулятивности. Использование 7-степенного робота вместо 6 степенного [57] позволяет избежать вырожденных конфигураций путём поддержания заданного значения дополнительной функции положения и таким образом расширить диапазон сборочных операций.
Кроме того, избыточные степени подвижности возникают вследствии изменения положения режущей кромки на режущей поверхности инструмента. В данной работе эти степени подвижности рассматриваются совместно с механизмом станка как дополнительная кинематическая цепь, эквивалентная перемещению режущей кромки инструмента на его режущей поверхности. В работе [41] отмечалось, что при использовании 6-степенного робота при 5-осевом фрезеровании важно выбрать оптимальную конфигурацию для сокращения времени обработки и предотвращения столкновений различных частей системы робот-инструмент-деталь. Rail Р. [53] получил эмпирические значения оптимальных углов наклона сферической фрезы при 9 фрезеровании некоторых деталей, имеющих сложные поверхности.
Wampler C.W. [65,66] предложил увеличить число вращательных степеней подвижности сферического запястья робота с 2 до 3 при выполнении операций окраски, лазерной резки и других, не требующих третьей вращательной степени подвижности.
Pin F.G., Culioli J.C. и Reister D.B. [51] рассмотрели использование трёх дополнительных степеней подвижности перемещения платформы, на которой расположен манипулятор, при выборе оптимальной конфигурации. Критерием оптимальности была объединённая функция нескольких критериев оптимизации.
Методы оптимизации траектории манипуляторов с избыточными степенями подвижности можно разделить на методы локальной и глобальной оптимизации. Методы локальной оптимизации [28,29,33,35−37,39,40,47,48,51,52,54,56, 58−63,69,71] основаны на использовании Якобиана манипулятора, определяющего линейные соотношения между обобщёнными скоростями и вектором скорости выходного звена, а также градиентов критериев оптимизации. Методы глобальной оптимизации представляют собой различные алгоритмы перебора множества возможных конфигураций манипулятора. При решении задачи построения траектории манипулятора в рабочем пространстве с препятствиями наиболее эффективными являются генетические алгоритмы [7,24], в которых в процессе оптимизации преобразуется множество выбранных конфигураций, что позволяет существенно усовершенствовать процесс перебора.
Изменяя положение инструмента относительно детали, можно выбирать и положение манипуляторов, которые их перемещают. Для каждой точки поверхности детали существует определённое множество положений инструмента, при которых инструмент касается детали в данной точке. Lee Y-S [44] предложил алгоритм построения такого множества из условия отсутствия зарезания.
В работах [38,43−46,68,72] координаты режущей кромки на режущей поверхности инструмента рассматривались с целью обеспечения более тесного контакта поверхностей инструмента и детали (близости поверхностей). Однако, в этих работах рассматривалась только кинематика системы инструмент-деталь без учёта станочного механизма. Между тем, конфигурация станочного механизма оказывает существенное влияние на погрешность обработки поверхности детали. Поэтому актуальным является создание методов определения оптимальной по точности обработки конфигурации станочного механизма за счёт его избыточных степеней подвижности.
В работе Зелинского С. А [12] был проведён сравнительный анализ различных составляющих погрешности фрезерования сложных пространственных поверхностей. При этом наибольшей является погрешность упругих деформаций, которая в значительной степени определяется положением станочного механизма, инструмента и детали. Для стержневых исполнительных механизмов механообрабатывающих станков определяющими погрешностями являются упругие деформации в приводных кинематических парах.
Таким образом, целью настоящей работы является определение конфигурации механизмов относительного манипулирования, обеспечивающей минимальные статические погрешности в технологических системах.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
1 .Представление кинематической схемы станочного механизма с учётом перемещения режущей кромки на режущей поверхности.
2.Анализ и обоснование критериев выбора оптимальной конфигурации.
3.Разработка методики определения оптимальной конфигурации механизма по выбранным критериям
4.Решение обратной задачи о положении с использованием универсальных промежуточных координат.
5 .Определение конфигурации станочного механизма, обеспечивающей минимальную статическую погрешность обработки поверхности.
Работа состоит из четырёх глав и
приложения:
В первой главе рассматривается возможность использования дополнительных степеней подвижности, связанных с возможностью перемещения режущей кромки на режущей поверхности инструмента. При решении обратной задачи о положении к кинематической схеме механизма относительного манипулирования добавляется дополнительная кинематическая цепь, эквивалентная изменению положения режущей кромки на
12 режущей поверхности инструмента. Рассматриваются условия, ограничивающие координаты и параметры дополнительной кинематической цепи.
Во второй главе производится анализ и выбор критериев оптимальности конфигурации механизма с избыточными степенями подвижности. На основании выбранного критерия получена методика определения оптимальной конфигурации механизма относительного манипулирования.
В третьей главе описан алгоритм решения обратной задачи о положении с применением универсальных промежуточных координат объектов манипулирования. Приводится пример использования промежуточных координат при решении обратной задачи о положении для 6-степенного механизма (задача сводится к определению одной неизвестной координаты).
В четвёртой главе на примере специального робота-станка для финишной обработки сложнопрофильных поверхностей деталей, в том числе и пера турбинных лопаток, производится определение оптимальных конфигураций механизма относительного манипулирования.
В
приложении приводится описание программных средств ввода и вывода трёхмерного изображения для проверки результатов моделирования. Кроме того, для заданной кинематической схемы робота-станка приводится таблица зон обработки на поверхности детали, позволяющая оценить возможность обработки детали различными сочетаниями степеней подвижности.