научная статья по теме РАЗВИТИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИЗМОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «РАЗВИТИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИЗМОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 3, 2014

УДК 621.01

© 2014 г. Глазунов В.А., Чунихин А.Ю.

РАЗВИТИЕ МЕХАНИЗМОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Рассмотрены различные механизмы параллельной структуры, синтезированные и запатентованные сотрудниками Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. Механизмы имеют различное число степеней свободы и различное число соединительных кинематических цепей. Они предназначены для разных технических приложений.

Исследования механизмов параллельной структуры в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (ИМАШ РАН) были начаты в 1980-х годах А.Ш. Колиско-ром. Он рассматривал схемы, соответствующие платформе Гауфа, и создал целую классификацию подобного рода устройств, которые он назвал Х-координатными схемами. Он предложил использовать их в качестве технологических, манипуляционных, обучающих и измерительных систем. Многие схемы были защищены патентами. Одной из проблем, с которой сталкивается исследователь, занимающийся Х-координат-ными механизмами, является решение прямой задачи о положениях. В данном случае имеет место система нелинейных уравнений, не имеющая аналитического решения.

А.Ш. Колискором были предложены технические решения этой проблемы. Он использовал дополнительные измерительные устройства, которые позволяют привести схему к виду, пригодному для аналитического решения. При этом он опирался на упомянутую классификацию Х-координатных механизмов. Одно из решений подобного рода [1] имеет следующие особенности.

Все схемы Х-координатных пространственных механизмов (рис. 1) содержат основание 1, имеющее три сферические опоры 2, подвижное звено 3, имеющее пять сферических опор 2 и шесть тяг 4, выполненных с возможностью изменения их длины и соединяющих основание с подвижным звеном посредством сферических шарниров 2, а также измеритель 6 расстояний между центрами сферических опор 2 основания 1 и центрами сферических опор 2 подвижного звена 3. Количество опор на основании изменяется от трех до шести.

При управлении движением Х-координатных пространственных механизмов необходимо решать прямую и обратную задачу о положениях. Прямая задача сводится к определению положения подвижного звена 2 по заданным значениям обобщенных координат. В Х-координатных механизмах обобщенными координатами являются длины /ь l2, ..., l6 шести тяг 4. Обратная задача предполагает определение обобщенных координат lb l2, ..., l6 механизма по заданному пространственному положению подвижного звена 3.

Общий метод решения прямой задачи строится на анализе системы уравнений, каждая их которых устанавливает зависимость расстояний между двумя точками от их координат. Причем в общем случае число уравнений системы равно числу точек подвижного звена 3, в которых расположены сферические опоры 2, умноженному на

3

А

Рис. 1

три, так как каждая точка на подвижном звене характеризуется тремя значениями координат х, у, I- Если число точек на подвижном звене 3 равно пяти, то количество уравнений связи равно пятнадцати.

Для механизма, показанного на рис. 1, такая схема имеет вид

(ха - хА)2 + (Уа - Ул)2 + (*а - *А)2 = 1\, (ха - ХВ)2 + (Уа - Ув)2 + (*а - *В)2 = 4 (хь -хс)2 + (уь - ус)2 + (1Ь - 1с)2 = 1з2, (хс- хв)2 + (Ус- Ул)2 + (*с- ¿в)2 = 11, (хЛ - ХЕ) 2 + (У Л - Уе )2 + (*Л - *Е ) 2 = 15 , (хе - хР) 2 + (Уе - Ур)2 + (*е - *р) 2 = ^,

(ха - хЬ)2 + (Уа - УЬ)2 + (*а - *Ь )2 = (аЬ)2,

(ха - хе)2 + (Уа - Уе)2 + (*а - *е)2 = (ае),

(хс - хь) + (Ус - Уь) + (*с - *Ь) = (сЬ) , (хс - хЛ) + (Ус - Ул) + (*с - *Л) = (сЛ) , (хе - хЛ)2 + (Уе - Ул)2 + (*е - Ч)" = (еЛ)^ (ха - хЛ)2 + (Уа - Ул)2 + (*а - Ч)" = (аЛ)2, (хЬ - хе)2 + (УЬ - Уе)2 + (*Ь - *е)2 = (Ье)2, (хс - хе)2 + (Ус - Уе)" + (*с - *е)2 =

(хЬ-хл)2 + (Уь - Ул)2 + (*ь - *л)2 = (ЬЛ)2-

Решение такой системы уравнений возможно лишь численными методами, что занимает много времени.

Затем к исследованиям пространственных механизмов параллельной структуры подключился А.Ф. Крайнев и его ученик В.А. Глазунов. В этот момент встала задача синтезировать механизмы, которые позволили бы манипулировать моделями летательных аппаратов в аэродинамической трубе. Эту проблему решали вместе с сотрудниками Центрального аэрогидродинамического института им. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ). Имелся в виду проект создания космического челнока, стартующего с борта самолета-носителя. Наиболее опасным моментом в таком полете был процесс разделения двух объектов. Он должен был быть смоделирован экспериментально.

б

4

В соответствии с указанной целью механизм параллельной структуры должен был воспринимать нагрузку около 1,5 тонн, минимально затенять воздушный поток и иметь 6 степеней свободы. А.Ф. Крайневым были предложены схемы с тремя, четырьмя и пятью соединительными кинематическими цепями [2]. На рис. 2 схематично изображен пространственный механизм с шестью степенями свободы (с тремя поступательными парами). Решение имеет следующие особенности.

Все схемы (рис. 2) содержат основание 1, выходное звено 2, шесть приводов 3 поступательного перемещения со штоками 4, по крайней мере один из которых шарнир-но связан с основанием 1, стержни 5, каждый из которых одним концом шарнирно связан с выходным звеном 2, а другим — с соответствующим приводом 3 или соответствующим штоком 4, сферические шарниры 6, установленные в основании 1, каждый из которых имеет сквозное отверстие, в которых размещены стержни 5 с возможностью поступательного перемещения.

Пространственный механизм с шестью степенями свободы работает следующим образом. Перемещение выходного звена 2 в пространстве обеспечивается перемещением связанных с ним стержней 5 посредством приводов 3. Отметим, что эти механизмы для испытаний моделей летательных аппаратов можно использовать в качестве роботов для экстремальных сред. Дело в том, что все приводы вынесены из пределов рабочей зоны, в которую вводится 3—5 стержней. Дальнейшее развитие этого подхода позволило сократить число стержней до двух [3]. При этом, нельзя использовать две сферические кинематические пары для сопряжения стержней с выходным звеном.

Другой задачей, поставленной перед сотрудниками Института в плане синтеза пространственных механизмов параллельной структуры, было создание манипулятора, предназначенного для технологических устройств производства электронной техники. Соответствующие работы проводились совместно с НИИ ВАКУУММАШПРИ-БОР. Отличительной особенностью данной задачи являлось требование высокой точности при перемещении объекта, она должна была составлять 0,01 мкм. Кроме того, нужно было обеспечить отсутствие люфтов, поскольку механизм должен был работать в вакууме, где возможно явление агдезии.

Для решения данной задачи А.Ф. Крайневым были предложены схемы манипуля-ционных механизмов параллельной структуры, в которых имело место передаточное отношение между перемещениями в приводах и перемещениями выходного звена [4, 5, 6]. Это передаточное отношение было обеспечено за счет наличия рычага в каждой кинематической цепи, а также смещения центра сферической пары относительно центра вращательных пар. Кроме того, каждая кинематическая пара должна быть выполнена в виде изгибного упругого элемента. Особенности данного устройства заключались в следующем (рис. 3, а).

Механизм состоит из основания 1, связанного с выходным звеном 2 посредством кинематических цепей, включающих приводы 3, связанные с основанием и другими элементами кинематических цепей сферическими парами 4, одна из сферических пар 5 принадлежит выходному звену. Каждая кинематическая цепь содержит три вращательные пары 6, расположенные последовательно, одна из которых сопряжена с основанием 1, а другая — со сферической парой 5 выходного звена 2. Приводы соединены с остальными элементами кинематических цепей через рычаги 7. Вращательные пары 6 можно расположить либо ортогонально друг другу со скрещивающимся расположением осей (рис. 3, а), либо компланарно, когда ось одной пары ортогональна двум остальным.

Механизм (рис. 3, г) имеет кинематические цепи, выполненные в виде единого элемента. Вращательные пары 6 выполнены в виде перемычек 8 пониженной жесткости, имеющих прямоугольное поперечное сечение, а сферическая пара 5 выполнена в виде совокупности перемычек 9 пониженной жесткости круглого сечения и перемычки 10 пониженной жесткости прямоугольного сечения. Центр перемычки 9 расположен на продолжении оси перемычки 10. Одна из вращательных пар 6, сопряженная со сферической парой 5, выходного звена, выполнена в виде совокупности двух перемычек 11 пониженной жесткости прямоугольного поперечного сечения.

На рис. 3, а изображена схема механизма, у которого в кинематических цепях вращательные пары установлены с ортогонально скрещивающимся размещением осей; на рис. 3, б — кинематические цепи, с тремя приводами механизма, изображенного на рис. 3, а; на рис. 3, в — кинематическая цепь с тремя приводами механизма, с компланарным размещением осей 6; на рис. 3, г — кинематические цепи с гибкими элементами, т.е. перемычками пониженной жесткости. Если совместить начало координат с точкой центра сферической пары 5 выходного звена 2, то вращательные пары 6 расположены от центра на расстоянии 1х, 1у, /г Отношение этих расстояний к длине соответствующего рычага 7 обуславливает передаточное отношение, т.е. отношение перемещения точки, с которой непосредственно связан привод 3, и точки центра сферического шарнира 5 выходного звена 2. Если механизм (рис. 3, а) в одной кинематической цепи содержит три привода, в другой два, а в третьей один, то три привода, принадлежащие одной кинематической цепи, определяют положение точки центра сферической пары 5 этой цепи. Остальные приводы определяют ориентацию выходного звена 2.

Другой способ организации передаточного отношения между перемещениями приводов и перемещениями выходного звена заключается в наличии лямбда — образного механизма в каждой кинематической цепи. При этом, наличие предварительного изгиба к одной из кинематических пар обусловливает переменную взаимосвязь между перемещениями звеньев механизма [7, 8], Отметим, что

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком