ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 5, 2013
УДК 621.01
© 2013 г. Хейло С.В., Глазунов В.А., Ширинкин М.А., Календарёв А.В. ВОЗМОЖНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
Рассмотрены механизмы параллельной структуры с четырьмя степенями свободы — тремя поступательными и одной вращательной. В представленном устройстве осуществлена частичная кинематическая развязка — поступательное движение по одной координате отделено от трех остальных движений в плоскости.
Механизмы параллельной структуры [1, 2] находят все более широкое применение в качестве исполнительных органов разнообразных машин, автоматов, станков и устройств в различных отраслях промышленности (машиностроение, приборостроение, легкая, текстильная и полиграфическая промышленность, медицинская техника, сельское хозяйство и др.). Преимуществами параллельной структуры по сравнению с другими манипуляционными механизмами являются высокая грузоподъемность по отношению к общей подвижной массе механизма, низкая инерция, относительно высокая жесткость и быстроходность. Эти преимущества обусловлены наличием нескольких кинематических цепей, связывающих выходное исполнительное звено и входные звенья манипулятора.
Однако данные положительные свойства достигаются за счет снижения рабочего пространства манипулятора, более сложной кинематики, а также наличием особых (сингулярных) положений в рабочем пространстве манипулятора. Кроме того, существует взаимосвязанность между приводами, что ухудшает точность отработки требуемых движений и усложняет управление.
В связи с этим возникла необходимость создания манипуляторов с развязанными движениями. Были предложены разные структурные решения [3, 4], в которых все входные и выходные уравнения линейны, следовательно, все движения манипулятора полностью развязаны. Однако в большинстве случаев трудно решить задачу полной развязки движений, поэтому целесообразно осуществить частичную развязку движений, сохранив наиболее важные достоинства манипуляторов данного класса.
Один из самых известных манипуляторов с частичной развязкой — это робот "Дельта" с четырьмя степенями свободы [5]. Он состоит из основания, связанного с платформой посредством трех кинематических цепей. Три поступательные перемещения платформы управляются тремя вращательными приводами, установленными на основании. Схват имеет возможность свободного вращения вокруг вертикальной оси и связан с четвертым приводом посредством телескопической оси. В данном устройстве существует взаимосвязанность между приводами, обеспечивающими поступательные перемещения платформы. Одно движение (вращение вокруг вертикальной оси) "развязано" относительно трех других движений.
Другой тип развязки движений в манипуляторах с параллельной структурой предполагает, что структура манипулятора позволяет разложить движения по двум составляющим: вдоль вертикальной оси и в горизонтальной плоскости. При этом работа сил тяжести при перемещении объекта манипулирования в горизонтальной плоскости равна нулю, так как сила перпендикулярна перемещению.
Приведенные обстоятельства явились основой для построения манипулятора параллельной структуры "ПАМИНСА" [6]. Он состоит из неподвижного основания и платформы, соединенных между собой тремя кинематическими цепями, каждая из которых представляет собой пантографный механизм. Такая структура допускает поступательные перемещения платформы по трем осям и ее вращение вокруг вертикальной оси. Поступательные перемещения в горизонтальной плоскости и вращение вокруг вертикальной оси выполняются с помощью вращательных приводов, а поступательное перемещение по вертикальной оси — линейным приводом. Таким образом, все движения платформы в горизонтальной плоскости независимы от его перемещений по вертикальному направлению.
Преимуществом подобной конструкции являются увеличение точности позиционирования платформы в вертикальном направлении, а также линейность динамической модели при вертикальных перемещениях платформы. Кроме этого достоинство устройства заключается в увеличении точности позиционирования в горизонтальной плоскости, так как при этом можно использовать маломощные приводы.
В механизме [7] применима частичная развязка по трем степеням свободы. В двух кинематических цепях расположены двигатели вращения. Они обеспечивают перемещение выходного звена в плоскости ХОТ. В третьей цепи установлен двигатель вращательного и поступательного перемещения. В этой цепи расположены два шарнирных параллелограмма. Вращение двигателя передается через шарнирные параллелограммы на выходное звено с передаточным отношением, равным единице. Таким образом, осуществима частичная развязка движений в плоскости ХОТ, вращения вокруг ОК и движения вдоль оси ОК.
Подобная частичная развязка осуществлена в механизме [8]. В двух цепях двигатели вращательного перемещения обеспечивают движение в плоскости ХОТ, а третья цепь обеспечивает поступательное движение в вертикальной плоскости и вращение вокруг вертикальной оси.
Рассмотрим некоторые решения, соответствующие полной кинематической развязке, что позволяет упростить кинематический и динамический расчет механизма. Полная кинематическая развязка осуществлена в механизме [9], где каждый привод управляет движением по одной степени свободы. В двух кинематических цепях этого механизма расположены двигатели поступательного перемещения на перпендикулярных осях. В третьей кинематической цепи расположен двигатель поступательного перемещения и вращения. Эта цепь содержит два шарнирных параллелограмма. При этом имеет место передаточное отношение, равное единице. Таким образом, осуществляется полная кинематическая развязка степеней свободы, что упрощает управление механизмом.
Также полная развязка осуществлена в механизме параллельной структуры с четырьмя степенями свободы [10]. Первая и вторая кинематические цепи состоят из одной приводной поступательной пары, расположенной на основании, двух поступательных пар, представленных как шарнирные параллелограммы, и вращательной пары (оси вращательных пар двух цепей совпадают). Третья кинематическая цепь содержит вращательную приводную пару, установленную на основании, одну приводную поступательную пару (оси этих двух пар совпадают) и две поступательные пары, выполненные в виде шарнирных параллелограммов. Этот механизм обладает свойством полной кинематической развязки, а также изотропностью. Каждый линейный двигатель перемещает выходное звено лишь вдоль одной декартовой координаты.
Более подробно рассмотрим конструкцию макетного образца манипуляционного механизма параллельной структуры с четырьмя степенями свободы, а также некоторые возможные применения этого механизма. При этом представлены применения механизма не только с четырьмя степенями свободы, но и устройств с пятью и шестью степенями свободы. Рассматриваемый механизм основан на идее робота "ПАМИНСА", в котором поступательное движение вдоль вертикальной оси "развязано" от движений в плоскости по трем координатам.
Рис. 1
Рис. 2
Рассматриваемый пространственный механизм [11] (рис. 1) включает три кинематические цепи, один двигатель для вертикального перемещения и три двигателя для перемещения выходного звена в плоскости. Все двигатели жестко закреплены на раме-основании, основную нагрузку воспринимает на себя двигатель вертикального перемещения.
В представленной модели манипулятора параллельной структуры с четырьмя степенями свободы (рис. 2) все двигатели установлены на неподвижном основании, что значительно уменьшает массу и размер подвижных звеньев манипулятора. Действующая модель состоит из неподвижной рамной конструкции, подвижной платформы и трех аналогичных кинематических цепей. Каждая цепь содержит входное звено и промежуточное, которое соединено с выходным звеном. Каждая цепь содержит по три вращательные пары.
Движения подвижной платформы по вертикали развязаны относительно движений в плоскости по трем координатам. Таким образом, для управления движениями "поднять—опустить" достаточно включать в работу лишь один двигатель поступательного перемещения (в действующей модели вращательный шаговый двигатель с передачей винт—гайка). Так как основные силы тяжести действуют на вертикальные перемещения, то это требует установки двигателя повышенной мощности. Для управления перемещением подвижной платформы в плоскости достаточно трех вращательных двигателей меньшей мощности.
На рис. 2 представлен манипулятор, разработанный со снятым блоком управления — для лучшего представления конструкции устройства. В модели выходное звено представляет собой цилиндрическую пластину из алюминиевого сплава диаметром 60 мм и толщиной 5 мм. Сопряженные с ним промежуточные звенья сделаны из алюминиевого прутка круглого сечения диаметром 10 мм и длиной 120 мм. Вертикально расположенные прямолинейные звенья сделаны из стального прутка квадратного сечения 8 х 8 и длиной 484 мм и расположены на расстоянии 342 мм друг от друга.
Конструкция верхнего узла манипулятора включает передачу винт—гайка, а также дополнительную направляющую, чтобы исключить вращение выходного звена линейного двигателя вокруг вертикальной оси.
1
■••Л-
«в ■
Рис. 3
Рис. 4
Конструкция выходного звена манипуляционного механизма представлена на рис. 3. Выходное звено сопряжено тремя промежуточными звеньями посредством вращательных кинематических пар.
Выходной вал каждого из трех двигателей вращательного перемещения сопряжен посредством зубчатой передачи с соответствующей штангой, передающей поступательные перемещения.
Для управления макетом манипулятора требуется компьютер. На рис. 4 представлен стенд, на котором проводили экспериментальные исследования.
Представленная действующая модель—прототип пространственного механизма параллельной структуры имеет довольно простую конструкцию, не требует больших затрат на изготовление деталей, не предъявляет высокие требования к приводам.
Рассмотрим возможные применения механизмов параллельной структуры в отраслях промышленности.
Рис. 5
Рис. 6
Наряду с преимуществами манипуляционных механизмов параллельной структуры име
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.