Станки с параллельной кинематикой
Министерство
образования и науки Российской Федерации
Федеральное
государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Национальный
исследовательский Томский политехнический Университет»
Институт
электронного обучения
«Машиностроение»
Реферат
Станки с
параллельной кинематикой
Томск - 2016
Механизмами параллельной кинематической
структуры называются устройства, исполнительное звено которых соединено с
основанием с использованием нескольких независимых кинематических цепей.
В настоящее время конструктивные резервы
повышения точности станков, в частности многоцелевых, в основном исчерпаны,
поскольку, например перемещения рабочих органов осуществляется в них по
направляющим с теоретически ограниченной точностью и жесткостью. Для
дальнейшего повышения точности, как правило, используются новые УЧПУ с более
высоким быстродействием и дискретностью. Что касается жесткости, то в станках
обычной компоновки она ограничена вследствие наличия зазоров между подвижными
узлами, возникающих в результате вибраций и многих других факторов.
Необходимость, преодоления указанных недостатков
станков традиционного исполнения привела к разработке в ряде стран (России.
США. Швейцарии, Японии) станков новой концепции, основанной на применении платформы
Стюарта, использовавшейся в авиации для моделирования полетов. Эти станки были
выполнены в основном как многоцелевые, хотя данная концепция позволяет
реализовать на них функции шлифования, полирования и координатных измерений. К
проектированию подобных станков впервые приступили в СССР в 1976 г. За рубежом
аналогичные разработки начались примерно через 10 лет [фирма Giddings&Lewis
(США) и Geodetic Technology International (Швейцария) - в 1988 г., фирма
Ingersoll - в 1987 г.
Отличительной особенностью таких станков,
получивших за рубежом название «гексаподы», является сравнительная простота
конструкции, высокие показатели скорости перемещения, ускорения и жесткости
станка, простая система обратной связи. Для главного привода в таких станках
применяют высокоскоростной мотор - шпиндель. Частота вращения которого
бесступенчато регулируется встроенным высокочастотным асинхронным
электродвигателем. Мотор - шпиндель установлен на подвижной пяти координатной
платформе. Для осуществления движений подачи и установочных перемещений
платформы используются шесть параллельно работающих телескопических штанг,
каждая из которых имеет шариковый механизм ходовой винт - гайка, шаговый серво-
электродвигатель и лазерную систему контроля перемещений.
Такой станок в целом значительно проще, легче и
жестче станков классической компоновки. Телескопические штанги и рамная
конструкция работают только на растяжение и сжатие, не испытывая изгиба, так
как сила резания от шпинделя, расположенного на верхней платформе, передается вдоль
штанг. Поэтому у станка типа «гексапод» жесткость в 5 раз, а рабочие скорости в
3-5 раз выше, чем у сравнимого с ним по характеристикам многоцелевого станка.
Кроме того, поскольку штанги связывают подвижные и неподвижные части станка в
единое целое, усилия распределяются по всей структуре равномерно, благодаря
чему для станка не требуется массивное основание и дорогостоящий фундамент, что
позволяет легко перемещать его при изменении планировки цеха.
Первый отечественный станок на базе МПК
разработан в 1987 году Новосибирским электротехническим институтом. Этот станок
отличался внутренним расположением шпинделя, относительно замкнутого контура
раздвижных телескопических штанг. На нем были проведены исследования реального
объема рабочего пространства и жесткости станка, а также траектории и
амплитудно-частотные характеристики подвижной платформы под действием
переменной нагрузки.
Разработку станков такого класса активно ведет
ЗАО «Лапик» (г. Саратов). В 1992 году выпущены координатно-измеригельные модули
КИМ-500 и КИМ-1000, а в 1995 году многофункциональный технологический модуль
ТМ-1000.
Металлорежущие станки на основе механизмов
параллельной структуры служат альтернативой многокоординатным многоцелевым
станкам традиционной компоновки (с последовательным соединением узлов
формообразующей системы). Наиболее распространены фрезерные и шлифовальные
станки с шестью степенями свободы, реализованные на основе платформы Стюарта
[1], - гексаподы. Основная область их применения - обработка поверхностей
двойной кривизны: лопатки турбин.
Типичный гексапод выполнен на базе шести
механизмов поступательного перемещения, представляющих собой, например,
шариковые винтовые передачи ШВП. Для изменения их длины служат регулируемые
электроприводы. Контроль за величиной перемещения осуществляется датчиками
положения. Одним концом штанга шарнирно соединена с основанием, а другим (также
шарнирно) - с подвижной платформой, на которой установлен рабочий орган,
например, мотор-шпиндель. Управляя вылетом штанг по программе, можно управлять
положением шпинделя по шести координатам: X,Y,Z и тремя углами поворота.
Малогабаритное многокоординатное обрабатывающее
устройство на основе механизма с параллельной кинематикой относится к области
станкостроения и предназначено для изготовления деталей сложных форм и малых
габаритов.
Технической задачей создаваемого устройства
является создание конструкции, обладающей высокой жесткостью и обеспечивающей
высокую точность обработки при многокоординатной обработке.
Малогабаритное многокоординатное обрабатывающее
устройство на основе механизма с параллельной кинематикой относится к области
станкостроения и предназначено для изготовления деталей сложных форм и малых
габаритов.
В качестве прототипа к заявляемому устройству
выбран 4-х координатный станок с ЧПУ «Стриж», содержащий стол, стойку с
приводом, стойка, на которой закрепляется шпиндель и поворотная каретка (, дата
обращения к странице 06.12.10).
Его существенный недостаток - отсутствие
сложного пространственного движения заготовок без использования дополнительных
приводов на данном станке с относительно невысокими жесткостью и точностью
обработки детали, поэтому существует необходимость создания нового
обрабатывающего оборудования.
Технической задачей создаваемого устройства
является создание конструкции, обладающей высокой жесткостью и обеспечивающей
высокую точность обработки при многокоординатной обработке.
Техническая задача достигается тем, что в
малогабаритном многокоординатном устройстве, содержащем шпиндельный узел и
многокоординатный стол с модулем приводов, согласно полезной модели
многокоординатный стол дополнительно содержит платформу, основание и шесть
штанг, выполненных с возможностью перемещения относительно вертикальной оси
устройства более чем на 360 градусов по круговым направляющим основания, причем
штанги соединены с основанием ползунами посредством карданных шарниров, а с
платформой - сферическими шарнирами, при этом модуль приводов соединен с
ползунами посредством плоских пружин.
За счет оригинальной конструкции модуля приводов
шесть штанг, соединенных ползунами с основанием карданными шарнирами, а с
платформой - сферическими шарнирами и выполненных с возможностью перемещения
вдоль круговых направляющих основания, становится возможным сложное
пространственное движение платформы. При заторможенных приводах устройство
превращается в пространственную ферму, что обуславливает его высокую жесткость
при малой металлоемкости.
Шпиндель закреплен на вертикальной направляющей
и осуществляет перемещение вдоль вертикальной оси в ручном режиме с последующей
фиксацией.
Сущность полезной модели поясняется чертежами,
где на фиг.1 представлен вид спереди, а на фиг.2 представлен вид сверху.
Малогабаритное многокоординатное обрабатывающее устройство
на основе механизма с параллельной кинематикой состоит из платформы 1;
основания 2, которое устанавливается на станине 9 устройства; шести штанг
постоянной длины 3 (далее штанги 3), соединяемых с платформой 1 сферическими
шарнирами 5, а с ползунами 6 - карданными шарнирами 4; шпинделя 11,
осуществляющего перемещение по направляющим 12, которые закреплены на крышке
станины 10; модуля приводов 7, который передает движение ползунам через плоские
пружины 8. Ползуны 6 выполнены с возможностью перемещения вдоль круговых
направляющих основания 2 относительно вертикальной оси более чем на 360°.
Устройство работает следующим образом. На
платформу 1 устанавливается и закрепляется заготовка. От модуля приводов 7
через плоские пружины 8 передается угловое перемещение ползунам 6, и штанги 3
занимают такое положение, при котором платформа 1 с закрепленной на ней
заготовкой, описывает сложное пространственное движение. При обработке шпиндель
11 осуществляет перемещение вдоль вертикальной оси в ручном режиме с последующей
фиксацией.
Основное назначение устройства состоит в
применении его в качестве обрабатывающего оборудования, сочетая в себе малые
габариты, многокоординатную обработку, высокую точность и жесткость
конструкции. Кроме того, устройство может применяться для создания нового
технологического оборудования с нетрадиционными компоновочными схемами и
учебных стендов, иллюстрирующих работу современного оборудования с
нетрадиционными компоновочными схемами.
Малогабаритное многокоординатное обрабатывающее
устройство, содержащее шпиндельный узел и платформу с модулем приводов,
отличающееся тем, что платформа соединена с основанием шестью штангами,
выполненными с возможностью перемещения относительно вертикальной оси
устройства более чем на 360º
по круговым направляющим основания, причем штанги соединены с основанием
ползунами посредством карданных шарниров, а с платформой - сферическими
шарнирами, при этом модуль приводов соединен с ползунами посредством плоских
пружин.
К современному технологическому оборудованию
помимо требований по качеству выполнения операций (точность, скорость и т.п.)
предъявляются требования по эффективности работы, в том числе - энергетической
эффективности. Проведенные автором исследования показали возможность снижения
энергии, затрачиваемой на выполнение фрезерных операций, реализуемых на
оборудовании с параллельными приводами.
Оборудование с параллельными
приводами - это класс перспективного технологического оборудования, в
конструкции которого используются механизмы с параллельной кинематикой.
Наиболее известен из таких механизмов гексапод, часто называемый платформой
Стюарта (рис. 1). Механизм образован 6-ю одинаковыми кинематическими цепями,
соединяющими выходное звено - платформу с основанием. Физическая реализация
такой кинематической цепи - штанга переменной длины. Изменение расстояния между
кардановым и сферическим шарнирами в каждой из кинематических цепей посредством
винтовой пары (изменение длины штанги) позволяет формировать сложные
пространственные перемещения платформы.
Механизм - гексапод и
оборудование, построенное на его основе, характеризуются высокой удельной
жесткостью и точностью позиционирования выходного звена, однако требует
усложненных алгоритмов управления [4]. Помимо задачи перемещения платформы по
заданной траектории, алгоритмы управления могут решать задачи повышения
производительности оборудования и уменьшения нагрузок на приводы,
обеспечивающие перемещение платформы [2, 5]. С практической точки зрения
наибольший интерес представляет разработка и реализация управлений, снижающих
потребление энергии приводами, т. е. энергоэффективное управление оборудованием
с параллельными приводами.
параллельный кинематический
фрезерный операция
Литература
1.
Металлорежущие станки: учебник. В 2 т. Т. 2 / В.В. Бушуев, А.В. Еремин, А.А.
Какойло и др.; под ред. В.В. Бушуева. Т. 2. - М.: Машиностроение, 2011. 584с.;
.
Решетов Д. Н., Портман В. Т. Точность металлорежущих станков. - М.:
Машиностроение, 1986. - 336 с.
.
Вайнштейн И.В., Сироткин Р.О., Серков H.А. Станкидлявысокоскоростной обработки
деталей и перспективы их развития в машиностроении // Авиационная
промышленность. - 2006. - N9 3. - С. 49-55.
.
Обрабатывающее оборудование нового поколения. Концепция проектирования / В.Л.
Афонин, А.Ф. Крайнов, В.Е. Ковалев и др.; под ред. В.Л. Афонина. - М.:
Машиностроение, 2001. - 256 с.