CC BY
21
УДК 62-231:621.9.04
А. М. КИРИЧЕНКО, О. В. ШЕЛЕПКО
Юровоградський нацюнальний техшчний ушверситет
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЖОРСТКОСТ1 ШАРН1Р1В РОБОЧОГО ОРГАНА БАГАТОКООРДИНАТНОГО ВЕРСТАТА ПАРАЛЕЛЬНО!
СТРУКТУРИ «ПЕНТАПОД»
У po6omi розглянуто основш типи багатокоординатних eepcmamie паралельног структури та можливостi орieнтацii гх робочого органу вiдносно системи координат. Визначено жорстюсть шартрних опор робочого органа верстата «пентапод» nid дieю радiального та осьового навантаження, виявлеш основнi фактори, як впливають на ii величину.
Ключовi слова: верстат паралельног структури, пентапод, ланка змтно'г' довжини, жорстюсть, робочий орган.
А. Н. КИРИЧЕНКО, О. В. ШЕЛЕПКО
Кировоградский национальный технический ушверситет
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИСЛЕДОВАНИЕ ЖЕСТКОСТИ ШАРНИРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА МНОГОКООРДИНАТНОГО СТАНКА ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ «ПЕНТАПОД»
В работе рассмотрены основные типы многокоординатных станков параллельной структуры и возможности поворота их рабочего органа относительно системы координат. Определена жесткость шарнирных опор рабочего органа станка «пентапод» под действием радиальной и осевой нагрузки, выявлены основные факторы, влияющие на ее величину.
Ключевые слова: станок параллельной структуры, пентапод, штанга переменной длины, жесткость, рабочий орган.
A.N. KYRYCHENKO, О. V. SHELEPKO
Kirovograd National Technical University
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF STIFFNESS OF ACTUATOR JOINTS OF PENTAPOD
PARALLEL KINEMATICS MACHINE
In this paper, the basic types of multi-axis parallel kinematics machine tools and the orientational capability of their effectors. The stiffness ofjoints of manufactured actuator is determined under radial and axial loads, the key factors influencing the stiffness are investigated.
Keywords: parallel kinematic machines, pentapod, variable length link, stiffness, actuator.
Постановка проблеми
Розвиток сучасного машинобудування неможливий без впровадження передового технолопчного обладнання, до якого можна вщнести багатокоординатш верстати паралельно! структури. За рахунок !х використання стае можливим щдвищення показнишв продуктивносп та гнучкосп виробництва, осшльки дане обладнання забезпечуе високу швидшсть перемщення (до 120 м/хв) i прискорення (до 50 м/с2), завдяки перемщенню малих мас. Даш верстати також характеризуються високою жорстшстю конструкций за рахунок чого забезпечуеться висока точшсть обробки деталей складного профiлю та мають здатшсть комбiнування на одному верстап рiзних методiв обробки (фрезерування, лазерно! та токарно!).
Серед верстапв паралельно! структури для багатокоординатно! обробки широкого використання набули верстати «гексаподи» з шютьма штангами змшно! довжини [1]. Основним недолжом таких верстапв е невелик! кути повороту робочого органа (до 30°) та необхвдшсть шести приводiв для здшснення п'ятикоординатно! обробки. Позбавлет цих недолшв п'ятикоординатнi верстати паралельно! структури «пентапод» (рис. 1), яш мають велик! кути повороту робочого органа (б№ше 90°) i використовують для здшснення багатокоординатно! обробки п'ять привод!в, що здешевлюе виготовлення i експлуатацiю (економiя електроенерги) верстапв даного типу.
Верстати паралельно! структури «пентапод» Ф!рми «Metrom» (Шмеччина) [2] використовуються для обробки ротор!в i к1лець електростанцiй, траверс (матерiал обробки - сталь), в^^зних iнструментiв, фрез (високолегована загартована сталь), рiзноманiтнi деталi для авiабудування (композицшш матерiали з волокном CFK) та шшг
Рис. 1. Верстат «пентапод» фирчи Мйгош (Нiмеччина)
Рис. 2. Розрахункова схема верстата «пентапод» для визначення кшематики i жорсткостi
Аналiз останнiх досл1джень i публiкацiй
Одною з найважливших характеристик верстатiв е жорстк1сть, що визначае точнiсть обробки, як1сть оброблено! поверхнi та динамiчнi характеристики обладнання [3]. Розрахункова схема верстата «пентапод» для визначення жорсткосп зображена на рис. 2 [4]. Центри шарнiрiв основи розмiщенi в точках А;, центри шарнiрiв рухомо! платформи (робочого органа) - в точках В;.
Матриця просторово! жорсткостi верстата паралельно! структури включае величини жорсткосп компоненпв верстата, зокрема шарнiрних опор i робочого органа.
Загальна матриця жорсткосп для просторового механiзму паралельно! структури типу «пентапод» визначаеться наступним чином [4]:
К = 1 к „
¡=5
|- - I- -н Т Г- -1 г- -.
ni ni + к к ■ п5 п5
ГВ х ni _ ГВ х П _ ГВ х п5 _ ГВ х п5 _
(1)
де
п; - одиничний вектор ос штанги:
Т
П =
( (
Я ■
V_V
(
Я
V V
ХА! + У А; ГВ
+ Гп
- га;
1В. -
^ - ¿В; }
(2)
+ УА - гВ
+г
- га
г
В
В
г
В
де Я - матриця повороту системи координат робочого органа вщносно системи координат основи;
хА , уА , 1А - координати точки А;; ¿в, - координати точки В;; гВ - радiус-вектор точки В; в
абсолютнiй системi координат основи. г0 - радус-вектор початку координат робочого органа в системi координат основи; га; - ращус--вектор точки А; в абсолютнш системi координат основи. Дослщження кинематики верстата «пентапод» приведенi у роботах [5, 6]. Експериментальш вимiрювання жорсткостi багатокоординатних верстатiв паралельно! структури наведено у [7], а приведення до зони обробки жорсткосп розглянуто у [8].
Формулювання мети дослщження Метою роботи е визначення пружних деформацiй шарнiрних опор робочого органа внаслвдок силового навантаження та встановлення основних факторiв, як1 впливають на величину жорсткостi опор.
Викладення основного матерiалу досл1дження На основi спроектовано! схеми робочого органа багатокоординатного верстата паралельно! структури «пентапод» (рис. 3) було виготовлено модель робочого органа (рис. 4). Вш складаеться з
мотор-шпинделя 1 потужшстю 2,2 кВт та п'яти шарнiрiв 2 i3 радiально-упорними тдшипниками 3, стльна Bicb яких спiвпадаe з вюсю шпинделя. Для сприйняття осьового навантаження мiж шарнiрами розмiщенi упорнi роликовi пiдшипники 4.
Змiна оpiентацil робочого органа у npocropi вiдбуваeться при змш положения шарнiрiв 2 завдяки pадiально-упоpним шдшипникам 3, як1 здшснюють одночасний рух ввдносно корпуса шаршра 2 i шпинделя робочого органа 1.
а) б)
Рис. 3. Робочий орган батокоординатного верстата «пентапод»: а) конструкщя, б) загальнй вигляд
Вимipюваиия осьових пеpемiщень у шарнрах (рис. 5) виконувалось на столi фрезерного верстата. Робочий орган 1 та стшка 3 з вимipювальним iндикатоpом 4 нерухомо закpiпленi на столi 5. Наваш'ажувальна планка 6 безпосередньо закршлюеться на вилцi 7 шаpнipiв 2. Наваитажения створювалось за допомогою перемщення шпинделя верстата, зусилля контролювалось за допомогою динамометра 8. У якосп вимipювального пристрою 4 використано iндикатоp Mitutoyo 513 з цшою подiлки 0,002 мм.
Графш залежиостi осьових пеpемiщения шаpнipiв робочого органа вщ величини прикладеного навантаження (рис. 6) показуе, що максимальне пеpемiщения спостеpiгаeться у шаpнipi 3, а мшмальне -у шаpнipi 1.
Д,мкм 70 60 50 40 30 20 10
в
4 £
'У
ft
V
\2 1
Рис. 5. Дослщний стенд для ви]шрювання жорсткост шарм1р1в робочого органа
О 50 100 150 200 250 300 Р,Н
Рис. 6. Залежност осьового перемщення шарн1р1в робочого органа в1д навантаження (1-5 - номер шаршра)
Вимipювання pадiальних пеpемiщень (рис. 7) виконувалось аналопчно вимipюванню осьових перемщень. Гpафiк залежиостi pадiального перемщення шаpнipiв робочого органа вiд величини прикладеного навантаження (рис. 8) показуе, що максимальне перемщення спостертаеться у шаpнipi 1, а мшмальне - у шаpнipi 3.
Робочий орган використано у спроектованому та виготовленому на кафедpi «Металоpiзальнi верстати та системи» КНТУ п'ятикоординатному верстап паралельно! структури «пентапод» (рис. 9), що дасть змогу виконати подальшi дослiджения та пеpевipити результати теоретичних розрахунк1в.
Верстат «пентапод» складаеться з основи, на якш pозмiщено п'ять карданних шдвгав з штангами змшно! довжини. 1ншим к1нцем кожна штанга прикршлена до робочого органа через шаршри таким чином, що вюь кожно! штанги проходить через вюь робочого органа.
Рис. 7. Дослщний стенд для вимiрювання жорсткост ша|)1М|)ш робочого органа
25
20
10
1
5 2
3
0 50 100 150 200 250 300 Р, Н
Рис. 8. Залежност радiального перемiщення шар|мрш робочого органа вiд навантаження (1-5 - номер шарнiра)
Характерною особливютю верстата е здатнiсть робочого органа повертатися на кут бiльше 90° вщносно одно! з осей, що дае змогу здiйснювати обробку деталей при розмщенш робочого органа як у горизонтальному (рис. 9, б), так i у вертикальному положенш (рис. 9, в), що значно зб№шуе сферу застосування верстата.
б)
Д,м км
15
5
0
а) в)
Рис. 9. Багатокоординатний верстат паралельноТ структури «пентапод»: а) загальний вигляд; б, в) положення робочого органа
Управлшня верстатом здшснюеться ввд системи ЧПУ LinuxCNC. Для виконання задано! траекторi! робочого органа виконуеться узгоджене перемiщення п'яти штанг змшно! довжини за рахунок подачi вiдповiдних сигналiв, розрахованих на основi к1нематичних залежностей механiзму, на серводвигуни потужнiстю 1 кВт.
Висновки
1. Експериментальш вимiрювання показали, що жорстк1сть шарнiрiв при осьовому навантаженнi з шдшипниками дорiвнюе 5...6 Н/мкм, тодi як жорстшсть шарнiру без пiдшипника - 35 Н/мкм. Таким чином, осьова жорстшсть шарнiрiв робочого органа запропоновано! конструкцi!' в основному визначаеться жорстшстю радiально-упорних пiдшипникiв. Жорстк1сть шарнiрiв при ращальному навантаженнi з пiдшипниками коливаеться в межах 12...26 Н/мкм, а жорстшсть шаршру без пiдшипника
-11 Н/мкм. Таким чином, ращальна жорстшсть шарнiрiв робочого органа в основному визначаеться жорстк1стю з'еднання вилки з шарнiром.
2. Для подальших дослiджень розроблено конструкцiю п'ятикоординатного верстата паралельно! структури «пентапод» з системою ЧПУ. Хоча робочий орган верстата може повертатися на кут бшьше 90° ввдносно одно! з осей, поворот вщносно шшо! оа знаходиться у межах ±30°, тому для забезпечення обробки складних деталей з уах бок1в слад встановити поворотний стш.
Список використаноТ лггератури
1. Merlet J.-P. Parallel Robots. - Springer-Verlag New York Inc., 2006. - 394 p.
2. Metrom mechatronische maschinen [Електронний ресурс] // Офщшний сайт виробника. - Режим доступу до ресурсу: http://www.metrom.com.
3. Кириченко А.М. Матриця жорсткосп просторових механiзмiв паралельно! структури з пружними ланками / А.М. Кириченко // Конструювання, виробництво та експлуатащя сiльськогосподарських машин / Вип. 40, ч. I - Юровоград: КНТУ, 2010. - С. 256-262.
4. Кириченко А.М. Просторова жорстшсть верстата з мехашзмом паралельно! структури «пентапод» /А.М. Кириченко, О.В. Шелепко, M.I. Черновол // Загальнодержавний мiжвiдомчий науково-технiчний збiрник. Конструювання, виробництво та експлуатащя сiльськогосподарських машин. -Вип. 42, ч. II. - Юровоград: КНТУ, 2012. - С. 187-190.
5. Bär G. F. Kinematic Analysis of a Pentapod Robot / Gert F. Bär, Gunter Weiß // Journal for Geometry and Graphics 10 (2006). - No. 2. - P. 173-182.
6. Кириченко А.М. Кшематика п'ятикоординатного верстата з паралельною структурою/
A.М. Кириченко, О.В. Шелепко, С.П. Сапон // Вюник ЧДТУ. Серiя ТН. - Чершпв, 2013. -№ 67 (3). - С. 100-104.
7. Струтинський В. Б. Експериментальне визначення матриц жорсткосп модел1 гексапода/
B. Б. Струтинський, А. М. Кириченко // Загальнодержавний м1жв1домчий науково-техшчний збiрник. Конструювання, виробництво та експлуаташя сшьськогосподарських машин. -Кровоград: КНТУ, 2011. - Вип. 40, ч. I. - С. 133-141.
8. Кириченко А.М. Приведения до зони обробки жорсткосп та податливосп обладнання з мехатзмами паралельно! структури / А.М. Кириченко // Вюник Нацюнального техшчного ушверситету Укра!ш «Ки!вський полггехшчний iнститут». Серiя «Машинобудування». - 2010. -№ 59. - С. 205-210.
