CC BY
112
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/
Том 8, №6 (2016) http ://naukovedenie.ru/vol8-6 .php
URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/45TVN616.pdf
DOI: 10.15862/45TVN616 (http://dx.doi.org/10.15862/45TVN616)
Статья опубликована 13.12.2016
Ссылка для цитирования этой статьи:
Ермаченков Д.И., Фазли Т.Г.К., Петренко Е.О. Разработка конструкции рамы квадрокоптера для удаленного мониторинга объектов // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №6 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/45TVN616.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК 62-214.3
Ермаченков Дмитрий Игоревич
ГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», Россия, Москва1
Магистрант
E-mail: dimitry.ermachenkov@gmail.com
Фазли Тамаш Гуль Карим
ГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», Россия, Москва
Магистрант E-mail: ftpublick@mail.ru
Петренко Елизавета Олеговна
ГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», Россия, Москва
Кандидат технических наук, доцент E-mail: arbuzov41@mail.ru РИНЦ: http://elibrary.ru/author profile.asp?id=741433
Разработка конструкции рамы квадрокоптера для удаленного мониторинга объектов
Аннотация. В статье авторы обозначают актуальную проблему удаленного мониторинга объектов без непосредственного участия человека. Для этих целей предлагается использовать беспилотный летательный аппарат квадракоптер. Такие аппараты все более широко используются в современной робототехнике. Основная их масса зарубежного производства, однако, авторами статьи предлагается описание проектирования и изготовления подобного аппарата собственного производства в рамках импортозамещения. Работа доведена до работающего прототипа. Важнейшей задачей при проектировании такого рода аппаратов является разработка надежной и прочной конструкции, способной выдерживать переменные и непредсказуемые нагрузки, нести дорогостоящее оборудование и обеспечивать удобство эксплуатации. В работе рассматриваются существующие реализации конструкций квадрокоптеров, а также осуществляется разработка рамы такого беспилотного летательного аппарата с учетом соотношения прочность-вес и удобства расширения. Для проектирования использовалась среда SolidWorks. Спроектированная конструкция отвечает требованиям, применяемым к современным летательным аппаратам. Проводится сравнительный прочностной расчет с обоснованным выбором подходящего материала, разрабатывается технология изготовления. Расчеты проводились в системе конечно-
1 105005, Москва, 2-я Бауманская улица, дом 5, кафедра РК9 1
элементных расчетов Ansys. При разработке технологии был проведен расчет режимов резания, на основе которого разработана управляющая программа для изготовления деталей конструкции на современном фрезерном оборудовании с числовым программным управлением, а также подобрана удачная схема базирования и установки заготовок. Предложенная конструкция изготовлена в виде прототипа. В заключении, авторы делают вывод о предложенной конфигурации рамы и возможности ее производства.
Ключевые слова: удаленный мониторинг; беспилотный летательный аппарат; рама квадрокоптера; расчет на прочность; выбор материала; изготовление на станке счисловым программным управлением
1. Введение
Задачи контроля и мониторинга важны в обнаружении предпосылок критических ситуаций: контроль инфраструктуры, труднодоступных мест, дорожной ситуации, мониторинг лесных массивов при пожарах и др. Наиболее актуален удаленный визуальный контроль без участия человека, т.к. присутствие в зоне наблюдения влечет снижение оперативности, затраты на технику для его доставки на место, защиту от неблагоприятных условий среды [1, 3, 4]. Как было показано в предыдущей статье [6], передовой технологией является использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Их применение обладает преимуществами:
• рентабельность;
• съемка высокого разрешения, как издалека, так и вблизи объектов;
• оперативность;
• возможность применения без риска для здоровья пилотов.
Недостатками являются неурегулированные вопросы интеграции БПЛА в единое воздушное пространство, сертификации, страхования и регистрации, однако работы над этим уже ведутся [19, 24].
Для решения озвученных задач наиболее эффективны квадрокоптеры в силу надежности, простоты конструкции, стабильности, компактности и маневренности [8, 16, 25]. Они могут использоваться как недорогое и эффективное средство для получения фото и видео изображений с воздуха, в том числе и инфракрасных снимков, а также снимков, полученных с использованием тепловизора, и других мультиспектральных снимков [6, 10, 11, 17, 20, 23].
Из выше сказанного следует, что на конструкцию квадрокоптера наложены некоторые ограничения [3, 4, 8, 17, 21]. В частности, рама должна обладать достаточной прочностью при сравнительно небольшом весе и должна обеспечивать выполнение задачи даже в плохих погодных условиях. Помимо этого, должна обеспечиваться достаточная грузоподъемность для подъема аппаратуры в воздух, рама должна обладать достаточными габаритами для закрепления такой аппаратуры.
В связи с этим, цель данной работы - разработать конструкцию (несущую раму) беспилотного летательного аппарата квадрокоптера, для последующего его использования в задачах автоматизированного визуального контроля. В работе проектируется реализация такой рамы, с учетом минимизации веса, прочности и удобства расширения. Помимо этого, освещаются все этапы проведения прочностного расчета и выбора на основе его результатов правильного материала конструкции. В результате разрабатывается технология изготовления на современном оборудовании с ЧПУ и изготавливается прототип.
2. Постановка задачи
В предыдущей статье «Плата управления квадрокоптера для удаленного мониторинга объектов» был сделан обзор применяемых силовых узлов для мультироторных систем [6]. Был выбран подходящий тип и модель электродвигателя для разрабатываемой системы на основе желаемого габарита конструкции. Исходя из этих параметров были подобраны остальные силовые компоненты, разработана плата управления.
Цель данной работы - разработать конструкцию (несущую раму) беспилотного летательного аппарата квадрокоптера, для последующего его использования в задачах автоматизированного визуального контроля. Для достижения поставленной цели, помимо уже решенных задач, необходимо решить ряд новых:
1. Изучить существующие реализации конструкций рам квадрокоптеров с учетом их геометрии и габаритов, используемых материалов (и их эффективности), способности к расширению используемого бортового оборудования (возможность установки дополнительных датчиков, узлов управления камерой, схвата и т.д.).
2. Спроектировать несущую раму квадрокоптера с учетом необходимых требований к габаритам, условию сборки, к минимизации ее собственного веса и к удобству расширения. При выборе габаритов и присоединительных конструкций учитывать выбранные в предыдущей статье силовые узлы.
3. Разработать расчетную схему рамы для проведения прочностного расчета. По его результатам, для минимизации веса, выбрать наилучшие материалы по соотношению прочность-вес, а также, оценить наличие, местонахождение и критичность слабых мест конструкции.
4. Выбрать технологический метод и разработать технологию изготовления на современном оборудовании с ЧПУ.
5. Сделать выводы по результатам проектирования рамы и проведения ее прочностного расчета. Оценить пригодность разработанной конструкции для ее применения в практических целях, а также применимость разработанных технологических процессов в условиях современного автоматизированного производства.
3. Проектирование рамы квадрокоптера 3.1. Анализ существующих конструкций и решений
На основании изысканий, проведенных в предыдущей статье [6], выбор был сделан в пользу среднегабаритных квадрокоптеров с межосевым расстоянием 50-100 см, по причине их достаточной маневренности [23], грузоподъемности и габаритов центральной платформы.
Прежде чем начинать разрабатывать несущую раму квадрокоптера, необходимо рассмотреть существующие разработки в области форм и габаритов несущих рам, исследовать наиболее популярные решения и концепции. Проведенный на базе зарубежной литературы и публикаций [15, 17, 18, 20, 23] анализ показал, что чаще всего в качестве центральной платформы для сопряжения лучей используется комбинация листовых деталей. В качестве материалов используются стекло- или угле пластики, листовой алюминий, древесно-стружечные изделия, стандартные пластики типа PLA и ABS, и др. Для лучей используется довольно широкий спектр конструкторских решений:
1. комплексная конструкция из листовых материалов (см. рис. 1), несколько сложна в сравнении с другими конфигурациями, но обладает большей прочностью, проста в ремонте и изготовлении.
2. конструкция сложной формы из пластика (литье, 3D печать) не требует предварительной сборки, но требует полную замену при поломке (см. рис. 2).
3. профильная конструкция круглого или квадратного сечения с платформой для установки двигателя на конце (см. рис. 3). Наиболее проста в техническом обслуживании но менее прочная.
4. цельно-литые из пластика или композита конструкции (см. рис. 4) отличаются большей прочностью и обтекаемостью, однако очень трудоемки в изготовлении и ремонте.
Рисунок 1 Рисунок 2
Рисунок 3 Рисунок 4
Проанализировав указанные варианты, было принято разрабатывать раму на основе листовых материалов (см. рис. 1). Ее преимущества:
1. листовые композитные материалы и прокат широко выпускаются промышленностью;
2. обработку заготовок легко проводить в гибких производственных системах (ГПС) на станках с ЧПУ (фрезерный, лазерный или гидроабразивный раскрой). При этом, все детали изготавливаются на одном оборудовании за одну установку;
3. свобода выбора удобной для дальнейшей эксплуатации геометрической конфигурации;
4. при правильно подобранных материалах, геометрии и соединений, можно получить прочность выше, чем в других реализациях.
Основные недостатки - затраты времени на сборку (по сравнению с цельно-литыми рамами) и применение большого количества резьбовых соединений (увеличение стоимости).
3.2. Разработка конструкции рамы
Разработка велась в программном обеспечении САПР SolidWorks. Сначала были сняты все геометрические характеристики форм и размеров используемой на борту аппаратуры [6], разрабатывалась геометрия основных посадочных мест для нее и электродвигателей. Затем были выбраны крепежные элементы для скрепления листов материала между собой и для придания будущей конструкции дополнительной прочности. При этом, были изучены перечни таких элементов по справочникам [1, 2, 5] и выбраны установочные шестигранные стойки (ГОСТ 20865-81 и ГОСТ 20862-75) и винты (ГОСТ 17473-80). Выбранные элементы широко выпускаются со стандартными типоразмерами как в металлическом, так и в неметаллическом исполнении, что позволяет при необходимости снизить вес конструкции.
После выбора стандартных крепежных изделий, была разработана центральная платформа, как наиболее важная часть для установки датчиков положения, камеры и т.д. Основными этапами ее разработки являлись проектирование:
1. посадочных мест для последующего крепления лучей и для установки стоек и винтов, а также для установки управляющей аппаратуры и возможных расширений в виде подвеса с камерой, инфракрасного датчика и т.п. Также оценивался габарит наиболее крупных компонентов (напр. аккумуляторная батарея), которые определяют минимальный размер платформы;
2. вырезов для возможно большего уменьшения массы в наименее критичных, с точки зрения прочности, местах;
3. пазов для выхода деталей, на которые будет установлена виброзащитная платформа.
Виброзащитная платформа не является частью основной рамы, но разрабатывается параллельно ей и представляет собой небольшую двухуровневую конструкцию, на которую устанавливаются датчики, остро реагирующие на вибрации от электродвигателей. Она устанавливается внутри несущей рамы, путем подвешивания на резиновых шнурах круглого сечения, что позволяет исключить непосредственный контакт между электродвигателями и датчиками, уменьшая помехи (см. рис. 6).
Затем была спроектирована основная часть луча, на котором устанавливаются контроллеры оборотов и электродвигатели. Лучи воспринимают в полете наибольшие нагрузки, из-за чего было решено использовать конструкцию из четырех взаимно перпендикулярных листовых деталей (см. рис. 5). Соединение сделано с помощью пар паз-выступ, а также дополнительного крепления стойками и винтами. Такое решение позволяет прочно удерживать все четыре детали друг относительно друга, сопротивляясь при этом их изгибу по горизонтали и вертикали. Полная длина лучей назначалась из соображений не пересечения следов вращения воздушных винтов рядом расположенных лучей между собой, а также формирования достаточного пространства между следом вращения винта и центральной платформой для возможных расширений.
I -I ' 1—О-I ц
I
Рисунок 5. Конструкция луча из 4-рех листовых деталей (рисунок авторов)
После этого была добавлена разработанная ранее присоединительная площадка для установки электродвигателя и части крепления к центральной платформе. Для дополнительной фиксации, используются выступы в вертикальных компонентах луча, которые заходят в разработанные ранее пазы в центральной платформе (см. рис. 6). Соосность оси установки на площадке и самого электродвигателя необходимо выдержать по 8-ой степени точности (допуск в диаметральном выражении 40 мкм) [12] для соответствия рамы назначенным заранее аэродинамическим характеристикам [23].
По завершении данного этапа, разрабатывалась конструкция опорной части луча, на которую квадрокоптер будет приземляться. Ее вертикальный размер назначался из соображений наличия свободного пространства величиной 45 мм между землей и аккумулятором. В итоге, была создана трехмерная модель квадрокоптера в сборе, с установкой всех электронных узлов, кабелей и воздушных винтов (см. рис. 6).
Рисунок 6. Конструкция рамы квадрокоптера (с аппаратурой) (рисунок авторов)
3.3. Предварительный выбор материалов
В процессе проектирования было решено использовать в качестве деталей рамы листовые материалы. В качестве таковых могут быть использованы:
• пластики (напр. листы оргстекла);
• композитные материалы (стеклопластики и углепластики);
• металлопрокат (алюминиевых сплавов, черный прокат и др.);
• древесно-стружечные изделия (напр. фанера).
Был проведен анализ характеристик указанных выше материалов [1], а также анализ использования их в уже существующих изделиях [15, 17, 18, 20, 23]. Он показал, что:
1. древесно-стружечные материалы применяются в основном только на стадии прототипирования;
2. металлопрокат является приемлемым и довольно часто применяемым решением (в основном алюминиевые сплавы);
3. пластиковые материалы хрупки и используются в ответственных конструкциях гораздо реже, по сравнению с металлами;
4. композитные материалы - второй широко используемый материал для изготовления рам, и используется также часто, как и листы алюминия (повышенная прочность при малом значении массы).
Таким образом, на основе проведенного анализа, древесно-стружечные материалы сразу же были отброшены. В итоге, для последующего сравнения в прочностном расчете были выбраны:
• листовой дюралюминий Д16Тпо ГОСТ 4784-97 1,5 мм;
• конструкционный листовой стеклотекстолит КАСТ-В по ГОСТ 10292-74 толщиной 1,5 мм;
• конструкционное органическое стекло листовое СО-95-К по ГОСТ 10667-90 толщиной 1,5 мм.
Выбор же материала для стандартных крепежных изделий (стойки и винты) проводился исключительно из соображений наименьшей массы. Поэтому материалом для них был назначен нейлон, как обладающий меньшей плотностью по сравнению с металлическими материалами.
4. Проведение прочностного расчета в ПО АпзуБ 4.1. Допущения и выбор расчетной схемы
Схематическое изображение конструкции рамы и действующих на нее в процессе эксплуатации силовых факторов приводится на рис. 7. На раму нанесены подъемная сила Гтяг, сила тяжести mдвg от винтов и электродвигателей, а так же сила тяжести mнагрg от используемой аппаратуры и батарей. В качестве упрощения предполагается, что масса от них сосредоточена строго в центре всей конструкции (допущение 1).
Рисунок 7. Схематическое изображение нагружения рамы (рисунок авторов)
Второе допущение - рама и нагрузки, к ней приложенные, считаются идеально симметричными. В связи с этим было решено рассматривать один луч с усилиями и четверть центральной платформы с соответствующей частью центральной нагрузки, а так же удерживающими факторами от остальных частей (заменяются на закрепление-заделку, что также есть аналог бесконечной массы не дающей взлететь) (см. рис. 8). Третье допущение -все нагружающие силовые факторы сохраняют свое направление и после возникновения деформаций (идеализация сил). И, наконец, четвертым и пятым допущениями являются,
соответственно, гипотезы о сплошности и однородности материала. Последние три допущения являются стандартными допущениями сопротивления материалов [13].
Одним из ключевых факторов работоспособности является обеспечение необходимой прочности, то есть способности выдерживать нагрузки без разрушения. В данном случае было важно обеспечить прочность конструкции не только в стандартных условиях эксплуатации, но и в условиях непредвиденных ситуаций, наиболее неблагоприятная из которых -перегрузка в результате нагружения чрезмерно большим дополнительным весом и, как следствие, возможная поломка и выход рамы из строя. Для моделирования такой ситуации было предложено приложить в центре конструкции бесконечную массу. В этом случае, рама не может подняться в воздух и работает на изгиб, по причине чего можно заменить бесконечную массу в центре на заделку. Практически, это олицетворяет то, что лучу не дают сдвинуться в горизонтальной плоскости остальные лучи (так как на них действуют такие же нагрузки, а конструкция симметрична. В данной ситуации, получаемые нагрузки на луч будут максимально возможными, поскольку они ограничены тягой на конце луча, в любой реальной ситуации нагрузки будут гораздо меньшими. А значит, при обеспечении прочности рамы в моделируемой ситуации, автоматически обеспечивается и прочность в любом жизненном применении.
Расчет на прочность проводился в программе конечно-элементного анализа Ansys (с использованием ANSYS Workbench). Данный программный продукт позволяет автоматизировано провести все расчеты, связанные с прочностью разработанной конструкции. При этом возможно использовать в качестве основы сделанную заранее трехмерную модель рассчитываемого объекта. Расчет проводился кинетостатический. Задаются используемые в проекте материалы (в том числе и изменяемые, для сравнения). Характеристики данных материалов были внесены в базу данных библиотеки в блоке Engineering Data.
После подготовительных операций, в программу была импортирована заранее спроектированная трехмерная модель луча в масштабе 1:1. Программное обеспечение ANSYS позволяет автоматически отследить соприкасающиеся детали конструкции и назначить для них сопряжения типа «контакт с трением». В данном случае это изменять не требуется, поскольку винты со стойками устанавливаются с зазором и работают на сдвиг, также как и остальные соприкасающиеся и устанавливаемые друг в друга элементы конструкции. Затем модель была разбита на конечные элементы методом заметания, качество сетки 71%. При моделировании описанной ранее ситуации, трехмерная модель конструкции луча рамы должна быть закреплена по плоскостям разреза центральной платформы с исключением всех подвижностей. Была задана вертикальная сила на оси установки воздушного винта и
Рисунок 8. Расчетная схема анализа прочности (рисунок авторов)
4.2. Обоснование допустимости используемого упрощения
4.3. Проведение расчета на прочность в среде Ansys
электродвигателя, равная алгебраической сумме максимальной тяги одной винто-моторной группы и силы тяжести, действующей на нее (тяга из статьи [6]):
Р = £Гяги - ™дв * 9 = штяги * 9 - ™дв * 9 = 0.6425 * 9.81 - 0.0651 * 9.81 = 5.6644 Н
Результаты проведенного прочностного расчета (максимальные значения величин) по материалам приведены в таблице 1. Программная погрешность проведенных вычислений составила 0,2%.
Таблица 1
Результаты расчета по материалам в ПО ANSYS
Основной материал Полная деформация, мм Эквивалентная упругая деформация, мм/мм Эквивалентное напряжение, МПа
Стеклотекстолит 0,51 0,0017 8,63
Дюралюминий 0,13 0,0007 8,60
Оргстекло 2,77 0,0038 8,21
Оценить результат расчета можно по предельным допустимым характеристикам для каждого из назначенных материалов, что и было сделано. Согласно ГОСТ, для назначенной марки стеклотекстолита величина предела прочности составляет 157 МПа. Согласно результатам расчета, максимальное напряжение составило 8,63 МПа. Это значит, что запас прочности по стеклотекстолиту равен:
Мкаст-в = ^ = 157 = 18.19
Для дюралюминия Д16Т составляет 320 МПа, а предел прочности - 450 МПа. Оценка ведется по пределу текучести, так как при достижении данной точки начнется разрушение конструкции [13]. Согласно результатам расчета, максимальное напряжение 8,60 МПа. Значит, запас прочности в этом случае равен:
^ппед 320 860
Мд1вт = -1пред = = 37.21
Для листового оргстекла СО-95-К выполненного из ПММА предел текучести составляет 40 МПа, а предел прочности - 70 МПа. Согласно результатам расчета, максимальное напряжение 8,21 МПа. Значит, запас прочности в этом случае равен:
Мсо95К = = ^ = 4.87
Предел текучести нейлона составляет 60 МПа (в то время, как предел прочности -79,3 МПа). В качестве максимального напряжения была взята наибольшая ее величина из всех трех расчетов, то есть 8,63 МПа. Таким образом, запас прочности по нейлону до возникновения первых пластических деформаций крепежных элементов равен:
°ппел 60
[п] „ = ^Р^ =-= 6 95
нейлон о ¿-о
°тах 8.63
Помимо рассмотрения прочностных параметров получаемой конструкции, также нужно учитывать как массу получающейся конструкции, так и максимальные деформации в ней при его использовании. Квадрокоптер со слишком тяжелой рамой попросту не сможет взлететь, а чрезмерное деформации в лучах способны ухудшить его аэродинамические
характеристики [17, 20, 23]. Сводную таблицу результатов расчета на прочность можно видеть ниже (см. табл. 2). Анализируя данные в приведенной таблице, можно наглядно увидеть, что стеклотекстолит наилучший материал по соотношению прочность-вес. Диаграмма распределения напряжений для него приведена на рисунке 9. С ним, даже в самой неблагоприятной ситуации разработанная конструкция рамы будет обеспечивать необходимую прочность и не разрушится, находясь все время в пределах упругости.
Таблица 2
Результаты анализа расчета на прочность, деформации и веса конструкций
Основной материал Полная деформация, мм Запас прочности Полная масса конструкции,г
Стеклотекстолит 0,51 18,19 859
Дюралюминий 0,13 37,21 1282
Оргстекло 2,77 4,87 638
Рисунок 9. Эквивалентные напряжения для стеклотекстолита (рисунок авторов)
5. Разработка технологии изготовления 5.1. Выбор технологического метода обработки
В качестве исходной заготовки для деталей разработанной конструкции был выбран лист конструкционного стеклотекстолита КАСТ-В по ГОСТ 10292-74. Обрабатывать данный материал можно различными методами формообразования: раскрой на фрезерных станках, лазерный раскрой, гидроабразивная резка. Все перечисленные виды обработки возможно проводить в гибких производственных системах (ГПС) на современных станках с ЧПУ.
Окончательный выбор пал на раскрой с использованием фрезерного станка с ЧПУ в силу того, что такое оборудование получило более широкое распространение в наши дни по сравнению с лазерным. Кроме того, фрезерование, в сравнении с лазерной резкой, отличается большей скоростью резки, возможностью изготовления пазов, отсутствием нагара на материале [7].
5.2. Выбор инструмента и определение режимов резания
При назначении элементов режимов резания учитывают характер обработки, тип и размеры режущего инструмента, материал его режущей части, материал и состояние заготовки, а также тип и состояние оборудования [12]. Исходными данными служат:
• параметры режущего инструмента;
• марка обрабатываемого материала;
• глубина резания;
• необходимая шероховатость поверхности, получаемой в результате резания;
• величина подачи на зуб фрезы.
Для обработки стеклотекстолита нельзя использовать обычные фрезы со стандартным расположением и геометрией зубьев, поскольку стеклопластики обладают чрезвычайно сильными абразивными свойствами и быстро тупят инструмент [9, 14]. Кроме того, данный материал относится к группе реактопластов [14] и после нагрева выше критической точки начинает обугливаться и гореть. Несмотря на это, нагреть стеклопластик крайне тяжело, что приводит к поглощению всего тепла инструментом. В итоге была выбрана специализированная фреза немецкой разработки HAM 441 Solid carbide rougter (см. табл. 3).
Таблица 3
Параметры режущего инструмента
Параметр Значение
Диаметр фрезы D, мм 1,5
Материал фрезы К10 (аналог ВК6-ОМ)
Число зубьев фрезы z 5
Период стойкости фрезы Т, мин 360
Далее необходимо выбрать глубину резания [9, 12, 14]. В данном случае было решено проводить резание в два прохода (/=2), глубина резания на каждом из которых составляет t=0,75 мм. Для обработки слоистых пластиков обычно пользуются значениями величин подачи на зуб в пределах 0,025..0,3 мм/зуб [9, 14], однако при подаче Sz > 0,25 мм/зуб увеличивается вероятность появления сколов. Назначено значение близкое к среднему в промежутке, а именно 8г=0,1 мм/зуб.
Таким образом, полная величина подачи на оборот шпинделя составляет:
Б = * г = 0.1 * 5 = 0.5 мм
В итоге, по номограмме, взятой из [9], была определена скорость резания (см. рис. 10). В данном случае она составила \=165 м/мин. Поиск скорости резания таким способом отличается своей простотой и оперативностью, поскольку не требует никаких серьезных расчетов. Наконец, был проведен расчет оборотов шпинделя на основе полученных данных:
1000 *р 1000* 150
п =-— = ——■—— = 31831 « 32000 об/мин
п*Б 3,14*1,5 '
Марка
твердого сплава Подача ^.мм/зуб
Т5К10 ВК8 ВК2 0,05 0,1 0,2 OA 0,8
Стойкость Т, мин Диаметр фрезы Д мм
Рисунок 10. Номограмма определения режимов резания при фрезеровании стеклотекстолита твердосплавными фрезами (рисунок авторов +[9])
5.3. Назначение станка, оснастки и схемы базирования
В качестве станка был выбран вертикально-фрезерный трехосевой станок с ЧПУ портального типа «Purelogic PLRA1». Выбор в пользу данного станка был сделан по причине его жесткости и большой рабочей области (1020x650x150 мм). Кроме того, данный станок имеет возможность замены стандартного шпинделя высокооборотистым, в качестве которого был назначен KRESS 1050FME (8000..35000 об/мин).
Так как обрабатываться будет листовой материал большой площади, то необходимо установить его на ровную поверхность большего размера, что обеспечит жесткость установки в вертикальном направлении. Для этого был назначен лист ДСП по ГОСТ 10632-89 толщиной 15 мм. Для установки, базирования и закрепления заготовки была назначена следующая оснастка:
• болт 7002-2468 ГОСТ 13152-67 - 8 штук;
• болт 7002-2462 ГОСТ 13152-67 - 11 штук;
• гайка 7003-0302 ГОСТ 8918-69 - 19 штук;
• прихват 7001-0054 ГОСТ 12937-67 - 8 штук;
• пластина 7034-0463 ГОСТ 4743-68 - 8 штук;
• упор 7030-1082 ГОСТ 1555-67 - 3 штуки.
На основании выбранных приспособлений и размеров рабочей зоны станка, была назначена схема базирования (см. рис. 11) и размеры заготовки (500х300 мм). Такая схема базирования позволяет легко менять заготовки после окончания обработки, а также обеспечивает однозначность их положения в системе координат станка. В качестве способа получения заготовок из выпускаемых промышленностью листов было назначено нарезание с помощью гильотинных ножниц (допуск резки ±1 мм, что не является критической величиной).
Рисунок 11. Схема базирования заготовки (рисунок авторов)
5.4. Написание программы ЧПУ и ее проверка
Перед написанием программы ЧПУ была разработана компоновка изготовляемых деталей на листе заготовки с учетом положения прихватов и упоров, поскольку этот этап определяет траекторию движения режущего инструмента. Разработка непосредственно управляющей программы проводилась средствами САМ программного обеспечения DELCAM ArtCAM, которое является простым инструментом для написания программ 2.5D обработки.
На выходе ArtCAM создает файл управляющей программы для ЧПУ с расширением «*.tap». Способ генерации и синтаксис программы определялся выбором соответствующего постпроцессора для конкретного станка с ЧПУ (в данном случае «Mach3gb-Arcs(MM)»).
После написания и создания файла управляющей программы, была проведена ее виртуальная симуляция в программном обеспечении CGTech VERICUT для проверки правильности работы и определения времени обработки (см. рис. 12). Данное программное обеспечение производит моделирование с привязкой к выбранной модели станка и оснастке, что позволяет также обнаружить возможные столкновения между компонентами станка и выявить неэффективные участки в управляющей программе.
Рисунок 12. Моделирование процесса обработки в ПО УЕШСиТ (рисунок авторов)
В результате симуляции были получены значения норм штучного времени, используя которые (вместе с нормами подготовительно-заключительного времени) была рассчитана норма времени на обработку одной заготовки:
Т = ТПЗ + Т111т * N = 25 + 103 * 1 = 128 мин
1ШТ
6. Изготовление и сборка рамы
После проведения полного цикла разработки конструкции рамы квадрокоптера и технологической подготовки к производству, все спроектированные детали конструкции были изготовлены на современном автоматизированном производстве с использованием фрезерного станка с ЧПУ. Фото процесса изготовления приведено ниже (см. рис. 13).
Рисунок 13. Процесс изготовления деталей рамы (рисунок авторов)
После изготовления всех деталей рамы, была осуществлена ее сборка и покраска. Готовая к эксплуатации конструкция рамы квадрокоптера показана на рисунке 14.
Рисунок 14. Изготовленная рама квадрокоптера в сборе (рисунок авторов)
7. Заключение
Данная работа является второй в серии публикаций по тематике беспилотных летательных аппаратов и системам мониторинга. В следующих статьях будут отражены особенности систем анализа изображений и управления.
В статье был проведен обзор существующих решений построения БПЛА типа квадракоптер, после чего было принято решение о построении рамы на основе листовых материалов. Был проведен анализ различных материалов на пригодность использования их в качестве материала рамы.
Затем была спроектирована конструкция самой рамы, пригодная для расширения перечня применяемой аппаратуры. После этого был проведен расчет на прочность разработанной конструкции в самых худших возможных условиях. Расчет проводился с каждым из рассмотренных ранее материалов и обосновал выбор стеклотекстолита в качестве основного материала конструкции. Коэффициент запаса до начала пластических деформаций для данного материала составил 6,95.
После этого в статье была освещена разработка технологии изготовления деталей конструкции. В качестве технологического метода было выбрано резание, а именно раскрой листовой заготовки стеклотекстолита на фрезерном станке с ЧПУ. Было проведено определение режимов резания графическим методом по номограмме, а также разработаны траектории движения режущего инструмента и написана управляющая программа для станка с ЧПУ. Ее код был проверен в виртуальном симуляторе и использован непосредственно на производстве для изготовления реальных деталей прототипа рамы квадрокоптера.
Таким образом, можно заключить, что были выполнены все задачи, поставленные в работе. Разработана и изготовлена в виде опытного образца конструкция БПЛА типа квадракоптер, отличающаяся надежностью и прочностью, а также способная выдержать любые эксплуатационные нагрузки и нести при этом дорогостоящее оборудование. Созданная модель может быть изготовлена на современном автоматизированном производстве. Работоспособность конструкции в реальных условиях и создание концепции управления будут освещены в следующих статьях по данной тематике.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анурьев В.И. - Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т. Т.1. - 9-е изд., перераб. и доп. / Под ред. Жестковой И.Н. - М.: Машиностроение, 2006. -928 с.
2. Байков Б.А. - Атлас конструкций узлов и деталей машин: учеб. пособие / Под ред. Ряховского О.А., Леликова О.П. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 400 с.
3. Гурьянов А.Е. - Моделирование управления квадрокоптером. - Инженерный вестник, #08, август 2014.
4. Гэн К., Чулин Н.А. - Алгоритмы стабилизации для автоматического управления траекторным движением квадрокоптера. - Наука и образование, #05, май 2015.
5. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. - Конструирование узлов и деталей машин: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений - 11-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 496 с.
6. Ермаченков Д.И., Фазли Т.К. - Плата управления квадрокоптера для удаленного мониторинга объектов - Инженерный вестник, #08, август 2016.
7. Жолобов А.А. - Технология автоматизированного производства: учебник для ВУЗов - Мн.: Дизайн ПРО, 2000. - 624 с.
8. Калинин П.А. - Синтез мехатронных модулей системы управления квадрокоптера. - Молодежный научно-технический вестник - #11, ноябрь 2014.
9. Кестельман Н.Я. и Кестельман В.Н. - Номограммы по расчету и конструированию пластмассовых деталей машин - М.: Машиностроение, 1970. - 228 с.
10. Петренко Е.О., Верамьев А.А. - Робототехническая мультиагентная система для прохождения односвязных лабиринтов - Инженерный вестник - #12, декабрь 2015
11. Сайфеддин Д. - Мехатронная система управления полетом квадрокоптера и планирование траектории методами оптической одометрии: дис. -Новочеркасск, 2014.
12. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2. / Под ред. Косиловой А.Г. и Мещерякова Р.К. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. -496 с., ил.
13. Феодосьев В.И. - Сопротивление материалов: учеб. для ВУЗов - 10-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 592 с.
14. Штучный Б.П. - Механическая обработка пластмасс: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987. - 152 с., ил.
15. Advanced MultiCopter Design [Электронный ресурс] - URL: http://copter.ardupilot.com/wiki/advanced-multicopter-design/.
16. Agrawal K., Shrivastav P. Multi-rotors: A revolution in unmanned aerial vehicle // International Journal of Science and Research. 2015. Vol. 4(11). P. 1800-1804.
17. Bouabdallah S. - Design and control of quadrotors with application to autonomous flying / Bouabdallah S. - Lausanne: EPFL publishing house, 2007. - 155 p.
18. DIY Quadcopter Frames [Электронный ресурс] - URL: http://quadcoptergarage.com/diy-quadcopter-frames/.
19. Forbes: European drone regulations are about to get smarter and more permissive. [Электронный ресурс]. 23.03.2015. URL: http://www.forbes.com/sites/ gregorymcneal/2015/03/23/european-drone-regulations-are-about-to-get-smarter-and-more-permissive/#51e69b9a26c7 (дата обращения: 27.03.2015).
20. Kuo C.H., Kuo C.M. Vector thrust multi-rotor copter and its application for building inspection [Электронный ресурс] // International Micro Air Vehicle Conference and Flight Competition, Tolouse, 17-20 September, 2013: Fraunhofer-Publica. URL: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-337117.htm (дата обращения: 27.03.2016).
21. Luukkonen T. Modelling and control of quadcopter[Электронный ресурс]. 22.08.2011. URL: http://sal.aalto.fi/publications/pdf-files/eluu11_public.pdf (дата обращения: 5.03.2016).
22. Metni N., Hamel T. UAV for bridge inspection: Visual servoing control law with orientation limits // Automation in construction. 2007. N 17. P. 3-10.
23. Pounds P., Mahony R. - Design Principles of Large Quadrotors for Practical Applications / Pounds P. - Kobe: Czech Technical University publishing house, 2009. - 16 p.
24. The National Law Review: Drones: Recreational/hobby owners Web-based registration process. [Электронный ресурс]. 15.12.2015. URL: http://www.natlawreview.com/article/drones-recreationalhobby-owners-web-based-registration-process (дата обращения: 27.03.2016).
25. UAV COACH: Are Quadcopters Better Than RC Helicopters? [Электронный ресурс]. 22.07.15. URL: http://uavcoach.com/are-quadcopters-better-than-rc-helicopters/ (дата обращения: 1.03.2016).
Ermachenkov Dmitry Igorevich
Bauman Moscow state technical university, Russia, Moscow E-mail: dimitry.ermachenkov@gmail.com
Fazli Tamash Gul Karim
Bauman Moscow state technical university, Russia, Moscow
E-mail: ftpublick@mail.ru
Petrenko Elizaveta Olegovna
Bauman Moscow state technical university, Russia, Moscow
E-mail: arbuzov41@mail.ru
Quadrotor frame design for remote object monitoring
Abstract. In this article authors outline the immediate problem of remote objects monitoring without direct human intervention. Quadcopter is an unmanned aerial vehicle (UAV), that is suggested for this task. Such devices are becoming increasingly common in today's robotics. Most of them are produced abroad. Right now there is demand for import substitution and we propose a new UAV design and ways to manufacture it in Russia. We managed to produce a working prototype. One of the most important parts in creating such UAV is designing reliable and rigid frame, which can stand altering and unpredictable loads, carry expensive equipment and be user-friendly. Existing quadcopter frame variants are described in the work and also the UAV frame design is provided with respect to strength-weight ratio and expandability convenience. Solidworks was used for designing purposes. Created construction is consistent with modern flight vehicle requirements. Frame strength calculations were performed with selecting proper material and production technology was developed. All calculations were done in Ansys - platform for finite-element analysis. Cutting modes calculation was made during the development of production technology. Control program for manufacturing frame parts using modern milling machine was derived from this basis. Additionally, good locating and workpiece setting scheme was chosen. Suggested frame construction was prototyped. Summing up, authors draw conclusion about suggested frame design and its manufacturing possibilities.
Keywords: remote monitoring; unmanned aerial vehicle; quadcopter frame; strength/stress analysis; material selection; computer numerical control manufacturing
