CC BY
52
УДК 621.9.06
П.В. КЕБА
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
РОЗШИРЕННЯ ФУНКЦ1Й I КОМПЛЕКСНА ОЦ1НКА ЯКОСТ1 КАРКАСНИХ КОМПОНОВОК ВЕРСТАТ1В З МЕХАН1ЗМАМИ ПАРАЛЕЛЬНО1 СТРУКТУРИ
В poóomí розглянуто шляхи удосконалення eepcmamie з паралельною структурою. Показано конструкци верстатiв з розширеними функцюнальними можливостями. Вказуеться модель, яка покладена в основу комп'ютерних програм «Tools Glide». В процеci проектування верстатiв зМПС дане програмне забезпечення дозволить проаналiзувати влаcтивоcтi будь-яких варiантiв конструкцш, що проектуються, та зробити вибiр конструктивних вузлiв, агрегатiв та деталей.
Розроблено математичну модель верстата i виконане моделювання перемщення виконавчо'1 ланки. Отримано координати положення виконавчих ланок. Доведено працездаттсть розробленого пост-процесора для створення управляючих програм верcтатiв нестандартних компоновок.
Ключовi слова: верстат з паралельною ктематикою, механ1зми паралельно'1 структури, математична модель, керування верстатом.
П.В. КЕБА
Херсонский национальный технический университет
РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИЙ И КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА КАРКАСНЫХ
КОМПОНОВОК СТАНКОВ С МЕХАНИЗМАМИ ПАРАЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
В работе рассмотрены пути усовершенствования станков с параллельной структурой. Показаны конструкции станков с расширенными функциональными возможностями.
Показана модель, на которой основана компъютерная программа «Tools Glide».В процессе проектирования станков с МПС данное программное обеспечение позволит проанализировать свойства любых вариантов конструкций, которые проектируются, и произвести выборку узлов, агрегатов и деталей.
Разработана математическая модель станка и выполнено моделирование перемещения исполнительного звена. Получены координаты положения исполнительных звеньев. Доказана работоспособность разработанного пост-процессора для создания управляющих программ станков нестандартных компоновок.
Ключевые слова: станок с параллельной кинематикой, механизмы параллельной структуры, математическая модель, управление станком.
P.V KEBA
Kherson National Technical University
FUNCTIONAL EMPOWERMENT AND COMPLEX QUALITY ESTIMATION OF MACHINE TOOLS WITH FRAME ARRANGEMENT AND PARALLEL STRUCTURE MECHANISMS
The ways of development for machine tools with parallel structure are discovered. The constructions of machines with enhanced functionality are also presented.
The base model for computer program "Tools Glide " is examined. This software will provide an ability to analyze characteristics of any machine constructions and help to choose joints, mechanisms and other devices.
Machine-tool mathematic model is created. Carriages and executive branch moving modelling was done. Then the carriages coordinates are received. The workability of created post-processor is proved.
Keywords: parallel structure machine-tool, the mechanisms of parallel structure, mathematic model, machine-tool management.
Постановка проблеми
В ринкових умовах перед виробничими пвдприемствами постають задачу характер яких швидко змшюеться, майже щоденно. А тдвищення економ1чних вимог до технологш обробки формуе потребу на вдосконалення вс1е! ланки цифрового керування та тдвищення штенсифжацп режим1в обробки, продуктивности точности та якост обробки на верстатах з мехашзмами паралельно! структури (МПС). У сфер1 оброблюючого обладнання необхвдно мати р1зномаштне верстатне устаткування яке б дозволило забезпечити виконання вимог замовника Í3 мшмальними катталовкладеннями для одного щдприемства.
Сучасш САМ-системи мютять постпроцесори розробленш пiд iснуючи моделi обладнання, а будь який новий або модершзований верстат потребуе нового математичного опису [1]. Керування рухом виконавчо! ланки верстату з механiзмами паралельно! структури передбачае контроль за рухами iнструменту в просторi та потребуе моделювання руху всiх рухомих ланок, вузлiв та агрегатiв.
Переважна бшьшють постпроцесорiв в iснуючих САМ-програмах розроблеш пiд iснуючi верстати та вiдомi компоновки [2]. При створеннi ново! компоновки виникае необхщшсть адаптувати програму керування зпдно шнематично! структури i одночасно виконувати анал1з жорстк1стних та динашчних характеристик технолопчно! системи.
Анаш останнiх досл1джень i публiкацiй На сьогодшшнш день велику увагу придiляють верстатам з механiзмами паралельно! кинематики, в роботi [3] було розроблено конструкцш спецiальних пристро!в (калiбрiв) для вдентифшацп геометричних параметрiв точностi верстата з МПС та визначення параметрiв його точностi. В роботi [4] розглядаються основт типи багатокоординатних верстапв паралельно! структури i можливостi орiентацi! !! робочого органу вiдносно системи координат та проведена робота щодо забезпечення жорсткостi шарнiрних опор робочого органа верстата «пентапод» пiд дiею радiального та осьового навантаження. Однак не було проведено дослщжень щодо створення программного забезпечення яке б в процес проектування верстатiв з МПС дозволить проаналiзувати властивостi будь-яких варiантiв конструкцiй, що проектуються, зробити вибiр конструктивних вузлiв, агрегатiв та деталей.
Формулювання мети досл1дження Метою роботи було знайти шляхи розширення функцюнальних можливостей верстатного обладнання з мехашзмами паралельно! структури та дослвдити його к1нематичну та динамiчну яшсть. А також довести працездатнiсть та адекватшсть отриманих результатiв розробленого програмного забезпечення для отримання програми керування верстатом з паралельною кинематикою.
Викладення основного матерiалу досл1дження Виготовлено дослвдний зразок фрезерного верстата пiрамiдального компонування з механiзмами паралельно! структури, який мае наступш параметри (рис. 1).
а)
1120 б)
Рис. 1. Свердлильно-фрезерний верстат шрамвдальноТ компоновки: а - фото; б - схема - опора 1, хрестовий стш 2, мотор-шпиндель 3, шаршр 4, напрямна 5, каретка 6, штанга постшноТ довжини 7,
рухома платформа 8, лшшний двигун 9, каркас 10 .
Отримаш таю умови моделювання обробки СФВПК-4:
траекторiя i послвдовшсть опорних точок для верстатного столу задаеться виключенням iз рiвняння просторово! лiнi! Е координати 2 i вiдповiдае параметричним рiвнянням проекцi! просторово! лiнi! Е;
опорнi точки в траекторп центру рухомо! платформи ввдповщають виключенiй координатi 2; кероване перемщення рухомо! платформи ввдбуваеться з ввдповщним лiнiйним або нелiнiйним законом 20=/(12) i при необхiдностi керуванням кутового положення платформи А=/(1д) або В/в);
- зв'язок керованих змшних tA, ^ заданий параметрично як сукупшсть амей геометричних об'eктiв;
- виконуеться розрахунок координат шарнiрiв в системi координат верстату з урахуванням положения рухомо! платформи 20;
- проводиться пошук вiдповiдних положень повзунiв на напрямних верстату аналiтичним методом.
Рис. 2. 1мов1|)1м схеми керування ВО по просторовим траeкторiям i взаемозв'язок керованих
змшних в кшематичнш моделi СФВПК-4
Рис. 3. Приклади в1дтворення плоских траекторш СФВПК-4 в межах внутршньоТ зони
iнструменту
Запропоновано комплексний шдхвд оцшки якост компоновки, який включае: процедури структурно-схемного синтезу в залежностi вщ геометричного образу деталi, що обробляеться; математичш i програмнi методи розв'язання задач кинематики i управлiння приводами каркасних компоновок; оцшку пружного стану i динамiчного ввдгуку верстатно! системи з МПС в заданих дiапазонах роботи обладнання. Отримано математичну модель, яку покладено в основу комп'ютерних программ «Tools Glide» та «Tools Response». В процес проектування верстапв з МПС дане програмне забезпечення дозволить проаналiзувати властивостi будь-яких варiантiв конструкцiй, що проектуються, та зробити вибiр конструктивних вузлiв, агрегатiв та деталей (рис.4).
Рис. 4. Послщовшсть процедур зовшшнього постпроцесора
Блок кинематики («Tools Glide») включае можливосп формування компоновки glide-обладнання та розрахунками кинематики з тдтримкою зворотного зв'язку з модулем вщклику «Tools Response» для врахування роботи шаршр1в р1зних тишв. Основш модул системи включають: модуль роботи з файлами CL-data (MPN) - формування та корегування масиву X; модул розрахунку шнематичних задач (SolvingNuPhi, Rota, Coord Car, Basis, ...) - формуеться характер ос1 керування, матриць переходу в1д попередньо! опорно! точки до наступно!, формування координат кареток тощо (рис. 5, а). Шсля завантаження файлу CL-data та його оброблення, на виход1 програми отримуемо графши перемщення кареток 1з масивом числових значень !х координат (рис. 5, б).
,5457891970 ,5775087450 ,5726995286 ,5598582515 ,5429733680 ,5267890627 ,5153503773 5112434158 ,5153503773 ,5267890627 ,5429733680 ,5598582515 ,5726995286 ,5775087450
а б
Рис. 5. Отримана Bi3ya™i30BaHa математична модель верстата з паралельною структурою, (а); та графики перемщення кареток i3 масивом числових значень ix координат (б)
Для бшьш глибокого вивчення характеристик верстапв з паралельною структурою, а саме аналiз динамiчного вiдгуку системи у будь-якому положеннi було розроблено блок аналiзу податливостей («Tools Response»), який включае можливосп розрахунку вщгуку конструкцi! iмпортовано! з модуля «Tools Glide» за методом скшченних елеменпв з врахуванням жорстк1стних характеристик ланок, титв шарнiрiв тощо (рис. 6) Основш модулi системи включають: модулi формування та корегування
сшнченних елеменлв (Balance, PhisEqs, АТР, ...) - шдтримуються сшнченш елементи типу консоль (CONS), балка (BEAM), пол1гон (ATP), шаршри (Joint), стойки (Bar) та ш.; окр1м того процедура АТР враховуе шнематичш зв'язки i поведшку абсолютно твердого тша (rigid body) в просторц модуль ф1зики PhisEqs мютить закони деформування елеменпв, розраховуе матриц жорстокосп компоненпв в локальних та глобальних системах координат; модуль р1вноваги Balance встановлюе балансов1 закони для ус1х об'екпв навантаження; Joint - модуль врахування вид1в шаршр1в по геометрп, шнематищ, зовшшшх силах i моментах, що виникають в шаршрах; Bar - модуль характеристик стойки (попередне навантаження, ор1ентащя, рух шаршр1в вщносно системи координат стойки).
Зворотнш зв'язок м1ж модулями (1мпорт-експорт) забезпечуе можливють врахування взаемного впливу «кшематика - деформацшний вщклик конструкци». Ця можливють забезпечуе подальше оптимальне прогнозування роботи обладнання для р1зних компоновок.
Для кожно! технолопчно! системи ця залежнють р1зна i може бути визначена окремо, що дозволяе також використовувати програмний продукт на еташ проектування версталв з МПС [5].
БЛОК «TOOLS RESPONSE»
Рис. 6. Промыли граф1чн1 об'екти блок1в «Tools Glide» та «Tools Response»
Сучасне виробництво у промисловостi не обмежуються технiчними задачами, що виконуются саме на територп шдприемства, цеху або д№нищ. В багатьох випадках потрiбно мати мобiльне оброблююче або позицюнуюче устаткування, яке б ввдповщало критерiям точностi, економiчностi i розширено! функщональносп. В даному напрямi перспективу мають каркаснi малометалоeмнi компоновки технолопчного обладнання з просторовими шарнiрно-стрижневими мехашзмами паралельно! структури (МПС) [6]. Однак стала к1нематична будова i нерухома несуча основа традицшних компоновок обмежуе робочий простiр такого обладнання у внутршньому його просторi [7].
Для виршення дано! задачi в робоп застосовано для МПС iз штангами постшно! довжини генетичний оператор шверси [8] i отримано ряд нових компоновок обладнання маншулювання об'ектами [9] з новими ознаками i розширеною функцiональнiстю (рис.7).
Функцiональнi i сервiснi можливостi шдвищуються за рахунок перенесення приводiв iз рухомими каретками на каркасну рухому платформу. Дане ршення дозволяе досягнути значного зб№шення варiантiв крiплення до зовнiшнiх опор та спрямованого керування значенням жорсткосп виконавчого органу у вiдповiдному напрямг Тим самим робочий простiр переноситься назовш вiд загальних габаритiв компоновки, а рухома платформа утворюе окремий модуль, що легко транспортуеться та встановлюеться поряд з об'ектом, який обробляеться.
В
7777777777777777777777777 а)
7777777777777777777777777"
б)
77777777777777777777777777777/
в)
Рис. 7. Схемна реалiзашя шверсп для отримання нових властивостей маншуляцшних систем з МПС: а - традицшна глайд-компоновка; б - приводи i каретки перенесено на рухому платформу; в - кршлення штанг перенесено на шшу (будь-яку) поверхню
Мехашзм манiпулювання (рис. 8 а, б) складаеться з рухомо! платформи у виглядi каркасу, на якому розташоваш кроковi двигуни i незалежнi приводи. Кожен привод мютить гвинтову передачу з рухомою кареткою, що рухаеться уздовж напрямних, як1 каркасно об'еднано в единий модуль - рухому платформу i штанги постшно! довжини з шарнiрами з боку рухомо! платформи i шарнiрами з шшого боку, якими механiзм манiпулювання кршиться до будь-яких зовнiшнiх опор як в промислових, так i непромислових (польових) умовах. На рухомiй платформi може бути розташовано робочий орган -мотор-шпиндель з шструментом, схват машпулятора, лазер, плазмовий рiзак i iн. Керування рухами механiзму машпулювання об'ектами в технологiчному обладнаннi забезпечуеться системою ЧПК, що формуе та подае керуючий сигнал на приводи механiзмiв поступового руху. Окремi приводи мехашзму манiпулювання отримують незалежний керуючий сигнал, що дае можливють незалежного перемщення всiх кареток. Данi перемщення змшюють положення рухомо! платформи з захватним пристроем або мотор-шпинделем з шструментом у просторi по незалежним координатним осям.
В залежностi вщ конфiгурацi! i розмiрiв необх1дного робочого простору та умов довколишнього середовища може бути створено iншi варiанти крiплення механiзму манiпулювання до вертикальних або горизонтальних площин зверху або знизу штангами постшно! довжини (рис.8 в).
а)
б)
в)
Рис. 8. Компоновка багатоцшьового мехашзму маншулювання з рiзним початковим розташуванням рухомо'1 платформи: а - штанги прикршлено знизу до горизонтально! поверхш i ршномпрно розподiлено; б - штанги прикршлено зверху до горизонтально!' поверхш i з'еднано попарно; в - горизонтальне розташування рухомо'1 платформи i по три штанги окремо прикршлено збоку до двох вертикальних паралельних площин
Висновки
Розроблено модель та багатомодульну iерархiчну програму, що е фактично зовнiшнiм постпроцесором для створення програм керування нових компоновок верстапв з МПС з одночасною оцшкою к1нематично! якостi та параметрiв жорсткостi i динамiчного ввдгуку ланок при виконаннi технологiчних переходiв обробки складнопрофiльних поверхонь. Отриманi координати положення
виконавчих ланок верстата i в1зуал1зовано робоч1 рухи виконавчого органа (ВО) зпдно отримано! програми керування. Розглянуто вщгук системи на зовшшш навантаження. Отримаш результати перемщення ВО шд д1ею зовшшшх фактор1в. Запропоновано схеми верстатного обладнання з розширеними функцюнальними можливостями.
Список використаноТ лггератури
1. Петраков Ю. В., Напрями розвитку САМ-систем / Ю. В. Петраков, В. В. Писаренко, О. С. Мацювський // Журнал шженерних наук. - 2015.-Том 2. -№ 2 (2015). - С. А7-А13.
2. Петраков Ю. В., Розвиток САМ-систем автоматизованого програмування верстапв 1з ЧПУ: Монограф1я. - К.: Счкар, 2011. - 220 с.
3. Струтинський В.Б., Дем'яненко А.С. Визначення похибки виходу робочого органу верстата з мехашзмами паралельно! структури в позицш // Тези доповщей Всеукра!нсько! науково-практично! конференцИ' «Сучасн1 технологи промислового комплексу». — Херсон - 2015.
4. Кириченко А.М., Шелепко О.В. Експериментальне досл1дження жорсткост1 шаршр1в робочого органа багатокоординатного верстата паралельно! структури «пентод» // В1сник Херсонського нацюнального техн1чного ун1верситету. — 2015р.
5. Кузнецов Ю.М. Компоновки верстапв з механ1змами паралельно! структури: Монограф1я / Ю.М. Кузнецов, Д.О. Дмитр1ев, Г.Ю. Ддневич; п1д ред. Ю.М. Кузнецова. - Херсон: ПП Вишемирський В.С., 2009. - 456 с.
6. Кузнецов Ю.М., Дмитр1ев Д.О., Дшевич Г.Ю. Компоновки верстат1в з мехашзмами паралельно! структури. Монограф1я. - Херсон: ПП Вишемирський, 2009. - 456 с., 2010. - 471с.(рос.)
7. Кузнецов Ю.М. Маневрешсть супорта в робочому простор! багатокоординатного верстату ново! компоновки / Ю.М. Кузнецов, Д.О. Дмитр!ев //Вестник Херсонского национального технического университета. Вып. 3(32).-Херсон:ХНТУ, 2009 - С.15-21.
8. Кузнецов Ю.Н. Генетический подход - ключ к созданию сложных технических систем/ Ю.Н.Кузнецов, В.Ф.Шинкаренко //Науковий журнал «Технолопчш комплекси», №1,2(5,6), 2012. - с.15 - 29.
9. Кузнецов Ю.М., Бардачов Ю.М., Дмитр!ев Д.О., П!вень С.М. "Мехашзм ман!пулювання обектами в технолопчному обладнанн!", Заявка на винах1д №a201512568 в1д 21.12.2015.
