Многокоординатный манипулятор на основе дуговых и линейных электромехатронных модулей движения

Актуальность исследования. Приоритетной проблемой технологического развития высокотехнологичной промышленности Российской Федерации в соответствии с Перечнем критических технологий федерального уровня Пр-842 от 21 мая 2006 года по направлению «Мехатронные технологии и микросистемная техника» является создание технологических комплексов формирования и обработки поверхностей деталей сложной пространственной формы на основе интеграции средств точной механики, электротехники и электроники с компьютерными компонентами. Для обеспечения пространственного перемещения (манипулирования) обрабатываемого изделия относительно неподвижного инструмента обработки или инструмента обработки относительно неподвижного обрабатываемого изделия по сферической или криволинейной поверхности (траектории) необходимы многокоординатные манипуляторы (ММ). Известны ММдля пространственного перемещения обрабатываемых изделий или инструмента обработки по сложным траекториям, выполненные с применением редукторного электропривода и имеющие в своей структуре звенья для преобразования видов движения: вращательного движения в поступательное [1−10]. Наличие редукторов, дополнительных звеньев точной механики снижает точность и повторяемость перемещения рабочего органа, повышает эксплуатационные расходы. Если редукторный электропривод выполняет требования по точности и повторяемости движений, то не отличается высоким быстродействием, и наоборот, если выполняются требования по быстродействию, то не отличается высокой точностью и повторяемостью движений. Практически все существующие технические решения ММ с редукторным электроприводом, по крайней мере, в отечественном производстве, не отвечают требованиям по конкурентоспособности, предъявляемым к технологическим комплексам пространственного перемещения [11−24].

Научно-технический прогресс, борьба фирм-разработчиков за конкурентоспособность собственной продукции последовательно повышают требования к технико-эксплуатационно-экономическим характеристикам (ТЭЭХ) оборудования, технологий и материалов. Следовательно, объективно существует проблема создания для технологических комплексов пространственного перемещения ММ нового типа. Одним из перспективных путей совершенствования ММ, в которых рабочий орган максимально адаптирован в рационально организованную технологическую среду и совершает сложные пространственные манипуляции инструментом или изделием, является создание их на основе электропривода прямого действия (ЭППД) [12, 16, 19, 21]. Он всегда привлекал внимание исследователей и разработчиков отсутствием промежуточных механических устройств и высокими техническими характеристиками, несмотря на существование ряда нерешенных научных и технических проблем, обусловленных определенным уровнем технологий, материалов и электронной техники. Начиная с 80-тых годов, в связи с появлением промышленных микропроцессоров, функциональных и силовых интегральных схем, новых магнитных материалов, позволяющих управлять сложными нелинейными и динамическими процессами в ЭППД, с обеспечением достаточно высокого уровня выходной механической, мощности, внедрение ЭППД в автоматизированное оборудование стало необходимостью. Научно-технические проблемы разработки и внедрения ЭППД широко представлены в рабочих программах ведущих зарубежных и отечественных фирм, в публикациях и патентах.

Проблемами многокоординатных устройств для манипулирования в системах автоматики, приборостроения и робототехники, линейному электроприводу посвящены работы таких зарубежных ученых, как Андре П., Вукобратович М., Гонсалес Р., Кирчански Н., Куафе Ф., Ли К., Накано, Э., Ноф, Ш., Стокич Д., Фу К. и др., а также отечественных ученых — Воробьева Е. И., Горитова А. Н., Григорьева В. Е., Дмитриева В. М., Ивоботенко Б. А., Ильинского Н. Ф., A.A. Кобринского А. Е., Корикова A.M., Кожина С. С., Луценко В. Е., Осипова Ю. М., Сафонова Ю. М. Свечарника Д.В., Соломахина Д. В., Фролова К. В. и др. Однако подавляющее большинство научных трудов, отличаются недостаточностью изученности теории и практики создания многокоординатных манипуляторов на основе дуговых (ДЭМД) и линейных (ЛЭМД) электромехатронных модулей движения, малым количеством моделей, методик и программ, а также новшеств — оригинальных схемно-конструкторских решений, обеспечивающих создание конкурентоспособных изделий по критерию «цена-качество» для отечественной высокотехнологичной промышленности. Этим определяется тема настоящей диссертации и актуальность проведенных исследований.

В диссертационной работе исследуются и разрабатываются многокоординатные манипуляторы нового поколения с дуговым и линейным электромеха-тронными приводами прямого действия (ДЭМД и ЛЭМД). Основным элементом ММ является 3-х степенной сферический электромеханизм, геометрический центр которого можно перемещать, в зависимости от схемноконструкторской классификации 1-м, 2-мя или 3-мя ЛЭМД. Манипуляторы такого типа востребованы, в частности, в технологических комплексах для высокоточной обработки деталей сложной формы при помощи лазерного луча без наплывов, рваных краев, деформаций, непроплавленных участков, разных глубин прогрева.

Недостаточная изученность вопросов разработки и исследования ММ на основе ЭПГГД, малое количество теоретических и практических работ, новшеств, оригинальных схемоконструкторских решений по дуговым и линейным электро-мехатронным модулям движения в мировой практике, предопределяют актуальность и необходимость исследований по данной проблеме.

Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и разработка моделей, методик и программ, обеспечивающих создание многокоординатных манипуляторов на основе дуговых и линейных электромехатронных модулей движения.

Для выполнения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи.

1. Разработка схемно-конструкторских решений и конфигураций ММ со сферическим электромеханизмом на основе дуговых и линейных ЭМД с обеспечением:

— выбора вариантов схемно-конструкторской компоновки ММ;

— непересекаемости элементов подвижных конструктивов координат ММ в заданных диапазонах углового и линейного перемещения.

— прогнозирования величины остаточной неуравновешенности Аш в зависимости от точности изготовления элементов конструкции;

— минимизации массогабаритные характеристики ММ;

— создания конструкторской документации.

2. Анализ технико-эксплуатационно-экономических характеристик направляющих различных типов, разработка конфигураций ДЭМД и выбор оптимального конструктивного решения в соответствии с критерием «цена-качество».

3.Исследование электромагнитной системы ДЭМД и разработка методики, позволяющей осуществлять проектирование рациональных конфигураций магни-топроводов электромагнитной системы ДЭМД с энергопассивным и энергоактивным дуговым магнитопроводом-ротором.

4. Разработка методики электромагнитного согласования систем сегментных индукторов и дуговых магнитопроводов ДЭМД по каждой координате ММ для максимизации величины развиваемого тягового усилия;

5. Исследование экспериментального образца четырехкоординатного манипулятора и ДЭМД в его составе, проверка соответствия экспериментально полученных ТЭЭХ результатам теоретических расчетов.

Объектом исследования являются общие свойства и принципы функционирования ММ на основе ЭППД.

Предметом исследования является разработка схемно-конструкторских решений ММ для лазерного технологического комплекса (ЛТК) на основе ДЭМД и ЛЭМД, алгоритмов, программ и методик оптимизации параметров ММ.

Область исследований. Содержание диссертации соответствует п. 1 «Разработка научных основ создания, исследование элементов, схем и устройств вычислительной техники и систем управления» специальности 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления Паспорта номенклатуры специальностей научных работников (технические науки).

Научная новизна диссертации состоит в теоретическом обосновании и разработке моделей, методик и программ, обеспечивающих создание ММ на основе ДЭМД и ЛЭМД. Наиболее существенные результаты, содержащие научную новизну, состоят в следующем.

1. Разработана конструкция многокоординатного манипулятора со сферическим электромеханизмом на основе дуговых и линейных электромехатронных модулей движения с использованием САПР 2005, включающей блок выбора конфигурации и конструктивных параметров манипулятораблок анализа непересекаемости элементов подвижных конструктивов манипулятора в заданных диапазонах углового и линейного перемещенияблок, прогнозирования остаточной неуравновешенности Ат подвижных конструктивов манипулятора, достаточной для «безмоментной» фиксации рабочего стола в положении равновесия, что позволяет создать рациональную конфигурацию манипулятора по указанным свойствам.

2. Создан дуговой электромехатронный модуль движения, выполненный с залитыми диамагнетиком с низким коэффициентом трения зубчатыми поверхностями трехфазного сегментного индуктора и дугового возвратно-поворотного ротора.

3. Разработана методика расчета магнитной проницаемости зазора «диамаг-нетик-воздух-диамагнетик» электромагнитной системы, включающая универсальный алгоритм и программное обеспечение для* энергоактивного и энергопассивного вариантов дуговых магнитопроводов, позволяющая проектировать рациональные конфигурации электромагнитных систем дуговых и линейных электромехатронных модулей движения.

4. Разработана методика электромагнитного согласования сегментных индукторов и дуговых магнитопроводов роторов, расположенных по окружности движения по каждой координате манипулятора, позволяющая получить максимальную величину момента вращения, включающая одновременную подачу электрического тока номинальной величины в соответствующие фазы сегментных индукторов, один из которых установлен неподвижно относительно конструктивов соответствующих координат, остальные фиксируются неподвижно после согласования электромагнитных цепей сегментных индукторов и дуговых магнитопроводов роторов соответствующих координат.

Практическая значимость. Полученные в ходе диссертационного исследования научные результаты позволяют создавать устройства на основе ЭППД для различных применений: устройств с высокоточным электроприводом, электроприводом средней и низкой точности с учетом существующих производственно-технологических и финансовых возможностей предприятия.

На базе разработанного сферического электромеханизма возможно создание навигационных устройств (горизонтированных платформ инерциальных навигационных систем), платформ слежения солнечных батарей за перемещением солнца.

Реализация результатов работы.

Научные и практические результаты диссертационного исследования внедрены:

— в совместные разработки Отделения кафедры ЮНЕСКО и ООО «Научно-производственная фирма «ЮМО» а именно: а) учебный аппаратно-программный технологический комплекс с лазерной установкой «БетаМарк-2000» по государственному контракту № ОК-24/6189/06 от 04.10.2006 г.- б) лечебно-оздоровительный тренажер «Всадник».

— в учебный процесс Отделения кафедры ЮНЕСКО по направлению 220 600 «Инноватика» (лабораторные работы по курсам «Основы мехатроники», «Электрические машины и электропривод»);

— в эскизно-техническом проекте «Автономная электростанция с ориентированными солнечными батареями», являющейся совместной разработкой ОАО «НИИПП» и ООО «Научно-производственная фирма «ЮМО».

Личный вклад автора. В диссертации использованы результаты, в которых автору принадлежит определяющая роль. Некоторые из опубликованных работ написаны в соавторстве с сотрудниками научной группы. В совместных работах диссертант принимал участие в непосредственной разработке моделей, алгоритмов, теоретических расчетах и вычислительных экспериментах, в интерпретации результатов. Постановка задачи исследований осуществлялась научным руководителем, д.т.н., профессором Ю. М. Осиповым.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации и результаты исследований представлены в материалах следующих конференций: всероссийских научно-технических конференций «Научная сессия ТУСУР -2005» (Томск, май 2005) и «Научная, сессия ТУСУР — 2007 (Томск, май 2007) — всероссийской научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, НПЦ «Полюс», апрель 2008) — международных научно-методических конференций Современное образование: вызовам времени — новые подходы (Томск, ТУСУР, январь-февраль 2008), Современное образование: проблемы и перспективы в условиях перехода к новой концепции образования (Томск, ТУСУР, январь 2009), XVI международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке» (Санкт-Петербург, февраль 2009 года, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет) — пятой молодежной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Итоги реализации программыразвития электроники и ГГ-технологий в Томской области» (Томск, сентябрь 2008).

Публикации. По материалам исследований опубликована 21 научная работа, в том числе 1 монография, 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ, патент РФ на изобретение № 2 361 567 и свидетельство об отраслевой регистрации программы в отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Объем и структура диссертации. Общий объем работы — 179 листов основного текста, и содержит 17 таблиц, 79 рисунков, список использованной литературы включает 96 наименований. Структура диссертации включает введение, три главы, заключение, список использованной литературы, приложения.

3.4. Выводы по третьей главе.

Проведены экспериментальные исследования разработанного дугового электромехатронного модуля движения и многокоординатного манипулятора. Исследованы ДЭМД с опорами скольжения, ДС на основе ДЭМД с опорами скольжения и опорами качения, и определены такие основные показатели определяющие качество их функционирования как: статическое и динамическое усилие трения в опорах скольжения и качения, усилие удержания, полезное усилие, максимальное ускорение и пусковая приемистость в режиме холостого хода и под нагрузкойточность и повторяемость выхода подвижного РО в заданную точку.

Проведена экспериментальная проверка методики электромагнитного согласования ДС на основе ДЭМД. В результате эксперимента показано, что предложенная методика позволяет повысить силомоментные характеристики.

ДС на 10 и более процентов по сравнению с ДС, сборка которой осуществлялась в пределах установленных допусков без обеспечения электромагнитного согласования.

Выполнены экспериментальные исследования повторяемости перемещения рабочего стола ММ с учетом взаимовлияния электроприводов координат сферического электромеханизма ММ во всем диапазоне перемещений при его работе в составе лазерного технологического комплекса с лазерной установкой БетаМарк 2000.

В ходе исследований подтвердились высокие технико-эксплуатационно-экономические характеритики ДЭМД и ММ на его основе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе, в соответствии с поставленной целью и задачами разработаны модели, методики и программные продукты, обеспечивающие создание многокоординатных манипуляторов на основе дуговых и линейных электромехатронных модулей движения. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты.

1. Предложены схемно-конструкторские решения и конфигурации ДЭМД с различными типами опор, и произведен выбор оптимального конструктивного решения в соответствии с критерием «цена-качество»:

— на основе результатов сравнительного анализа различных типов опор (скольжения, качения и опор смешанного типа);

— математических моделей рациональных конфигураций магнитопроводов электромагнитной системы ДЭМД с энергопассивным и энергоактивным дуговым магнитопроводом-ротором.

2. Разработан ММ со сферическим электромеханизмом на основе дуговых и линейных ЭМД, при помощи САПР 8оИс11? огк8 с дополнительным программным блоком, позволяющим:

— производить выбор конфигурации и конструктивных параметров манипулятора;

— обеспечивать анализ непересекаемости элементов подвижных конструктивов координат ММ в заданных диапазонах углового и линейного перемещения и создавать конструкторскую документацию;

— обеспечивать прогнозирование величины остаточной неуравновешенности Ат в зависимости от точности изготовления элементов конструкцииминимизировать массогабаритные характеристики ММ.

4. Разработана методика электромагнитного согласования систем сегментных индукторов и дуговых магнитопроводов ДЭМД по каждой координате ММ для максимизации величины развиваемого тягового усилия;

5. Проведены экспериментальные исследования силомоментных и точностных характеристик разработанных ДЭМД и ММ, в ходе которых подтвердились их высокие технические характеристики. Экспериментально доказана эффективность предложенной методики согласования электромагнитных систем ДЭМД на примере ДС с опорами скольжения.

6. Разработан и изготовлен учебно-аппаратно-программный технологический комплекс с лазерной установкой «БетаМарк-2000» по государственному контракту № ОК-24/6189/06 от 04.10.2006 г.

Научные результаты диссертационного исследования используются в эскизно-техническом проекте «Автономная электростанция с ориентированными солнечными батареями», являющейся совместной разработкой ОАО «НИИПП» и ООО «Научно-производственная фирма «ЮМО», в учебном процессе Отделения кафедры ЮНЕСКО в качестве лабораторных работ по курсам «Основы мехатроники», «Электрические машины и электропривод».