84 4.3 Прямая кинематика с использованием дополнительных датчиков . <...> 89 4.4.3 Вычисление матрицы Якоби для кинематики гексапода . <...> Для преодоления ограничений традиционных станков (с последовательной кинематикой) в 90-х годах 20-го века была разработана новая концепция станка с параллельной кинематикой. <...> Машины, основанные на этой концепции, и в настоящее время известные как параллельные роботы, гексаподы или механизмы с параллельной кинематикой представляют собой замкнутые механизмы, обладающие повышенными характеристиками по жесткости, точности и грузоподъемности в сравнении с традиционным оборудованием. <...> Рисунок 1 – Традиционная архитектура механизмов с последовательной кинематикой Системы с последовательными или сложенными осями легко поддаются кинематическому анализу, но способствуют накоплению погрешностей, поскольку неточное позиционирование одной оси вызывает нарушение позиционирования другой оси, что умножает погрешности с каждым последующим звеном. <...> Вдобавок к этому недостатку традиционные станки со сложенными осями, имеющие станину, суппорт и тому подобные детали, требуют установки на массивный бетонный фундамент для обеспечения стабильности несущей системы. <...> При этом каждая цепь состоит максимум из двух звеньев, соединение которых имеет одну степень свободы, а движение конструкции обеспечивается N линейными приводами, по одному на каждую цепь [16]. <...> 8 Рисунок 3 – Параллельный пространственный механизм Д. Е. Гвиннета Десятью годами позднее Уиллард Л. В. <...> Робот представлял собой первый октаэдральный гексапод, названный самим ученым универсальным механизмом. <...> На рисунке 5 слева направо показана оригинальная конструкция машины образца 1954 г. и ее модернизированный вариант образца 2000 г. Рисунок 5 – Первый октаэдральный гексапод конструкции Э. <...> Описанный универсальный механизм сыграл важную роль в области промышленных роботов и все еще имеет большое значение в научных исследованиях <...>
Основы_построения_станков_с_параллельной_кинематикой.pdf
УДК 621.9:621.865.8(075.8)
ББК 34.63-5я73+32.816я73
К18
Рецензент – доцент, кандидат технических наук И. В. Парфенов
Каменев, С. В.
К18 Основы построения станков с параллельной кинематикой: учебное пособие
/ С. В. Каменев; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2017. – 127 с.
ISBN 978-5-7410-1662-6
В учебном пособии рассмотрена история появления и развития механизмов
с параллельной кинематикой, и описаны их различные разновидности, используемые
в современной промышленности. При этом основное внимание уделяется
станкам с параллельной кинематической структурой, представляющим
новое перспективное направление в станкостроении. Приводятся сведения о кинематике
и конструктивных особенностях существующих станков данного типа,
а также освещены вопросы их калибровки и компьютерного управления.
Учебное пособие предназначено для студентов направлений подготовки
15.03.06 Мехатроника и робототехника и 15.03.05 Конструкторскотехнологическое
обеспечение машиностроительных производств, изучающих
такие дисциплины, как «Расчет и конструирование станков», «Конструирование
мехатронных модулей», «Методология конструирования станков».
Учебное пособие подготовлено в рамках проекта по совершенствованию
содержания и технологий целевого обучения студентов в интересах организаций
оборонно-промышленного комплекса («Новые кадры ОПК –
2016»)
УДК 621.9:621.865.8(075.8)
ББК 34.63-5я73+32.816я73
ISBN 978-5-7410-1662-6
© Каменев С. В., 2017
© ОГУ, 2017
2
Стр.2
Содержание
Введение ............................................................................................................................... 5
1 Общие сведения о станках с параллельной кинематикой ............................................ 6
1.1 Понятие станков с параллельной кинематической структурой ............................... 6
1.2 История развития механизмов с параллельной кинематикой .................................. 8
1.3 Промышленное использование параллельных механизмов ................................... 14
1.3.1 Технологии механической обработки .................................................................... 14
1.3.2 Позиционирующие устройства ............................................................................... 22
1.3.3 Погрузочно-разгрузочные и сборочные роботы ................................................... 24
1.3.4 Координатно-измерительная техника .................................................................... 26
1.3.5 Многофункциональные роботы .............................................................................. 29
1.4 Контрольные вопросы................................................................................................. 31
2 Конструктивные особенности станков с параллельной кинематикой ..................... 33
2.1 Классификация станков с параллельной кинематикой ........................................... 33
2.2 Механизм гексапода .................................................................................................... 37
2.3 Компоновки гексаподов .............................................................................................. 39
2.3.1 Гексапод 6-6 .............................................................................................................. 40
2.3.2 Гексапод 6-3 .............................................................................................................. 40
2.3.3 Гексапод 3-3 .............................................................................................................. 41
2.4 Линейный привод стоек .............................................................................................. 41
2.4.1 Гексаподы с телескопическими стойками (система «Ingersoll») ........................ 43
2.4.2 Гексаподы со стойками винтового типа (система «Hexel» и «Geodetic») .......... 46
2.5 Основные конструктивные элементы гексаподов ................................................... 49
2.5.1 Стойки ....................................................................................................................... 49
2.5.2 Сферический привод ................................................................................................ 51
2.5.3 Шарниры ................................................................................................................... 54
2.5.4 Шпиндель .................................................................................................................. 61
2.5.5 Поворотная головка ................................................................................................. 64
2.5.6 Базовая платформа ................................................................................................... 66
2.5.7 Энкодеры ................................................................................................................... 67
3
Стр.3
2.5.8 Система управления ................................................................................................. 69
2.6 Контрольные вопросы................................................................................................. 71
3 Характеристики гексаподов .......................................................................................... 73
3.1 Достоинства гексаподов ............................................................................................. 73
3.2 Ограничения гексаподов ............................................................................................ 78
3.3 Контрольные вопросы................................................................................................. 79
4 Математические модели гексапода .............................................................................. 80
4.1 Обратная кинематическая модель гексапода ........................................................... 80
4.2 Прямая кинематическая модель гексапода ............................................................... 84
4.3 Прямая кинематика с использованием дополнительных датчиков ....................... 87
4.4 Динамическая модель гексапода ............................................................................... 88
4.4.1 Модель Д'Аламбера .................................................................................................. 88
4.4.2 Вывод уравнений динамики гексапода .................................................................. 89
4.4.3 Вычисление матрицы Якоби для кинематики гексапода ..................................... 91
4.5 Планирование траектории движения ........................................................................ 94
4.6 Контрольные вопросы................................................................................................. 95
5 Калибровка станков с параллельной кинематикой ..................................................... 96
5.1 Понятие калибровки .................................................................................................... 96
5.2 Математический подход ............................................................................................. 98
5.3 Измерение внешними методами .............................................................................. 101
5.4 Стратегии самокалибровки ...................................................................................... 108
5.5 Калибровка с использованием механических ограничений ................................. 110
5.6 Проблемы методов калибровки ............................................................................... 111
5.7 Контрольные вопросы............................................................................................... 112
6 Управление станками с параллельной кинематикой ................................................ 114
6.1 Традиционные схемы управления для станков с параллельной кинематикой ... 114
6.2 Специальные модели для станков с параллельной кинематикой ........................ 116
6.3 Динамический контроллер ....................................................................................... 118
6.4 Контроллер на основе прогнозирующей модели ................................................... 121
6.5 Контрольные вопросы............................................................................................... 124
Список использованных источников ............................................................................ 126
4
Стр.4