65544

Розширення функціональних можливостей верстатів-гексаподів шляхом визначення їх раціональних конструктивних параметрів

Автореферат

Производство и промышленные технологии

Актуальність дисертаційної роботи визначається обмеженою кількістю теоретичних розробок і практичних рекомендацій щодо особливостей будови та функціонування ВПК визначенню їх технічних та технологічних показників конкретних результатів досліджень...

Украинкский

2014-07-31

502.95 KB

1 чел.

КІРОВОГРАДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ВАЛЯВСЬКИЙ ІВАН АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 621.9.06

РОЗШИРЕННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ МОЖЛИВОСТЕЙ ВЕРСТАТІВ-ГЕКСАПОДІВ ШЛЯХОМ ВИЗНАЧЕННЯ ЇХ РАЦІОНАЛЬНИХ КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ 

Спеціальність 05.03.01Процеси механічної обробки, верстати та

інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кіровоград  2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрах «Металорізальні верстати та системи» і «Технологія машинобудування» Кіровоградського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

ca  ;

доктор технічних наук, професор 

Павленко Іван Іванович, 

Кіровоградський національний технічний університет, завідувач кафедрою «Технологія машинобудування».

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор 

Струтинський Василь Борисович, 

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедрою «Конструювання верстатів та машин»;

кандидат технічних наук, доцент 

Дмитрієв Дмитро Олексійович, 

Херсонський національний технічний університет, доцент кафедри «Технологія машинобудування».

Захист відбудеться04червня 2010 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.02 у Кіровоградському національному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського національного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

Автореферат розісланий28 квітня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради  В.М. Каліч

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з сучасних світових тенденцій розвитку машинобудування є створення технологічного обладнання з паралельною кінематикою, побудованого на основі просторових механізмів паралельної структури (МПС), яке слід розглядати як матеріальне втілення нетрадиційних підходів до реалізації комплексних процесів обробки, вимірювання, складання і транспортування деталей в машинобудівному виробництві. Верстати з паралельною кінематикою (ВПК) є високорухомими технологічними системами з широкими функціональними (руховими, технологічними) можливостями по обробці деталей складної форми, які дозволяють реалізувати гнучкі технології. Одним з найбільш поширених варіантів ВПК є верстати-гексаподи.

Актуальність дисертаційної роботи визначається обмеженою кількістю  теоретичних розробок і практичних рекомендацій щодо особливостей будови та функціонування ВПК, визначенню їх технічних та технологічних показників, конкретних результатів досліджень впливу конструктивного виконання гексаподів на їх рухові характеристики та функціональні можливості. Вирішення наведених задач є головною складовою науково-практичних досліджень даної роботи.

Зв‘язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрах "Металорізальні верстати та системи" та "Технологія машинобудування" Кіровоградського національного технічного університету і пов‘язана з тематикою науково-дослідних робіт зазначених кафедр, що відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки та державної цільової програми62 «Програма виробництва технологічних комплексів машин і устаткування для агропромислового комплексу» на 1998-2005 роки (постанови Кабінету міністрів України від 30 березня 1998 року403 та від 11 квітня 2001 року350). 

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у розширенні функціональних можливостей верстатів-гексаподів на основі системного обґрунтування їх раціональної структури та конструктивних параметрів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

. Виконати аналіз існуючих конструкцій ВПК, систематизувати особливості їх будови і функціонування та визначити перспективи розвитку подібного обладнання.

. Узагальнити термінологію, розробити класифікацію та метод структурно-модульної будови ВПК з урахуванням усіх конструктивних відмінностей та схемно-математичного представлення їх компоновок.

. Розробити систему показників для оцінки впливу конструктивних параметрів МПС на їх функціональні можливості з розробкою аналітичних залежностей для пошуку раціональних виконань досліджуваних механізмів на прикладі найбільш типових рухів виконавчих органів (ВО).

. Виконати розробку алгоритму і програмного забезпечення для дослідження просторових рухових можливостей ВПК.

. Установити залежності взаємозв‘язку параметрів узгоджених переміщень окремих кінематичних ланок гексапода для реалізації формоутворюючих рухів ВО.

. Розробити фізичні моделі та робочу конструкцію гексапода для виконання експериментальної перевірки результатів теоретичних досліджень та практичної обробки деталей.

. Розробити загальні рекомендації по проектуванню гексаподів та виконати економічну оцінку ефективності їх використання.

Об‘єкт дослідженнямеханообробні верстати з паралельною кінематикою типу гексапод.

Предмет дослідженнявплив структури та конструктивних параметрів ВПК на його функціональні можливості.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базувалися на основних положеннях аналітичної геометрії, кінематичного аналізу просторових механізмів, теоретичної механіки, верстатобудування, робототехніки, теорії матриць і векторного числення та комп‘ютерного моделювання, а експериментальні дослідженняна розроблених та виготовлених фізичних моделях і робочій конструкції гексапода.

Наукова новизна отриманих результатів. Отримані нові та удосконалені існуючі положення теорії і практики створення високорухомих верстатів з паралельною кінематикою, які полягають у наступному:

 вперше створено структурно-математичний метод аналізу модульної будови ВПК, який враховує їх кінематичні та конструктивні особливості, що дозволяє обґрунтовано оцінювати всі можливі варіанти та визначати найбільш доцільні виконання;

– вперше запропоновано використання системи показників оцінки рухових можливостей ВО гексаподів;

– вперше установлені аналітичні залежності між функціональними можливостями гексаподів та їх конструктивними параметрами при виконанні типових формоутворюючих рухів;

– виконано дослідження просторових рухових можливостей і взаємозв‘язку узгоджених переміщень окремих модулів гексапода при виконанні формоутворюючих рухів;

Практичне значення одержаних результатів. На підставі результатів теоретичних досліджень:

 визначені доцільні співвідношення між базовими параметрами гексаподів, які необхідно брати за основу при проектуванні їх конструкцій;

– розроблено алгоритм та програмне забезпечення для дослідження просторових рухових можливостей гексаподів;

– розроблено фізичні моделі та робочу конструкцію гексаподів за різними компонувальними структурами, що є основною для їх подальшого удосконалення та практичної реалізації технологічних можливостей подібних верстатів;

– запропоновано практичні рекомендації та інженерна методика проектування гексаподів залежно від конкретних умов виробництва;

– створено чисельний ряд конструктивних параметрів типових модулів та умов з‘єднання їх між собою, що може слугувати передумовою для розробки відповідного стандарту;

– запропоновано нові технічні рішення виконання гексаподів та їх елементів, які захищені патентами України.

Дисертаційна робота пов‘язана з науковими напрямками кафедр «Металорізальні верстати та системи» і «Технологія машинобудування», а її матеріали покладено в основу нової дисципліни «Верстати з паралельною кінематикою» (навчальний план спеціаліста за напрямком 6.050502 спеціальності 7.090203 «Металорізальні верстати та системи», затверджений МОН України 7.11.2007 р.) і використовуються при викладанні дисциплін «Промислові роботи» та «Автоматизація виробничих процесів» за навчальним планом для спеціальності 7.090202 «Технологія машинобудування» Кіровоградського національного технічного університету. Результати досліджень передані для впровадження на завод по виробництву рульової гідромеханіки НВП «Радій».

Особистий внесок здобувача. Наукові результати, наведені у дисертації, одержано автором самостійно. У публікаціях, виконаних у співавторстві, здобувачеві належить наступне:узагальнення недоліків верстатів традиційної компоновки та формулювання основних положень щодо створення високоефективних механізмів та верстатів на їх основі [2]; –узагальнення термінології, систематизація і класифікація ВПК [6]; –розробка структурно-модульної будови та методики запису структурних формул компоновок ВПК [7]; –запропоновано використання показників рухових можливостей для оцінки якості будови та функціонування гексаподів [8]; –розробка алгоритму та програмного забезпечення для моделювання робочого простору (РП) гексаподів [3, 5]; –установлення впливу конструктивних параметрів гексапода на величину типових рухів ВО  [12, 13]; –установлення математичної залежності між параметрами основних елементів гексаподів та його РП [1]; –нові конструктивні рішення гексаподів та їх елементів [14, 15, 16, 17].

Апробація роботи. Основні положення та результати роботи доповідались та обговорювалися на Всеукраїнських молодіжних науково-технічних конференціях "Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеїнаукавиробництво" (2002 р., м. Суми та 2003 р., м. Запоріжжя); Міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування та металообробка –" (2003 р., м. Кіровоград), науково-технічних конференціях Кіровоградського національного технічного університету у 2001-2009 роках. У повному обсязі робота доповідалася на розширених наукових семінарах кафедр «Технологія машинобудування» і «Металорізальні верстати та системи» Кіровоградського національного технічного університету (2008-2009 рр.).

Публікації за матеріалами дисертації. Основний зміст і результати роботи опубліковані у 20-и друкованих роботах, серед яких  13 статей у провідних фахових виданнях, 3 тези доповідей на наукових конференціях та 4 патенти України на корисні моделі.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів та висновків, списку використаних джерел із 215 найменувань і додатків. Повний обсяг дисертації становить 213 сторінок, включаючи 88 рисунків і 10 таблиць. Список використаних джерел та додатки займають 59 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, окреслено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, виділено особистий внесок, наведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.

У першому розділі " Сучасний стан та перспективи розвитку верстатів з паралельною кінематикою" розглянуто передумови їх створення на основі узагальнення та аналізу недоліків верстатів традиційної компоновки і запропоновано умови створення високоефективних верстатних систем. Наведено особливості будови та функціональні можливості ВПК.

Дослідженням ВПК займались такі вчені як K. Cappel, J. Denavit, V. Gough, J. Gwinnett, K. Sugimoto, M. Nakagawa, L. Tsai, J. Merlet, R. Stamper, В.Б. Струтинський, Ю.М. Кузнєцов, В.О. Астанін, В.А. Глазунов, А.Ш. Коліскор, А.І. Корендясєв, Ф.М. Діментберг та інші. Аналіз проведених досліджень показує, що недостатньо розглядались такі актуальні питання, як: термінологія, класифікація, структурно-модульна будова та схемно-математичне представлення компоновок ВПК; системні дослідження взаємозв‘язку між конструктивними параметрами основних елементів гексапода та його функціональними можливостями; моделювання процесів функціонування ВПК та оцінки їх характеристик; практичні рекомендації, етапи та інженерна методика проектування гексаподів.

З‘ясовано, що в нашій державі майже відсутня інформація щодо наведених питань, які обумовлюють актуальність досліджень процесу формування робочого простору (РП) гексаподів, визначення факторів, що його обмежують та оцінка шляхів його розширення.

Наведені аргументи обумовили актуальність теми, визначили її мету та задачі.

У другому розділі "Методики досліджень та структурно-модульна будова ВПК" розроблені методики досліджень рухових характеристик гексапода, узгодженості рухів його кінематичних ланок при здійснені типових рухів ВО та запропонована методика експериментальних досліджень.

Розроблено структурні схеми ВПК, що дозволяють звести задачу кінематичного аналізу подібних верстатів до набору відповідної елементної бази. Аналіз компоновок відомих ВПК показав, що незалежно від методу перетворення рухів ВО, компоновки та конструктивного виконання їх основних елементів, вони складаються з незначної  кількості вузлів (модулів).

З метою конкретизації конструктивного виконання основних елементів ВПК, їх розташування у просторі та кількості груп опорних шарнірів, розташованих на виконавчому органі (S) і несучій системі (N), розроблена методика стислого запису структурних формул компоновок ВПК. Приклад запису структурної формули компоновки гексапода наведений на рис. 1.

Рис. 1. Компонувальна схема гексапода і структурна формула компоновки:

несуча система; 2, 4опорні шарніри;
3кінематична ланка; 5виконавчий орган

У третьому розділі "Рухові характеристики верстатів-гексаподів" наведені результати теоретичного дослідження рухових характеристик гексаподів та залежності їх функціональних можливостей від конструктивних параметрів. Для оцінки рухових можливостей запропоновано використання показника рухових можливостей Kр, який є добутком показника переміщень (Кп) на коефіцієнт орієнтуючих можливостей (сервісС):

 .  (1)

Показник  переміщень визначається при переміщенні ВО по лініях, площинах і в об‘ємі. Так, при переміщенні ВО по лінії симетрії МПС, коефіцієнт переміщення буде (рис. 2, а):

 , (2)

де lвеличина реального переміщення ВО в заданому напрямку; Lтеоретично можлива величина, яка реалізується ідеальним механізмом (максимальна довжина кінематичних ланок).

Коефіцієнт орієнтуючих можливостей визначається орієнтацією (нахилом) ВО (Со) та можливістю його орієнтації (поворотом) (Сп) відносно власної осі. Таким чином, показник загальних орієнтуючих можливостей:

 . (3)

Значення орієнтуючих рухів ВО визначаються для окремих точок РП і при переміщенні ВО по лінії, площині та в об‘ємі. Початковою умовою дослідження орієнтуючих рухів є визначення їх для окремної точки РП, з якою співпадає точка центру ВО. Тоді для однієї з базових площин, в якій визначається кут нахилу ВО, буде оцінюватись сервісом осі:

 , (4)

де  –кут можливого нахилу осі ВО або кут нахилу осі симетрії платформи (рис. 2, б).

 а) б) в) г)

Рис. 2. Схеми рухів ВО гексапода

Поворот ВО (φ) відносно власної осі при довільному значенні кута  в даній точці є функцією значення . Це вказує на те, що для кожного положення ВО буде своє значення кута φ. Тоді середнє значення кута φ у межах зміни кута  буде:

 , (5)

де максимальний кут, в межах якого визначається кут φ.

Підсумкове середнє значення орієнтуючих рухів ВО в межах можливої осьової орієнтації () буде (рис. 2, в):

 . (6)

У формулі підінтегральна величина (Сп) визначається як функція зміни кута φ від кута . Загальні орієнтуючі можливості гексапода визначаються при переміщенні його ВО в об‘ємному просторі. Тобто, коли  і  визначаються як середня інтегральна сума по всьому об‘єму V (рис. 2, г). Тоді

 ;              .  (7, 8)

Принципово важливим при створенні ВПК є визначення найбільш доцільних конструктивних параметрів гексаподів з точки зору виконання верстатом його функціонального призначення.

Дослідження цих залежностей наведено поетапно, відповідно до здійснюваних рухів ВО. Типовими технологічними рухами ВО верстатів є їх лінійні переміщення. Найбільш важливими в цьому плані слід вважати можливості переміщення ВО гексапода по осі симетрії його конструкції та перпендикулярно до цієї осі. Визначення можливостей переміщення ВО гексапода по осі його симетрії виконано за розрахунковою схемою (рис. 2, а) та показником переміщень по лінії (Кпл).

Відповідно до наведеної схеми величина переміщення ВО визначається:

 , (9)

де  –відношення розмірів ВО та несучої системи; –відношення розміру несучої системи до довжини кінематичних ланок; –відношення зміни довжин кінематичних ланок.

За отриманою формулою проаналізовано вплив конструктивних параметрів на величину можливих рухів ВО, один з яких наведено на рис. 3.

Рис. 3. Залежність величини переміщення Kпл 
від відносної зміни величини довжин кінематичних ланок:

1) m=0,2 n=0,2; 2) m=0,75; n=0; 3) m=0,7; n=0,75;
4) m=0,2; n=0; 5) m=1,0; n=0; 6) m=0,5; n=0

Переміщення ВО в напрямку, перпендикулярному до осі симетрії гексапода розглядається, коли не тільки рух, а й положення ВО є перпендикулярними до осі симетрії гексапода. Для спрощення процесу вирішення поставленої задачі розглядається положення ВО по висоті в різних інтервалах (зонах). Перший інтервал відповідає положенню ВО від максимально піднятого (Н) і до опущеного на висоту h1 (рис. 4). При нижньому положенні ВО в цьому інтервалі величина поперечного переміщення дорівнює розмірові b виконавчого органу.

Можливий рух ВО в цьому інтервалі визначається за формулою:

 . (10)

Можливий рух ВО у другому інтервалі визначається за формулою:

 . (11)

Рис. 4. Розрахункова схема переміщень ВО в першому та другому інтервалах

За третій інтервал прийнято положення ВО між нижньою висотою другого інтервалу (h2) і нижньою висотою третього інтервалу h3. Ця висота відповідає точці перетину траєкторії руху однієї кінематичної ланки максимальної довжини з траєкторією руху другої кінематичної ланки мінімальної довжини, коли ще має місце неперервний рух ВО в поперечному напрямку.

По отриманих рівняннях побудовані графічні залежності. Так, графік залежності переміщень ВО від відношення відстаней між опорами ВО та несучої системи наведено на рис. 5. 

Рис. 5. Залежність переміщень ВО від відношення відстаней між опорами ВО та несучої системи:

1) m=0,2; i=0,5; 2) m=0,5; i=0,5;

) m=1,0; i=0,5; 4) m=0,5; i=0,2;

) m=0,5; i=0,75

У четвертому розділі «Просторові функціональні можливості верстатів-гексаподів» проведено теоретичне дослідження залежності довжини кінематичних ланок від поточного положення ВО, яке виконувалось шляхом вирішення зворотної задачі кінематики шестикоординатних просторових  механізмів, результатом рішення якої стало визначення узагальнених координат, які відповідають поточному положенню ВО гексапода (рис. 6).

Рис. 6. Розрахункова схема гексапода

Поточна довжина кінематичної ланки Аа визначається довжиною вектора :

.

Враховуючи перехід з рухомої системи координат  у нерухому систему , маємо:

  (12)

Після перетворення, застосовуючи теорію матриць, отримуємо:

Тоді довжина кінематичної ланки Аа:

  (13)

де 

d0. 7.  -

Довжини інших кінематичних ланок визначаються аналогічно. 

Для моделювання РП гексапода розроблено алгоритм та програмне забезпечення для дослідження впливу конструктивних параметрів гексапода на його функціональні можливості. Результати теоретичних досліджень свідчать, що довжини кінематичних ланок гексапода (рис. 7) залежать від траєкторії формоутворюючих рухів ВО верстата (рис. 8). 

Рис. 8. Залежності узгодженої зміни довжин кінематичних ланок
від траєкторії руху ВО

Отже, кожному фіксованому положенню ВО у межах РП відповідає конкретна довжина кожної кінематичної ланки, а узгоджено змінюючи їх довжини за відповідним законом, можна перемістити ВО у будь-яку задану точку РП.

Аналіз процесу функціонування гексаподів показав, що, на відміну від верстатів традиційної компоновки, вони мають складну та непостійну форму РП (рис. 9, а), параметри якого залежать від компонувальної схеми, діапазону довжин кінематичних ланок, співвідношення розмірів ВО та несучої системи, кутів повороту опорних шарнірів.

Дослідженню підлягали компонувальні схеми зі структурами N×S:  NS=66; 2NS=6(32); 3NS=(32)6; 4NS=(32) (32).

Досліджено вплив основних конструктивних параметрів гексапода (n, m, і) на його рухові можливості (рис. 9, б, в), результати яких свідчать, що зменшення кількості груп опорних шарнірів на несучій системі та ВО зменшує об‘єм РП: N×S=(3×2в 1,11 рази, N×S=6×(3×2) –у 1,20 рази, N×S=(3×2)×(3×2) у 1,42 рази порівняно зі структурою N×S=6×6.

Результати досліджень показують, що вказані конструктивні параметри по-різному впливають на окремі складові рухових можливостей гексапода, особливо різної структури, а тому їх вибір повинен здійснюватись за комплексним урахуванням усіх оцінюваних складових рухів, у тому числі, з урахуванням конкретного призначення ВПК.

 6 (32) (32)6 (32)(32)

а)

б)

в)

Рис. 9. Форми робочого простору гексаподів різних структур NS (а)
та залежність об‘єму РП гексапода від: б) співвідношення розмірів ВО
та несучої системи
(n); в) діапазону зміни довжин кінематичних ланок (і)

У п‘ятому розділі "Експериментальні дослідження рухових можливостей верстатів-гексаподів" представлено результати експериментальних досліджень їх рухових можливостей на основі розроблених та виготовлених фізичних моделей за різними компонувальними схемами.

     

e0) e1)

d0. 10.   :

e0)  ; )  

1 ; 2;
3 ; 4 ;  5 ; 6; 7

Дослідження рухових можливостей по лініях були виконані на фізичній моделі структури N×S=6×6 (рис. 10).

У дослідженнях виконувалося регулювання відстані між опорами на несучій системі за рахунок переміщення шарнірів 3 кінематичних ланок 4 по напрямних 2. Отримана при цьому зміна вертикального положення ВО фіксувалась по лінійці 6 та ноніусу 7 і потім приймалась за нульову відмітку для подальших досліджень. Таким чином змінювалося відношення діаметрів ВО та несучої системи (n = b/a), а також відношення m = a/L, і при різних їх значеннях визначався рух ВО залежно від співвідношення зміни довжин кінематичних ланок (i = l1/L).

Порівняння результатів експериментальних (рис. 11) з результатами теоретичних досліджень свідчить, що вони майже співпадають між собою (різниця складає 3-4%), що підтверджує достовірність теоретичних розрахунків.

а)

б)

Рис. 11. Експериментальні залежності рухових можливостей по лініях гексапода зі структурою NS = 6×6

Аналогічно виконувались експериментальні дослідження переміщення ВО в напрямку, перпендикулярному до осі симетрії гексапода.

Дослідження рухових можливостей гексапода у площині виконувалися на фізичних моделях за аналогічною методикою, але ВО переміщувався у кожній площині поперечного перерізу від осі симетрії до межі РП. 

Розташування площин по висоті РП змінювалося від 0 до Н з інтервалом 0,1Н. Площа Fi кожного поперечного перерізу РП визначалася за формулою:

 , (14)

де fiелементарна площа кожного сегменту у визначеному перерізі.

Результати розрахунків рухових можливостей досліджуваних гексаподів по площині свідчать, що при переміщенні ВО у вертикальному напрямку площа кожного поперечного перерізу збільшується від 0 до максимальної величини. Найбільш загальні функціональні характеристики гексаподів при переміщенні їх ВО в об‘ємному просторі визначаються за формулою:

 ,                (15)

де Fjплощина j-го перерізу РП; ΔН крок переміщення вздовж осі Z; kкількість перерізів РП.

Результати досліджень показують, що об‘єм РП збільшується при збільшенні діапазону зміни довжини кінематичних ланок (рис. 12).

Дослідження технологічних можливостей гексапода виконувалися на розробленій робочій конструкції. 

Рис. 12. Залежність величини об‘єму РП 
від діапазону зміни довжини кінематичних ланок:

1) n=0,2; m=0,5; 2) n=0,5; m=0,5; 3) n=0,5; m=0,75

Оцінка фрезерних можливостей здійснювалися на спеціально модернізованому фрезерному верстаті мод. 676П, на якому було змонтовано досліджуваний гексапод (рис. 13, а), а свердлильних можливостейна свердлильному верстаті мод. 2Н135, на столі якого було закріплено дослідний гексапод (рис. 13, б). 

              

                                 а)                                                          б)

Рис. 13. Дослідження технологічних можливостей гексапода:

а) фрезерування площин, б) свердління отворів

1верстат; 2гексапод;  виконавчий орган;
4оброблювана деталь; 5ріжучий інструмент

Проведені експериментальні дослідження технологічних можливостей гексапода на прикладі фрезерування площин та свердління отворів, розташованих під різними кутами у просторі, підтвердили їх реальні можливості.

У шостому розділі "Рекомендації по проектуванню верстатів-гексаподів та оцінка ефективності їх використання" наведено розроблені практичні рекомендації та узагальнено етапи проектування гексаподів. Запропоновано основи модульного принципу будови елементів гексаподів. Розглянуто конструкції кінематичних ланок і запропоновано градацію їх основних розмірів та з‘єднувальних елементів, що можна рекомендувати для створення відповідного стандарту.

Проведено попередню техніко-економічну оцінку ефективності використання гексаподів, яка показує, що економічний ефект від їх впровадження при обробці використаної в роботі деталі-представника складає 12307 грн. на рік.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-практичної задачі розширення функціональних можливостей верстатів-гексаподів на основі системного обґрунтування їх раціональної структури та конструктивних параметрів. Проведені теоретичні і експериментальні дослідження процесу функціонування верстатів дозволили сформулювати наступні висновки:

1. На основі аналізу експлуатації верстатів традиційної компоновки узагальнені їх недоліки та сформульовані основні принципи створення нових високоефективних механізмів паралельної структури, запропонована термінологія і розроблена класифікація верстатів з паралельною кінематикою, яка встановлює взаємозв‘язок між їх параметрами, компоновкою та конструктивним виконанням.

2. З метою конкретизації кінематики ВПК та розташування їх основних елементів у просторі розроблено методику структурно-модульної будови та стислого запису формул їх компоновок, що становить основу для теоретичного аналізу та створення раціонального конструктивного виконання ВПК.

3. Теоретично доведено, що вплив конструктивних параметрів на функціональні можливості гексаподів доцільно визначати за розробленою системою показників оцінки їх рухових можливостей. Установлені аналітичні залежності величини переміщень ВО від зміни конструктивних параметрів гексаподів дозволяють визначити їх раціональні конструктивні виконання залежно від функціонального призначення. Так, для верстатів з переважно вертикальним рухом ВО рекомендується забезпечувати співвідношення параметрів гексапода у межах m = 0,6÷1,0; n = 0÷0,4; i = 0,2÷0,6; для переважно горизонтальних рухів: m = 0,2÷0,8; n = 0,4÷1,0; i = 0,4÷0,6; для здійснення обох варіантів рухів та з урахуванням інших умов: m = 0,6÷1,0; n = 0,1÷0,3; i = 0,2÷0,6. Найбільший вплив на величину переміщень ВО спричиняє зміна довжин кінематичних ланок (і).

4. Отримано математичні залежності оцінки впливу поточного просторового положення ВО на довжини кінематичних ланок. Розроблено алгоритм та програмне забезпечення для математичного моделювання РП гексаподів.

5. Досліджено узгодженість рухів кінематичних ланок при реалізації формоутворюючих переміщень ВО залежно від компоновки та конструктивних параметрів гексапода. Встановлено, що різниця в рухах кінематичних ланок перебуває в межах 1,1÷1,3 при зміні переміщення ВО у 2÷4 рази.

6. Теоретично доведено, що зменшення кількості груп опорних шарнірів на основних елементах гексапода зменшує об‘єм РП: для структури N×S=(3×26у 1,11 рази, N×S=6×(3×2) – у 1,20 рази, N×S=(3×2)×(3×2) – у 1,42 рази порівняно зі структурою N×S=6×6.

7. На основі результатів теоретичних досліджень розроблено та виготовлено фізичні та робочу моделі гексаподів за різними структурами N×S, які спроможні відтворити процеси і рухи, що відбуваються при їх функціонуванні.

8. За розробленими методиками виконано експериментальні дослідження впливу основних параметрів конструктивних елементів гексапода на величину типових формоутворюючих рухів ВО, а також форму, розміри та об‘єм РП. Отримані результати експериментальних досліджень співпадають з теоретичними, що підтверджує достовірність останніх. Виконана практична реалізація обробки площин та отворів на модернізованих фрезерному та свердлильному верстатах із застосуванням гексапода.

9. Розроблено практичні рекомендації по проектуванню верстатів-гексаподів на основі сформульованих етапів та послідовності їх виконання з конкретизацією задач, які на них вирішуються. Створено чисельний ряд основних конструктивних параметрів типових модулів гексаподів та умов з‘єднання їх між собою, що може слугувати передумовою для розробки відповідного стандарту.

10. Запропоновані нові технічні рішення виконання верстатів-гексаподів та їх елементів, які захищені патентами України.

11. Виконана попередня оцінка економічної та техніко-технологічної доцільності використання ВПК. Результати теоретичних та експериментальних досліджень у вигляді конструкторських, технологічних та експлуатаційних рекомендацій передані для впровадження на кіровоградський завод по виробництву рульової гідромеханіки науково-виробничого підприємства «Радій» та покладені в основу нової дисципліни «Верстати з паралельною кінематикою». Очікуваний економічний ефект від впровадження верстата-гексапода при обробці використаної в роботі деталі-представника складає 12307 грн. на рік.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Валявський І. А. Математичне моделювання положення вихідного органу l-координатного механізму / І. А. Валявський, В. А. Крижанівський // Збірник наук. праць КДТУ: техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація.Кіровоград, 2003.Вип. 12.С. 223-229.

2. Валявський І. А. Тенденції розвитку верстатів паралельної структури / І. А. Валявський, В. А. Крижанівський // Вісник Сумського державного університету.2003. – №2(48).С. 18-22.

3. Валявський І. А. Графічне моделювання робочого простору верстата-гексапода / І. А. Валявський, В. А. Крижанівський // Збірник наук. праць КДТУ: техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація.Кіровоград, 2003.Вип. 13.

4. Валявський І. А. База даних для прогнозування розвитку технологічного обладнання з паралельною кінематикою / І. А. Валявський // Збірник наук. праць КДТУ: техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація.Кіровоград, 2003.Вип. 15.С. 370-375.

5. Валявський І.А. Комп‘ютерне моделювання робочого простору верстата-гексапода / І. А. Валявський // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні.Запоріжжя, ЗНТУ, 2003. – №2.С. 109-114.

6. Валявський І. А. Класифікація технологічного обладнання з паралельною кінематикою / І. А. Валявський, В. М. Кропівний // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету.Кременчук: КДПУ, 2005.Вип. 1/2005 (30).С. 74-77.

7. Валявський І.А. Структурна ідентифікація компоновок матеріалообробних верстатів з паралельною кінематикою / І. А. Валявський, В. М. Кропівний // Збірник наук. праць КНТУ: техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація.Кіровоград, 2005.Вип. 16.С. 128-134. 

8. Валявський І.А. Особливості проектування верстатів-гексаподів / І.А. Валявський // Збірник наук. праць КНТУ: техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація.Кіровоград,  2007.Вип. 18.С. 82-85.

9. Павленко І. І. Рухові характеристики верстатів з паралельною кінематикою / І. І. Павленко, І. А. Валявський // Збірник наук. праць КНТУ: техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація.Кіровоград, 2008.Вип. 21.С. 304-310.

10. Черновол М. І. Експериментальне вимірювання пружних переміщень виконавчого органа верстата-гексапода / М. І. Черновол, І. А. Валявський, А.М. Кириченко // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин.Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник.Кіровоград, 2008.Вип. 38.С. 119-125.

11. Валявський І. А. Теоретичне дослідження особливих положень верстатів-гексаподів. / І. А. Валявський, І. І. Павленко // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин.Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник.Кіровоград, 2008.Вип. 38.С. 238-243.

12. Павленко І.І. Дослідження впливу конструктивних параметрів механізму паралельної структури на функціональні можливості верстата з паралельною кінематикою. / І. І. Павленко, І. А. Валявський // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин.Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник.Кіровоград, 2008.Вип. 38.С. 284-288.

13. Павленко І. І. Оцінка рухових можливостей гексаподу в напрямку, перпендикулярному до осі його симетрії / І. І. Павленко, І. А. Валявський // Збірник наук. праць КНТУ: техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація.Кіровоград, 2009.Вип. 22.С. 3-10.

14. Декл. пат. 54936А Україна, 7 В23Q1/00. Стіл / Крижанівський В. А., Валявський І. А.; заявник і патентовласник Кіровоград. держ. техн. ун-т.  – №20020544270 ; Заявл. 24.05.02 ; Опубл. 17.03.03 , Бюл.3.

15. Декл. пат. 54937А Україна, 7 В21D 5/0. Верстат-гексапод Крижанівський В. А., Валявський І. А.; заявник і патентовласник Кіровоград. держ. техн. ун-т. – № 2002054273 ; Заявл. 24.05.02 ; Опубл. 17.03.03, Бюл.3.

16. Пат. 3035А Україна, 7 В23В41/00. Верстат / Крижанівський В. А., Пестунов В. М., Валявський І. А., Чернявський С. О.; заявник і патентовласник Кіровоград. держ. техн. ун-т. – №200306521 ; Заявл. 11.06.03. Опубл. 15.10.04, Бюл.10.

17. Декл. пат. 44754 Україна, МПК(2009) F16H 25/22. Механізм лінійних переміщень / Павленко І. І., Валявський І. А., Валявський А. І.; заявник і патентовласник Кіровоград. нац. техн. ун-т. – №u200905087 ; Заявл. 22.05.09 ; Опубл. 12.10.09, Бюл.19.

18. Валявський І. А. Тенденції розвитку верстатів паралельної структури / І. А. Валявський, В. А. Крижанівський // Машинобудування України очами молодих: всеукраїнської конф., 2007 р.: тези доповідіСуми, 2002.С. 12-14.

19. Валявський І. А. Графічне моделювання робочого простору верстата-гексапода / І. А. Валявський, В. А. Крижанівський // Машинобудування та металообробка2003: міжнародна науково-технічна конф., 17-19 квіт. 2003.: тези доповіді.К.: Кіровоград, 2003.С. 26-27.

20. Валявський І. А. Математичне моделювання положення вихідного органу l-координатного механізму / І. А. Валявський, В. А. Крижанівський // Машинобудування та металообробка2003: міжнародна науково-технічна конф., 17-19 квіт. 2003.: тези доповіді.К.: Кіровоград, 2003.С. 27-29

АНОТАЦІЯ

Валявський І.А. Розширення функціональних можливостей верстатів-гексаподів шляхом визначення їх раціональних конструктивних параметрів.Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01Процеси механічної обробки, верстати та інструменти.Кіровоградський національний технічний університет.Кіровоград, 2010 р.

Дисертація присвячена проблемі розширення функціональних можливостей верстатів-гексаподів шляхом визначення їх раціональної структури  та конструктивних параметрів, які спроможні забезпечити необхідні параметрами робочого простору з метою їх збільшення залежно від поставлених технологічних задач. Вперше узагальнено термінологію, розроблено класифікацію та структурно-модульну будову верстатів з паралельною кінематикою, а також методику запису структурної формули їх компоновки. Запропоновано систему показників рухових можливостей верстатів-гексаподів при переміщенні їх виконавчого органа по лініях, площинах та в об‘ємі. Встановлено аналітичні залежності можливих переміщень виконавчого органа верстата-гексапода від зміни параметрів його основних конструктивних елементів та їх вплив на форму, розміри та об‘єм робочого простору. Запропоновано шляхи розширення робочого простору ВПК.

За результатами теоретичних досліджень розроблено практичні рекомендації щодо проектування верстатів-гексаподів, на основі яких спроектовано та виготовлено їх фізичні та робочу моделі, запатентовано декілька конструкцій верстатів-гексаподів та їх кінематичних ланок.

В роботі наведені результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень та практичної реалізації обробки деталей на фрезерному та свердлильному верстатах.

Ключові слова: верстати з паралельною кінематикою, верстат-гексапод, робочій простір, класифікація верстатів, структурно-модульна будова, кінематична ланка.

АННОТАЦИЯ

Валявский И.А. Расширение функциональных возможностей станков-гексаподов путем определения их рациональных конструктивных параметров.Рукопись. 

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01Процессы механической обработки, станки и инструменты.  Кировоградский национальный технический университет.  Кировоград, 2010 г. 

Диссертация посвящена проблеме расширения функциональных возможностей станков-гексаподов путем определения их рациональной структуры и конструктивних параметров, которые способны обеспечить необходимые параметры рабочего пространства с целью его увеличения в зависимости от поставленных технологических задач. Впервые обобщена терминология и разработана классификация станков с параллельной кинематикой, которая устанавливает взаимосвязь между конструктивными параметрами элементов станков, их компоновкой, характеристиками и функциональными возможностями.

Разработаны структурно-модульное строение и идентификация компоновок станков с параллельной кинематикой, которая раскрывает особенности и взаимодействие их основных элементов в пространстве, а также предложена методика краткого написания структурных формул компоновок подобных станков.

Предложена система показателей оценки двигательных возможностей станков-гексаподов при перемещении их исполнительных органов, что позволяет определить влияние основных конструктивных параметров механизмов параллельной структуры на их функциональные возможности.

Определены аналитические зависимости возможных перемещений исполнительного органа станков-гексаподов при исполнении ним типовых перемещений от изменения конструктивных параметров основных элементов на основе решения обратной задачи кинематики шестикоординатного пространственного механизма. Разработан алгоритм и программное обеспечение для моделирования рабочего пространства станков-гексаподов с разными компоновочными схемами.

На основе теоретических исследований разработаны и изготовлены физические и рабочая модель гексаподов.

Выполнены экспериментальные исследования (по разработанным методикам)  влияния параметров конструктивных элементов гексапода на величину формообразующих движений исполнительного органа, а также на форму, размеры и объем рабочего пространства. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований совпадают, что свидетельствует об их достоверности.

Запатентовано несколько конструкций гексаподов и их кинематических звеньев. Выполнена практическая реализация обработки деталей на фрезерном и сверлильном станках. 

Ключевые слова: станки с параллельной кинематикой, станок-гексапод, рабочее пространство, классификация станков, структурно-модульное строение.

SUMMARY

Valyavsky I.A. Enhanced functionality of hexapod machine tools by identifying their rational design parameters.

The dissertation for getting a scientific degree of the candidate of engineering science on specialty 05.03.01 - Processes of machining, machine tools and tooling. - The Kirovohrad National Technical University, Kirovograd, 2010.

The dissertation is dedicated to extend the functionality of hexapod machine tools by identifying their rational design parameters, which are able to control the parameters of the working space with a view to increase it depending on the set of technological challenges. It is the first time that terminology is generalized and the classification and structurally modular structure of parallel kinematics machine tools designed, as well as methods of recording the structural formula of their layout. The system of indicators of motor capabilities hexapod machine tools when moving the actuating element along the lines, planes and in volume is proposed. Established analytical expressions for the possible placement of the actuating element of hexapod machine tools to modify its basic structural elements and its influence on the shape, size and volume of working space. 

As results of theoretical studies practical recommendations for designing hexapod machine tools were proposed, physical models based on the recommendations were designed and manufactured, several designs of machines with controllable parameters of the workspace and the kinematic links were patented.

The paper reports the results of theoretical and experimental research and practical implementation of machining on milling and drilling machines.

 Keywords: machine tools with parallel kinematics, hexapod, working space, the classification of machine tools, structural and modular structure.

Підписано до друку 21.04.2010. Формат 60×84 1/16. Папір білий.

Надруковано на різографі. Умов. друк арк. 0,9. Зам. ___/2010. Тираж 100 прим.

РВЛ КНТУ. м. Кіровоград, пр. Університетський, 8, тел. 390-541, 559-245, 390-551. 

21


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80274. ДОСЛІДЖЕННЯ СПЕКТРУ КОЛИВАНЬ МЕХАНІЧНОЇ СИСТЕМИ 489 KB
  Об’єкт дослідження процес визначення частотної характеристики коливань і відповіді імпульсу системи Мета – за допомогою функції Coherence визначити Частотну характеристику і Відповідь Імпульсу механічної системи що коливається. Тут ми вимірюємо відповідь системи смугового фільтра Фільтр Баттерворта VI передаючи білий шум Однорідний Білий шум VI як стимул системи і збираючи висновок фільтра як відповідь системи. Збільшуючи кількість кадрів фреймів даних введення і виведення збільшення становить...
80276. ОБОЛОНКА LabVIEW 82 KB
  ВСТУП LbVIEW Lbortory Virtul Instrument Engineering Workbench – Середовище розробки лабораторних віртуальних приладів додаток розробки програми дуже схожий на C або Бейсик або NI LbWindows. Однак LbVIEW відрізняється від тих додатків в одному важливому відношенні. Інші системи програмування використовують: текстово засновані мови щоб створити рядок програми програмний код у той час як LbVIEW використовує графічну мову програмування GДжей щоб створювати програми у формі блоксхеми алгоритм створюється в графічній іконній...
80277. ПАЛІТРИ LABVIEW 86 KB
  Зображення елементів Палітри Інструментів Tools та пояснення щодо їх використання Інструмент керування. Використовується для роботи з передньою панеллю керування й індикаторами. Палітра керування Controls Палітра керування призначена для відтворення передньої панелі віртуального приладу.
80278. Палітра Функції - Functions 72 KB
  Палітра Функції Functions За допомогою палітри Функції – Functions. Якщо палітра Функції Functions не відображена на екрані необхідно викликати палітру вибравши рядок Показати палітру Функції Show Functions Plette у меню Вікна Windows. Палітра Функції Functions може бути пришпилена до робочого стола за допомогою кнопки в лівому куті палітри або прибрана кнопкою хрестик . Палітра Функції Functions доступна тільки якщо активно вікно Діаграма Digrm.
80281. ПРОЕКТУВАННЯ ВІРТУАЛЬНОГО ПРИЛАДУ ДОСДІДЖЕННЯ ТЕМПЕРАТУРИ 395 KB
  Усі середовища складаються з атомів і молекул. Молекули знаходяться у хаотичному русі. При великій кількості часток у системі (вуглеводневі енергоносії, гірські породи, водні середовища) нема змоги детально описати поведінку кожної окремої часточки. Однак загальні риси поведінки системи в цілому є опосередкованим відображенням руху окремих часточок
80282. Методи оцінки і аналізу тіньової економічної діяльності в сфері підприємництва 123.5 KB
  Однією з причин перманентної економічної кризи в якій перебуває Україна є безпрецедентні розміри тінізації та криміналізації її економіки. Необхідно виробити нові підходи у протидії тонізації та криміналізації економіки. Безпосередні фрагментарні дослідження іллегального сектору полягають у визначенні розмірів тіньової економіки у конкретному секторі наприклад у виробництві товарів і послуг у розрізі асортиментних позицій у обміні валюти з урахуванням кількості офіційних пунктів обміну банків туристичних агентств реального курсу...