CC BY
79
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
УДК 621.396
И. С. Додорин, А. В. Черник Научный руководитель - А. Н. Смирнов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
МЕХАНИЗМЫ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ И СПЕЦИАЛЬНОМ ОБОРУДОВАНИИ
Приводится краткая история появления и развития механизмов параллельной структуры и описание устройства таких механизмов, имеющих шесть степеней подвижности - гексаподов.
Классические манипуляторы представляют собой с точки зрения теории механизмов и машин открытые кинематические цепи, и содержат последовательно расположенные двигатели, каждый из которых связан с кинематической парой, обеспечивающей одну степень свободы. Такая конструкция имеет ряд очевидных достоинств: большая рабочая зона, высокая маневренность [1]. Но помимо этого у них присутствует ряд недостатков. Такие конструкции имеют малую жесткость, и как следствие этого, неудовлетворительные динамические характеристики. Особенно ярко эти негативные качества проявляются при переносе такими механизмами грузов большой массы и при работе на больших скоростях. Это влечет за собой весьма ощутимое снижение точности позиционирования, и даже риск разрушения манипулятора в ходе работы.
Помимо них существует целый класс механизмов, построенных на основе замкнутых кинематических цепей. Одним их семейств являются механизмы параллельной структуры.
Они содержат неподвижное основание и выходное звено, которое может быть использовано для крепления на нем инструмента или схвата, соединенные между собой тягами переменной длины. Количество этих тяг может варьироваться в зависимости от поставленной задачи. Длина тяг регулируется приводами по командам программы, управляющей движением выходного звена относительно неподвижного основания. Тяги связывают неподвижное основание и выходное звено посредством шарниров.
Такие устройства характеризуются гораздо лучшими динамическими характеристиками, и более высокой точностью, нежели традиционные манипуляторы. Эти преимущества объясняются тем, что механические системы на основе /-координатных исполнительных устройств [2] представляют собой пространственные фермы, обладающие значительно более высокой жесткостью, кроме того, они могут обеспечивать намного более высокую точность и скорость работы.
Упомянутые преимущества этих устройств определяют область их применения. Их использование в качестве исполнительных устройств, например, обосновано в металлообрабатывающих станках для черновой и чистовой обработки деталей с фасонными поверхностями (лопаток турбин, штампов и пресс-форм), поскольку в процессе обработки инструмент, закрепленный на манипуляторе может принимать любое положение относительно заготовки, при этом пропадает необходимость в фасонном инструменте.
Также /-координатные механизмы применимы в за-грузочно-транспортных устройствах, устройствах гашения колебаний, в качестве датчиков силомомент-ного очувствления, устройств для определения положения и перемещения тела в пространстве, а также в других отраслях, где требуется высокоточное перемещение грузов большой массы или прецизионное движение с высокими ускорениями.
Первой публикацией по теме /-координатных устройства является упоминание платформы Гью - Стюарта в статье В. Е. Гью (V.E. Gough) в 1956 г. Имя Стюарта ассоциируется с этим механизмом потому, что первоначальная работа Гью (и фотография его платформы) была упомянута в примечаниях рецензента к статье Д. Стюарта (D. Stewart) в 1965 г. Сам Стюарт в той статье предложил другой гибридный трехногий механизм, имевший по два мотора на каждой ноге.
Первым отечественным станком на базе /-координатного устройства является опытный станок, разработанный в 1987 г. Новосибирским электротехническим институтом (рис. 1). Этот станок отличался внутренним расположением шпинделя, относительно замкнутого контура раздвижных штанг. На основании опытного образца были проведены исследования реального объема рабочего пространства и жесткости станка, а также траектории и амплитудно-частотные характеристики подвижной платформы под действием возбуждающего усилия.
Рис. 1. Станок, разработанный Новосибирским электротехническим институтом
Станки с параллельной кинематикой, в большинстве своем, построены по схеме /-координатных устройств с количеством поступательных звеньев, равным
Секция «Модели и методы анализа прочности динамики и надежности конструкций КА»
шести, что обеспечивает их рабочему органу движение в трех линейных и трех угловых координатах. В связи с этим существует еще одно общепринятое обозначение таких механизмов по числу звеньев - гексапод.
Типичный гексапод (рис. 2) выполнен на базе шести механизмов поступательного перемещения, представляющих собой, например, шариковые винтовые передачи.
Рис. 2. Принципиальная схема станка-гексапода
Для изменения их длины служат регулируемые электроприводы. Контроль за величиной перемещения осуществляется датчиками положения. Одним концом штанга шарнирно соединена с основанием, а другим (также шарнирно) - с подвижной платформой, на которой установлен рабочий орган, например, мотор-шпиндель. Управляя вылетом штанг по программе, можно управлять положением шпинделя по шести координатам: X, У, Ъ и трем углам поворота относительно этих осей.
За рубежом на основе таких кинематических схем разработано большое количество устройств для металлообработки, манипуляторов, систем поддержки и ориентации.
Библиографические ссылки
1. Механика промышленных роботов : в 3 кн. / под ред. К. В. Фролова, Е. И. Воробьева. Кн. 1: Кинематика и динамика. М. : Высш. шк., 1998.
2. Крайнев А. Ф. Идеология конструирования. М. : Машиностроение-1, 2003.
© Додорин И. С., Черник А. В., Смирнов А. Н., 2011
УДК 539.3
О. П. Елисеева, К. В. Шадт, Н. С. Тимофеева, Е. Кононова Научный руководитель - Р. А. Сабиров Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОДЕЛИ С. П. ТИМОШЕНКО В ЗАДАЧЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОГИБОВ БАЛОК ПРИ СОВМЕСТНОМ УЧЕТЕ ИЗГИБА И СДВИГА
Разрешающее уравнение в задаче об учете дополнительного сдвига при изгибе балки, содержит члены, имеющие разный физический смысл, что вносит особенности учёта граничных условий.
Общепризнанно С. П. Тимошенко считается автором уточненной теории учета поперечного сдвига в расчетах балок, пластин и оболочек [1]. Его многочисленные работы и в настоящее момент времени представляют огромный интерес для исследователей этого класса задач. В теории Тимошенко следует различать угол поворота касательной к оси балки и ос-редненный угол поворота сечения [2]. Для вычисления прогибов балок используется формула [3; 4]
d2w(x)/dx2 = -Му(x)/Шу -аqz(x)/GS . (1)
Здесь w - прогиб; Е - модуль Юнга; G = Е /(2(1 + ц)); Jy - момент инерции; S - площадь
сечения; M - функция изгибающего момента; qz (х) - нагрузка; а - коэффициент формы.
В [3] постулируется, что при учете дополнительного сдвига, устранена деформация изгиба и сдвиг учитывается независимо от изгиба. По нашим выкладкам (с позиции изученного курса сопротивления материалов), все равно изгиб вызывает сдвиг, а коэффициент а вытекает из формулы Журавского, вид которой зависит от вида распределения напряжений стх . Рассмотрим пример расчета балки [3], длиной l с распределенной нагрузкой q(х) = const (рис. 1). Граничные условия: w(0) = 0, w(l) = 0 . В этом примере,
