Наукові основи створення мехатронних систем просторового переміщення шпинделя багатокоординатних верстатів
Вантажиться...
Дата
2012
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати та інструменти. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» МОНмолодьспорту України, Київ, 2012.
У роботі розроблено загальну теорію проектування мехатронних систем просторового переміщення шпинделя багатокоординатних верстатів на основі механізмів паралельної структури з ланками змінної довжини.
Створено загальну теорію визначення характеристик жорсткості багатокоординатних верстатів з механізмами паралельної структури на основі координатних перетворень матриці жорсткості, обґрунтовано раціональне розміщення інструмента
відносно шарнірних опор рухомої платформи. Встановлено кінематичні особливості
мехатронної системи переміщення шпинделя на основі механізму паралельної структури з незамкненими гвинтовими приводами зміни довжини ланок та карданними опорами. Обґрунтовано напрямки підвищення геометричної точності мехатронних систем просторового переміщення шпинделя за допомогою ідентифікації геометричних параметрів механізму паралельної структури, розроблено математичне обґрунтування методу обчислення положень центрів шарнірних опор за результатами обміру еталонної деталі вимірювальним контактним датчиком. Розроблено геометричний метод визначення рухового робочого простору механізмів паралельної структури, дістав подальшого удосконалення чисельний дискретний метод визначення робочого простору. Розроблено динамічні моделі руху штанги змінної довжини з незамкненим гвинтовим приводом та просторового руху платформи з врахуванням інерційних характеристик у вигляді тензорів моментів інерції, встановлено особливі динамічні режими мехатронної системи просторового переміщення шпинделя.
Результати роботи впроваджено у навчальний процес та передано для впровадження у виробництво на машинобудівних підприємствах України.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.01 – процессы механической обработки, станки и инструменты. Национальный технический институт Украины “Киевский политехнический институт“, Киев, 2012. В работе разработана общая теория проектирования и повышения выходных характеристик многокоординатного станков с мехатронными системами пространственного перемещения шпинделя на основе механизмов параллельной структуры со звеньями переменной длины, заключающаяся в создании общей теории определения и повышения пространственной жесткости, совершенствовании средств определения рабочего пространства, разработке математического обоснования косвенной идентификации геометрических параметров и построении динамических моделей мехатронных системы перемещения шпинделя. Создана общая теория определения характеристик жесткости многокоординатного станков на основе механизмов параллельной структуры с использованием координатных преобразований матрицы жесткости, впервые выделены приведенные к инструменту матрицы поступательной жесткости, обосновано рациональное размещение инструмента относительно шарнирных опор подвижной платформы. Установлены кинематические особенности мехатронных системы перемещения шпинделя на основе механизма параллельной структуры с незамкнутыми винтовыми приводами изменения длины штанг и карданными опорами, состоящие во взаимном повороте осей шарнирных опор основы и подвижной платформы при изменении ее положения и ориентации, соответственно усовершенствованы кинематические зависимости. Обоснованы направления повышения геометрической точности мехатронных систем пространственного перемещения шпинделя посредством идентификации геометрических параметров механизма параллельной структуры, разработано математическое обоснование метода вычисления положений центров шарнирных опор по результатам обмера эталонной детали измерительным контактным датчиком. Изготовлена измерительная оснастка и разработано математическое обеспечение для периодической идентификации геометрических параметров мехатронной системы перемещения шпинделя станка параллельной структуры, изготовлен измерительно- испытательный стенд для измерения жесткости и исследования динамических процессов системы привода штанг переменной длины. Разработан геометрический метод определения двигательного рабочего пространства механизмов параллельной структуры как пересечения приведенных пространств вершин звеньев и совокупного ориентационного пространства как пересечения двигательных пространств, построенных для заданного набора ориентаций, получил дальнейшего совершенствования численный дискретный метод определения рабочего пространства. Разработаны элементы САПР с использованием API Solidworks, позволяющие уменьшить время построения совокупного ориентационного пространства на три порядка по сравнению с численными методами и интегрировать построение рабочего пространства в процесс разработки и оптимизации конструктивных параметров станка. Разработаны уравнения движения штанги переменной длины с незамкнутым винтовым приводом и динамические модели пространственного движения платформы, учитывающие инерционные характеристики в виде тензоров моментов инерции, установлены динамические свойства мехатронной системы пространственного перемещения шпинделя. Изготовлен макетный образец механизма параллельной структуры «гексапод» и измерительный стенд для экспериментального измерения характеристик жесткости, разработана методика определения матрицы жесткости. Разработаны конструкции основных узлов, программные модули мехатронной системы управления LinuxCNC для реализации прямой и обратной кинематики и изготовлен опытный образец многокоординатного станка на основе механизма параллельной структуры. Разработанные конструкции и системы управления станков параллельной структуры со звеньями переменной длины приняты к внедрению в производство на ВФ «Астра» и ЗАТ «Гидросила» (г. Кировоград), ожидаемый экономический эффект составляет 370 тыс. грн. Методики расчетов характеристик пространственной жесткости и точности станков параллельной структуры используются в учебном процессе на кафедре конструирования станков и машин НТУУ «КПИ» при преподавании дисциплины «Технологическое оборудование с параллельной кинематикой», а также на кафедре металлорежущих станков и систем Кировоградского национального технического университета при преподавании дисциплины «Станки с параллельной кинематикой».
Thesis for a scientific degree of doctor of engineering science on a specialty 05.03.01 – processes of machining, machines and tools. – The National Technical University of Ukraine “Kyiv polytechnic institute”, Kyiv, 2012. The thesis developed a general theory and design principles of mechatronic systems for multi-axis machine tools based on parallel manipulators with variable length struts. A general theory of stiffness determination of mechatronic systems for spindle spatial motion based on the coordinate transformation of stiffness matrix is developed. The rational tool position at the mobile platform is justified. The kinematic specifics of parallel structure with non-captive strut actuators is found. The method is developed to improve the geometric accuracy of mechatronic systems through identification of geometric parameters of parallel manipulator. The mathematics for computing the joint center positions of by measuring the mandrel with touch probe is proved. The geometric method is developed to determine the constant orientation workspace and total orientation workspace for parallel manipulators, considering the actuators stroke and angular limits of the joints. A discrete numerical method for workspace calculation took further improvement. The dynamic models of strut and platform are developed with the inertia presented as the moment of inertia tensors, their dynamic properties are determined. The main results are implemented to the educational process and submitted into production to machine-building companies in Ukraine.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.01 – процессы механической обработки, станки и инструменты. Национальный технический институт Украины “Киевский политехнический институт“, Киев, 2012. В работе разработана общая теория проектирования и повышения выходных характеристик многокоординатного станков с мехатронными системами пространственного перемещения шпинделя на основе механизмов параллельной структуры со звеньями переменной длины, заключающаяся в создании общей теории определения и повышения пространственной жесткости, совершенствовании средств определения рабочего пространства, разработке математического обоснования косвенной идентификации геометрических параметров и построении динамических моделей мехатронных системы перемещения шпинделя. Создана общая теория определения характеристик жесткости многокоординатного станков на основе механизмов параллельной структуры с использованием координатных преобразований матрицы жесткости, впервые выделены приведенные к инструменту матрицы поступательной жесткости, обосновано рациональное размещение инструмента относительно шарнирных опор подвижной платформы. Установлены кинематические особенности мехатронных системы перемещения шпинделя на основе механизма параллельной структуры с незамкнутыми винтовыми приводами изменения длины штанг и карданными опорами, состоящие во взаимном повороте осей шарнирных опор основы и подвижной платформы при изменении ее положения и ориентации, соответственно усовершенствованы кинематические зависимости. Обоснованы направления повышения геометрической точности мехатронных систем пространственного перемещения шпинделя посредством идентификации геометрических параметров механизма параллельной структуры, разработано математическое обоснование метода вычисления положений центров шарнирных опор по результатам обмера эталонной детали измерительным контактным датчиком. Изготовлена измерительная оснастка и разработано математическое обеспечение для периодической идентификации геометрических параметров мехатронной системы перемещения шпинделя станка параллельной структуры, изготовлен измерительно- испытательный стенд для измерения жесткости и исследования динамических процессов системы привода штанг переменной длины. Разработан геометрический метод определения двигательного рабочего пространства механизмов параллельной структуры как пересечения приведенных пространств вершин звеньев и совокупного ориентационного пространства как пересечения двигательных пространств, построенных для заданного набора ориентаций, получил дальнейшего совершенствования численный дискретный метод определения рабочего пространства. Разработаны элементы САПР с использованием API Solidworks, позволяющие уменьшить время построения совокупного ориентационного пространства на три порядка по сравнению с численными методами и интегрировать построение рабочего пространства в процесс разработки и оптимизации конструктивных параметров станка. Разработаны уравнения движения штанги переменной длины с незамкнутым винтовым приводом и динамические модели пространственного движения платформы, учитывающие инерционные характеристики в виде тензоров моментов инерции, установлены динамические свойства мехатронной системы пространственного перемещения шпинделя. Изготовлен макетный образец механизма параллельной структуры «гексапод» и измерительный стенд для экспериментального измерения характеристик жесткости, разработана методика определения матрицы жесткости. Разработаны конструкции основных узлов, программные модули мехатронной системы управления LinuxCNC для реализации прямой и обратной кинематики и изготовлен опытный образец многокоординатного станка на основе механизма параллельной структуры. Разработанные конструкции и системы управления станков параллельной структуры со звеньями переменной длины приняты к внедрению в производство на ВФ «Астра» и ЗАТ «Гидросила» (г. Кировоград), ожидаемый экономический эффект составляет 370 тыс. грн. Методики расчетов характеристик пространственной жесткости и точности станков параллельной структуры используются в учебном процессе на кафедре конструирования станков и машин НТУУ «КПИ» при преподавании дисциплины «Технологическое оборудование с параллельной кинематикой», а также на кафедре металлорежущих станков и систем Кировоградского национального технического университета при преподавании дисциплины «Станки с параллельной кинематикой».
Thesis for a scientific degree of doctor of engineering science on a specialty 05.03.01 – processes of machining, machines and tools. – The National Technical University of Ukraine “Kyiv polytechnic institute”, Kyiv, 2012. The thesis developed a general theory and design principles of mechatronic systems for multi-axis machine tools based on parallel manipulators with variable length struts. A general theory of stiffness determination of mechatronic systems for spindle spatial motion based on the coordinate transformation of stiffness matrix is developed. The rational tool position at the mobile platform is justified. The kinematic specifics of parallel structure with non-captive strut actuators is found. The method is developed to improve the geometric accuracy of mechatronic systems through identification of geometric parameters of parallel manipulator. The mathematics for computing the joint center positions of by measuring the mandrel with touch probe is proved. The geometric method is developed to determine the constant orientation workspace and total orientation workspace for parallel manipulators, considering the actuators stroke and angular limits of the joints. A discrete numerical method for workspace calculation took further improvement. The dynamic models of strut and platform are developed with the inertia presented as the moment of inertia tensors, their dynamic properties are determined. The main results are implemented to the educational process and submitted into production to machine-building companies in Ukraine.