+7 (8452) 35-49-69
info@lapic.ru
пн-пт с 8:00 до 17:00

Машины параллельно – кинематической структуры

Интерес к машинам с параллельно-кинематической структурой связан с рядом преимуществ, которые они имеют по сравнению с традиционными механизмами. Прежде всего, эти машины имеют замкнутую кинематическую цепь по сравнению с обычными, имеющими разомкнутую кинематическую цепь. Это обеспечивает не только более высокую жесткость конструкции, но и позволяет сократить массы подвижных частей, что в свою очередь сокращает нагрузки на приводы. Результатом является увеличение динамики и точности позиционирования PKM машин или как иногда их обозначают в русскоязычном варианте МПКС.

 

РКМ механизм обычно состоит из движущейся платформы, прикрепленной к базе (станине, потолку или неподвижной платформе) несколькими соединениями - тягами. В большинстве случаев число тяг равно числу степеней свободы. Каждое соединение имеет привод, который размещается на базе. Т.к. рабочая нагрузка распределяется между приводами, то эффективность каждого привода выше, чем при выполнении такой же работы машиной обычной конструкции.

Параллельно - кинематическая архитектура продолжает развиваться и скоро сможет найти место в цехе около Вас

Первый параллельный кинематический механизм (PKM), это был станок, появился в 1994 IMTS в Чикаго. Это новое решение, считали станком будущего, и некоторые специалисты предсказали завершение выпуска обычных станков. Как случается со всеми новыми технологиями, появились некоторые проблемы, и машины конструкции PKM были скоро забыты как полностью неподходящие для фрезерования, и, вероятно, бесполезные в производственных целях.

 

Сегодня ситуация изменилась, и будущее сосуществование обычных и параллельных кинематических машин – реальная вещь.
В отличие от последовательной (традиционной Декартовой или SKM) машины, в которых один привод головок должен нести вес следующих, в архитектуре сст программы для передачи файлов и PKM ни одно из перемещений, не должно нести другую движущуюся ось; все они соединяют неподвижную структуру с перемещающейся головкой или с исполнительным элементом на конце. Это условие уменьшает перемещающиеся массы машины, и, как следствие, улучшает динамику машины.

 

Главная цель строительства станков PKM состоит в достижении высокого ускорения и увеличении жесткости машины. Увеличенное ускорение может быть получено главным образом за счет двух факторов: сокращения массы и умножения перемещений. Фактор умножения появляется, поскольку в движение исполнительного элемента вносят свой вклад все приводы. В некоторых конфигурациях при одной и той же движущейся массе на исполнительном элементе, вращающий момент на приводе головки в машине SKM в четыре раза выше, чем в структуре PKM.

 

Обычно, жесткость структур PKM, больше, чем жесткость машин SKM конструкции. Главная причина в том, что элементы, соединяющие шпиндельную головку и кинематическую структуру, подвергаются только усилиям сжатия и растяжения, на Декартовские станки действуют еще для этих квартир на сутки в Новосибирске и это изгибающие усилия. Другой важный фактор заключается в том, что все соединяющиеся элементы вносят составляющие, сопротивления нагрузкам, возникающим при эксплуатации. По сравнению с Декартовскими механизмами, PKM может серьезно улучшить отношение массы/жесткости. Возможно, получить ту же самую жесткость, используя меньшие перемещающиеся массы, в некоторых случаях жесткость улучшается во много раз.

 
Считается, что один из главных недостатков платформенных PKM - ограничение рабочего объема при обработке заготовки. Как правило, предполагается, что архитектура PKM производит большие машины, которые имеют относительно маленькие перемещения для обработки. Размер машины значительно увеличивается, если на инструменте желательны большие углы наклона. К недостаткам РКМ машин также следует отнести меньшее рабочее пространство (зона обработки), и более сложную (нетрадиционную) конструкцию механизма. В ходе работы могут возникнуть особые положения, в результате которых тяги перекрещиваются и воздействуют друг на друга, вплоть до выхода из строя. Кроме того, абсолютно бесполезно иметь шесть перемещений, которыми управляют, если для обработки требуются только три степени свободы.

 

Для борьбы с этими недостатками, было создано новое поколение машин PKM, в которых уменьшено количество степеней свободы, за счет использования пассивных элементов. В некоторых случаях, получающаяся машина полностью параллельна (пассивные элементы только ограничивают степени свободы), и в некоторых случаях измерительная машина объединена с последовательными элементами (очень интересно, когда одно из перемещений очень длинно).

 

Другая горячая тема исследований PKM - калибровка. Процедура калибровки должна дать компенсацию за недостаточную точность сборки некоторых из компонентов (особенно сопряжений). Калибровка может улучшить точность машины больше чем в четыре раза.

Сравнение характеристик различных конструкций машин

Точка отсчета для PKM и SKM была установлена Научно-исследовательским институтом Коммуникации и Кибернетики Нанта (IRCCyN), Университет Нанта (Франция). Были выполнены тесты, чтобы сравнить работу различных конструкций, исследовалась производительность с оптимальными параметрами обработки (резания). Сравнивались следующие характеристики:

 

  • Параметры выполнения элементов программ 

- Линейная интерполяция
- Вставка B-сплайна 

 

  • Быстродействие 

- Подача вперед 
- Величины ускорений перемещений при обработке профилей

 

  • Параметры контурной обработки и скруглений (G64, G642 в Siemens) 
  • Условия резания 

- Направление резания;
- Ориентация детали на столе.
Анализ был основан на комплексе тестов по механической обработке, на основании четырех видов криволинейных поверхностей, в т.ч. описываемых полиномами. Когда деталь была обработана, она измерялась на CMM (КИМ). Для ускорения анализа, IRCCyN создал быстродействующую модель механической обработки, которая включила реальное поведение машины и инструмента, основанного на информации, полученной из кодирующих устройств перемещений станка. 

 
Рассматривались шесть SKM и шесть современных PKM. Две из SKM - трехкоординатные машины (SKM OO и SKM O), в то время как остальные четыре – пятикоординатные машины. Каждая из пятикоординатных машин имела поворотную головку (SKM A), и три управляемые координаты наклонного стола (SKM B, SKM C, SKM D). Из шести машин PKM, две имели полностью параллельную структуру (машины PKM E и PKM G), в то время как машины PKM F, H, I и J - гибридные машины (parallel+serial). PKM-I - это машина VERNE, PKM-J – это машина SPACE -5H, обе изготовленны Fatronik. 

 

Два главных критерия использовались, чтобы сравнить работу машин: параметры точности и производительности. Результаты показали, что точность перемещений сопоставима для SKM и машин PKM и независима от вида механической обработки. Производительность этих машин определялась как отношение времени механической обработки к точности. В качестве результата можно констатировать, что ни одно из направлений проектирования не имеет ярко выраженных преимуществ или недостатков по результатам тестов. Однако ясно, что машины PKM в состоянии выполнять задачи с большим количеством перемещений рабочих органов с производительностью, сопоставимой с оборудованием SKM. 

 
Во время проектирования SKM, важно знать цель применения, особенности процесса обработки, которое оборудование будет выполнять. Проектируя машины PKM, эти факторы, становятся еще более важными, для того чтобы суметь оптимизировать необходимый рабочий объем и жесткость машины. В настоящее время существует более чем 100 вариантов различных конструкций PKM, очень немногие из них - опытные конструкции. И немногие из этих опытных конструкций приводят к машинам, годным для промышленного использования.

 
Некоторые из коммерческих машин имеют полностью параллельную кинематику: трехосевые проекты включают разработки от Krause и Mauser (Macomb, МИ), SKM400 от Heckert (Хемниц, Германия), и Ulyses от Fatronik; машина с пятью осями - P800 от Metrom (Хемниц, Германия); конфигурации с шестью осями - HexaM от Toyoda (Schaumburg, IL) и PM600 от Okuma (Шарлотта, NC). Есть гибридные структуры, как Ecospeed от двухстороннего Technologie (Цинциннати), VERNE от Fatronik, все они комбинируют параллельную кинематику головки по трем осям (два вращения, одно перемещение) с двумя последовательными перемещениями. Другая интересная гибридная структура – станок Tricept от SMT Tricept A.B. (Vasteras, Швеция), который использует параллельную структуру с тремя осями и последовательную головку вращения с двумя осями, приводя в результате к гибридной машине с пятью осями перемещений. Машина Pegasus от Reichenbacher (Dorfles-Esbach, Германия) использует линейные двигатели, и некоторые из них используются вместе с обоими первичными приводами.

 

Топологию кинематических связей параллельных манипуляторов принято обозначать буквами, кодирующими тип и последовательность кинематических пар: R – вращательная пара, P – поступательная, S – шаровая пара, U или RR – карданное соединение. Если кинематическая пара активна – буква подчеркивается. Вначале указывается цифра, обозначающая количество связей.

Развитие высокоточных измерений

В России исследованием и строительством паралелльно-кинематических машин занимается ООО «Лапик». В частности оно разрабатывает и производит линейку шестиосевых координатно-измерительных машин. которые не только обладают дополнительными возможностями измерений, но и имеют возможности настройки вне термостабильного помещения. Кроме того, квартирное бюро в Новосибирске и предприятие на базе имеющейся конструкции выпускает фрезерные станки.

Такая крупная компания как Festo объявила о начале производства высокоскоростной системы для сборки объектов сложной формы, укладки в тару, или перемещениям по трехмерной траектории - 3-D DGE-RF, представляющей собой параллельно–кинематическую структуру. Однако, на сайте компании, в каталоге сведений об этой системе я не нашел.

Одно важное свойство параллельно-кинематических конструкций используется в робототехнике, свойство точно занимать положение (позиционироваться). Первый робот PKM, посвященный операциям позиционирования, Дельта робот, был изобретен в Швейцарии в 1986, его автор R. Clavel. Этот механизм перемещает платформу по трем осям и имеет очень малый вес, масса перемещающихся частей составляет несколько килограммов (для подобной работы, последовательные роботы имеют перемещающиеся массы в несколько десятков килограммов). Внешняя кинематическая цепь добавлена в этом роботе, чтобы получить вращение вокруг вертикальной оси, которая является востребованной в операциях позиционирования.

 
Этот тип робота имеет вращательный привод, закрепленный на раме, и ряд внутренних и массу внешних частей, сделанных из углеродистого волокна, которые связывают перемещающуюся платформу с двигателем. Механизм может достигнуть работы с высокой динамикой. Действительно, индустриальные роботы, которые используют этот тип механизма (предлагаются АВВ и Bosch) могут достигнуть ускорения в 10g, в то время как последовательные роботы того же самого размера ограничены только 2g. Однако, это максимальное ускорение может едва быть превышено роботом Дельты, из-за внешней кинематической цепи, которая обеспечивает вращательную степень свободы.

 

Для совершенствования робота, увеличения скорости и точности перемещений, был предложен новый параллельный механизм, специально для операций выбрать-и-занять-место (позиционирования) LIRMM (Le Laboratoire d'Infor matique, de Robotique и de Microelectronique de Монпелье) Университета Монпелье (Франция), французский Национальный Центр Исследований Scientifique (CNRS), и Fatronik. Названный Quattro, был запатентован в 2005, и исключительная лицензия была куплена Adept Technology Inc (Livermore, Калифорния).

 
Quattro не использует внешнюю кинематическую цепь. Эта контрольно-измерительная машина имеет четыре идентичных цепи, которые связывают приводы головок, и ясно оформленную мобильную платформу. Чтобы вращать исполнительный элемент, Quattro использует платформу, вращая ее на ±180°. Четыре кинематических цепи увеличивают полную жесткость системы, и достигают ускорения 15 г; с возможным полезным грузом 2 кг. С этими характеристиками, достигнуто время цикла 0.25 секунд, при котором производительность составляет 240 частей/минуту. Другое общее свойство роботов PKM - "крайне высокая точность" при перемещении маленьких компонентов, главным образом с шестью координатами.

 

В настоящее время станки PKM - реальность, и они могут использоваться в типичных технологических операциях фрезерования с тремя или с пятью осями и в сверлении. Они могут использоваться без любого ограничения в условиях, когда требуется невысокая точность, начинающаяся с 20 µm. Из-за увеличенной производительности, которой они могут достигнуть, их доля в себестоимости ниже, а затраты на приобретения машины эквивалентны затратам, связанным с обычными машинами. Следующий шаг для машин PKM должен стать достижением более высокого уровня точности, более чем 20 µm и близким к 5 µm.

 

Чтобы достигнуть этой цели, работа ведется в нескольких направлениях. С точки зрения пользователя, главные проблемы:

  • Калибровка. Процедура калибровки должна быть выполнена как стандартная опция машины, и должна легко выполняться пользователем машины в коротком отрезке времени. Сейчас для этого требуется - в большинстве случаев - присутствие изготовителя машины, и сложных процессов измерения в течение нескольких часов. 
  • Тепловая деформация. Поскольку станки PKM используют длинные тяги, чтобы соединить неподвижную часть системы с головкой или инструментом, температурные изменения могут иметь существенное влияние на точность машины. Механизмы компенсации этих эффектов должны быть предусмотрены.

Технические сложности

С точки зрения изготовителя машины, главные проблемы:

  • Эффективное проектирование. Оптимизация работы машины в стадии проекта и анализа рабочего пространства, включая анализ крайних точек. 
  • Интеграция средств управления на сайте Демянска. . Интеграция основных алгоритмов преобразования (прямые/обратные кинематики); калибровка и тепловой контроль эффектов; развитие интеграции скорости и преобразований ускорения; динамические модели машины. 
  • Планирование траектории. Совершенствование точности механической обработки и производительности с применением оптимальных траекторий. 
  • Динамическое моделирование. Создание динамических моделей машины, и использование этих моделей, для максимального увеличения производительности и точности. 
  • Калибровка. Развитие индустриальных методик и процедур калибровки. • Тепловая стабильность. Тепловое моделирование машины. Применение датчиков для измерения и управление компенсациями. 

Эти области - текущие горячие темы исследований в центрах развития и компаниях. В течение следующих пяти лет, появится первое новое поколение станков PKM. Область, где PKM будут иметь самое большое применение, - робототехника. В некоторых системах позиционирования, где требуемая точность низка (0.1 мм или больше), роботы PKM-архитектуры увеличивают производительность к показателям, которые являются невозможными с обычными решениями. Некоторые проекты, которые стремятся создать двух координатные конструкции PKM, являются пилотными, и через два года эти решения будут предложены на рынке.

 
К.Л. Разумов-Раздолов
ООО «Русэлпром - Оснастка»
e-mail: rrkl@ruselprom.ru