Графо-аналитические выводы кинематического и кинетостатического анализа манипулятора для строительно-дорожных работ

Ергалиев Д.С., Бекетов Г.Ш. ГРАФО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЫВОДЫ КИНЕМАТИЧЕСКОГО И КИНЕТОСТАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНЫХ РАБОТ

Совершенствование конструкций строительных и дорожных машин неразрывно связаны с совершенствованием их рабочих органов.

Во многих случаях технологические процессы, связанные с захватом грузов, с землеройными работами, с выравниванием дорожных покрытий, ведутся на произвольно расположенных в пространстве плоских поверхностях. Качество работ в этом случае зависит, прежде всего, от способности рабочего органа адаптироваться к произвольно расположенной в пространстве плоской поверхности (откосов, насыпей, и др.).

С целью расширения функциональных возможностей рабочего органа были исследованы структурные, кинематические и динамические свойства схем механизмов высоких классов (МВК). В этой области известны исследования казахстанских ученых У.А. Джолдасбекова, Ж.Ж. Байгунчекова, М.М. Молдабекова, Г.У. Уалиева, К.С. Иванова, Е.Р. Рахимова, А.М. Муратова, Ж.К. Масанова, С.У. Джолдасбекова, Е.С. Темирбекова, У.Т. Абдрахимова, Т.Т. Каимова и многих других.

Однако функциональные возможности МВК недостаточно изучены и не в полной мере реализуются в строительном, дорожном и транспортном машиностроении.

В конструкциях современных грузозахватных органов находят широкое применение рычажные механизмы в качестве универсальных передаточных устройств при их взаимодействии с объектом производственной среды. Рычажные механизмы 2 и 3 классов, которые широко известны инженерной практике, уже не отвечают высоким требованиям проектирования современных машин.

Задача состоит в серьезном изучении достижений и в применении в современных органах машин широких кинематических возможностей схем механизмов с группами Ассура высоких классов. Разработка этих вопросов, прежде всего, связана с развитием методов структурного, кинематического и динамического анализа и синтеза этих механизмов.

Выбор оптимальной структуры и геометрических параметров кинематических схем выше изложенных механизмов рассматриваем в свете использования их в качестве манипуляторов.

Так в работах (1) рассматривается задача оптимального выбора кинематической структуры параллельных манипуляторов, основанная на исследовании их особых конфигураций.

В статье (2) рассматривается задача структурного и размерного синтеза механизмов замкнутых манипуляторов, применяемых в робототехнике.

Структурные решения многоподвижных механизмов, применяемых в роботах и манипуляторах, предлагаются в статье (3).

Характерно, что во всех указанных работах используется аппарат приближенного синтеза механизмов, причем оптимизационные задачи сформированы в виде задачи квадратического приближения.

Эффективные возможности манипулятора при выполнении погрузочно-разгрузочных работ на плоских поверхностях и работ по обработке плоских горизонтальных поверхностей позволяют ставить вопрос об обработке с помощью манипуляторов плоских поверхностей, произвольно расположенных в пространстве (откосов, насыпей и др.). Для практической реализации технологического движения манипулятора относительно произвольно ориентированной плоской поверхности необходимо предусмотреть возможность управления положением траверсы, к которой крепится грейферный ковш, относительно стрелы экскаватора. Но большинство этих машин имеют малую зону обслуживания [4].

Недостатком существующих машин является криволинейная траектория движения и сложность для координации прямолинейной подачи его. Вертикальную подачу рабочего органа можно воспроизвести только многократным последовательно-переменным включением гидроцилиндров стрелы и рукоятки, что увеличивает рабочий цикл, вследствие чего снижается производительность экскаватора и повышает утомляемость оператора.[5]

В связи с этим в работе поставлена задача создания механизма манипулятора с увеличеной длиной прямолинейной траектории, т.е. расширяет функциональные возможности.

Нами предлагается новая конструкция манипулятора, на базе механизма 4 класса, обеспечивающий точность прямолинейной подачи рабочего органа при разработке вертикальных выработок, что уменьшает рабочий цикл и упрощает управление рабочим процессом экскаватора. На рисунке 1 представлена новая кинематическая схема манипулятора.

О о___________________________________

Рис. 1 Кинематическая схема манипулятора.

1- подвижное шасси, 2- поворотное рамы, 3-стрела, 4-рычаг, 5- и 6- тяги, 7 и 10-проушины, 8 и 9-звенья, 11- дополнительное звено, 12-рабочий орган установлена исполнительная рукоять, 13-телескопический гидропривод, стойка 14, гидроцилиндры 15 и 16.

Применение предлагаемой новой конструкции манипулятора уменьшает рабочий цикл, т. е. увеличивает производительность и упрощает процесс управления рабочим органом гидравлических экскаваторов.

Существующие аппроксимационные методы кинематического синтеза прямолинейно направляющего механизма позволяют реализовать требуемое условие движения рабочей точки.

Однако эти методы при выполнении дополнительных оптимизационных условий оказываются в высокой степени громоздкими и теряют свою эффективность.

Поэтому в настоящей работе поставлена цель использовать для кинематического синтеза и анализа механизма манипулятора эффективный аппроксимационный метод синтеза обеспечивающий надежное выполнение заданных оптимизационных ограничений.

Кроме того, принятый метод кинематического синтеза должен обеспечивать высокую динамическую надежность и устойчивость работы механизма.

Для предложенной схемы конструкции манипулятора ранее произведен кинематический и силовой анализ, получены координаты положений шарниров и значение реакций в шарнирах механизма манипулятора.

На рисунке 2 представлены графо-аналитические кривые координат положений шарниров механизма манипулятора.

Рисунок 2.Кривые координат положений шарниров механизма манипулятора.

На рисунке 3 кривые реакций в шарнирах механизма манипулятора для строительно-дорожных работ.

Рисунок З.Кривые реакций в шарнирах механизма манипулятора для строительно-дорожных работ.

Как показали кинематические и кинетостатические исследования, именно такое выполнение конструкции манипулятора позволяет увеличить длину прямолинейной траектории, т.е. расширяет функциональные возможности.

Например, для выполнения погрузочно-разгрузочных операций устанавливают преимущественно горизонтальное перемещение челюстного захвата, а когда необходимо сгребать материал, хранящийся в откосах, с помощью погрузочного ковша или вилочного захвата устанавливают наклонную плоскость траектории, параллейную плоскоси откос. Далее поворотом исполнительной рукоятки перемещают рабочий орган к месту выполнения операций - захвата бревна, спиливания дерева, зачерпывания насыпного материала из штабеля и т.д.

ЛИТЕРАТУРА

1. Госселен С., Анжелес Д. Оптимальный кинематическая структура сферического параллельного манипулятора с тремя степенями свободы. Современное машиностроение: Сер.Б..-М.:Мир, 1990.№4,-С.162-168.

2. Pavlov V., Taslakova D. Synthesis of Closed Manipulation Mechanisms for Robot// Proc. Nintch World Congress on the TMM,Politecnico di Milano, Italy, Aug. 29-Sept.2, 1995, Vol.3.-pp 1940-1944.

3. Comanescu A. , Tempea T. , Comanescu D. Strutural Solutions for Mechanisms with Two and Three Mobilities Applied in Robotics// Proc. Nintch World Congress on the TMM,Politecnico di Milano, Italy, Aug. 29-Sept.2, 1995, Vol.3.-pp 1781-1785.

4. .Кобринский А.А. и др. Манипуляционные системы роботов. М.: Наука, 1985.

5. Механика промышленных роботов: Учебн. пособ. для втузов: В 3-х кн. / Под ред. Фролова К.Б., Воробьева Е.И. - М.: Высшая школа, 1988.

6. Журсенбаев Б.И.. Бекетов Г. Ш. Кинематический и кинетостатический анализ манипулятора для строи-

тельно-дорожных работ. - Алматы: Высшая школа Казахстана 200 6. №4,-С.2 62-2 65.