МАНИПУЛЯТОР-ТРИПОД С ШЕСТЬЮ СТЕПЕНЯМИ ПОДВИЖНОСТИ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к манипуляторам для выполнения операций, связанных с изменением положения изделия, заготовки и т.п. в пространстве.
Полезная модель может быть использована в машиностроительной, пищевой и других отраслях промышленности для выполнения как основных технологических операций, например механической обработки изделий, так и вспомогательных операций: сортировки, укладки, упаковки изделий и т.д.
Из уровня техники известен манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности POLMAN 3×2 по статье К.Миановского «Анализ особенностей параллельного манипулятора POLMAN 3×2 с шестью степенями свободы» (12-й Всемирный конгресс ИФТОММ, Безансон, июнь 18-21, 2007), предлагаемый в качестве наиболее близкого аналога и содержащий основание с установленными на нем тремя блоками приводов соосных поступательного и вращательного движений выходного вала каждого блока приводов, причем оси вращения выходных валов трех блоков приводов образуют трехгранный угол, подвижную платформу с рабочим органом и тремя опорами вращения, оси которых образуют трехгранный угол, равный трехгранному углу, образованному осями вращения выходных валов блоков приводов, и три идентичные параллельные кинематические цепи привода перемещений и ориентации рабочего органа, состоящие каждая из двух соединенных промежуточным валом универсальных шарниров так, что внутренние оси крестовин универсальных шарниров параллельны, наружные оси крестовин универсальных шарниров на входе кинематических цепей соединены с выходными валами блоков приводов, а наружные оси крестовин универсальных шарниров на выходах кинематических цепей образуют шарниры с опорами вращения на подвижной платформе. Этот манипулятор-трипод имеет другие существенные недостатки: ни одно из ориентирующих движений рабочего органа манипулятора не может быть полнооборотным, т.е. нельзя осуществить режим непрерывного вращения рабочего органа; система ориентирующих движений рабочего органа не отвечает какой-либо системе углов Эйлера, что усложняет программирование движений; кинематика манипулятора не обеспечивает групповой кинематической развязки приводов изменения положения центра системы координат рабочего органа и приводов изменения ориентации рабочего органа, что также усложняет задачу программирования и приводит к ухудшению скоростных и точностных характеристик манипулятора.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности по патенту на изобретение №2403144 С2 РФ Тывес Л.И., Данилин П.О., Глазунов В.А.
Манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности содержит подвижную платформу с рабочим органом и тремя опорами вращения, оси которых образуют трехгранный угол, равный трехгранному углу, образованному осями вращения выходных валов блоков приводов, три идентичные параллельные кинематические цепи привода перемещений и ориентации рабочего органа. Каждая из цепей состоит из двух соединенных промежуточным валом универсальных шарниров (УШ). Внутренние оси крестовин УШ параллельны, наружные оси крестовин УШ на входах кинематических цепей соединены с выходными валами блоков приводов, а наружные оси крестовин УШ на выходах кинематических цепей образуют шарнир с опорами вращения на подвижной платформе. На подвижной платформе установлен механизм ориентации рабочего органа, ведущие валы которого установлены в опорах вращения и шарнирно связаны с наружной осью крестовин на выходе кинематических цепей. На наружных осях крестовин двух УШ каждой кинематической цепи на равных расстояниях от центров УШ установлены два шарнира вращения с осями, параллельными внутренним осям крестовин УШ. Оси соединены жестким звеном, длина которого равна расстоянию между центрами крестовин УШ.
Изобретение обладает следующими недостатками: сложность и большие габариты конструкции, вызванные расположением двух двигателей в блоках приводов с взаимно-перпендикулярными валами и их креплением; невозможность точного позиционирования рабочего органа в связи с наличием в блоках приводов дополнительных многоступенчатых механических передач, обладающих большими погрешностями.
Сущность полезной модели заключается в том, что манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности содержит основание с установленными на нем тремя блоками приводов соосных поступательного и вращательного движений выходного вала каждого блока приводов, рабочий орган и три идентичные параллельные кинематические цепи привода перемещений и ориентации рабочего органа. Оси вращения выходных валов трех блоков приводов образуют трехгранный угол. Каждая кинематическая цепь перемещения состоит из двух соединенных промежуточным валом универсальных шарниров так, что внутренние оси крестовин универсальных шарниров параллельны, наружные оси крестовин универсальных шарниров на входе кинематических цепей соединены с выходными валами блоков приводов, а наружные оси крестовин универсальных шарниров на выходах кинематических цепей цилиндрическими шарнирами связаны с рабочим органом. На наружных осях крестовин двух универсальных шарниров каждой кинематической цепи на равных расстояниях и с одной стороны от центров крестовин универсальных шарниров установлены два цилиндрических шарнира с осями. Оси параллельны внутренним осям крестовин универсальных шарниров, соединенных жестким звеном так, что расстояние между осями установленных шарниров равно расстоянию между центрами крестовин универсальных шарниров. С наружными осями крестовин универсальных шарниров на выходах кинематических цепей соединены безопорные ведущие валы дополнительно установленного механизма ориентации рабочего органа. На выходном валу блока приводов и на безопорном ведущем валу механизма ориентации рабочего органа каждой кинематической цепи на равном расстоянии и с одной и той же стороны от центров крестовин универсальных шарниров укреплены стойки, связанные одна с другой промежуточным звеном, двумя сферическими шарнирами и установленными на стойках на равных расстояниях от наружных осей крестовин универсальных шарниров. Механизм ориентации рабочего органа выполнен в виде дополнительно установленного на одном из безопорных ведущих валов универсального шарнира, на ведомом валу которого укреплен рабочий орган, и двух сферических двухповодковых групп, состоящих каждая из кривошипа и шатуна, причем кривошипы укреплены на двух других безопорных ведущих валах, а шатуны двойным шарниром соединены с ведомым валом универсального шарнира. Центры сферических двухповодковых групп совпадают с центром крестовины универсального шарнира. Каждый блок приводов поступательного и вращательного движений выходного вала выполнен в виде двух соосно установленных и связанных между собой шаговых двигателей, имеющих полые роторы, а выходной вал размещен внутри полых роторов коаксиально им и несет две контактные втулки. При этом одна контактная втулка сопрягается с выходным валом посредством резьбы и жестко связана с полым ротором шагового двигателя поступательного движения, а вторая контактная втулка жестко связана с полым ротором двигателя вращательного движения, и с выходным валом контактирует за счет шпоночного соединения.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является упрощение конструкции, уменьшение габаритов и повышение точности позиционирования рабочего органа, что достигается за счет технического результата, заключающегося в создании компактной конструкции блоков приводов и возможности дискретного регулирования скорости с минимальными погрешностями.
Технический результат, достигается за счет использования шаговых двигателей с полыми роторами, резьбового соединения, шпоночного соединения, рационального (соосного) расположения шаговых двигателей, отсутствия дополнительных механических передач.
Поставленная задача решается за счет того, что манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности снабжается разработанными блоками приводов. Каждый блок приводов поступательного и вращательного движений выходного вала выполнен в виде двух соосно установленных и связанных между собой шаговых двигателей, имеющих полые роторы, а выходной вал размещен внутри полых роторов коаксиально им и несет две контактные втулки, при этом одна контактная втулка сопрягается с выходным валом посредством резьбы и жестко связана с полым ротором шагового двигателя поступательного движения, а вторая контактная втулка жестко связана с полым ротором двигателя вращательного движения, и с выходным валом контактирует за счет шпоночного соединения.
Выполнение блока приводов, содержащих два шаговых двигателя позволяет максимально точно управлять выходным звеном блока привода, что приводит к повышению точности позиционирования рабочего органа связанного с выходными валами каждого блока приводов.
Выполнение шаговых двигателей с полыми роторами и расположение их соосно позволит существенно уменьшить габариты блока привода. Так же использование контактных втулок и ведущего вала, расположенного внутри полых роторов направлено на уменьшение габаритов блока привода.
Выполнение соединения вал - контактная втулка через резьбу и шпоночное соединение позволяет избежать сложных кинематических цепей, что приводит к упрощению конструктивного исполнения блока привода.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом. На фиг.1 изображена схема манипулятора-трипода с шестью степенями подвижности; на фиг.2 - конструкция выполнения блоков приводов; на фиг.3 - шпоночное соединение (разрез А-А с фиг.2).
Манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности содержит основание 1, на котором установлены три блока 2, 2' и 2'' приводов соосных поступательного и вращательного движений выходных валов 3, 3' и 3'' блоков приводов. Каждый блок приводов 2, 2' и 2'' состоит из шагового двигателя 4 поступательного движения и шагового двигателя 5 вращательного движения. Шаговые двигатели 4 и 5 установлены соосно и связаны между собой через центрирующую пластину 6 и стягивающие шпильки 7. Роторы 8 и 9 каждого шагового двигателя выполнены полыми, и во внутренних полостях обоих роторов 8 и 9 установлен выходной вал 3. На выходном валу 3 размещены две контактные втулки 10 и 11. Контактная втулка 10 имеет внутреннюю резьбовую поверхность, за счет которой сопрягается с наружной, так же резьбовой, поверхностью выходного вала 3. Наружной поверхностью контактная втулка 10 запрессована в кольцевую выточку полого ротора 8. Вторая контактная втулка И жестко связана по внутренней поверхности с выходным валом 3 за счет шпоночного соединения (фиг.3). Наружной поверхностью контактная втулка 11 запрессована в кольцевую выточку полого ротора 9. Оси выходных валов 3, 3' и 3'' блоков приводов 2, 2' и 2'' соответственно образуют трехгранный угол с точкой пересечения в полюсе Р. Выходные валы 3, 3' и 3'' блоков приводов 2, 2' и 2'' связаны тремя идентичными кинематическими цепями соответственно с безопорными ведущими валами 12, 12' и 12'' механизма ориентации рабочего органа 13. Каждая из кинематических цепей содержит два универсальных шарнира с крестовинами 14, 14' и 14'' и 15, 15' и 15'', соединенных попарно промежуточными валами 16, 16' и 16'' соответственно так, что внутренние оси крестовин универсальных шарниров каждой кинематической цепи параллельны друг другу, а наружные образуют вращательные пары с упомянутыми выходными валами 3, 3' и 3'' блоков приводов 2, 2' и 2'' с одной стороны и безопорными ведущими валами 12, 12' и 12'' механизма ориентации рабочего органа 13 - с другой. На наружных осях крестовин 14 и 15, 14' и 15', 14'' и 15'' двух универсальных шарниров каждой-кинематической цепи установлены два цилиндрических шарнира 17 и 19, 17' и 19', 17'' и 19'' на равных расстояниях и с одной стороны от центра крестовин универсальных шарниров с осями, параллельными внутренним осям крестовин универсальных шарниров. Шарниры 17 и 19, 17' и 19', 17'' и 19'' попарно связаны жесткими звеньями 18, 18' и 18'' так, что расстояние между осями упомянутых шарниров равны расстояниям между центрами крестовин соответствующих универсальных шарниров.
В каждой кинематической цепи от выходного вала блока приводов до безопорного ведущего вала механизма ориентации рабочего органа 13, например, в кинематической цепи 3-14-16-15-12, на выходном валу 3 и на безопорном ведущем валу 12 на равном расстоянии и с одной и той же стороны от центров крестовин 14 и 15 укреплены стойки 20 и 21, связанные одна с другой сферическими шарнирами 22 и 23 и промежуточным звеном 24, длина которого равна расстоянию между центрами крестовин универсальных шарниров. Сферические шарниры 22 и 23 укреплены на стойках 20 и 21 на равных расстояниях от наружных осей крестовин универсальных шарниров. Сказанное в полной мере относится и к кинематическим цепям 3'-14'-16'-15'-12' и 3''-14''-16''-15''-12'' с крестовинами 14'-15' и 14''-15'', выходными валами 3' и 3'' и безопорными ведущими валами 12' и 12'', оснащенными соответственно стойками 20'-21' и 20''-21'', сферическими шарнирами 22'-23' и 22''-23'' и промежуточными звеньями 24' и 24''.
Механизм ориентации рабочего органа 13 содержит универсальный шарнир с крестовиной 25, на входе которого один из безопорных ведущих валов 12, а на выходе - ведомый вал с рабочим органом 13 манипулятора-трипода с шестью степенями подвижности. На других безопорных валах 12' и 12'' укреплены кривошипы 26' и 26'' двух сферических двухповодковых групп, состоящих каждая из кривошипа и шатуна. Шатуны 27' и 27'' соединены двойным шарниром один с другим и с ведомым валом универсального шарнира. Место установки двойного шарнира на ведомом валу универсального шарнира таково, что центры сферических двухповодковых групп совпадают с центром крестовины 25 универсального шарнира.
Работает предлагаемый манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности следующим образом. На основании 1 жестко закреплены блоки управления 2. Шаговый двигатель 4 поступательного движения ротором 8 вращает контактную втулку 10, которая за счет резьбового соединения перемещает выходной вал 3. Вращательное движение обеспечивается шаговым двигателем 5, передающим движение с ротора 9 на контактную втулку 11. Контактная втулка 11 за счет шпоночного соединения поворачивает выходной вал. При одновременной работе двух двигателей возможно рассогласование, всвязи с чем может потребоваться система корректировки. Центрирующая пластина 6 и стягивающие шпильки 7 необходимы для точной центровки шаговых двигателей 4 и 5 относительно друг друга.
Три параллелограмма 14-16-18-15; 14'-16'-18'-15'; 14''-16''-18''-15'' обеспечивают параллельность наружных осей крестовин 14 и 15, 14' и 15', 14'' и 15'' универсальных шарниров каждой кинематической цепи при любых возможных относительных положениях крестовин. Параллельность наружных осей крестовин 14 и 15, 14' и 15', 14'' и 15'' является необходимым условием для того, чтобы реализуемые при этом параллелограммы 20-16-21-24, 20'-16'-21'-24', 20''-16''-21''-24'' обеспечивали параллельность осей выходных валов 3, 3' и 3'' блоков приводов 2, 2' и 2'' и осей безопорных ведущих валов 12, 12' и 12'' механизма ориентации рабочего органа 13, так же при любых возможных относительных положениях крестовин 14 и 15, 14' и 15', 14'' и 15'' в каждой кинематической цепи.
Так как оси выходных валов 3, 3' и 3'' блоков приводов 2, 2' и 2'' образуют трехгранный угол с полюсом Р, не меняющий своего пространственного положения, то параллельные им оси безопорных ведущих валов 12, 12' и 12'' при условии их пересечения в одной точке образуют равный ему трехгранный угол, не меняющий своей пространственной ориентации при любых возможных движениях манипулятора-трипода с шестью степенями подвижности. Полюс Р' этого трехгранного угла совпадает с центром крестовины 25 универсального шарнира. Условие пересечения осей безопорных ведущих валов 12, 12' и 12'' механизма ориентации рабочего органа 13, укрепленного на ведомом валу универсального шарнира, обеспечивается соответствующим расположением двойного шарнира на ведомом валу. При известных радиусах звеньев 27' и 27'' сферических двухповодковых групп совмещение их центров с центром крестовины 25 универсального шарнира трудностей не представляет. Угловые перемещения выходных валов 3, 3' и 3'' блоков приводов 2, 2' и 2'' независимо от положения полюса Р' равны угловым перемещениям ведущих валов 12, 12' и 12'' механизма ориентации рабочего органа 13 относительно перемещаемого поступательно трехгранного угла с полюсом Р', так как кинематические цепи шарнирно соединенных последовательно звеньев 3-14-16-15-12, 3'-14'-16'-15'-12', 3''-14''-16''-15''-12'' при параллельности осей вращения крайних звеньев цепочек представляют собой частный случай карданной передачи с постоянным, равным единице передаточным отношением. С другой стороны изменение положения полюса Р' осуществляется только осевыми перемещениями выходных валов 3, 3' и 3'' блоков приводов 2, 2' и 2''. Цепи 3-20-22-24-23-21-12, 3'-20'-22'-24'-23'-21'-12', 3''-20''-22''-24''-23''-21''-12'' необходимы для точного определения в пространстве выше описанных цепей.
Отмеченная независимость поступательных перемещений трехгранного угла с полюсом Р' от угловых перемещения выходных валов блоков приводов и обратно, независимость угловых положений ведущих валов механизма ориентации рабочего органа относительно трехгранного угла с полюсом Р' (как следствие, ориентации рабочего органа) от осевых перемещений выходных валов блоков приводов, есть признак групповой кинематической развязки: система шести уравнений для расчета положений рабочего органа, связывающая шесть координат его положения с шестью координатами положений выходных валов блоков приводов распадается при этом на две независимые подсистемы. Решение получаемой системы уравнений и программирование движений рабочего органа упрощаются.
В частных случаях реализации для упрощения расчетных зависимостей, во-первых, трехгранный угол, образованный осями выходных валов блоков приводов, может быть равен трехгранному углу прямоугольной системы координат и, во-вторых, углы между осями ведущих валов 3' и 3'' и осями цилиндрических шарниров кривошипов 26' и 26'', а также между осями цилиндрических шарниров шатунов 27' и 27'' могут быть равны 90 градусам.
Полнооборотным в этой конструкции является вращение ведомого вала универсального шарнира, на котором укреплен рабочий орган.