КОПИРУЮЩИЙ МАНИПУЛЯТОР
COPYING MANIPULATOR

Изобретение относится к машиностроению, в частности к манипуляторам с замкнутой кинематической цепью для подобного воспроизведения движения рабочего органа и может найти применение в обрабатывающих центрах, автоматических линиях и медицине.
Известен копирующий механизм в виде пантографа Сильвестра для подобного построения отдельных линий, содержащий замкнутую кинематическую цепь, по периферии которой расположены три шарнирных четырехзвенника с одной общей вершиной М, лежащей на общей линии, соединяющей центры шарниров каждого из трехшарнирных шатунов (Крайнев А.Ф, Словарь-справочник по механизмам. Издание второе. - М.: «Машиностроение», 1987. С. 385, рис. а)) - аналог.
Недостатками известного копирующего механизма являются:
1. Сложность конструкции и трудоемкость точного изготовления сложных трехшарнирных звеньев, применяемых в качестве шатунов в замкнутой кинематической цепи.
2. Большие габариты и сложность сборки замкнутых контуров механизма из многошарнирных звеньев различной формы и различных размеров.
3. Ограничение функциональные возможности копирования только отдельных задаваемых линий.
Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому эффекту, к предлагаемому изобретению является копирующий манипулятор, содержащий установленное на основании задающее устройство замкнутой кинематической цепи на основе шарнирного привода и копирующее исполнительное устройство рабочего органа, которые выполнены в виде сложного 34-звенного рычажного механизма, содержащего 15 сложных сферических шарниров и 4-х приводных управляющих гидроцилиндров (Крайнев А.Ф., Механика машин. Фундаментальный словарь. - М.: «Машиностроение», 2000. С. 295, рис. в)) - прототип.
Недостатками указанного копирующего манипулятора являются:
1. Сложная конструкция, состоящая из 34 подвижных звеньев и четырех приводных гидродвигателей.
2. Высокая трудоемкость изготовления и сборки замкнутой кинематической цепи привода на основе 15 сложных сферических шарниров с точным пересечением в одной точке трех осей сферических поверхностей (US Patent 4, 628, 765/1986).
3. Ограниченные функциональные возможности не позволяют копировать замкнутые контуры заданной геометрии и изменять их геометрию в заданной точке рабочего пространства манипулятора.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в расширении функциональных возможностей манипулятора при копировании замкнутых контуров заданной геометрии и ее изменении в заданной точке рабочего пространства манипулятора, а также упрощении его конструкции и снижении трудоемкости ее изготовления и сборки.
Получение технического результата достигается за счет того, что предлагаемый копирующий VIP-манипулятор содержит задающее приводное устройство замкнутой кинематической цепи, выполненное в виде задающего параллелограмма переменной геометрии, а также копирующее исполнительное устройство рабочего органа, выполненное в виде копирующего параллелограмма, геометрически подобного задающему параллелограмму и шарнирно соединенному с ним посредством четырех двушарнирных одинаковой длины и восьми двойных цилиндрических шарниров с параллельными между собой осями их углового поворота.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4.
На фиг. 1 изображен общий вид копирующего VIP-манипулятора, содержащего установленное на основании 1 задающее приводное устройство замкнутой кинематической цепи, выполненное в виде задающего шарнирного четырехзвенника ABCD переменной геометрии (задаваемой через углы α, β и γ), с образующими замкнутый контур двушарнирными звеньями 2 (стойка), 3, 4 и 5; а также содержащего копирующее исполнительное устройство рабочего органа, выполненное в виде копирующего шарнирного четырехзвенника EGNM, геометрически подобного (т.е. с теми же углами α, β, γ) задающему параллелограмму ABCD. Замкнутый контур копирующего четырехзвенника EGNM образован двушарнирными звеньями 6, 7, 8 и 9, которые шарнирно соединены с задающим параллелограммом ABCD посредством четырех двушарнирных звеньев 10, 11, 12, 13 и восьми двойных цилиндрических шарниров А, В, С, D, Е, G, N и М с параллельными между собой осями их углового поворота. Замкнутая кинематическая цепь копирующего VIP-манипулятора выполнена с двумя независимыми приводами от поворотных двигателей 14 и 15, обеспечивающих раздельное изменение геометрии замкнутого шарнирного контура EGNM (от двигателя 14) и его последующее круговое перемещение относительно основания 1 (за счет двигателя 15).
1
На фиг. 2 представлен вариант установки от двигателя 14 (за счет поворота его вала на угол ϕ) переменной подобной геометрии задающего ABCD и копирующего EGNM шарнирных многогранников для получения другой формы замкнутых контуров в виде EG*N*M (задаваемой через угол а и отличающейся от шарнирных параллелограммов на фиг. 3 и фиг. 4).
1
2
На фиг. 3 представлен вариант установки от двигателя 14 (через угол ϕ) переменной геометрии замкнутого контура копирующего четырехзвенника EGNM в виде заданного параллелограмма (AB=CD, AD=BC, β=γ) и его последующего кругового перемещения двигателем 15 в положение E*G*N*M* в заданную точку рабочего пространства манипулятора (путем поворота звена DM на угол ϕ). Также на фиг. 3 представлен вариант выполнения всех вершин А, В, С и D замкнутого контура, задающего четырехзвенника ABCD и всех вершин Е, G, N и М подобного ему замкнутого контура, копирующего четырехзвенника EGNM в виде цилиндрических шарниров с параллельными между собой осями углового поворота, которые образуют смежные между собой плоские шарнирные параллелограммы ABGE, AEMD, DCNM и CBGN.
На фиг. 4 представлен вариант выполнения всех вершин А, В, С и D замкнутого контура, задающего четырехзвенника ABCD и всех вершин Е, G, N и М подобного его замкнутого контура, копирующего четырехзвенника EGNM в виде сферических шарниров, образующих между собой пространственный шарнирный параллелепипед (с параллельными ребрами одинаковой длины BG=CN=DM=AE), попарно соединяющими между собой вершин задающего ABCD и копирующего EGNM шарнирных четырехзвенников).
1
2
На фиг. 5 представлен вариант выполнения привода задающего шарнирного четырехзвенника ABCD в виде установленной вдоль его диагонали АС приводной поступательной кинематической пары, выполненной в виде управляющего гидроцилиндра 16 (обеспечивающего поворот ведущего звена 3 на угол ϕ) совместно с выполнением привода перемещения копирующего шарнирного четырехзвенника EGNM в виде установленного на основание 1 поворотного гидроцилиндра 17 (обеспечивающего поворот ведущего звена 11 на угол ϕ).
На фиг. 6 представлен вариант выполнения привода задающего четырехзвенника ABCD в виде установленной вдоль его диагонали АС приводной винтовой кинематической пары 18, обеспечивающей (посредством установочного регулирования длины этой диагонали АС) заданное изменение геометрии обоих параллелограммов ABCD и EGNM (через подобное преобразование в них углов α, β и γ) в заданной точке рабочего пространства манипулятора.
Работа представленного копирующего VIP-манипулятора заключается в следующем.
Выполнение копирующего VIP-манипулятора с двумя независимыми приводами задающего приводного устройства и исполнительного устройства рабочего органа, объединенными в единую замкнутую кинематическую цепь, обеспечивает геометрически подобный перенос замкнутого контура задающего четырехзвенника ABCD и раздельное дистанционное управление геометрией и расположением копирующего параллелограмма на одной из трех возможных режимов работы манипулятора:
1,
N1) Режим изменения углов α, β, γ и геометрии замкнутого контура копирующего четырехзвенника EGNM в заданной точке его рабочего пространства - за счет управляемого поворота ведущего звена 3 на угол ϕ
2
N2) Режим перемещения замкнутого контура копирующего четырехзвенника EGNM в заданную точку рабочего пространства манипулятора - за счет управляемого поворота ведущего звена 11 на угол ϕ,
N3) Режим совместного изменения геометрии и расположения замкнутого контура копирующего четерыхзвенника EGNM - за счет одновременного управляемого поворота обоих ведущих звеньев 3 и 11 при трех вариантах управления:
а) встречное вращение обоих ведущих звеньев 3 и 11;
б) попутное вращение по часовой стрелке обоих ведущих звеньев 3 и 11;
в) попутное вращение против часовой стрелки обоих ведущих звеньев 3 и 11.
Достигаемый в предлагаемом копирующем VIP-манипуляторе положительный эффект заключается в следующем:
1. Упрощение конструкции, трудоемкости изготовления и сборки манипулятора за счет применения только простых и малогабаритных двушарнирных звеньев с параллельными осями их поворота.
2. Расширение функциональных возможностей за счет раздельного дистанционного управления изменением геометрии и месторасположением замкнутого контура, копирующего четырехзвенника в заданной точке рабочего пространства манипулятора.