РАЗРАБОТКА ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ КОМПЛЕКСА ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ СУДОВОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В работе описан процесс проектирования платформы для роботи­зированного комплекса. Использовался новый подход в проектировании платформ для РТК, позволяющий обеспечить мобильность конструкции. С целью обеспечения максимально возможной жесткости конструкций при минимальной массе была выбрана типовая конструкция рамы. Расчетные данные предельных отклонений рабочего органа мани­пулятора при экстремальных нагрузках соответствует установленным допускам.

Ключевые слова: платформа РТК, мобильность, РТК, FANUC.

Keywords: robot, mobility, foundation for a robot, FANUC.

1. Введение

Актуальность аддитивного лазерного «выращивания» деталей судового машиностроения сегодня не вызывает сомнений в связи со значительной экономией дорогостоящих конструкционных материалов.

Рисунок 1. 3D-прототип камеры с контролируемой атмосферой (слева) и направления и величины нагрузок при работе манипулятора[2] (справа)

Для осуществления аддитивного лазерного «выращивания» деталей и заготовок из химически активных материалов необходимо расположить технологическое оборудование в изолированном газонаполненном объеме с инертной атмосферой. На рисунке 1 приведена модель прототипа герметичной камеры (1) в которой на несущей раме-основании (2) на унифицированных фундаментах (3) и (4) установлены вращающийся стол (5) и робот-манипулятор (6).

При аддитивном выращивании [1] на вращающемся столе формируется изделие, отклонение размеров и формы которого в значительной мере определяется точностью позиционирования рабочего инструмента (7), установленного на манипуляторе и перемещающегося по запрограммированной траектории.

Проблема заключается в том, что связывающая стол и манипулятор рама-основание, воспринимая динамические нагрузки от ускорения движущихся масс, деформируется определенным образом – во многом определяемым её жесткостью.

Специфика разрабатываемого оборудования требует применения камеры с контролируемой атмосферой, а специфика областей его применения обусловливает потребность в мобильности конструкции. В связи с этим традиционный подход, заключающийся в монтаже оборудования непосредственно на железобетонный фундамент с заведомо избыточной жесткостью, становится неоправданным, т. к. не решает комплекс поставленных задач.

Целесообразна разработка сварной рамы из сортового проката стали исходя из соображений оптимизации жесткости конструкции, её массы и габаритов, а также технологичности её изготовления и монтажа.

Оптимизация данных параметров ориентирована на повышение точности позиционирования рабочего инструмента манипулятора относительно «выращиваемого» изделия в условиях динамически-изменяющихся ускорений движущихся масс.

Решение задачи по определению параметров сложного напряженно-деформированного состояния выполнено методом конечных элементов в аналитической системе ANSYS [1, 3].

2. Исходные данные

На конструкцию передаются усилия от робота-манипулятора, направления и величины нагрузок представлены на рисунке 2. В работе манипулятора различают три режима нагружения (таблица 1) – нагрузки в состоянии покоя, нагрузки при неустановившемся движении (ускорение и разгон) и нагрузки при отключении питания (экстренная остановка).

Из технологических соображений в качестве входных параметров для расчета принимаются нагрузки обусловленные разгоном и торможением в процессе работы.

Таблица 1.

Силы и моменты, сообщаемые опорной плите робота [2]

Жесткость конструкции рамы-основания должна обеспечивать отклонение рабочего инструмента массой 20 кг от заданной траектории при максимальных нагрузках в пределах допуска точности равного 0,02 мм.

Габаритные размеры определяются максимально допустимой эргономичной высотой пола камеры (порядка 300 мм от пола цеха) и требуемым рабочим объемом исходя из габаритов выращиваемых деталей.

Заданные размеры рамы в плане – 1908х1508 мм.

3. Выбор и обоснование подхода к определению элементов конструкции

Рисунок 3. Разработанная конструкция рамы-основания

Согласно приведенной на рисунке 1 схеме нагружения, рама-основание воспринимает динамические моменты в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

В результате обобщения опыта судостроительной промышленности в сфере обеспечения максимально возможной жесткости конструкций при минимальной массе была выбрана типовая конструкция рамы, представляющая собой полотнище и набор двух направлений, показанная на рисунке 3.

Для обеспечения жесткости в горизонтальной плоскости принимаются без расчета заведомо удовлетворительные размеры полотнища – 1908х1508х25 мм изготавливаемого из листового проката из малоуглеродистой стали.

Набор выполнен из 6-ти балок стандартного двутаврового горячекатаного проката 26Б2 по ГОСТ 26020-83 перевязанных пластинами толщиной s = 10 мм и тавровыми балками, собранных из листов толщиной s=10 мм (в проемах под вилы погрузчика). Как показали предварительные и все последующие расчеты -важнейшим критерием выбора профилей поперечных сечений конструкции является её жесткость [1], обусловливаемая исключительными требо­ваниями к предельным отклонениям базовых поверхностей.

Итоговые габаритные размеры рамы – 1908х1508х286 мм. Масса без учета установленного оборудования – 1060 кг.

4. Расчет напряженно-деформированного состояния от реактивных моментов

C целью определения предельных отклонений инструмента, вызванных нештатным режимом работы и некорректным исполнением программы, расчет производился для наихудшего случая нагружения – экстренной остановки работы при отключении питания. В таблице 1 данному варианту нагружения соответствует 3 строка.

По заданным величинам нагрузки методом конечных элементов производился расчет напряженно-деформированного состояния. Расчет и построение визуализации деформаций выполнялся системой AnSYS для расчетных точек 1, 2, 3, 4, указанных на рисунке 4.

Рисунок 4. Расчетные точки при определении прогибов

Посредством 4-х точек условного крепления робота-манипулятора к несущей раме приложен крутящий момент M_V в плоскости параллельной плоскости XY (здесь 0Y – вертикальная ось). Момент M_H приложен в горизонтальной плоскости, параллельной XZ. Задачей моделирования напряженно-деформированного состояния является определение максимальных отклонений расчетных точек от своего изначального положения в рассматриваемой системе координат – то есть определение смещения плоскости опоры робота-манипулятора с целью дальнейшего определения отклонения закрепленного на нем рабочего инструмента от базовых поверхностей столика-вращателя.

На рисунке 5 представлены прогибы и отклонения положений расчетных точек вдоль осей x, y, z. Наибольшие отклонения вызваны моментом M_V приложенным в вертикальной плоскости и развиваются в направлении параллельном вертикальной оси 0Y.

Отклонения вдоль оси 0X в 3-5 раз меньше прочих, что говорит о целесообразности перераспределения массы конструкции – снижения толщины полотнища и повышения жесткости набора – обусловленном кинематической схемой робота-манипулятора и характером приложен­ных нагрузок.

Рисунок 5.а - деформации вдоль оси x (утрировано); b - деформации вдоль оси y(утрировано); с - деформации вдоль оси z (утрировано); d - эквивалентные напряжения в конструкции

На рисунке 5(d) показано распределение нормальных напряжений при максимально допускаемых нагрузках. Величины эквивалентных напряжений по Вон-Мизесу в конструкции не превышают значения 17,4 МПа, что более чем на порядок ниже предела текучести качествен­ной конструкционной стали.

Таблица 2.

Отклонения положений расчетных точек при максимальных нагрузках

В таблице 2 приведены количественные оценки величин макси­мальных отклонений положений расчетных точек в направлениях, параллельных соответствующим осям.

Определение отклонений расчетных точек позволяют построить смещение плоскости опоры робота-манипулятора и вычислить абсолютные отклонения положения закрепленного в манипуляторе инструмента. На рисунке 6 (слева) показан алгоритм построения смещенных плоскостей опоры манипулятора и выбранное для анализа кинематическое положение его узлов.

а) 

b)   

Рисунок 6. Смещенная плоскость опоры робота и его кинематическое состояние (а) и зависимость смещения рабочего инструмента от величины превышения номинальной приложенной нагрузки (b)

Для приведенных в таблице 2 отклонений точек опорной плоскости манипулятора величина отклонения его точки «(·)К» составляет 44,5 мкм – при максимально возможных паспортных динамических нагрузках, сообщаемых раме-основанию (~13 кН·м M_V; ~ 8 кН·м M_H).

В номинальном рабочем режиме возникающие нагрузки не должны превышать 50 % от максимальных, что позволяет ожидать отклонений порядка ±30 мкм при одновременных ускорениях во всех возможных плоскостях.

Величины отклонений установленного на манипуляторе инстру­мента от заданного положения или траектории движения в зависимости от кратности нагрузки приведены на рисунке 6 (справа).

Заключение

1. В данной работе выполнено предварительное проектирование рамы-основания робототехнического комплекса для послойной аддидации материалов в соответствии с заданными предварительными условиями жесткости и массогабаритными характеристиками.
2. Разработанная модель рамы с размерами 1908х1508х286 мм и массой 1060 кг обеспечивает высокую жесткость – при единовременном нагружении её моментами, соответствующими максимальным воз­можным при работы манипулятора в штатном режиме, отклонения инструмента не превышают 0,03 мм.
3. Отклонения инструмента при работе могут быть значительно снижены посредством повышения равномерности перемещения движу­щихся масс, реализуемого адаптивным алгоритмом управления [4], либо путем крепления рамы на железобетонном фундаменте либо путем дальнейшего повышения жесткости каркаса ограниченной требованиями к его максимально приемлемой высоте.

Список литературы:

1. Соколов С.А. Строительная механика и металлические конструкции машин: учебник / С.А. Соколов. - СПб.: Политехника, 2012. - 422 с.: - ISBN 978-5-7325-0969-4.
2. Технический паспорт: FanucRobot ARC Mate 120iC/10L Manuals
3. Федорова Н.Н., Данилов М.Н., Вальгер С.А. Основы работы в ANSYS 17/СПб: ДМК-Пресс, 2017. – 210 с. ISBN 978-5-97060-425-0.
4. Карпов В.М., Владимиров А.В., Мурзин В.В. Упрощенное программиро­вание сварочных процессов на java-совместимом языке ввода команд XML // Морские интеллектуальные технологии. 2014. № 26. С. 84-91.