Станок гексапод - это 6-ти осевая систему позиционирования с блоком управления. Подобные системы отлично подходят для выполнения работ, где требуется высокая скорость и точность перемещения.
Подвижная платформа перемещается с помощью 6-ти независимых прецизионных двигателей, благодаря чему, можно проводить позиционирование по 3-м линейным (X, Y, Z) и трем угловым координатам (вращение вокруг соответствующих осей Qx, Qy, Qz). Робот гексапод способен решать широкий спектр задач в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, астрономия, наноиндустрия, биотехнологии, полупроводниковая промышленность. Отличные метрологические характеристики делают возможным использовать гексаподы в измерительных системах и системах контроля.
Станки гексаподы вместо обрабатывающих центров
Гексаподы в наибольшей степени реализуют все преимущества механизмов с параллельной кинематикой. При высокой жесткости и относительной простоте конструкции гексапод представляет собой механизм, с помощью которого можно ориентировать выходное звено по шести степеням свободы, что является неоспоримым преимуществом станочных систем такой концепции по сравнению с фрезерными станками традиционной компоновки или типа обрабатывающий центр с чпу. Схема станка гексапода, выполненного на основе гексапода, показана на рис. 1, а шпиндельный узел - на рис. 2.
Рис. 1. Схема станка гексапода
Выходное звено 1 связано с основанием 2 шестью кинематическими связями. Кинематическая связь состоит из штанги переменной длины 3 с приводом. Штанги установлены на станине при помощи карданных шарниров 4, имеющих две степени подвижности. Штанги соединены также при помощи сферических шарниров 5 с выходным звеном 1. Данная схема обеспечивает выходному звену шесть степеней подвижности: перемещение по трем осям координат, а также поворот относительно этих осей. Привод для перемещения стола 6 расширяет технологические возможности оборудования.
Рис. 2. Шпиндельный узел станка гексапода
Перспективы применения станков с параллельной кинематикой
Станки с параллельной кинематикой (РКМ - Parallel Kinematic Machines) довольно быстро входят в состав технологического оборудования, используемого в различных отраслях промышленности. Это стало заметным достижением станкостроения, учитывая то, что впервые станок такого типа продемонстрирован в 1994 г. на выставке IMTS’94 в Чикаго. В настоящее время в мире реализовано более 30 различных компоновок станков с параллельной кинематикой. Сфера их применения расширилась до изготовления пресс-форм и штампов, лопаток турбин и др. Их с успехом используют в кузнечно-прессовом оборудовании, например, в качестве гибочных прессов, а также в качестве измерительных комплексов, манипуляторов для перемещения заготовок, роботов, позиционирующих устройств.
Однако, помимо станков гексаподов, в мире существуют более простые машины с параллельными кинематическими цепями. Далее рассмотрим еще варианты, какими бывают станки с параллельной кинематикой, на примере биподов, триподов, четырехподов и пятиподов.
Станки биподы
Бипод - это простейший представитель технологического оборудования, выполненного на основе механизма с параллельной кинематикой. Биподы представляют собой плоские механизмы с двумя параллельными кинематическими цепями. Выходное звено у таких механизмов имеет две степени свободы и, как правило, два перемещения. Схема станка на основе бипода показана на рис. 3.
Несущие штанги 1 перемещаются в каретках 2 в продольном направлении. Штанги приводятся в движение приводами 3 продольного перемещения (линейные двигатели). Перемещение шпинделя по третьей координате осуществляется отдельным приводом. По аналогичной схеме, но с горизонтальным расположением шпинделя, выполнен станок Speht Xperimental.
Рис. 3. Схема станка на основе бипода
Станки триподы и трицепты
В отличие от биподов триподы более полно позволяют использовать все преимущества, которые дают механизмы с параллельной кинематикой. Так, например, отпадает необходимость в обязательном использовании элементов станков традиционного исполнения (отдельных приводов по некоторым координатам). Все требуемые движения (в данном случае не более трех) реализуются триподом. 3-х осевой станок на основе трипода показан на рис. 4.
Выходное звено 1, на котором установлен мотор-шпиндель, связано со станиной тремя кинематическими цепями, которые включают в себя сдвоенные штанги постоянной длины 3 и приводы штанг 2 на основе линейных двигателей. Штанги соединены с приводами и выходным звеном при помощи карданных шарниров 4. Применение сдвоенных штанг позволяет повысить жесткость механизма, но наличие дополнительных связей уменьшат число степеней подвижности выходного звена до 3-х. Технологические возможности данного оборудования могут быть расширены установкой дополнительно привода стола станка.
Рис. 4. 3-х осевой вертикальный обрабатывающий центр трипод: а - общий вид; б - рабочая зона; в - компоновочная схема
В группу станков с тремя степенями подвижности выходного звена кроме триподов входят также трицепты. Конструктивно отличие от трипода заключается в наличии у трицепта кинематической цепи, не содержащей привода. Схема трицепта показана на рис. 5.
Выходное звено 1 связано с основанием 2 четырьмя кинематическими цепями. Три цепи 3 выполнены в виде штанг переменной длины с приводами 5. Четвертая кинематическая цепь 4 - пассивная, т.е. не содержит привода. Она выполнена в виде трубы и служит для повышения жесткости механизма параллельной кинематики, а также для размещения внутри нее подвода к рабочему органу (в данном случае к мотор-шпинделю) электричества и СОЖ.
Рис. 5. Схема трицепта
Труба проходит через сферический шарнир, закрепленный в основании, и крепится к выходному звену. Пассивная цепь 4 ограничивает число степеней подвижности механизма до 3-х. Общий вид станка-трицепта показан на рис. 6.
Рис. 6. Общий вид станка-трицепта
Станки четырехподы
Применение в машиностроении таких механизмов весьма ограничено, а примеров технологического оборудования на основе четырехподов мало. На рис. 7, а - приведена схема станка на основе четырехпода, а на рис. 7, б - бщий вид станка
Выходное звено 1 связано с двумя направляющими стойки 2 штангами постоянной длины 4 и 6, а также штангами переменной длины с приводами 3 и 5. Штанги 4 и 6 соединены с ползунами 8 и 10, перемещающимися по направляющим стойки. Штанги переменной длины с приводами 3 и 5 соединены со стойкой шарнирами 7 и 9. Таким образом, параллельная кинематическая структура обеспечивает выходному звену четыре степени свободы.
Рис. 7. Станок четырехпод: а - схема станка на основе четырехпода; б - общий вид станка на основе четырехпода Г11
Станок Пятипод (пентопод)
Технологическое оборудование основе пятиподов (пентоподов) получило широкое распространение в машиностроении, так как имеет очень большие технологические возможности. Схема станка-пятипода показана на рис. 8, а, а общий вид станка - на рис. 8, б.
Выходное звено 1 связано с основанием 2 станка шестью кинематическими цепями. Каждая из них состоит из штанги переменной длины 3, которая установлена при помощи шарнира 4 на основании 2 станка. Штанга также соединена с выходным звеном 1 при помощи шарнира 5, обеспечивающего три степени подвижности. Данная схема обеспечивает пять степеней подвижности выходного звена: три поступательных движения вдоль осей станка и два вращательных относительно горизонтальных осей. Шестая степень подвижности (вращение вокруг вертикальной оси) ограничивается конструкцией шарниров 4, в каждом из которых закреплены по две штанги 3.
Рис. 8. Станок пятипод: а - Схема станка на основе пятипода; б - общий вид станка на основе пятипода
Станки с параллельной кинематикой в наше время
Станки с параллельной кинематикой представлены в настоящее время в основном триподами и гексаподами. Станки гексаподы рассматриваются в качестве альтернативы нынешним 5-ти координатным станкам, а триподы 3-х координатным. Триподы имеют более простую конструкцию и их легче приспособить к практическому применению, чем гексаподы, требующие значительно более сложного программного обеспечения. Расходы на конструктивную разработку и изготовление гексапода существенно выше, чем для трипода.
Используя различные комбинации соединений штанг, шарниров и приводов (вращательных и поступательных пар) можно получить широкий набор исполнений кинематических структур параллельной кинематики. Наибольшее распространение получили технологические машины, основанные на стержневой конструкции (платформе Стюарта). Тесное сотрудничество станкостроительных фирм, научных и учебных институтов, а также разработчиков систем ЧПУ позволило в последнее время создать большое количество новых станков этого типа:
- гексапод с нерегулируемыми по длине штангами;
- станок с параллельной кинематикой, оснащенный линейными двигателями;
- горизонтальный гексапод с регулируемыми по длине штангами и др.
Применение унифицированных узлов (шарниров, штанг, мотор-шпинделей, многокоординатных шпиндельных головок и столов) значительно упрощает производство таких станков.
