02 Hexapode şi tehnologiile de prelucrare

7/31/2019 02 Hexapode i tehnologiile de prelucrare

1/12

Hexapode i tehnologiile de prelucrare

Elemente introductiveMajoritatea mainilor unelte (ex. mainile de frezat, de gurit, strungurile, roboii industriali etc.) au oarhitectur serial sau structur cinematic de tip bucl deschis. Conform acesteia, fiecare ax estesuportul urmtoarei, incluznd acionrile i articulaiile (fig. 1). Aceste maini sunt concepute conformunui sistem de axe triortogonale, la care se pot aduga nc dou axe de rotaie pentru a extinde uurinaaplicrii sistemului de coordonate carteziene n controlul deplasrilor spaiale.Analiza cinematic a acestor sisteme seriale (cu axe nlnuite) este simpl. Acest sistem este dezavantajatde cumularea erorilor, deoarece erorile de poziionare pe o ax produc erori pe axele urmtoare, ceea ceamplific imprecizia fiecrei axe suportate. n plus, mainile convenionale au batiuri, crucioare etc. inecesit fundaii masive din beton din motive de stabilitate a structurii. Din acest motiv, rezult soluiivoluminoase, ce ocup suprafee mari i sunt dificil de transportat (fig. 1).Mainile unelte bazate pe structur cinematic paralele avansat, n bucl nchis, reprezint o noutehnologie ce prezint un interes deosebit. Au fost dezvoltate unele prototipuri, de ctre companii din

ntreaga lume, acestea dovedind fezabilitatea sistemelor cu cinematic paralel (SCP). Aceste sisteme sunt

compuse dintr-o platform mobil portscul conectat la o baz fix prin intermediul a N lanuri cinematiceindependente care permit astfel executarea unor micri cu N grade de libertate. Fiecare lan cinematiceste realizat din maxim dou segmente articulate ntre ele, avnd un grad de libertate. Micarea esterealizat cu ajtorul a N acionri, cte una pentru fiecare lan.Hexapodele i tripodele (fig. 2) reprezint cele mai cunoscute exemple de sisteme cu cinematic paralel.

Fig. 1 Fig. 2.

Evoluia sistemelor hexapodIstoria mecanismelor cu cinematic paralel ncepe n jurul anului 1800, cu studiile matematice ale luiCauchy legate de rigiditatea octaedrului articulat. Prima main de tip hexapod a fost realizat n 1949pentru grupul Dunlop i utilizat n testarea anvelopelor auto. Denumirea de hexapod a fost dat de D.Steward (1965) care descrie proprietile unei astfel de maini. Fig. 3 prezint un hexapod utilizat nchirurgia laser. Acest model este utilizat n prezent pentru simularea operaiilor n cursurile medicale.Platforma hexapod este de asemenea utilizat de simulatoarele de zbor utilizate n antrenamentul piloilor.Fig. 4 prezint nonapozi (hexapozi cu trei brae suplimentare ce conin senzori de poziie) utilizai noperaiile de precizie n medicin. n 1995, Institutul Fraunhausen din Stuttgart a dezvoltat un robotchirurgical hexapod.

n perioada 1970-1990 au fost diverse ncercri de a construi maini hexapod practice, ns costurileechipamentelor de comand erau extrem de mari. n unele cazuri n care costurile se justificau, cum ar fisimulatoarele de zbor, au fost dezvoltate cu succes o serie de sisteme hexapod.


2/12

Scderea continu a preului tehnicii de calcul a oferit posibilitatea realizrii de maini unelte de tiphexapod (Geodetic, 1997). n 2006, companiile Hitachi, Seiki i Toyota (Japonia) s -au alturatconstructorilor americani Gidding Lewis i Ingersoll i britanicilor de la Geodectic n dezvoltarea tehnologieihexapod.

Fig. 3. Fig. 4.

Maina de frezat Variax Hexacenter, realizat n 1994 pentru frezarea de mare vitez a aluminiului, a avutdesignul inspirat din construcia simultoarelor de zbor, avnd coloanele intersectate i axul principalorientat n jos dinspre platforma de sprijin ctre spaiul de lucru.

Construcia i caracteristicile mecanismului hexapodMecanismul hexapod const dintr-o platform superioar fix (baza) de form hexagonal i o platformmobil triunghiular conectate prin ase coloane (brae) telescopice sau cu filet (fig. 5).Plecnd din cele ase articulaii ale bazei, fiecare pereche de coloane se intersecteaz n cele trei noduri aleplatformei triunghiulare. Acionarea platformei se realizeaz prin modificarea coordonat a lungimilorcoloanelor (fig. 6):

1. Atunci cnd cele trei coloane se extind/restrng simultan cu aceeai vitez, platforma se deplaseazn sus/jos avnd poziie orizontal;

2. Cnd unele coloane se extind iar alte le se restrng astfel nct platforma se deplaseaz orizontal,atunci hexapodul este ntr-o micare de translaie (panoramare).

3. Atunci cnd coloanele i modific orientarea i alugirea astfel nct s se obin o anumit nclinare aplatformei, atunci hexapodul execut o micare de rotaie;

4. Atunci cnd toate coloanele au aceeai lungime i sunt rotite similar, astfel nct platforma se micorizontal atunci hexapodul are o micare de rsucire.

Fig. 5


3/12

Astfel prin micri axiale i de rotaie ale coloanelor, platforma mobil poate atinge orice punct din spaiulde lucru, iar hexapodul devine un mecanism universal de poziionare. Trebuie totui avute n vedere unelemsuri de prevenire a coliziunilor coloanelor ntre ele sau coloanelor cu platfoma.

Fig. 6.

Particularitile constructive ale hexapodelorHexapodele sunt disponibile n dou variante.

1. Hexapodele cu coloane telescopice (sistemul Ingersoll)n aceast variant, hexapodul este construit n baza a 6 coloane telescopice hidraulice. Seciuniletransversale ale coloanelor pot fi circulare sau ptrate, coloanele avnd libertate de micare ntre cele douplatforme. Platforma inferioar reprezint elementul de ieire, avd ase grade de libertate (GL) (fig. 7).Ambele capete ale coloanelor sunt conectate la platform respectiv baz prin articulaii universale (fig. 8).Un astfel de sistem a fost iniial utilizat n poziionarea simultoarelor de zbor.Prin combinarea unei structuri octaedrale (fig. 9) cu sisemul de poziionare hexapod, firma Ingersoll a creatcea mai rigid main unealt posibil. Rigiditatea are o influen deosebit asupra preciziei, calitiisuprafeei i durabilitii sculelor achietoare. Octaedrul (structura) este alctuit din 12 grinzi de lungimiegale, prinse n ase puncte (fig. 9). Aceast structur se autosusine i necesit o fundaie minim.

Mecanismul de ghidare a axului principal (hexapodul cu bra telescopic) este ataat n partea superioar aoctaedrului n vrfurile A, B i C. ingersoll a conceput dou variante de hexapode octaedrale: una cu axprincipal orizontal (HOH 600) i un cu ax vertical (VOH 1000) (fig. 10).

Fig. 7.


4/12

Fig. 8.

Fig. 9.Hexapod cu cadru rigid

Fig. 10.

2. Hexapodele cu coloane cu uruburi cu bile (sistemul Hexel i Geodetic)Companiile Hexel i Geodetic au simplificat concepia hexapodelor prin utilizarea unei sfere bifurcate ntreperechile de coloane care se ntlnesc pe platforma mobil. Aceast costrucie reduce numrul nodurilor la9 (ase pe baz i trei pe platforma mobil) ceea ce crete rigiditatea, simplific controlul i permiteautomatizarea calibrrii. Aceast concepie urmrete obinerea preciziei prin software, flexibilitateaaceasta conducnd la reducerea costurilor i a timpilor.Acest tip de hexapod este extrem de rigid i fiabil, deoarece nu necesti mecanisme telescopice. Esteechipat cu articulaii sferice universale (articulaii cardanice) de joas presiune care permit calibrarea

simpl i repetitiv oferind n acelai timp o amortizare foarte bun.Caracteristicile i principiul de lucru al acestui tip de hexapod sunt urmtoarele:


5/12


6/12

Fig. 12. Fig. 13.

Motoarele sferice (sferele de acionare)Sunt nite mecanisme speciale i reprezint baza oricrei structuri hexapod cu coloane tip urub cu bile.Aceste acionri sunt localizate pe platforma de baz i asigur poziionare i micarea precis a coloanelor.Motoarele sferice sunt nite bile fr miez care nglobeaz motoare de curent continuu, fr perii i frcarcas. Rotorul este fixat de un ax care se nvrte pe dou lagre de mare precizie (fig. 13). Aceast soluieconstructiv acioneaz uruburile cu bile prin interiorul servomotorului. Pentru meninerea preciziei iafiabilitii motorul este rcit cu ap.Un senzor de mare rezoluie ste montat n afara unitii furniznd controlerului informaii precise privindpoziia. Un termocuplu este integrat n n nfurrile motorului asigurnd informaiile necesarecompensrii deformaiilor termice. Toate piesele importante incluse n sfer sunt protejate de mediul

nconjurtor, iar sfera este fixat pe cupola construciei (pe baz).

Fig. 14.

Sfera (fig. 14a) este montat ntr-o carcas circular. n fig. 14b este prezentat sistemul hidrostatic ce

asigur o rigiditate foarte bun sistemului i un coeficient de frecare redus datorit ungerii. Carcasacircular menine sfera suspendat printr-un strat de de fluid de mare presiune, recirculat permanent. Seminimizeaz astfel contactul metal-metal i se asigur o amortizare excelent a ocurilor. Motoarele sferice


7/12

sunt capabile s acioneze coloanele cu viteze de peste 40m/min cu fore i acceleraii foarte mari. Toatecompoonentele sunt standardizate, ceea ce face ca ansamblul s fie simplu, cu costuri reduse i fiabil. Deasemenea, se pot crea variante ce rspund unor game largi de aplicaii.

Fig. 15. Fig. 16.

Sferele bifurcateAceast articulaie sferic permite legarea ntr-un punct a unei perechi de coloane la platforma inferioar(fig. 15). Soluia este format dintr-o sfer divizat, apelndu-se la diverse variante constructive (fig. 16):

Articulaie sferic bifurcat hidrostatic - este cea mai nou soluie, ce utilizeaz un concept similarmotoarelor sferice hidrostatice, eliminnd n acest mod jocurile. Se obine o micare lin, fr vibraiice conduce la obinerea unor suprafee cu precizie ridicat i de bun calitate (fig. 17).Articulaie sferic bifurcat magnetic - aceast concepie utilizeaz magnei puternici din pmnturirare care rein sfera bifurcat n soclul ei. Soluia aceasta permite reinerea sferei utiliznd mai puindin suprafaa acesteia (fig. 18). Soclul magnetic permite protejarea la suprasarcin prin dislocareaarticulaiei atunci cnd sarcina depete forma de meninere fr a deteriora componentele.

Articulaiile magnetice sunt utilizate n cazul aplicaiilor unde apar solicitri mici (maini pentrudecupare laser, maini de msurat n coordonate).

Fig. 17. Fig. 18.


8/12

Fig. 19. Fig. 20

Articulaii sferice mecanice - au fost dezvoltate pentru prelucrri uoare. Aceste articulaii suntalctuite din mai multe trepte, fiecare contribuind la libertatea de micare. Spre deosebire dearticulaiile magnetice, sfera este meninut n poziie de un inel de reinere (fig. 19) care are i rolde a mpiedica ptrunderea impuritilor din mediul de prelucrare. Un limitator asigur proteciaarticulaiei la suprasarcin.

Axele (arborii principali)Hexapodle sunt dotate cu arbori de amre vitez care sigur transmiterea unei puteri mari printr-oconstrucie compact. Cea mai utilizat soluie este forma conic a arborilor, asigurnd astfel o interferenredus cu spaiul de lucru (fig. 20). Mainile produse de Geodetics sunt dotate cu motoare de puteri nre 3i 20KW i turaii de 20000rpm. Pentru aplicaii speciale exist variante de acionare pneumatic. Sistemuleste dotat cu mecanisme de schimbare automat a sculei achietoare.Datorit vitezelor mari de operare, arborii hexapodelor sunt montai pe rulmeni ceramici de precizie. Sepot utiliza scule cu diameter de pn la 20mm i lungimi de 500mm. Vitezele ridicate de achiere conduc lao productivitate ridicat, uzur sczut a sculei, precizie mai mare a prelucrrii i calitate mai bun asuprafeei.Hexapodele sunt utilzate pentru operaii de frezare, gurire, gravare etc.

Capul articulatCapetele articulate au o dexteritate comparabil cu a minii umane (fig. 2 1a). Capul n dou axe

ncorporeaz un ax de mare vitez cu mecanisem ce i confer dou grade de libertate: o treapt pentrurotire i una pentru nclinare. Aceast costrucie are o articulare similar minii umane, permindprelucrarea unor suprafee complexe i prelucrarea pe dedesubt.Capul articulat se poate nclina cu mai mult de 90grd i roti cu 540grd (fig. 22). Datorit separrii ntrecentrul platformei i axa suplimentar de pivotare, mecanismul se configureaz singur astfel nct s setorsioneze n jurul obstacolelor din spaiul de lucru. Un motor de putere asigur poziionarea precis.


9/12

Fig. 21. Fig. 22

Platforma superioarHexapodele trebuie montate pe o platform de baz rigid, care s nu prezinte deformaii semnificative nsarcin. n fig. 23 este prezentat soluia utilizat de Geodetic. Domul este cea mai convenabil configuraiepentru a obine cea mai bun acoperire unghiular meninnd rigiditatea maxim.

Sistemul de comand i controlCa main unealt, hexapodul necesit un sistem de comand mai complicat dect mainile convenionale.Este nevoie de o relaie continu i exact ntre micrile coloanelor pentru a controla deplasareaplatformei triunghiulare. Traiectoria sculei achietoare este controlat prin programe CAD/CAM, n bazacoordonatelor carteziene x, y, z i a vectorilor de orientare A, B i C ai celor ase coloane. Coordonatele x, y,z, A, B, C ale fiecrei coloane sunt calculate de controler online, fiind necesare cteva milisecunde pentrucalcul. Pe lng geometria conturului, calculul micrilor sculei necesit date suplimentare precum vitezade deplasare pe contur i acceleraia. Calculele sunt apoi analizate i testate pentru a se verifica ncadrarea

n limitele mainii astfel nct s se previn deteriorarea sculei. Hexapodul are posibiliti de micareextinse care pot conduce la coliziuni ntre elementele sale. Coloanele se pot atinge sau intersecta.Asemenea evenimente trebuie cunoscute i prevenite de sistemul de comand.Contururile trebuie corectate de sistemul de comand prin luarea n consideraie a diametrului sculei ilungimii acesteia l operarea n timp real. Programul de comand trebuie s fie compensat pentru erorile

inerente ale componentelor mainii. Vibraiile, erorile de poziionare a articulaiilor i nodurilor, datoritcalculelor incorecte, trebuie de asemenea compensate de sistemul de comand. Cldura degajat datoritfrecrilor i micrii conduce la dilatri complexe ce trebuie compensate i corectate. Siemens a conceputun sistem CNC performant, Sinumerik 840D, care permite integrarea diverselor surse de erori fiind utilizatde companiile Geodetic i Ingersoll (fig. 24).


10/12

Fig. 23. Fig. 24.

Caracteristicile sistemelor hexapodHexapodele reprezint o tehnologie avansat care face legtura ntre roboi i mainile unelte. Avantajelehexapodelor sunt numeroase, cele mai importante fiind:

Operarea cu 6 grade de libertate (GL).Hexapodele, datorit celor 6 coloane (brae), ofer platformeiport-scul o mobilitate cu 6GL. Pe lng translaiile pe cele trei axe ale sistemului cartezian,platforma are i posibilitatea executrii unor micri de rotaie. Acest avantaj permite axului port-scul s ating unghiuri neobinuite i s prelucreze piese cu configuraii geometrice complicate(palete de turbine, matrie de injecie, matrie de deformare plastic sau alte piese cu geometrice de

are precizie).Flexibilitatea i agilitatea. Hexapodele au un comportament conform scenariilor de fabricaieflexibil (agil). Flexibilitatea reprezint capacitatea de a reaciona la schimbri planificate iaragilitatea este abilitatea de reacie la modificri neplanificate. Datorit simplitii mecanice i aindependenei de o fundaie, utilizatorul are posibilitatea de a face reconfigurri ale liniei deproducie, cu posibilitatea dezasamblrii uoare i depozitrii atunci cnd maina nu este necesar.

3. Productivitatea. Hexapodele au o productivitate ridicat dat de:o Proiectarea mainii pentru lucrul deasupra mesei;o Capacitatea de prelucrare continu prin adaptarea unui sistem d opalete ce pot aproviziona

automat cu piese;o Utilzarea unui sistem automat rapid de schimbare a sculei;o

Reducerea masei pieselor n micare pentru atingerea unor accelerri/decelerri foarte rapide(0.51G). Multe maini hexapod au viteze de avans de 30m/min pstrnd o precizie ridicat;o Utilizarea unor arbori de mare putere/precizie.

4. Rigiditatea. Hexapodele sunt caracterizate de o construcie rigid a cadrului, care nu prezintdeformaii semnificative sub sarcinile de prelucrare. O proiectare optim a mainii trebuie s verificetendina la flambaj a coloanelor. Sarcina critic la flambaj este proporional cu puterea a pa tra adiametrului coloanei i invers proporional cu ptratul lungimii. Ca urmare, un diametru mic estesuficient pentru a obine o structur rigid. Datorit rigiditii mari a elementelor hexapodului,rezult frecvene de rezonan foarte mari care n consecin permit viteze mari de achiere ntimpul prelucrrii. Rigiditatea hexapodului octaedral Ingersoll este de 3 pn la 4 ori mai mare decta unei maini convenionale n cinci axe.

5. Precizia. Precizia hexapodelor este msurat volumetric. Toate sarcinile care apar sunt transmise catraciuni sau compresiuni i lipsa forelor de ncovoiere conduce la creterea preciziei mainii.Hexapodele sunt mai uoare dect mainile convenionale i deoarece frecarea la alunecare poate fieliminat, patinarea la inversarea axelor este mult mai mic, rezultnd suprafee mai precise.


11/12

6. Instalarea simpl. Prin concentrarea tuturor forelor din procesul de prelcurare n cadul (structura)hexapodului, apare un avantaj foarte mare: lipsa necesitii unei fundaii solide.

7. Simplitatea. Un alt avantaj al hexapodelor este dat de simplitatea constructiv i uurina fabricrii.Numrul pieselor unui hexapod este de aproximativ 300, cu mult mai puine fa de cele aprox. 1000

n cazul mainilor clasice. O alt caracteristic important este faptul c multe sunt duplicate.Asamblarea este foarte uoar i rapid.

8.

Portabilitatea.9. Raport mare sarcin/greutate. Hexapodele au o sarcin nominal (raportul putere/greutate) foartemare. Fora de achiere este distribuit aproximativ egalctre toate coloanele, acestea fiind supuseunor sarcini de traciune/compresiune nu mai exist necesitatea utilizrii de piese masive ca n cazulmainilor convenionale.

10.Scalabilitatea. Hexapodele sunt scalabile, putnd fi adaptate unei game largi de aplicaii plecnd dela microasamblri i chirurgie pzn la frezri, guriri, strunjiri etc. Variantele constructive pot plecade la modele de mas pentru industria semiconductorilor pn la uniti masive.

11.Dexteritatea. Hexapodele au un volum de lucru complex rezultat din variaia lungimii coloanelorcombinat cu gradele de libertate ale micrii unghiulare. Dexteritatea poate fi extins prin utilizareacapetelor articulate.

12.Sistemul de comand. O etap important n realizarea hexapodelor o constituie dezvoltarea unuisistem de computerizat de comand i control i a unui program capabil s proceseze calculelecomplexe necesare comandrii coloanelor. Puterea de calcul a procesorului trebuie s fie destul demare. n plus, softwareul trebuie s poat compensadatele legate de decalaje, deformaii termiceetc.

13.Costul. Este de ateptat ca odat cu creterea produciei de hexapode, preul s scad foarte mult.Preul redus este dat de numrul mai mic de componente, costurile mai mici de asamblare etc.Costurile de ntreinere sunt inferioare mainilor tradiionale iar nlocuirea pieselor uzate este multmai uoar. Consumul energetic este mai mic i pot fi adaptate pentru utilizarea n SFF.

Cu toate acestea, fiind un concept relativ nou, hexpodele se confrunt cu unele probleme care necesitstudiul n continuare:

1. Frecarea - reprezint o problem crucial. Datorit coeficienilor de frecare mari (0.8) precizia irepetabilitatea sunt afectate negativ. Utilizarea rulmenilor ceramici i a lubrifianilor specialicontribuie la reducerea semnificativ a frecrii.

2. Lungimea coloanelor - precizia hexapodelor este invers proporional cu lungimea coloanelordatorit posibilitii de flambare.

3. Deformaiile termice - acestea apar datorit micrilor rapide ale coloanelor ct i a vitezelor mair aleaxului principal (2000030000 rpm). Soluiile acestei probleme pot fi obinute prin monitorizarea ntimp real a coloanelor, utilizarea unor programe FEM care s activeze rutine de compensareautomat etc.

4. Calibrarea - precizia hexapodului depinde nu doar de controlul precis al lungimii coloanelor ci i decunoaterea caracteristicilor geometrice ale acestuia. Conform fabricanilor exist muli factori careintervin n precizia final a hexapodului. Din acest motiv este necesar o calibrarea mainii.

Aplicaii ale hexapodelorPrelucrri prin achiere - sunt cele mai potivite aplicaii ce beneficiaz din plin de caracteristicilehexapodelor. Acestea ofer dexteritate, rigiditate i precizie comparabile cu ale mainilorconvenionale n 5 axe. Aplicaiile pot fi: prelucrarea matrielor (pentru deformare plastic saupentru injecie), prelucrarea elicelor, frezri, guriri etc. (fig. 25).Asamblri de precizie - hexapodele pot fi utilizate pentru operaii de sudur n liniile automate deasamblare i producie aeronautic (fig. 26).Maini de msurat n coordonate (fig. 27).Posturi de vopsire a caroseriilor (fig. 28).Industria electronic (fig. 29).Robotic.


12/12

Fig. 25. Fig. 26.

Fig. 27. Fig. 28

fig. 29

02 Hexapode şi tehnologiile de prelucrare

Documents

Transcript of 02 Hexapode şi tehnologiile de prelucrare