titulnyParalelné kinematické štruktúry sú zložité mechatronické sústavy slúžiace na polohovanie a orientáciu manipulačných a technologických efektorov. Ich vývoj súvisí s nástupom nových progresívnych technológií, hlavne vysokorýchlostného obrábania a vysokorýchlostnej manipulácie. Článok stručne opisuje aktuálny stav v oblasti vývoja mechanizmov s paralelnou kinematickou štruktúrou prebiehajúceho v posledných rokoch na Katedre automatizácie a výrobných systémov Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity v Žiline.


Hexapod je mechanizmus s takzvanou paralelnou kinematickou štruktúrou (PKŠ), v ktorom šesť paralelne usporiadaných ramien s premenlivou dĺžkou spája pevnú bázu s pohyblivou platformou. Všetky spojenia medzi ramenami a platformou sú realizované pomocou sférických kĺbov a spojenie medzi ramenami a bázou je realizované pomocou kardanových kĺbov. Vďaka tomuto usporiadaniu má platforma šesť stupňov voľnosti, čo jej umožňuje polohovanie v troch na seba kolmých osiach a rotáciu okolo týchto osí. Výsledný pohyb platformy vzniká súčasnou zmenou dĺžky všetkých ramien. Z toho vyplýva, že pohyb jedného ramena ovplyvňuje priestorovú a uhlovú polohu platformy vo všetkých osiach. Toto správanie je typické pre všetky paralelné kinematiky. Všeobecný stroj s paralelnou kinematickou štruktúrou je teda charakterizovaný ako nelineárny priestorový systém nerešpektujúci princíp superpozície čiastkových pohybov.
Veľké množstvo rôznych variantov konštrukcií ponúka široké možnosti uplatnenia paralelných kinematických štruktúr v praxi. S paralelnými kinematickými štruktúrami sa v oblasti výrobnej techniky môžeme stretnúť pri obrábacích, tvárniacich a meracích strojoch, ale aj pri priemyslových robotoch a manipulátoroch a v ďalších polohovacích zariadeniach.
Medzi hlavné výhody paralelných kinematických štruktúr patria nízke hmotnosti pohybujúcich sa častí, vysoká pracovná rýchlosť a zrýchlenie, rám a všetky časti stroja sú obyčajne len minimálne namáhané ohybovými momentmi. Väčšina použitých komponentov má vysokú opakovateľnosť v rámci stroja, použitie normalizovaných súčiastok a vysokú presnosť.

obr1
Prvý funkčný prototyp Hexapodu vyvinutý na KAVS, SjF, UNIZA v rokoch 2005 – 2008.

 

Vývoj prvého prototypu mechanizmu hexapod na KAVS
Počiatočný impulz venovať sa tejto oblasti na našej katedre vznikol v roku 2002 počas študijného pobytu našich študentov na TU Chemnitz v Nemecku, spojeného s účasťou na konferencii venovanej paralelným kinematickým štruktúram, ktorá bola organizovaná Fraunhoferovým inštitútom IWU Chemnitz. Práve táto konferencia ovplyvnila aj naše ďalšie smerovanie a orientáciu ďalšieho výskumu, čo vyústilo do vývoja a realizácie prvého prototypu mechanizmu s PKŠ typu hexapod v našom regióne. V rámci riešenia tohto projektu bol v období rokov 2005 až 2008 vyvinutý a postavený prototyp stroja na overenie funkčnosti jeho jednotlivých častí vrátane vlastného riadiaceho systému a simulačného softvéru.

Vývoj prototypu výrobného stroja s PKŠ
Ďalším logickým vývojovým krokom bolo rozhodnutie vyvinúť a následne postaviť prototyp stroja s parametrami umožňujúcimi aj jeho reálne nasadenie v praxi. Aby bolo možné tento zámer aj zrealizovať, bolo nevyhnutné získať adekvátne finančné prostriedky. To sa podarilo v roku 2009, keď sme uspeli s projektom financovaným zo štrukturálnych fondov.
Vývoj prototypu výrobného stroja s paralelnou kinematickou štruktúrou typu hexapodu bol rozdelený do nasledujúcich etáp riešenia: kinematická analýza hexapodickej štruktúry, koncepčný a konštrukčný návrh celého zariadenia s jeho jednotlivými subsystémami (napr. automatická výmena nástrojov a obrobkov, bezpečnostných prvkov a podobne), návrh algoritmov a vývoj vlastného softvéru pre počítačovú simuláciu a riadenie, návrh subsystému pohonov a snímačov paralelnej kinematickej štruktúry. Ďalším krokom bol vývoj vhodného riadiaceho systému, jeho koncepcie a štruktúry, prepojenie s nadradeným riadiacim systémom, výber vhodného hardvérového vybavenia.
Po návrhovej fáze nasledovala samotná stavba prototypu a prvotné testovanie funkčnosti všetkých systémov. Ďalším plánovaným krokom je uskutočniť podrobnejšie štúdium jednotlivých prevádzkových vlastností a charakteristík prototypu, ako napríklad presné určenie jeho pracovného priestoru, overenie presnosti polohovania a tuhosti mechanizmu v jednotlivých bodoch pracovného priestoru a podobne.

obr2
Počítačový model výrobného stroja s hexapodickou kinematickou štruktúrou vyvinutý na KAVS, SjF, UNIZA v rokoch 2009 – 2013.

 

Záver
Vývoj paralelných kinematických štruktúr je aj v súčasnosti aktuálnou témou. Hoci sa v posledných rokoch v tejto oblasti významne pokročilo, ešte stále nie sú doriešené niektoré otázky týkajúce sa trenia v kĺboch, zmien vlastností mechanizmu v jednotlivých bodoch pracovného priestoru, výskyt singulárnych polôh a konfigurácií, kalibrácia a ďalšie. Často sú používané v konštrukcii obrábacích strojov a robotov, kde nájdu uplatnenie ich výhodné vlastnosti, predovšetkým vysoká dynamika pohybu, vyššia tuhosť a presnosť pohybu.
Na Katedre automatizácie a výrobných systémov bolo v posledných rokoch vytvorených niekoľko konštrukčných riešení mechanizmov s paralelnou a hybridnou kinematickou štruktúrou, niekoľko návrhov riadiacich systémov a simulačných softvérov vhodných pre simuláciu a riadenie týchto zariadení. Medzi najdôležitejšie projekty riešené na pracovisku autorov môžeme zaradiť vývoj prvého prototypu mechanizmu hexapod, ako aj prvého prototypu výrobného stroja s touto kinematikou. Ďalej boli vypracované možnosti nasadenia mechanizmov s PKŠ, prípadne HKŠ na rôzne technológie, od klasických trieskových metód obrábania až po rôzne nekonvenčné technológie. Veľký význam majú aj vyvinuté riadiace systémy na báze mikropočítačov a taktiež vytvorené simulačné softvéry, ktoré nám umožňujú overiť činnosť týchto zložitých mechatronických zariadení. Po ukončení testov jednotlivých zariadení bude možné nájsť ich vhodné uplatnenie v praxi.

TEXT/FOTO: doc. Ing. Juraj Uríček, PhD., Ing. Vladimír Bulej, PhD., doc. Ing. Viera Poppeová, PhD., Katedra automatizácie a výrobných systémov, Strojnícka fakulta, Žilinská univerzita v Žiline

Poďakovanie
Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku / Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ. Tento článok bol vypracovaný v rámci riešenia projektu „Vývoj prototypov paralelných kinematických štruktúr pre aplikácie v oblasti výrobných strojov a robotov“, ITMS 26220220046.

Použitá literatúra:
[ 1 ] Weck, M., Staimer, D. 2002. Parallel Kinematic Machine Tools – Current State and Future Potentials. In Annals of the CIRP. ISSN 0007-8506, 2002, vol. 51, issue 2, p. 671 – 683.
[2] Uríček, J. et al. 2008. The Development of Trivariant Simulation Software. In Scientific Reports – Journal of the University of Applied Sciences Mittweida: Industriele Steurerungen/Robotik. ISSN 1437-7624, 2008, no. 6, p. 61 – 64.
[3] Poppeová, V. et al. 2008. Solution Results of DAAD PPP Project „Inverse Kinematic Analyse, Computer Simulation and Control of Hexapod Kinematic Structure“. In Scientific Reports – Journal of the University of Applied Sciences Mittweida: Industriele Steurerungen/Robotik. ISSN 1437-7624, 2008, no. 6, p. 57 – 60.
[4] Knoflíček, R., Plšek, L. 2006. Paralelní kinematické struktury výrobních strojů a průmyslových robotů. Prednáškové materially S/Erasmus, Brno: VUT Brno.
[5] Bulej, V. a kol. 2009. The Development of Mechanism with Hybrid Kinematic Structure. In Automation in Production Planning and Manufacturing. Žilina. 2009. ISBN 978-80-554-0008-2, p. 9 – 14.