Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Komponenty pro paralelní kinematické struktury
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Komponenty pro paralelní kinematické struktury

Již u prvních konstrukcí strojů s paralelní kinematikou se objevily především problémy konstrukční a to v nedostatku komponentů, které by umožňovaly realizovat požadavky kladené na tyto struktury. Vývoj nových komponentů v devadesátých letech minulého století umožnil prudký rozvoj těchto strojů a jejich realizaci v nejrůznějších variantách pro celou řadu oborů použití. V současné době je především kladem důraz na aplikaci několikaletého vývoje a výzkumu kinematických paralelních struktur v průmyslu.

První konstrukční řešení stroje s paralelní kinematickou strukturou se objevilo před více než padesáti lety. Základem pro tyto stroje je Stewartova plošina publikovaná v roce 1965 D. Stewartem. Jde o upořádání šesti délkově proměnných tyčí spojujících nepohyblivý rám stroje pomocí kardanových nebo kulových kloubů s pohyblivou plošinou. Snaha o snížení pohyblivých hmot a nasazení vysoce dynamických pohonů se stala cílem u nových strojů s paralelní kinematikou (PKM - Parallel Kinematic Machines). V letech 1970 - 1989 bylo neúspěšně vyrobeno několik modelů s touto strukturou, které narážely na technické obtíže. Tyto kinematické struktury se začaly poprvé používat u strojů obráběcích laserovým paprskem. Pro konstrukční řešení takových strojů však musela být vyvinuta také řada nových konstrukčních prvků.

Výhody a nevýhody

Aplikace těchto strojů je nejefektivnější při vysokorychlostním frézování zápustek a forem. Ve srovnání s konvenčními stroji nalézáme několik výhod. V první řadě je to skutečnost, že aktivní tyče zakončené kulovými nebo kardanovými klouby vylučují ohybové nebo torzní účinky, a přenášejí tak jen tahové a tlakové síly, což dovoluje velmi tuhou konstrukci stroje a vede ke značnému snížení celkové hmotnosti stroje, zejména pak pohyblivých hmot. Na druhé straně je však nutno počítat s náročným řízením polohy, protože realizace i nejjednodušších pohybů vyžaduje změnu polohy všech aktivních tyčí. Každá poloha, které má být dosaženo, je přepočítávána na délkovou změnu tyčí prostorovou transformací souřadnic, jež vypočítává délku každé tyče pro bod daný v kartézských souřadnicích. K tomu všemu je zapotřebí aplikace velmi dokonalého a pokročilého řídicího systému. Také tření v kuličkových šroubech, které se u tyčí často používají, vede k jejich zahřívání a následně k tepelným dilatacím. Značným problémem, především konstrukčním u těchto struktur, jsou geometricky omezené úhlové rozsahy kloubů, které ovlivňují i výsledné chování strojů. Je zapotřebí vyvinout takové komponenty pro stavbu těchto strojů, aby bylo možné maximálně využít kinematických vlastností geometrického modelu, a tím zvýšit poměr mezi velikostí pracovního prostoru a celkovým objemem stroje, který je u paralelních kinematických struktur nevýhodný ve srovnání s konvenčními obráběcími stroji.

Komponenty pro stavbu kinematických struktur

Jako první se firma INA začala zabývat vývojem komponentů pro paralelní kinematické struktury. Podílela se na řadě realizací takovýchto strojů jak ve spolupráci s univerzitami a výzkumnými ústavy, tak i s průmyslovými podniky. Stroje, jako Hexact, Ulyses, Paralix a jiné, byly právě konstruovány s použitím jejich součástí. Svým zákazníkům dnes nabízejí kulové i kardanové klouby a také teleskopické tyče ve dvou rozměrových řadách.
Klouby a tyče jsou jedním z nejdůležitějších komponentů při konstrukci paralelních kinematických struktur. Jsou rozhodujícími elementy, které se podílejí nejvýrazněji na přesnosti stroje. Klouby nejsou zcela novou záležitostí, byly již běžně používány také v automobilovém a zemědělském průmyslu, avšak požadavky kladené na jejich použití při stavbě těchto strojů jsou dosti odlišné od již používaných aplikací. Jsou to především vysoká tuhost, vysoká statická únosnost, nízká hmotnost, vysoká přesnost, malé opotřebení, dlouhá životnost a v neposlední řadě již zmiňované dostatečně velké úhlové rozsahy.
Pro konstrukci paralelních kinematických struktur je zapotřebí kloubů se dvěma i třemi stupni volnosti. Specifické požadavky na různé aplikace hexapodů vedly k vývoji různých typů. U aplikací pro frézování je zapotřebí dosáhnout maximální tuhosti a přesnosti kloubů, u manipulačních zařízení je zase třeba velkých úhlových rozsahů k získání velkého pracovního prostoru a důležitá je i nízká hmotnost kloubů kvůli možnému velmi rychlému polohování. Všechny požadavky vedly k vývoji tří druhů kloubů.

Kulové klouby se třemi stupni volnosti

Kontakt kuliček v kulovém kloubu představuje v podstatě valivé vedení na kulové ploše. Velký počet malých kuliček, které jsou použity jako valivá tělíska, způsobuje nízké hodnoty Hertzova tlaku mezi vnějším pouzdrem kloubu a kuličkami a také mezi kuličkami a spodní kulovou plochou. Avšak tyto příznivé podmínky mohou být dosaženy jen při velmi vysoké geometrické přesnosti kontaktních kulových ploch. Vysoká únosnost a tuhost těchto kloubů ukazuje jednoznačně pro jejich použití u frézovacích strojů. I přes pouze bodový kontakt je dosahována vysoká tuhost nižším předpětím díky příznivému rozložení zatížení. Tyto klouby nabízejí nejvyšší hodnoty tuhosti a únosnosti. Dokonalé těsnění kloubu je nezbytné k jeho dlouhodobé činnosti.

Univerzální klouby se dvěma nebo třemi stupni volnosti

Univerzální kloub je vhodný pro aplikace u manipulačních zařízení. Jeho nízká hmotnost a velké geometrické rozsahy umožňují konstruovat struktury vystavené vysokým zrychlením a rychlostem ve velkých pracovních prostorech. K udržení tuhosti v příslušném úhlovém rozsahu kloubu je limitována koncová poloha kloubu v druhé ose otáčení. Diagram na obrázku ukazuje přípustné úhlové polohy jednotlivých os v závislosti na sobě. Malá opěrná plocha valivých tělísek a použití jehlových ložisek způsobují značné snížení tuhosti v porovnání s kulovými klouby.

Kardanové klouby

Kardanové klouby jsou obvykle používány k přenosu krouticích momentů a spojení hřídelí s osovou výchylkou. U paralelních struktur musí být tahové a tlakové síly zachycovány právě klouby, u nichž je třeba zajistit vysokou tuhost. Pro tento účel byl náboj kloubu optimalizován metodou konečných prvků pro tahové a tlakové zatížení. Použitá ložiska jsou radiálně-axiální jehlová ložiska. Tato ložiska poskytují nejvyšší dosahované tuhosti, mají dokonalé těsnění a jsou dnes standardním prvkem na trhu s valivými ložisky. Kardanové klouby vyplňují mezeru mezi kulovými klouby na straně jedné a univerzálními klouby na druhé. Při vysoké tuhosti dovolují klouby velké úhlové rozsahy. Opět zde však platí diagram omezení úhlových rozsahů zobrazený u univerzálních kloubů. Kardanové klouby jsou vhodné pro použití u velkých pracovních prostorů a požadavcích vyšší tuhosti.
Uvedené klouby pracují v prostředí od -30 do 120 °C a jsou mazány speciálními tuky, kterými jsou naplněny již od výrobce. Po přibližně dvou letech užívání je doporučeno opět klouby namazat.
Druhou firmou, nabízející klouby pro stavbu paralelních kinematických struktur, je firma SKF, která v minulém roce v Hannoveru na veletrhu EMO 2001 představila kulové klouby. Jejich úhlové rozsahy, tuhosti v tlaku i tahu a hmotnosti jsou uvedeny v tab. 2.

Nabízená konstrukční řešení tyčí paralelních kinematických struktur

Obě z uvedených firem nabízí současně i konstrukční řešení tyčí. Firma INA prezentovala první tyče již na výstavě EMO Hannover v roce 1997. Nejprve byly tyče vyvinuty pro projekty, na nichž firma spolupracovala. Později začala komerčně nabízet teleskopické tyče ve dvou rozměrových řadách. Princip tyče je podobný hydraulickému válci. Vnitřní tubus se posouvá ve vnějším pomocí předepnutého valivého uložení vyvinutým firmou INA a označovaným KUVS. V závislosti na požadované tuhosti je pohon tubusu řešen kuličkovým nebo planetovým šroubem. Šroub je jednostranně uložen v ložisku série DKLFA. Maximální otáčky šroubu jsou 2000 min-1, stoupání šroubu do 20 mm a posuvová rychlost 0,8 m.s-1. Namáhání plošiny je přenášeno na tahové a tlakové zatížení kloubů. Příčná síla ve valivém vedení se objevuje jen při zrychlování teleskopu. Rozhodujícím faktorem tuhosti tyče je její zdvih. Ten je u těchto tyčí minimálně 400 mm a maximálně 900 mm. Vnější průměr vnitřního tubusu je 50 mm nebo 70 mm. Těmto rozměrům také odpovídají připojovací rozměry jednotlivých kloubů.
Tyče dodávané firmou SKF jsou řešeny planetovým šroubem, umožňují zdvih od 300 do 900 mm a dovolují tahové či tlakové zatížení až do 48 000 N. Firma je dodává celkem v devíti rozměrových řadách v závislosti na velikosti šroubu.

Průvlekové motory

Jako zcela nový komponent vhodný k použití při stavbě kinematických struktur se objevil tzv. průvlekový motor. U klasického spojení kuličkového šroubu přes převod se servopohonem jsou provozní otáčky šroubu často v blízkosti oblasti kritických otáček. Vyšší dosažitelné zrychlení, posuvovou rychlost i přesnost polohování lze dosáhnout právě použitím průvlekových motorů, kde je rotující matice přímo spojena s dutou kotvou motoru. K přenosu krouticího motoru není třeba již dalších převodů. Tímto řešením také získáme menší zástavbový prostor. Firma Star uvádí dosažitelnou posuvovou rychlost až 120 m.min-1 a zrychlení 2 g. Firma INA společně s firmou Heckert vyvinuly posuvovou jednotku určenou především pro pohon strojů s paralelní kinematikou. Jádrem jednotky je dutá hřídel, která je uložena v pevném a volném ložisku. Pevné ložisko (radiálně-axiální) zároveň ukládá matici kuličkového šroubu na kotvě a současně ustavuje kotvu ve statoru pohonu. Tím je zajištěn velmi přesný chod a minimální zástavbové prostory. Jednotka je vybavena rotačním odměřováním.

Závěrem

Již u prvních konstrukcí strojů s paralelní kinematikou se objevily především problémy konstrukční, a to v nedostatku komponentů, které by umožňovaly realizovat požadavky kladené na tyto struktury. Vývoj nových komponentů v devadesátých letech minulého století umožnil prudký rozvoj těchto strojů a jejich realizaci v nejrůznějších variantách pro celou řadu oborů použití. V současné době je především kladen důraz na aplikaci několikaletého vývoje a výzkumu kinematických paralelních struktur v průmyslu. Doposud realizované aplikace těchto struktur v průmyslu ukazují jejich nejvhodnější použití zejména u vysokorychlostního frézování a jiných nekonvenčních způsobů obrábění. V neposlední řadě nacházejí paralelní kinematické struktury významné uplatnění v polohovací a manipulační technice.
Tyto poznatky byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje LN00B128.
Na závěr je připojena pro zájemce a příznivce pozvánka na mezinárodní seminář o paralelních kinematických strukturách, který se koná 23. - 25. dubna 2002 na IWU v Chemnitzu.

Další články

Obráběcí stroje a technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: