манипулятор

Формула изобретения

МАНИПУЛЯТОР, содержащий основание и выходное звено, связанные между собой жесткими тягами постоянной длины, причем один конец каждой тяги шарнирно связан с выходным звеном, а другой - с подвижной опорой, установленной на основании с возможностью перемещения по нему, причем число подвижных опор не менее трех, а с одним шарниром связано не более двух тяг, отличающийся тем, что подвижная опора выполнена из магнитомягкого материала, а основание выполнено в виде двухкоординатного электромагнитного стола.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к исполнительным устройствам на основе l-координат, предназначенных для работы в экологически чистых средах.

Известно исполнительное устройство, содержащее координатный стол, выполненный из верхней и нижней плит, перемещающихся на пружинах, направляемых биморфными пьезокерамическими пластинами.

Недостатком аналога являются малые кинематические возможности и сложность конструкции. При этом перемещение стола осуществляется только по трем направлениям.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является l-координатное исполнительное устройство, содержащее основание, выходное звено и тяги с приводами для регулирования расстояний между парами заданных точек, одна из которых принадлежит основанию, а другая - выходному звену.

Недостатком прототипа являются малые кинематические возможности и сложность конструкции, так как не представляется возможность перемещать выходное звено на значительное расстояние относительно исходного положения, а наличие тяг с приводами усложняет конструкцию.

В основу изобретения положена задача повышения кинематических возможностей при упрощении конструкции.

Это решается тем, что тяги выполнены жесткими, постоянной длины, один конец тяги шарнирно связан с выходным звеном, другой - с подвижной опорой, выполненной из магнитомягкого материала и установленной на основании с возможностью перемещения по поверхности основания, которое выполнено в виде двухкоординатного электромагнитного стола, число подвижных опор не менее трех, а с одним шарниром связано не более двух тяг.

Введение в l-координатное исполнительное устройство жестких тяг и подвижных опор, установленных на основании с возможностью перемещения, а также выполнение основания в виде двухкоординатного электромагнитного стола придают устройству новые свойства - возможность перемещения вдоль поверхности двухкоординатного электромагнитного стола любой формы и расположения, возможность поворота вдоль оси, нормальной к поверхности стола на любой угол, а также возможность ориентации выходного звена только за счет соответствующего расположения подвижных опор на основании, что и позволяет повысить кинематические возможности при упрощении конструкции механизма.

На фиг.1 показана схема l-координатного исполнительного устройства; на фиг. 2 - система управления перемещением подвижной опоры с обратной связью; на фиг. 3 - функциональная схема двигателя с обратной связью; на фиг.4 - схема оптимального устройства перемещения (УП) с блоком управления (БУ) в системе с обратной связью; на фиг.5 - развернутая функциональная схема оптимального устройства перемещения (УП) одной подвижной опоры; S_o - требуемое конечное значение перемещения подвижной опоры; - блок дифференцирования регулируемой величины (t); Х - блок перемещения электрических сигналов (t) и х(t); МУ - блок моделирующего устройства.

L - координатное исполнительное устройство (фиг.1) содержит основание 1, выполненное в виде двухкоординатного электромагнитного стола, выходного звена 2, жесткие тяги 3, одни концы которых связаны с выходным звеном шарнирами 4, а другие шарнирами 5 - с подвижными опорами из магнитомягкого материала. Подвижные опоры 6 установлены на основании с возможностью перемещения по поверхности основания, число опор не менее трех. Основание соединено с блоками питания и управления (фиг.2-5). В качестве опоры, связанной с тягой 3 посредством шарнира 5, используется плоская стопа, выполненная из магнитомягкого материала, например армко-железа. С одним шарниром 5 связано не более двух тяг 3.

L-координатное исполнительное устройство работает следующим образом.

При включении блока питания на основание подается напряжение, величина и место приложения которого регулируется посредством блока управления, как это имеет место в стандартных планарных электродвигателях. Опоры получают возможность перемещения по поверхности основания, что приводит к изменению положения подвижных опор друг относительно друга и относительно основания. Это в свою очередь приводит к изменению положения в пространстве жестких тяг 3, а следовательно, и выходного звена 2. При этом выходное звено 2 имеет шесть степеней подвижности, как и в обычных l-координатах, однако перемещение механизма вдоль поверхности основания может быть ограничено только размерами самого основания, а вращение вокруг оси, нормальной к поверхности основания, на любой угол и не ограничено геометрическими размерами длин тяг 3. Перемещение каждой из трех опор, расположенных на основании, осуществляется блоком управления, как в планарных двигателях.

Парное сочетание двух линейных электромагнитных приводов (ЭПМ) образует модуль (Х, Y-ЩД). Двухкоординатный привод (Х, Y-привод), созданный на базе (Х, Y-ЩД, обеспечивает две степени подвижности в декартовой плоскости. Наиболее перспективен ЭМП индукторного типа с возбуждением от постоянных магнитов, как более универсальный по применению и имеющий наилучшие показатели по динамической добротности и габаритами.

Плоские модули Х,Y-ЩД магнитоэлектрического индукторного типа приспособлены для работы с максимально мелкой нарезкой зубцовых делений для обеспечения высокой точности перемещения.

При этом решена основная технологическая проблема получения микропазов и рабочих поверхностей с требуемой конфигурацией и точностью:

отношение глубины паза к половине периода зубцовой структуры 0,8-1,1 (период 0,48, 0,64 мм);

трапецеидальный профиль паза с углом не более 7^o;

накопленная погрешность изготовления пазов по шагу на рабочем поле индуктора и якоря (600х600 мм) не более 10 мкм;

неплоскостность рабочих поверхностей индуктора и якоря не хуже 5 мкм для обеспечения воздушного зазора между ними не более 15 мкм при минимальных массах и максимальной жесткости элементов.

Система управления обеспечивает однозначное положение опор на основание, а следовательно, и однозначное положение в пространстве выходного звена.

Перемещение выходного звена 2 вдоль оси Z обеспечивается одновременным равномерным линейным перемещением I, II и III опор, причем векторы расположены под углом 120^о относительно друг друга. Перемещение же выходного звена 2 вдоль осей Х и Y обеспечивается одновременным движением I, II, III опор в направлении указанных осей. Вращение _z выходного звена 2 обеспечивается одновременным перемещением _z I, II и III опор, вращение _х выходного звена 2 вокруг оси Х может быть обеспечено одновременным перемещением Y_y I опоры вдоль оси Y и II и III опор вдоль оси Y в противоположном направлении.

Аналогичным образом обеспечивается вращение _y выходного звена 2 вокруг оси Y.

Предлагаемое исполнительное устройство обладает 6-ю степенями свободы.

Перемещение одной опоры 6 (или устройства перемещения УП), которая является элементом планарного двигателя, описывается уравнением

T+S=K₁U_я где = - скорость опоры 6;

U_я - напряжение питания якорной цепи;

Т₁ - постоянная времени УП, определяемая суммарным моментом инерции УП, а также электрическими параметрами двигателя;

К₁ - коэффициент передачи VII.

Для того, чтобы VII позволило обеспечить перемещение на произвольное значение S, необходимо двигатель снабдить цепью отрицательной обратной связи, содержащей датчик поступательного перемещения (ДПП) и усилитель постоянного тока (УПТ) (фиг.2).

Назначение моделирующего устройства состоит в формировании требуемого закона изменения (t), полученного путем численного решения уравнения Беллмана. Программа для перевода конечного положения выходного звена 2 в зависимости от положения каждой из опор 6 и длин l₁, l₂,...,l₆определяется на ЭВМ СМ-4 посредством программы на языке ФОРТРАН-4.

Применение предлагаемого l-координатного исполнительного устройства позволяет, во-первых, повысить кинематические возможности - перемещение вдоль основания на неограниченное расстояние, вращение вокруг оси, нормальной к поверхности основания на неограниченный угол, а, во-вторых, упростить его конструкцию за счет использования жестких тяг без приводов.

Устройство целесообразно использовать при создании экологически чистого технологического оборудования электронной техники.