Радиопромышленность. 2019; 29: 54-61
Оценка точности разомкнутого линейного привода, достижимой методом калибровки и компенсации линейного теплового расширения
https://doi.org/10.21778/2413-9599-2019-29-2-54-61Аннотация
Исследования являются частью актуальных работ по проектированию и созданию прецизионного механизма с параллельной кинематикой типа гексапода космического назначения. Точность и повторяемость позиционирования подвижной платформы механизма относительно его неподвижного основания в рассматриваемой конструкции зависят от точности исполнительных элементов гексапода – линейных приводов (ЛП). Целью работы является оценка достижимой точности работы ЛП с учетом основных факторов, влияющих на точность перемещения его штока. В статье описаны исследования точности работы разомкнутого ЛП, не имеющего общей обратной связи по выходной координате. Выделяются основные факторы, влияющие на точность перемещения. Приводятся экспериментально полученные оценки ошибок перемещения штока ЛП. Предложена методика повышения точности работы ЛП путем программной калибровки его шарико-винтовой передачи и компенсации линейного теплового расширения (ЛТР) при работе привода в широком диапазоне температур. Получена оценка точности перемещения штока калиброванного ЛП с компенсацией ЛТР.
Список литературы
1. Артеменко Ю. Н. Многофункциональное использование манипулятора наведения космического телескопа «Миллиметрон» // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. № 4–2. С. 44–46.
2. Компоненты высокоточного электромеханического привода для сверхнизких температур (4,2 К) системы адаптации трансформируемой космической конструкции / А.В. Юсов, С.А. Козлов, М.Ю. Архипов, Е.А. Костров // Сибирский журнал науки и технологий. 2016. № 1. С. 170–175.
3. Применение пространственных механизмов с параллельной структурой для наведения, стабилизации и виброизоляции бортовых приборов / А.В. Горбунов, Е.Б. Коротков, А.В. Леканов, С.А. Рудыка, Н.С. Слободзян // Решетневские чтения. 2017. Т. 1, № 21. С. 117–118.
4. Stewart D. A platform with six degrees of freedom. Proceedings of the Institution of mechanical engineers, 1965, vol. 180, рt. 1, no. 15, pp. 371–385.
5. Жуков Ю. А., Коротков Е. Б., Мороз А. В. Кинематическое управление гексаподом космического назначения // Интеллектуальные системы, управление и мехатроника – 2018: материалы Всероссийской научно-технической конференции. 2018. С. 67–71.
6. Опыт разработки системы управления механизмами с параллельной структурой типа «гексапод» для позиционирования и наведения крупногабаритных объектов информационных космических платформ / А.В. Горбунов, Е.Б. Коротков, А.В. Леканов, С.А. Матвеев, Н.С. Слободзян, Н.Г. Яковенко // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 7. С. 111–123.
7. Проектирование высокоточных линейных приводов для шестистепенного механизма типа «Гексапод» космического применения / С.О. Бойко, С.А. Комаров, С.Г. Харитонов, Е.А. Улыбушев, А.В. Леканов // Сибирский журнал науки и технологий. 2013. № 6 (52). С. 142–149.
8. Высокоточный линейный привод, построенный по гибридной схеме / С.А. Комаров, С.О. Бойко, Е.А. Улыбушев, С.Г. Харитонов // Решетневские чтения. 2011. № 15. С. 67–68.
9. Янгулов В. С., Эдличко А. А. Прецизионные винтовые механизмы и передачи для использования в редукторах приводов систем космического назначения // Известия ТПУ. 2010. № 2. С. 40–45.
10. Жуков Ю. А., Коротков Е. Б., Мороз А. В. Имитационная модель цифровой системы управления гексаподом с линейными приводами на базе шаговых двигателей // Вопросы радиоэлектроники. 2017. № 7. С. 35–41.
11. Mishev G., Rupetsov V., Paskaleva K., Dishliev S. Factors affecting the accuracy of positioning of rectilinear motion systems. XV International Scientific Conference «RE & IT – 2016». Conf. paper, 2016, pp. 67–70.
12. Zhang Y., Pan S., Deng J. Methods for measuring and compensating ball screw error on multi-mode industrial CT scanning platform. Proceedings of the 20165th International Conference on Measurement, Instrumentation and Automation, 2016.
13. Zhang J., Li B., Zhou Ch., Zhao W. Positioning error prediction and compensation of ball screw feed drive system with different mounting conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2016, vol. 230, iss. 12, pp. 2307–2311.
14. Kang C. M., Zhao Ch. Yu, Liu K., Li T. J., Yang B. Comprehensive compensation method for thermal error of vertical drilling center. Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering, 2019, vol. 43 (1), pp. 92–101.
15. Pajor M., Zaplata J. Compensation of thermal deformations of the feed screw in a CNC machine tool. Advances in manufacturing science and technology, 2011, vol. 35, no. 4.
16. Chang C.-F., Wang C.-C., Lin C.-S., Chen Ch., Chen T.-R., Chen C.-Y. A theory of ball-screw thermal compensation. Proceedings of the International Multi-Conference of Engineers and Computer Scientists, 2009, vol. II IMC.
17. Kowal M., Staniek R. Compensation system for thermal deformation of ball screws. Proceedings of the 12th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, ESDA, 2014, Copenhagen, Denmark.
18. Точность шарико-винтовой передачи [Электронный ресурс]. URL: https://tech.thk.com/ru/products/pdf/ru_a15_011.pdf (дата обращения: 12.04.2019).
19. Жуков Ю. А., Коротков Е. Б., Слободзян Н. С. Система управления механизмом с параллельной кинематикой для перемещения бортовых приборов КЛА на базе современного отечественного радиационно-стойкого микроконтроллера с процессорным ядром Cortex-M4F // Вопросы радиоэлектроники. 2017. № 7. С. 48–53.
20. Система управления механизмом с параллельной кинематикой космического применения / Е.Б. Коротков, С.А. Матвеев, Н.С. Слободзян, А.Е. Слободзян // Системный анализ, управление и навигация. 2018. С. 89–91.
Radio industry (Russia). 2019; 29: 54-61
Evaluation of open-loop linear drive accuracy achieved by calibration and linear thermal expansion compensation
https://doi.org/10.21778/2413-9599-2019-29-2-54-61Abstract
The study is a part of the current work on the design and creation of a precision mechanism with parallel kinematics such as a space hexapod. The positioning accuracy and repeatability of the movable platform of the machine relative to its fixed base in the structure under consideration depends on the accuracy of the actuating elements of the hexapod – linear drives. The aim of the work is to assess the achievable accuracy of the linear drive, taking into account the main factors affecting the accuracy of its rod movement. The article describes the studies of the accuracy of the open-loop linear drive, which has no common feedback on the output coordinate. The main factors affecting the accuracy of movement are highlighted. The experimentally obtained estimates of the linear drive rod displacement errors are given. A technique is proposed for improving the linear drive accuracy by programmatically calibrating its ball screw drive and compensating for linear thermal expansion (LTE) when the drive is operating in a wide temperature range. An estimate of the calibrated linear drive rod movement accuracy with LTE compensation has been obtained.
References
1. Artemenko Yu. N. Mnogofunktsional'noe ispol'zovanie manipulyatora navedeniya kosmicheskogo teleskopa «Millimetron» // Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N.I. Lobachevskogo. 2011. № 4–2. S. 44–46.
2. Komponenty vysokotochnogo elektromekhanicheskogo privoda dlya sverkhnizkikh temperatur (4,2 K) sistemy adaptatsii transformiruemoi kosmicheskoi konstruktsii / A.V. Yusov, S.A. Kozlov, M.Yu. Arkhipov, E.A. Kostrov // Sibirskii zhurnal nauki i tekhnologii. 2016. № 1. S. 170–175.
3. Primenenie prostranstvennykh mekhanizmov s parallel'noi strukturoi dlya navedeniya, stabilizatsii i vibroizolyatsii bortovykh priborov / A.V. Gorbunov, E.B. Korotkov, A.V. Lekanov, S.A. Rudyka, N.S. Slobodzyan // Reshetnevskie chteniya. 2017. T. 1, № 21. S. 117–118.
4. Stewart D. A platform with six degrees of freedom. Proceedings of the Institution of mechanical engineers, 1965, vol. 180, rt. 1, no. 15, pp. 371–385.
5. Zhukov Yu. A., Korotkov E. B., Moroz A. V. Kinematicheskoe upravlenie geksapodom kosmicheskogo naznacheniya // Intellektual'nye sistemy, upravlenie i mekhatronika – 2018: materialy Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii. 2018. S. 67–71.
6. Opyt razrabotki sistemy upravleniya mekhanizmami s parallel'noi strukturoi tipa «geksapod» dlya pozitsionirovaniya i navedeniya krupnogabaritnykh ob\"ektov informatsionnykh kosmicheskikh platform / A.V. Gorbunov, E.B. Korotkov, A.V. Lekanov, S.A. Matveev, N.S. Slobodzyan, N.G. Yakovenko // Voprosy radioelektroniki. 2018. № 7. S. 111–123.
7. Proektirovanie vysokotochnykh lineinykh privodov dlya shestistepennogo mekhanizma tipa «Geksapod» kosmicheskogo primeneniya / S.O. Boiko, S.A. Komarov, S.G. Kharitonov, E.A. Ulybushev, A.V. Lekanov // Sibirskii zhurnal nauki i tekhnologii. 2013. № 6 (52). S. 142–149.
8. Vysokotochnyi lineinyi privod, postroennyi po gibridnoi skheme / S.A. Komarov, S.O. Boiko, E.A. Ulybushev, S.G. Kharitonov // Reshetnevskie chteniya. 2011. № 15. S. 67–68.
9. Yangulov V. S., Edlichko A. A. Pretsizionnye vintovye mekhanizmy i peredachi dlya ispol'zovaniya v reduktorakh privodov sistem kosmicheskogo naznacheniya // Izvestiya TPU. 2010. № 2. S. 40–45.
10. Zhukov Yu. A., Korotkov E. B., Moroz A. V. Imitatsionnaya model' tsifrovoi sistemy upravleniya geksapodom s lineinymi privodami na baze shagovykh dvigatelei // Voprosy radioelektroniki. 2017. № 7. S. 35–41.
11. Mishev G., Rupetsov V., Paskaleva K., Dishliev S. Factors affecting the accuracy of positioning of rectilinear motion systems. XV International Scientific Conference «RE & IT – 2016». Conf. paper, 2016, pp. 67–70.
12. Zhang Y., Pan S., Deng J. Methods for measuring and compensating ball screw error on multi-mode industrial CT scanning platform. Proceedings of the 20165th International Conference on Measurement, Instrumentation and Automation, 2016.
13. Zhang J., Li B., Zhou Ch., Zhao W. Positioning error prediction and compensation of ball screw feed drive system with different mounting conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2016, vol. 230, iss. 12, pp. 2307–2311.
14. Kang C. M., Zhao Ch. Yu, Liu K., Li T. J., Yang B. Comprehensive compensation method for thermal error of vertical drilling center. Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering, 2019, vol. 43 (1), pp. 92–101.
15. Pajor M., Zaplata J. Compensation of thermal deformations of the feed screw in a CNC machine tool. Advances in manufacturing science and technology, 2011, vol. 35, no. 4.
16. Chang C.-F., Wang C.-C., Lin C.-S., Chen Ch., Chen T.-R., Chen C.-Y. A theory of ball-screw thermal compensation. Proceedings of the International Multi-Conference of Engineers and Computer Scientists, 2009, vol. II IMC.
17. Kowal M., Staniek R. Compensation system for thermal deformation of ball screws. Proceedings of the 12th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, ESDA, 2014, Copenhagen, Denmark.
18. Tochnost' shariko-vintovoi peredachi [Elektronnyi resurs]. URL: https://tech.thk.com/ru/products/pdf/ru_a15_011.pdf (data obrashcheniya: 12.04.2019).
19. Zhukov Yu. A., Korotkov E. B., Slobodzyan N. S. Sistema upravleniya mekhanizmom s parallel'noi kinematikoi dlya peremeshcheniya bortovykh priborov KLA na baze sovremennogo otechestvennogo radiatsionno-stoikogo mikrokontrollera s protsessornym yadrom Cortex-M4F // Voprosy radioelektroniki. 2017. № 7. S. 48–53.
20. Sistema upravleniya mekhanizmom s parallel'noi kinematikoi kosmicheskogo primeneniya / E.B. Korotkov, S.A. Matveev, N.S. Slobodzyan, A.E. Slobodzyan // Sistemnyi analiz, upravlenie i navigatsiya. 2018. S. 89–91.
