Создание научно-обоснованных методов проектирования высокодинамичных цикловых механизмов для гибких автоматизированных сборочных производств

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Создание научно-обоснованных методов проектирования высокодинамичных цикловых механизмов для гибких автоматизированных сборочных производств

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Надеждин Игорь Валентинович

Рыбинск - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева».

Научный консультант: заслуж. деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Савин Леонид Алексеевич

доктор технических наук, профессор Синев Александр Владимирович

доктор технических наук, профессор Яманин Александр Иванович

Ведущая организация: ОАО Гаврилов-Ямский машиностроительный завод «АГАТ»

Защита состоится 19 ноября 2008 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.02 при ГОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53, РГАТА им. П. А. Соловьева, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П.А. Соловьева»

Автореферат разослан ___________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Надеждин И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность работы гибких автоматизированных сборочных производств (ГАСП) во многом определяется быстродействием транспортно-загрузочных, ориентирующих и подающих систем, выполняющих вспомогательные операции: манипуляторов, кантователей, питателей, устройств вторичной ориентации деталей и т. п. Затраты времени на выполнение вспомогательных операций в автоматизированных сборочных производствах составляет значительную часть цикла и могут достигать более 100 % от длительности процесса сборки. Сокращение вспомогательных операций особенно актуально при длительности цикла сборки менее 1 минуты, что характерно для сборки широкой номенклатуры деталей и узлов машиностроения, например, топливной и гидравлической аппаратуры автотракторной и мобильной грузоподъемной техники и т. д.

Производительность манипуляторов в автоматизированных сборочных производствах машиностроения не превышает 8-14 циклов в минуту, что значительно уступает производительности технологического оборудования при вальцовке, клепке и сборке прессовых соединений без термического воздействия при относительно небольших усилиях запрессовки (40-60 циклов/мин). Это значит, что производительность сборочного оборудования используется далеко не полностью.

Одним из наиболее перспективных направлений повышения быстродействия транспортно-загрузочного оборудования (ТЗО) является повышение быстродействия их приводов, в значительной степени определяемого законами движения передаточных механизмов. Механизмы ТЗО работают в напряженных динамических условиях и дальнейшее повышение их производительности связано с необходимостью исследования динамики и решения комплекса задач динамического синтеза. Насущными задачами в области автоматизированной сборки являются исследование и разработка научно обоснованных методов повышения быстродействия приводов ТЗО и поиск таких передаточных механизмов, которые обеспечат максимальное быстродействие при наличии ограничений на динамические, прочностные и точностные параметры.

Поставленным задачам в большей степени отвечают разработанные автором быстродействующие электро - и пневмомеханические приводы ТЗО, основой которых являются сферические и плоские планетарно-цевочные кулисные механизмы. Недостаточная изученность динамики рассматриваемых цикловых механизмов с учетом реальных физических свойств звеньев (упругости, диссипативности, зазоров и др.) и проработанность методологии их динамического анализа и синтеза с целью обеспечения максимального быстродействия и повышения производительности ГАСП за счет уменьшения вспомогательного времени выполнения транспортно-загрузочных и ориентирующих операций, обуславливают актуальность данной работы.

Настоящая диссертация выполнялась в рамках хозяйственных договоров и договоров о научно-техническом сотрудничестве. Работа соответствует «Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации» (2006 г.) по направлению «Транспортные, авиационные и космические системы», направлена на развитие технологий, входящих в «Перечень критических технологий Российской Федерации» (2006 г.) по направлениям «Технологии мехатроники и создания микросистемной техники», « Технологии создания и управления новыми видами транспортных систем».

Объектом исследования в данной работе являются транспортно-загрузочные и ориентирующие системы гибких автоматизированных сборочных производств в машиностроении.

Предметом исследования служат динамические и прочностные характеристики механизмов ТЗО автоматизированных сборочных производств и колебательные процессы в точках позиционирования исполнительных устройств манипуляторов с цикловыми сферическими и плоскими планетарно-цевочными кулисными механизмами.

Целью настоящей работы является развитие научно-технического направления, связанного с повышением производительности автоматизированной сборки в машиностроении на основе разработки быстродействующих цикловых механизмов безударного типа и методов их динамического анализа.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: автоматизированный манипулятор машиностроение

1. Провести анализ современных направлений повышения быстродействия вспомогательного транспортно-загрузочного и ориентирующего оборудования ГАСП в машиностроении. Определить направления совершенствования и повышения эффективности применяемых приводов ТЗО на основе системного анализа кинематических и динамических моделей.

2. Обобщить основные классификационные признаки, отражающие особенности механизмов вспомогательного оборудования ГАСП, проанализировать и сформулировать пути их развития с точки зрения предельного быстродействия.

3. Теоретически обосновать возможность достижения предельного быстродействия транспортно-загрузочного оборудования автоматизированных сборочных производств за счет обеспечения безударных законов движения.

4. Разработать обобщенную методологию динамического анализа и синтеза семейства цикловых безударных пространственных и плоских планетарно-цевочных кулисных механизмов (ПЦКМ) с вращательным и поступательным движениями исполнительного звена. Исследовать влияние привода на динамику углового и линейного позиционирования безударных цикловых механизмов ТЗО. Разработать методику оценки качества работы ПЦКМ транспортно-загрузочного оборудования и методы их сравнения, доступные для практики исследования и проектирования.

5. Разработать методику и алгоритмы оптимизационного синтеза ПЦКМ по критерию максимального быстродействия с учетом ограничений на динамические и прочностные параметры. Выполнить экспериментальные исследования динамики промышленных образцов быстродействующих сборочных манипуляторов. Экспериментально подтвердить возможность существенного повышения быстродействия сборочных манипуляторов ПР при сохранении заданной точности позиционирования и ограничениях на динамические нагрузки.

6. Разработать конструкции быстродействующих цикловых приводов транспортно-загрузочного оборудования безударного типа с плавным регулированием выходных параметров. Разработать конструкции безударных захватывающих устройств для быстродействующих сборочных манипуляторов.

7. Разработать алгоритмы и пакеты прикладных программ для динамического анализа и синтеза группы безударных механизмов углового и линейного позиционирования ТЗО автоматизированного сборочного производства.

На защиту выносятся:

1. Научно обоснованные методы решения задач динамического анализа и синтеза быстродействующих цикловых механизмов ТЗО гибких автоматизированных сборочных производств, основанные на применении разработанных математических моделей, методов и алгоритмов расчета.

2. Направления совершенствования и повышения эффективности применяемых приводов вспомогательного оборудования ГАСП на основе системного анализа кинематических и динамических моделей безударных пространственных и плоских планетарно-цевочных кулисных механизмов.

3. Методология и алгоритмы оптимизационного синтеза безударных цикловых механизмов ТЗО, учитывающие геометрические, кинематические, динамические и прочностные условия связи.

4. Комплекс инструментальных средств для выполнения динамического анализа транспортно-загрузочных систем с цикловыми ПЦКМ безударного типа и решения задач их исследования, проектирования и оценки динамического состояния.

5. Рекомендации по проектированию семейства быстродействующих сверхлегких сборочных манипуляторов ПР номинальной грузоподъемностью 0,1 кг; 0,16 кг; 2,5 кг и захватывающих устройств безударного типа, а также оригинальные конструкции вспомогательных устройств ТЗО, позволяющие повысить на 20 - 40% производительность автоматизированной сборки узлов топливной аппаратуры для автотракторных дизельных двигателей и гидроаппаратуры мобильной грузоподъемной техники.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Разработаны теоретические положения, обосновывающие возможность достижения предельного быстродействия транспортно-загрузочного оборудования автоматизированных сборочных производств за счет обеспечения безударных законов движения, реализуемых с помощью разработанного семейства цикловых пространственных и плоских механизмов углового и линейного позиционирования.

2. Разработана методология динамического анализа и синтеза семейства безударных цикловых пространственных и плоских планетарно-цевочных кулисных механизмов с вращательным и поступательным движением исполнительного звена.

3. Разработаны математические модели для силового и динамического анализа различных вариантов исполнения безударных цикловых механизмов с учетом привода, упругости звеньев, зазоров и диссипации энергии.

4. Разработаны алгоритмы оптимизационного синтеза безударных цикловых механизмов углового и линейного позиционирования ТЗО по динамическим и прочностным критериям.

5. Предложена методика оценки динамических свойств цикловых механизмов ТЗО автоматизированной сборки. Теоретически и экспериментально доказана возможность увеличения в 2 - 2,5 раза быстродействия механизмов ТЗО за счет безударных законов движения.

6. Разработаны и созданы экспериментальные стенды для исследования динамики механизмов транспортно-загрузочных систем ГАСП и методики оценки их динамического состояния, отличающиеся возможностью воспроизведения различных условий работы с учетом требуемой точности позиционирования.

Методы и средства исследования. Основные расчетные зависимости получены в результате аналитического исследования соответствующих геометрических, кинематических и динамических моделей. Численная реализация задачи осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ. Проверка адекватности моделей произведена с помощью экспериментальных методов исследования с использованием аппарата математической статистики. При разработке критериев качественной оценки применялись методы теории подобия и анализа размерностей. В основу создания алгоритмов оптимизационного синтеза положены методы системного подхода, теории машин-автоматов, многокритериальной оптимизации.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением рациональных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также положительным опытом внедрения полученных результатов.

Практическая значимость и реализация работы. На основе теоретических положений теории машин-автоматов разработаны методики автоматизации вспомогательных операций в автоматизированном сборочном производстве узлов топливной и гидравлической аппаратуры дизельных автотракторных двигателей и мобильной грузоподъемной техники.

Разработаны алгоритмы и программные средства для проектирования пространственных и плоских ПЦКМ быстродействующих приводов ТЗО, реализующих безударные законы движения исполнительного органа. Совокупность спроектированных и внедренных модулей приводов манипуляторов ПР и транспортно-загрузочного и подающего оборудования позволила более чем в 2 раза повысить их быстродействие. Предложенные способы безударного позиционирования исполнительного органа позволяют сократить время позиционирования цикловых механизмов и исключить тормозные или демпфирующие устройства. Разработана гамма захватывающих устройств манипуляторов ПР.

Промышленная эксплуатация разработанных алгоритмов проектирования и технических решений для цикловых механизмов приводов ТЗО в течение более десяти лет на предприятиях дорожного, полиграфического и дизельного машиностроении показала практическую обоснованность разработанного в диссертационной работе направления.

На основе выполненных исследований издано два учебных пособия, одно из которых с грифом Министерства образования Российской Федерации. Теоретические и методические разработки используются в процессе преподавания дисциплины «Детали машин и основы конструирования», «Механика промышленных роботов и мехатронных систем», «Автоматизация технологических процессов» в РГАТА имени П.А. Соловьева и МГТУ СТАНКИН (г. Москва).

Апробация работы. Научные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на 29 научных конференциях, в т. ч. на Международных научно-технических конференциях: «Технология - 94» (г. С.-Петербург, 1994), «Информационно-измерительные и вычислительные системы специального назначения.

Информатизация в моторостроении» (г. Москва, 1994), «Автоматизация и информатизация в машиностроении» (г. Тула, 2000), «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2004, 2007), «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2005), «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2006), «Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки деталей и сборки газотурбинных двигателей» (г. Рыбинск, 2007); на Всесоюзных и Российских научно-технических конференциях: «Проблемы повышения производительности и качества продукции в условиях автоматизации машиностроительного производства» (г. Рыбинск, 1986), «Проблемы автоматизации проектирования и изготовления изделий в машино- и приборостроении» (г. Алушта, 1986), «Состояние, опыт и направления работ по комплексной автоматизации на основе ГАП, РТК и ПР» (г. Пенза, 1987, 1989, 1990), «Использование вычислительной техники и САПР в научно-исследовательских и опытных разработках» (г. Владимир, 1987), «Проблемы создания и внедрения гибких производственных и робототехнических комплексов на предприятиях машиностроения» (г. Одесса, 1989), «Ресурсо-энергосберегающие и наукоемкие технологии в машино- и приборостроении» (г. Нальчик, 1991), «Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении» (г. Рыбинск, 1994), «Методы и средства измерения физических величин» (г. Н. Новгород, 1999), «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 1999), «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 2003), «Механика и процессы управления» (г. Екатеринбург, 2003, 2004, 2005, 2007) и др.

В полном объеме содержание диссертационной работы доложено и обсуждено на расширенном заседании кафедр: «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения», «Резание материалов, станки и инструменты», «Основы конструирования машин» РГАТА имени П. А. Соловьева (Рыбинск, 2007), «Технология машиностроения» Брянского государственного технического университета (Брянск, 2007), «Динамика и прочность машин» Орловского государственного технического университета (Орел, 2008), на научно-техническом совете РГАТА имени П.А. Соловьева (Рыбинск, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 научных работ, в том числе 1 монография, 12 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, тезисы 18 докладов, получено 17 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 244 наименований, изложена на 400 страницах и содержит 121 рисунок и 43 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи работы, определены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе приводится аналитический обзор путей и способов повышения производительности автоматизированных сборочных производств в машиностроении, приведена классификация транспортно-загрузочного оборудования и сформулированы основные требования, предъявляемые к сборочным и транспортно-загрузочным манипуляторам.

Исследованы различные подходы к повышению эффективности сборочных и вспомогательных операций с точки зрения теории машин-автоматов и автоматических линий, которые наиболее полно отражены в фундаментальных трудах Артоболевского И.И., Ачеркана Н.С., Бежанова Б.Н., Волчкевича Л.И., Егорова И.Н., Клусова И. А., Кожевникова С.Н., Кошкина Л.Н., Крайнева А.Ф., Кулешова В.С., Нахапетяна Е.Г., Петрокаса Л.В., Прейса В.В., Проникова А.С., Семенова Е.И., Сысоева С.Н., Тира К.В., Усенко Н.А., Черпакова Б.И., Шаумяна Г.А. и многих других отечественных и зарубежных ученых. Анализ позволил установить, что, несмотря на большое количество разных подходов к решению данной проблемы, наиболее перспективным в настоящее время является подход, связанный с разработкой новых быстродействующих механизмов и автоматических устройств транспортно-загрузочного оборудования.

Рассмотрены наиболее распространенные схемы компоновок автоматизированного сборочного оборудования и соответствующие им траектории перемещения заготовок в рабочем пространстве.

Отмечено, что в условиях мелкосерийного и частично серийного сборочных производств, характерных для современного машиностроения, ПР являются тем универсальным средством автоматизации, которое позволяет создавать высокоэффективные ГАСП, представляющие собой совокупность основного сборочного оборудования и сборочных манипуляторов, способных быстро перестраиваться на сборку новых видов продукции.

Анализ обобщенной технологической схемы автоматизированного сборочного процесса (на примере сборки форсунки для впрыска топлива) выявил следующие основные и вспомогательные операции:

1. Подача и установка базовой детали в приспособление или в рабочую зону пресса.

2. Контроль положения базовой детали в приспособлении.

3. Захват, ориентирование и подача сопрягаемой детали в зону сборки.

4. Контроль наличия и положения присоединяемой детали.

5. Выполнение сборочной операции.

6. Послеоперационный контроль.

7. Удаление собранного узла с позиции сборки.

8. Складирование или передача собранного узла на общую сборку.

Операции 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8 являются вспомогательными, причем к транспортно - загрузочным и ориентирующим относятся операции 1, 3, 7, 8.

Комплексный анализ повышения эффективности вспомогательных операций ГАСП показал, что эффективность их работы во многом определяется быстродействием ТЗО: манипуляторов ПР, кантователей, питателей, устройств вторичной ориентации деталей и т. п. Как правило, производительность манипуляторов на транспортно-загрузочных и сборочных операциях не превышает 8 - 14 циклов в минуту, что уступает производительности человека на тех же операциях.

Производительность оборудования при вальцовке, клепке и сборке прессовых соединений без термического воздействия при относительно небольших усилиях запрессовки может достигать от 40 до 60 ходов в минуту. Это значит, что производительность сборочного оборудования используется далеко не полностью.

Вместе с тем, для сборки небольших по габаритам и массе изделий (весом до 2Н) экономически целесообразно использовать ТЗО с наибольшим быстродействием от 0,5 до 1 с/цикл и точностью позиционирования от 0,05 до 0,15 мм.

Возникает проблема, связанная с теоретическим обоснованием путей и способов повышения быстродействия вспомогательного ТЗО с целью повышения производительности ГАСП. С этой целью рассмотрены типовые компоновки гибких сборочных комплексов, используемых в машиностроении, и соответствующих им траектории перемещения собираемых деталей в рабочем пространстве.

В результате выявлен ряд требований к манипуляторам ПР, определяющих их экономическую целесообразность: быстродействие - 60 - 70 циклов в минуту для сверхлегких ПР и 20 - 30 циклов в минуту для легких ПР; число степеней подвижности - 2 - 4 (3 транспортные и 1 ориентирующая); привод - электромеханический или пневматический; погрешность позиционирования - (0,05 - 0,15) мм; номинальная грузоподъемность - не более 1 кг; захватывающие устройства - универсальные; система управления - цикловая; малые габариты и низкая стоимость.

В результате анализа установлено, что около 77% ПР, применяемых в отечественных и зарубежных ГАСП, имеют пневматический привод и цикловой способ управления. Средняя производительность отечественных ПР сверхлегкого типа составляет 16 - 18 цикл./мин; максимальная - 30 - 40 цикл/мин.

К общим механизмам, применяемым в ТЗО, можно отнести: приводы, передаточные механизмы для передачи движения от привода к рабочему органу: шиберу, револьверному диску питателя через механизм периодического движения, грейферным линейкам и захвату манипулятора; механизмы блокировки, а также конструктивные элементы для загрузки питателя, фиксации и удаления предмета сборки (рис.1). Правильность выбора конструкции передаточного механизма для ТЗО во многом определяет производительность автоматического сборочного оборудования и надежность процесса сборки.



Рис. 1. Классификация ТЗО автоматизированного сборочного производства

Оптимальную конструкцию механизма ТЗО выбирают с учетом обеспечения в первую очередь выполнения операции загрузки-выгрузки или межоперационного транспортирования сборочных деталей за минимально возможное время, что определяет повышенные требования к приводам с точки зрения динамики реализуемых законов движения.

В первую очередь законы движения ТЗО должны обеспечивать плавность движения исполнительного устройства, отсутствие скачков скорости и ускорения, приводящих к ударам и значительным возрастаниям усилий, действующих на механизмы, а, следовательно, быстрому износу и потере точности позиционирования.

По воспроизводимым законам движения механизмы приводов ТЗО подразделяют на три группы:

1. С жестким ударом в точках позиционирования .

2. С мягким ударом в точке позиционирования .

3. С теоретически безударным законом движения .

Подавляющее большинство серийно выпускаемых зарубежных и отечественных цикловых манипуляторов ПР имеют приводы, относящиеся к первой группе механизмов.

Позиционирование осуществляется по упорам, при этом возникает удар и появляются низкочастотные затухающие колебания (рис.2). Время успокоения колебаний t_усп соизмеримо со временем поворота t_пов и составляет более 50 % от общего времени Т_п позиционирования независимо от типа привода манипулятора. С точки зрения динамики такие механизмы в высокоскоростных приводах ТЗО не пригодны.

Рис.2. Закон движения выходного звена циклового манипулятора ПР

Законы движения механизмов второй группы имеют плавный характер изменения скорости, отсутствие жесткого удара в начале и конце движения и наличие мягкого удара, в результате которого в точках позиционирования возникают упругие колебания, амплитуда и длительность которых значительно возрастают с увеличением операционных скоростей. Последнее обстоятельство существенно ограничивает увеличение быстродействия данных механизмов.

К третьей группе приводов ТЗО относятся разработанные автором плоские и сферические ПЦКМ, имеющие теоретически безударные законы движения, высокую точность и плавность поворота или линейного перемещения исполнительного звена, а также возможность бесступенчатого регулирования выходных параметров.

Проведен комплексный анализ путей повышения быстродействия манипуляторов ПР применительно к автоматизированным сборочным производствам. Разработке теоретических и практических вопросов повышения быстродействия манипуляторов ПР посвящены труды ряда российских ученых: Белянина П.Н., Елисеева С.В., Жавнера В.Л., Корендясева А.И., Кравченко Н.Ф., Нахапетяна Е.Г., Никифорова С.О., Попова Е.П., Саламандра Б.Л., Семенова Е.И., Шифрина Я.А. и многих других. Эти исследования ведутся по следующим основным направлениям: увеличение скоростей перемещения звеньев; уменьшение колебаний звеньев в крайних положениях; оптимизация циклограммы ПР; оптимизация компоновочных решений.

Систематизация материалов и обобщение результатов исследований в области динамического анализа и синтеза механизмов с целью устранения или уменьшения упругих колебаний в точках позиционирования проведены на основании изучения работ следующих авторов: Антонюка Е.А., Бессонова А.П., Вейца В.Л., Вернигора В.Н., Вульфсона И.И., Герц Е.В., Дащенко А.И., Елисеева С.В., Кожевникова С.Н., Коловского М.З., Митрофанова В.П., Нахапетяна Е.Г., Пановко Я.Г., Петрука А.И., Полухина В.П., Попова Д.П., Рагульскиса К.М., Сергеева С.И., Синева А.В., Тира К.В., Ткаченко А.С., Хаяси Т., Шехвица Э.И., Barton P., Dubovsky S., Hammerschmidt Ch., Oledzki A.,Volmer I. и др.

Анализ показал, что важнейшим резервом повышения быстродействия цикловых механизмов ТЗО является уменьшение времени успокоения колебаний на режимах разгона и торможения за счет реализации безударных законов движения, имеющих следующие особенности: увеличение участков разгона и торможения и обеспечение их симметричности; исключение участка установившегося движения (неравномерный закон движения); равенство нулю скорости и ускорения в моменты начала и конца движения. В связи с этим актуальность приобретает научная проблема, состоящая в разработке совокупности быстродействующих механизмов безударного типа для транспортно-загрузочного и ориентирующего оборудования с целью повышения производительности автоматизированной сборки за счет уменьшения вспомогательного времени.

Во второй главе дается теоретическое обоснование условий осуществления безударных законов движения исполнительных механизмов ТЗО. В общем случае, отсутствие удара второго рода в крайних положениях ведомого звена (рис. 3), совершающего сложное движение в пространстве, предполагает выполнение одного из условий: v(0,T) = 0, _к(0,T) = , где v - скорость центра цевки, _к - радиус кривизны траектории цевки, Т - продолжительность движения ведомого звена.

Рис.3. Расчетная схема механизма с пространственным движением цевки

Первое условие предполагает мгновенную остановку ведущего звена. Второе условие справедливо в точках перегиба или спрямления кривой, реализуемой с помощью сферических механизмов.

Используя дифференциальную геометрию кривых в трехмерном евклидовом пространстве, получены необходимые условия для исключения жесткого и мягкого ударов в точках позиционирования механизма

(1)

(2)

или в векторном виде

(3)

где k и - соответственно кривизна и радиус кривизны относительной пространственной траектории цевки; - радиус-вектор; точками обозначено дифференцирование по времени t; - половина угла размаха ведомого звена; - вторые производные от координат x, y, z сферической траектории центра цевки:

коэффициенты A, Q, N, L:

- передаточное отношение планетарной передачи, - целое число; - угол поворота водила; д - угол между осями образующего круга и направляющей окружности, - для образования сферических эпициклоид; - для сферических гипоциклоид.

Рис.4. Варианты ведущей системы сферических ПЦКМ

Частным случаем сферических циклоидальных кривых при значении угла неортогональности д = 0 или д = 180є являются плоские эпи - и гипоциклоиды при вращательном движении и плоские циклоиды - при поступательном движении ведущего звена.

Для получения сферических ПЦКМ цевка 4 должна быть закреплена на оси сателлита 1, кинематически связанного с неподвижным центральным колесом 2 внешнего (рис. 4, а) или колесом 3 внутреннего (рис. 4, б) зацепления. При вращении ведущего звена цевка 4 совершает сложное движение, описывая сферическую эпи- или гипоциклоиду, складывающееся из вращательного движения относительно оси водила 3 и переносного движения вместе с водилом. В схеме планетарного механизма с наружным и внутренним зацеплением конических колес (рис. 4, б) радиус водила есть расстояние между осью сателлита 1 (1') и осью центральных конических колес 2, 3.

Структура пространственных ПЦКМ зависит от комбинаций ведущей и ведомой систем с различными структурными признаками. Если рабочий участок циклоиды образован одной ветвью траектории при соблюдении условия симметрии, то исполнительное звено механизма может совершать следующие виды периодического движения с остановками: однонаправленное вращательное; возвратно-вращательное; возвратно-поступательное. При использовании участков двух смежных ветвей циклоидальной кривой в качестве рабочей траектории цевки получим возвратно-вращательное движение кулисы с углами размаха и длительными остановками.

На основе обобщенной схемы получены зависимости для инвариантов подобия перемещения, скорости, ускорения и кинетической мощности пространственных и плоских ПЦКМ с угловым и поступательным перемещениями ведомого звена. Доказано, что рабочие участки плоских укороченных эпи- и гипоциклоид, а также циклоид имеют на концах точки перегиба. Анализ видов сателлитных кривых позволил систематизировать безударные плоские ПЦКМ с вращательным и поступательным движением ведомого звена. Рассмотрены вопросы синтеза рассматриваемых механизмов применительно к приводам ТЗО автоматизированной сборки.

Выполнено параметрическое исследование и рассмотрены вопросы синтеза последовательно соединенных мальтийских механизмов (ММ) для возможных вариантов зацепления обоих крестов: с внешним зацеплением (2МННШZ); с внутренним и внешним зацеплением (2МВНШZ); с внутренним зацеплением (2МВШZ).

В результате показано, что законы движения комбинированных мальтийских механизмов отличаются большим многообразием и обеспечивают не только отсутствие ударов второго рода в точках позиционирования, но и существенное уменьшение пиков ускорений и крутящих моментов на ведущем и ведомом валах, что является благоприятным фактором для повышения их быстроходности и снижения энергозатрат приводного двигателя в системе привода сборочных машин-автоматов.

На основе критериев качественной оценки законов движения B, C, D, E, где

B = U_ми;

C = U ²_ми;

D = U ³N_ми;

E = U³²j_ми;

U = /;

- суммарный угол поворота ведомого звена; - угол полного перемещения ведущего звена при ; _ми, _ми, j_ми, N_ми - соответственно константы пиков угловой скорости, ускорения, пульса и кинетической мощности ведомого звена, дан сравнительный анализ динамических свойств семейства теоретически безударных цикловых механизмов с угловым позиционированием ведомого звена (рис. 5).

Законы движения плоских ПЦКМ тип II и двукратных ММ с внутренним зацеплением являются в некотором смысле оптимальными, так как уменьшение пиков ускорения не связано с ростом пиков кинетической мощности и при этом в меньшей мере, чем у других механизмов, увеличиваются пики скоростей.

Наихудшими динамическими свойствами при углах размаха ведомого звена > 90є обладают механизмы: по критериям В и С (рис. 5, а, б) - ММЛМЧ внешнего (3) и внутреннего (4) зацепления, ПЦКМ с планетарным приводом цевки с эпи (5) - и гипоциклоидальной (6) траекторией цевки, 2МННШZ (9) при любом сочетании пазов ведущего и ведомого крестов; по критерию D (рис. 5, в) - ММЛМЧ внешнего зацепления (3), ПЦКМ (5 и 6) с планетарным приводом цевки, ПЦКМ I (1); по критерию Е - ПЦКМ I (1), 2МВНШZ (8).

На рис. 5 заштрихованы области критериев, верхние границы которых соответствуют синусоидальному закону движения ведомого звена. Анализ показывает, что законы движения механизмов ПЦКМ тип II (2) и двукратных мальтийских механизмов с внутренним зацеплением крестов 2МВШZ (7) превосходят синусоидальный (10) по всем рассмотренным критериям.

Рис. 5. Критерии качественной оценки законов движения ведомого звена безударных механизмов приводов ТЗО: 1 - ПЦКМ тип I; 2 - ПЦКМ тип II; 3 - ММЛМЧ внешнего и 4 - внутреннего зацепления; 5 - ПЦКМ с эпи - и 6 - гипоциклоидальной траекторией цевки; 7 - двукратные ММ с внутренним зацеплением обоих крестов; 8 - внутренним и наружным зацеплением; 9 - наружным зацеплением обоихкрестов; 10 - ММКЦ с синусоидальным законом движения

Третья глава посвящена исследованию кинетостатики и разработке типовых динамических моделей цикловых механизмов ТЗО ГАСП с учетом привода, упругости звеньев, зазоров и диссипации энергии.

Получены зависимости в безразмерном виде величин максимального давления ведущей цевки на стенку паза ведомого звена, суммарной мощности и крутящего момента, усилия на штоке пневмоцилиндра, мгновенного КПД.

Мгновенный КПД рассматриваемых механизмов определяется как

(4)

где - приведенные коэффициенты трения в опорах зубчатого колеса, кулисы и цевки; и - приведенные угол трения и коэффициент трения; - расстояние от центра вращения кулисы до центра цевки; и соответственно для ПЦКМ тип I и II; - угол между направлением силы F₁ и F_n.

Анализ показал, что с точки зрения уменьшения потерь на трение и энергетических затрат более предпочтительным является ПЦКМ тип II, у которого цикловой КПД наибольший, а силы нормального давления и потребная суммарная мощность - наименьшие (рис. 6).

Приводы исполнительных механизмов ТЗО в автоматизированных сборочных системах представляют собой машинный агрегат, в состав которого входят электро - или пневмодвигатель и передаточные механизмы, кинематически связанные с поворотным ротором многопозиционного сборочного автомата или исполнительным органом манипулятора.



Рис. 6. Графики мгновенного КПД цикловых планетарно-цевочных кулисных механизмов

Динамика таких систем определяется рядом факторов: реальным законом движения исполнительного звена, характеристиками упруго-диссипативных связей привода и ведомых звеньев системы.

Рис. 7. Типовые динамические модели цикловых механизмов автоматизированных сборочных систем

Обобщенная динамическая модель (рис. 7, а) привода ТЗО в первом приближении может быть представлена в виде двухмассовой системы, содержащей ведущую и ведомые подсистемы, где q_i - обобщенная координата; - приведенный к валу ведущего звена момент инерции I_р ротора электродвигателя и масс I_м, закрепленных на валу ротора; i_пр - передаточное отношение привода; I₂ - приведенный к валу ведомого звена момент инерции ведомых масс; c₁, c₂, n₁, n₂ - приведенные жесткости и коэффициенты диссипации энергии ведущей и ведомой подсистем; M_c - момент статических сопротивлений перемещению ведомой массы.

Динамическая модель циклового механизма, включающая динамическую характеристику электродвигателя, описывается системой дифференциальных уравнений, записанных в безразмерных параметрах:

(5)

где q_i - обобщенные координаты, i = 1, 2, 3; с = I₂/I₁; ; ; щ_ср - средняя угловая скорость ведущего звена; - инварианты подобия угловой скорости, ускорения и пульса ведомого звена; - вращающий момент на валу двигателя; - коэффициент крутизны статической характеристики; - электромагнитная постоянная времени; - угловая скорость идеального холостого хода для электродвигателя постоянного тока или асинхронная скорость для асинхронного двигателя.

Оценка динамики цикловых механизмов ТЗО без учета динамических характеристик электродвигателя (щ = const) может быть выполнена по математической модели, изображенной на рис. 7, б. Соответствующая система уравнений для данной модели имеет вид:

 (6)

где ;

I₁ - приведенный момент инерции масс, упруго связанных с ротором электродвигателя;

- приведенные моменты инерции ведомого звена циклового механизма и исполнительного звена транспортного органа, упруго связанных между собой;

; функции получены для ряда законов движения цикловых механизмов.

В зависимости от соотношения жесткостей подсистем, характерных для данного класса автоматических сборочных устройств, из обобщенных моделей получены описания динамики, соответствующие (рис. 7, в) и (рис. 7, г).

Из анализа динамических параметров систем привода сборочных машин и ТЗО следует, что для поворотных роторов многопозиционных сборочных автоматов обычно . Для модулей сборочных манипуляторов, кантователей, питателей и ориентирующих устройств .

Дифференциальное уравнение движения ведомой системы для динамической модели механизма по рис. 7, в имеет вид

. (7)

Движение ведомой массы циклового механизма по рис. 7, г описывается линейным дифференциальным уравнением

(8)

Если принять в качестве обобщенной координаты угол поворота ш₂ , то в общем случае, когда функцию _и(щt) можно представить в виде тригонометрического ряда Фурье, решение уравнения (8) при = const и нулевых начальных условиях будет иметь вид

(9)

где N - порядковый номер гармоники, q_N и p_N - коэффициенты ряда,

Решение дифференциальных уравнений (5) - (8) осуществлялось с помощью системы моделирования динамических систем Simulink. Анализ результатов моделирования динамики цикловых ПЦКМ по рис. 7, б показывает, что моменты сил упругости (M = c₂ш₂) ведомых звеньев возрастают с уменьшением отношения жесткостей ведомой и ведущей подсистем механизма и уменьшаются с увеличением коэффициента демпфирования колебаний (рис. 8). При заданном быстродействии циклового механизма продолжительность «успокоения» колебаний ведомой массы в точке позиционирования зависит от частоты и коэффициента демпфирования собственных колебаний системы.

Рис.8. Моменты сил упругости на валу привода многопозиционного сборочного автомата

Для изучения влияние зазоров, упругости звеньев, диссипации энергии контактирующих элементов ведущей системы цикловых механизмов на динамику высокочастотных колебательных процессов цикловых ПЦКМ разработана динамическая модель (рис. 9, б), где пружины 1, 2 представляет жесткость c_к паза ведомой кулисы 2 (рис. 9, а), приведенную к нормали удара; и локальную жесткость c_ж, описываемую уравнениями Герца; демпферы 3 и 4 реализуют рассеяние энергии n_к в изогнутом пазу кулисы и в поверхностном слое контактирующих элементов n_пс соответственно. Масса 5 представляет собой приведенную к нормали удара массу m_к изогнутого паза кулисы.



Рис.9. Расчетная динамическая модель ПЦКМ с учетом зазоров, упругости элементов механизма и диссипации энергии в паре «цевка-паз кулисы»

Математическая модель механизма с учетом рассматриваемых факторов описывается системой дифференциальных уравнений:

(10)

где ; ; ; ; I₁ - момент инерции масс ведущего звена; I_У - суммарный момент инерции ведомых масс; r - радиус расположения ведущей цевки; - угол между нормалью удара и направлением линейной скорости цевки (рис. 9, а); - моменты внешних сил, действующих на ведущее и ведомое звенья; - суммарный момент сил трения; - расстояние от оси цевки до оси вращения кулисы; - угловое положение ведущего зубчатого колеса в колебательном движении относительно угла ; - угловое положение ведомого звена в колебательном движении относительно угла ; - угловые положения ведущего и ведомого звеньев в момент наступления контакта кулисы с цевкой без силового взаимодействия; - угловое положение исполнительного звена механизма; - угловые скорость и ускорение кулисы; , - жесткость паза ведомой кулисы, приведенная к нормали удара и локальная жесткость элементов механизма; , - коэффициенты демпфирования в поверхностном слое контактирующих элементов цевки и паза кулисы и в изогнутом пазу кулисы соответственно.

Углы и при наличии зазора Д связаны между собой зависимостью

(11)

где знак «+» или «-» соответствует контакту с одной из двух плоскостей паза кулисы; 2Д - суммарный зазор между цевкой и стенкой паза кулисы; значения параметров x, y, - координаты траектории цевки и их первые производные; h₁ - расстояние между осями вращения ведущего и ведомого звеньев.

Решение дифференциальных уравнений (10) осуществлялось с применением солверов МATLAB. В результате анализа данных моделирования динамики ПЦКМ установлено, что период успокоения колебаний ведомых масс, соответствующий 3 фазе цикла движения (рис. 10, а), в значительной степени зависит от зазоров Д в паре «цевка-паз кулисы», радиального зазора д в фиксирующем устройстве и параметров упругой системы механизма. Вследствие зазоров и погрешностей изготовления начало движения механизма сопровождается мягким ударом. Момент перехода точки контакта цевки с одной плоскости паза на другую, соответствующий середине фаз 1 и 2, сопровождается значительными импульсами ускорения, приводящими к явлению, близкому к мягкому удару.

Рис. 10. Диаграммы угловых ускорений колебаний ведомого звена цикловых ПЦКМ: а - моделирование; б - эксперимент

Задача оптимизации динамических параметров цикловых ПЦКМ с целью повышения производительности транспортно-загрузочных операций при обеспечении заданной динамической точности позиционирования связана с уменьшением продолжительности успокоений колебаний исполнительного органа в точках позиционирования и предполагает поиск оптимальных динамических параметров системы, удовлетворяющих условию где - упругая деформация исполнительного звена, целевые функции которой определяются с помощью уравнений (5)-(10). Вектор искомых параметров x находится в области X, ограничиваемой рядом условий: для , где - допускаемое по технологическим условиям сборки изменение положения детали в точке позиционирования.

Определение оптимальных динамических параметров системы осуществляется в результате решения задачи нелинейного математического программирования методом направленного поиска.

Четвертая глава посвящена исследованию динамики цикловых ПЦКМ с учетом пневмопривода.

Математическая модель цикловых ПЦКМ с учетом пневмопривода описывается системой уравнений в безразмерных параметрах:

(12)

S₁ и S₂ - площади торцов поршня;

, , U₀ - безразмерные параметры: нагрузка, время, координата и конструктивный параметр;

₁, ₂ - коэффициенты расхода подводящей и выхлопной линий;

- коэффициент пропускной способности соединительных линий привода;

₁ = p₁/p_м, ₂=p₂/p_м, _a=p_a/p_м, p_а - атмосферное давление; p_м - давление воздуха в магистрали;

F = F₁ + M_сиr^-1 - суммарная приведенная сила, обусловленная моментом сопротивления M_с и силами трения F₁ в цилиндре;

I₂ и m_п - приведенные момент инерции и масса; r - радиус зубчатого колеса; H - ход поршня;

_и, N_и - инварианты подобия угловой скорости и кинетической мощности ведомого звена; i = 1, 2.

Для решения системы уравнений (12) разработана программа DINPR динамического анализа ПЦКМ с учетом пневмопривода.

В результате моделирования установлено, что по критерию быстродействия ПЦКМ имеют значительное преимущество перед цикловыми механизмами с постоянным передаточным отношением (рис. 11, а), которое проявляется в большей степени с ростом нагрузок, действующих на механизм (рис. 11, б).

Так при заданном быстродействии, например , нагрузочная способность ч привода с ПЦКМ тип II (_и ? const) при в 4 раза превышает одноименную характеристику циклового механизма с постоянной передаточной функцией.

При увеличении нагрузочной способности применение механизмов с постоянным передаточным отношением при заданных условиях нагружения и значениях безразмерного конструктивного параметра U₀ становится невозможным.

В этом случае требуется значительное повышение диаметра пневмоцилиндра, что не всегда приемлемо по конструктивным и габаритным ограничениям. С целью осуществления равномерного движения штока пневмоцилиндра решена задача динамического синтеза параметров пневмопривода, которая заключалась в выборе эффективной площади поршня S и эффективных проходных сечений каналов подводящей f₀₁ и выхлопной f₀₂ магистрали по заданной скорости v_шт поршня.

Пятая глава посвящена решению задач оптимизационного синтеза цикловых механизмов ТЗО, которая является типичной задачей нелинейного программирования и формулируется следующим образом.



Рис. 11. Характеристики быстродействия (а) и нагрузочной способности (б) цикловых механизмов ТЗО с пневмоприводом: 1 - ПЦКМ тип II; 2 - рейка-зубчатое колесо; 3 - механизм с качающейся кулисой

Определить такой вектор искомых параметров x*, чтобы , где f - целевая функция; - область возможных значений искомых параметров, определяемых габаритными ограничениями и условиями взаимного расположения , а также дополнительными критериальными ограничениями .

В качестве целевой функции приняты контактные напряжения у_{к max} в кинематической паре «цевка-паз кулисы» ПЦКМ

 (13)

где Z_м - коэффициент, учитывающий свойства материалов; для стали Z_м = 271(Н/мм)^1/2;

- безразмерный коэффициент контактных напряжений (рис. 12); - допускаемое значение коэффициента контактных напряжений; F_nми - константа пика силы нормального давления; k_ц=r_ц / r; b, r_ц - рабочая ширина и радиус цевки; , - приведенный момент инерции ведомых масс; ₁ - угловая скорость ведущего зубчатого колеса исходного планетарного механизма.

Рис. 12. Графики коэффициентов контактных напряжений на рабочем профиле ведомого звена ПЦКМ тип II (k_ц = 0,2; М_ст.и = 0)

Дополнительные критериальные ограничения разделяются на прочностные и геометрические. К прочностным относятся: прочность оси цевки на изгиб _и0, условие ограничения удельного давления на ось цевки q₀, прочность паза кулисы на изгиб _ик. Геометрические ограничения включают проверку условий взаимного расположения звеньев ПЦКМ: условие соседства цевки и вала кулисы; цевки и вала зубчатого колеса; кулисы и вала ведущего зубчатого колеса. Учитывая, что при синтезе ПЦКМ заданы значения: , I_п , M_ст , t_пов (v_шт) и для материалов цевки и паза кулисы известны величины [q₀], [_и0], [_ик], геометрические параметры механизма выбирают таким образом, чтобы удовлетворились вышеприведенные ограничения

Максимальное значение контактных напряжений _кmax () уменьшается с увеличением диаметра цевки d_ц, поэтому его следует выбирать максимально возможным для данной конструкции механизма. Допускаемое значение безразмерного коэффициента контактных напряжений увеличивается с ростом ширины кулисы b и радиуса зубчатого колеса r. Однако, увеличение ширины b приводит к росту динамической нагрузки в зацеплении и к возрастанию максимальной силы нормального давления на стенку паза ведомого звена.

Задача минимизации контактных напряжений носит оптимизационный характер. Для решения данной минимаксной задачи использовались функции библиотеки Optimization Toolbox из пакета программ MATLAB. Даны примеры оптимизационного синтеза параметров ПЦКМ учетом пневмопривода и заданном быстродействии приводов транспортно-загрузочного оборудования ГАСП.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований динамики и точности углового позиционирования при раздельной и совместной работе приводов манипулятора ПР с ПЦКМ. Исследования проводились на промышленном образце ПР «Икар-0,16М» (рис.13) с применением стандартной аппаратуры ВИ6-6ТН. В результате получены сведения по динамике манипулятора с учетом изменения нагрузки, времени поворота, длины вылета руки, давления питания воздуха.

...