Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность работы гибких производственных систем (ГПС) в холодной листовой штамповке (ХЛШ) во многом определяется быстродействием промышленных роботов (ПР), в которых наибольшее распространение получили пневмоприводы, как наиболее простые, дешевые и надежные, способные работать в тяжелых условиях. Вместе с тем, их быстродействие уже не удовлетворяет современному уровню скоростей кузнечно-прессового оборудования. Следовательно, насущной задачей в области ГПС холодной штамповки является исследование и разработка практических методов повышения быстродействия пневмоприводов ПР и поиск таких передаточных механизмов, которые обеспечат максимальное быстродействие при наличии ограничений на максимальные уровни ускорений и точность позиционирования. Этой задаче в большей степени отвечают разработанные автором пневмомеханические зубчато-цевочные циклоидальные механизмы (ЗЦЦМ), широкое использование которых в настоящее время сдерживается из-за отсутствия разработанных методов анализа и синтеза этих механизмов, а также достоверной информации о их качественных характеристиках с учетом особенностей динамики самого механизма и пневмопривода, а также предельном быстродействии при ограничениях на максимальные уровни ускорений и прочностные показатели.
Цель работы - повышение производительности ГПС ХЛШ за счет увеличения быстродействия манипуляторов ПР с комбинированными пневмомеханическими ЗЦЦМ на основе анализа динамической модели, а также разработка методов их расчета и создание теоретической базы для автоматизированного проектирования с использованием математических методов и средств вычислительной техники.
Общая методика исследований. Основные расчетные зависимости получены в результате аналитического исследования соответствующих геометрических, кинематических и динамических моделей. 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 алгоритма оптимизационного синтеза ЗЦЦМ положены методы многокритериальной оптимизации.
Научная новизна. Решена задача повышения производительности ГПС ХЛШ за счет увеличения быстродействия механизмов углового перемещения (МУП) манипуляторов ПР на основе разработанных ЗЦЦМ.
Выполнен анализ существующих конструкций и исполнительных устройств (ИУ) манипуляторов ПР с различным типом привода, применяемых в настоящее время в ГПС ХЛШ, по критериям быстроходности и быстродействия. Получены условия осуществления "безударных" законов движения МУП. Разработана обобщенная методика и алгоритм оптимизационного синтеза ЗЦЦМ нескольких видов, учитывающие геометрические, кинематические, динамические и прочностные условия связи.
Разработана математическая модель в физических и безразмерных параметрах, описывающая динамику ЗЦЦМ с учетом пневмопривода и упругости звена, соединяющего ведомое звено и ИУ ПР. Разработана методика силового и динамического расчетов для различных вариантов исполнения ЗЦЦМ.
Новизна подтверждена полученными авторскими свидетельствами и патентом РФ.
На защиту выносятся: Анализ существующих конструкций манипуляторов ПР по критериям быстроходности и быстродействия. Обобщенная кинематическая схема ЗЦЦМ и его модификации. Условия осуществления "безударных" законов движения МУП со сложным движением цевки. Методика и алгоритм оптимизационного синтеза ЗЦЦМ, учитывающие геометрические, кинематические, динамические и прочностные условия связи. Математическая модель, описывающая динамику ЗЦЦМ с учетом пневмопривода и упругости звена, соединяющего ведомое звено и исполнительное устройство ПР. Конструкция быстродействующего ПР "Икар-0,16" с ЗЦЦМ и его модификации.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработанные ЗЦЦМ и методы их оптимизационного синтеза могут найти применение при проектировании и освоении высокопроизводительных манипуляторов ПР с цикловой системой управления (ЦПУ), предназначенных для автоматизации листоштамповочных операций в ГПС.
Применение ЗЦЦМ, взамен широко известных МУП пневматических ПР типа рейка-зубчатое колесо или шарнирно-рычажных механизмов с силовыми цилиндрами, повышает быстродействие привода в 2-2,5 раза за счет реализации "безударных" законов движения, характеризуемых нулевыми скоростями и ускорениями в точках позиционирования, и позволяет исключить тормозные устройства и повысить надежность привода.
Результаты исследований реализованы в конструкции промышленного образца ПР "Икар-0,16" и его модификациях, внедренных на Новокузнецком заводе "Металлоштамп" в робототехнологической линии РТЛ-ЛС-40 для изготовления методом ХЛШ широкой номенклатуры изделий массой до 0,1 кг, в
АО "Октябрь" и АО "Заря" Нижегородской области в виде конструкторской документации на многоцелевой гибкий производственный модуль.
Разработанные методы, алгоритмы оптимизационного синтеза ЗЦЦМ и программные средства используются в научно - исследовательских организациях и конструкторских бюро в алюминиевой и угольной промышленности, дорожном и полиграфическом машиностроении, а также в учебном процессе.
Апробация работы. Основные положения и практические результаты работы докладывались автором и обсуждались на 15 научных конференциях в г. г. Москве, С- Петербурге, Ярославле, Одессе, Пензе, Нальчике, Алуште, Рыбинске и др., на научно-методических семинарах кафедр "Основы конструирования машин" РГАТА и "Теория механизмов и машин" МГТУ СТАНКИН. Разработанный и изготовленный промышленный образец ПР "Икар -0,16" экспонировался на международной выставке "Конверсия-94", где получил высокую оценку специалистов. Результаты работы используются в учебном процессе при чтении курсов "Механика промышленных роботов", "Основы САПР" в РГАТА и МГТУ СТАНКИН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, получено 5 авторских свидетельств и патент РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов по работе и приложений, изложена на 242 страницах, содержит 57 рисунков и 19 таблиц, список использованных источников из 125 наименований.