Введение к работе
Актуальность темы.
Пневматические силовые системы и системы управления (ПСУ) широко применяются в машинах и механизмах в текстильной и легкой промышленности (МТЛП), что объясняется, во-первых, возможностью использовать воздух как бесконтактный инструмент в технологических операциях и в операциях контроля и измерения, а, во-вторых - высокой надежностью пневмосистем (ПС), низкой стоимостью, простотой эксплуатации, пожаро-взрывобезопасностью. В сочетании с современными электронными системами управления с помощью ПС можно значительно проще и эффективнее решить многие задачи, которые решались ранее другими средствами. Однако низкое быстродействие ПС и сложность реализации заданных законов движения с помощью пневматических приводов во многих случаях ставит под сомнение возможность их применения. Поэтому важно уже на этапе проектирования решить вопрос о принципиальной возможности и эффективности использования ПС. Однако известные инженерные методы расчета ПС ориентированы на решение определенного круга задач и поэтому в ряде случаев не позволяют получить достоверные результаты.
Объясняется это тем, что динамика элементов ПС определяется совокупностью одновременно протекающих различных процессов - изменением массы газа при наполнении и опустошении занимаемого объема; разгоном или торможением всей массы газа; процессами, обусловленными упругими свойствами газа и приводящими к появлению волновых процессов. На практике применяются упрощенные математические модели элементов ПС на базе обыкновенных дифференциальных уравнений (ДУ), которые учитывают лишь один из указанных процессов. Поэтому они эффективны для решения определенного типа задач. Однако среди МТЛП существует целый класс ПС, где такие модели не позволяют получить достоверные результаты, поскольку требуется рассматривать одновременно в общем случае все описанные явления.
Во-первых, - это ПС, качество работы которых существенно зависит от динамических характеристик коммуникационных линий:
- ПС контроля и измерения: контроль состояния нити (контроль обрыва, натяжения, перемещения, наличия узелков), контроль положения кромки материалов, кошроль положения и измерение координат рабочих органов машин и т.п.;
ПСУ быстродействующими процессами (швейные полуавтоматы, промышленные роботы);
малогабаритные ПП (швейные полуавтоматы, ПР, комплекс для съема и укладки ЧНИ);
оборудование на базе пневматических моторов (автоматы для оверловки ковров, для фрезерования обуви и т.п.).
Во-вторых, - это ПС с позиционными и следящими ПП с релейным управлением на базе пневмоцилиндров. в полостях которых резонансные явления газа могут привести к нарушению функционирования МТЛП (раскройные комплексы; вышивальные автоматы, автоматы для контурной обработки обуви - взъерошивание, покрытие лаком, окраска и т.п.).
Расчет таких ПС с учетом взаимодействия всех указанных процессов не может быть выполнен без применения сложного математического аппарата газовой динамики на базе дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП). Однако численное интегрирование таких уравнений представляет собой серьезную научную задачу и требует специальных навыков для ее решения. Поэтому такие модели для практических расчетов не применяются.
Отсутствие простых эффективных методов расчета указанных ПС во. многих случаях не позволяет разработчикам получать оптимальные решения или же вынуждает неоправданно отказываться от их применения. Поэтому весьма актуальной является задача разработки нового прикладного метода моделирования и расчета таких ПС на базе обыкновенных дифференциальных уравнений, эквивалентных ДУЧП с точки зрения описания процессов на концах объектов, которые бы учитывали все основные газодинамические процессы, включая волновые, приводящие к появлению ударных волк. При этом, важно создание единых математических моделей для разных элементов пневматических систем с охватом всего диапазона изменения их параметров.
Создание новых и совершенствование существующих механизмов и машин на основе пневмоприводов со сложными законами движения (автоматы для съема и перекладки чулочно-носочных изделий, промышленные роботы) требует разработки новых методов их синтеза, так как многократное численное моделирование их на ЭВМ с расчетом всех возможных вариантов делают задачу синтеза практически неразрешимой.
Цель работы. Работа направлена на совершенствование существующих и создание новых, высокофункциональных пневматических систем для машин текстильной и легкой промышленности, что требует
создания новых, универсальных научных методов моделирования и расчета их динамики, характеризующихся высокой достоверностью при расчетах любых типов устройств.
Задачи исследования включают.
-
Анализ содержания пневматических систем МТЛП и их систематизация с целью выделения базовых пневматических элементов постоянного и переменного объема, общих с точки зрения создания унифицированного математического аппарата;
-
Разработку общей прикладной теории расчета динамики пневматических систем, в частности:
- разработку метода аналитического решения ДУЧП гиперболи
ческого типа, описывающих газодинамические процессы в пневматиче
ских объектах с распределенными параметрами, для всех типов линий и
любого закона изменения давления питания в виде конечной аналити
ческой зависимости с выходом на базовые положения, которые позво
лят описывать процессы обыкновенными дифференциальными уравне
ниями;
-разработку математической модели базового элемента типа линий связи (ЛС) как объекта с распределенными параметрами, но описываемой с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений и в то же время эквивалентной модели в частных производных с точки зрения описания волновых процессов изменения давлений и расходов на концах линии;
-разработку математической модели базового элемента типа пневматических исполнительных механизмов (ПИМ) с учетом совокупности всех основных физических и газодинамических процессов, включая волновые процессы на концах рабочих полостей, с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений.
3. Адаптацию разработанных моделей и методов расчета приме
нительно к повышению быстродействия и качества функционирования
МТЛП, в частности:
к расчету пневматических приводов для раскройного автомата и автомата для взъерошивания обуви,
к расчету автомата для съема и укладки чулочно-носочных изделий,
- к выбору параметров пневматических систем управления
(пневматического автомата для испытаний изделий из нетканых мате
риалов на герметичность, пневматического сбалансированного манипу-
лятора для перекладки рулонов материала, пневматического окрасочного робота и др.).
4. Экспериментальное обоснование разработанной теории с учетом опытных данных, полученных различными независимыми исследователями в разных странах.
Научная новизна работы.
Разработана общая прикладная теория расчета динамических характеристик пневмосистем МТЛП, позволяющая в отличие от известных инженерных методов решать более широкий круг задач при расчетах применяющихся и перспективных пневмосистем для текстильной и легкой промышленности.
Основу теории составляют:
метод расчета ЛС и рабочих полостей ПИМ как объектов с распределенными параметрами - метод аналитического решения уравнений в частных производных гиперболического типа, позволивший получить единое решение для различных граничных условий в виде конечной аналитической зависимости и тем самым расширить рамки применения известной модели ЛС в частных производных;
метод математического моделирования динамики ЛС с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений и в то же время учитывающих влияние распределенных по длине линии процессов, позволивший получить универсальную математическую модель линии в том смысле, что известные модели определенных типов линий входят в нее как частные случаи; для ламинарного течения газа разработанная модель ЛС позволяет получить аналитические решения.
На основе новых методов моделирования разработаны методики, позволяющие за счет более полного учета газодинамических явлений в ПС повысить эффективность теоретического исследования различных МТЛП при проектировании, выбрать оптимальные конструктивно-настроечные параметры ПС и устранить неблагоприятные режимы их работы:
методика расчета динамики ПИМ машин с контурной отработкой траектории (ПИМ раскройной установки, ПИМ автомата для контурной обработки обуви и т.п.) с учетом совокупности всех основных процессов в рабочих полостях, включая учет ударных волн давления;
методика расчета параметров линий связи ПС МТЛП, при которых обеспечивается их максимальное быстродействие (ПСУ окрасочным роботом, ПСУ автомата для испытаний изделий из нетканых материалов на герметичность);
-методика моделирования ПИМ на основе линейных дифференциальных уравнений (ПИМ автомата для съема и укладки чулочно-носочных изделий, ПИМ окрасочного робота);
- методика синтеза ПИМ со сложным законом движения (ПИМ
автомата для съема и укладки чулочно-носочных изделий, ПИМ окра
сочного робота).
Практическая значимость и реализация результатов работы. Применение разработанных методов позволило:
упростить сложный математический аппарат газовой динамики и сделать его более доступным для широкого практического использования;
сократить в тысячи раз время расчета процессов в ПС;
значительно расширить круг решаемых на этапе проектирования задач, которые ранее могли быть решены только путем экспериментальных исследований;
повысить качество проектируемых МТЛП за счет более полного учета динамики их ПС.
Исследования, проведенные в рамках данной работы, выполнены в соответствии с "Целевой комплексной программой развития народного хозяйства г. Ленинграда и Ленинградской области на основе автоматизации с широким использованием вычислительной техники на 1984-1985 годы идо 1990 года ("Интенсификация-90") по предприятиям Минлегпищемаша РСФСР", использованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по теме "Лен-Тек21" "Разработка алгоритмов и программ для автоматизированного расчета элементов пневмосистем машин текстильной и легкой промышленности" и теме "Разработка научных основ ГПС, САПР, ИПК на предприятиях текстильной и легкой промышленности в условиях интенсификации производства".
Разработанные методики использованы:
при проектировании пневматического автомата для цикловых испытаний на герметичность прорезиненных тканей и нетканых материалов и изделий из них, внедренного на предприятии "Лингварис";
при разработке и изготовлении комплекса на базе отделочной машины ЧНО-86 для съема и укладки чулочно-носочных изделий для ЛПТО "Красное знамя", экспериментальный образец которого испытан на кафедре «Автоматизации производственных процессов» СПГУТД;
при проектировании пневматического манипулятора ПУМ-Э с программным управлением для РТК литья низа обуви и отдельных де-
талей из полиуретана, опытные образцы которого изготовлены на харьковском заводе специального технологического оборудования;
при проектировании пневматического сбалансированного манипулятора с пневматическим управлением, внедренного на АОЗТ "Полюстрово", и разработке конструкции пневматического сбалансированного манипулятора для ПО "Светлана", предназначенных для перекладки тяжелых грузов типа текстильных навоев.
при разработке пневмомотора манипулятора для контурной обработки обуви для Специального конструкторского бюро кожевенно-обувньгх машин, экспериментальный образец которого испытан на кафедре «Автоматизации производственных процессов» СПГУТД;
при проектировании пневматического робота со струйной системой управления для нанесения лакокрасочных покрытий для объединения "Ладога", при разработке которого учитывались потребности текстильной и легкой промышленности, экспериментальный образец кото-рого.испытан на кафедре «Станки и инструменты» ЛТА;
при разработке Государственного стандарта СССР "Роботы промышленные. Пневмодвигатели исполнительных устройств. Типы, основные параметры и присоединительные размеры", ГОСТ 26059-85;
в учебном процессе по курсу "Автоматизация производственных процессов", для которого выпущены два учебных пособия.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на следующих семинарах, конференциях и съездах: Ш Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Воронеж, 1984 г.); XI Всесоюзном совещании "Пневмоавтоматика" (Львов, 1985 г); Всесоюзном совещании "Пневмогидроавтоматика и пневмопривод" (Суздаль, 1988 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Робототехнические системы в текстильной и легкой промышленности" (Ленинград,
-
г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Унификация и стандартизация промышленных роботов" (Ташкент, 1984 г.); Всесоюзной конференции "Резервы интенсификации производства (замена ручного труда на базе промышленных роботов)" (Севастополь, 1984 г.); Всесоюзной конференции "Резервы интенсификации производства (замена ручного труда на базе промышленных роботов)" (Севастополь,
-
г.); Всесоюзной конференции "Внедрение прогрессивной технологии механосборочного производства в приборостроении" (Севастополь,
-
г.); Всесоюзной конференции "Проблемы и опыт применения САПР" (Свердловск, 1987 г.); Всесоюзной конференции "Повышение технико-экономической эффективности проектирования и эксплуата-
ции автоматизированного сборочного оборудования" (Севастополь,
1990 г.); научно-технических краткосрочных семинарах
"Промышленные роботы и их применение" в ЛДНТГТ (Ленинград, 1984 - 85 гг.); научно-техническом краткосрочном семинаре "Робототехника в системах автоматизации производства при выполнении задач территориально-отраслевой программы "Интенсификация-90" (Ленинград, 1984 г.); научно-практической конференции "Проблемы и опыт применения систем автоматизированного проектирования" (Свердловск,
-
г.); научно-техническом семинаре "Состояние, опыт и направления работ по комплексной автоматизации на основе ГАП? РТК и ПР (Пенза,
-
г.); научно-технической конференции "Вклад ленинградского института текстильной и легкой промышленности в развитие отрасли" (Ленинград, 1990 г.); П международной конференции "Математика, компьютеры, образование" (Пущино, 1995 г.); конференции с международным участием "Математические методы распознавания образов" (Пушино, 1995 г.); III международной конференции "Математика, компьютеры, образование" (Дубна, 1996 г.); международной научно-технической конференции "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве" (Иваново, 1996 г.), 8-й Всероссийской конференции "Математические методы распознавания образов" (Москва, 1997 г.), международной научно-технической конференции «Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций, в текстильном производстве» (Иваново, 1997 г.) <
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 51 печатной работе, в том числе в двух книгах (в соавторстве) и одной монографии. По теме диссертации получено 4 авторских свидетельства, разработан Государственный стандарт СССР (в соавторстве).
Структура п объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, выводов по работе, списка литературы, приложения. Объем диссертации составляет 452 с, в том числе 340 с. машинописного текста, 101 рисунок.
