Введение к работе
Актуальность проблемы. Исполнительные органы многих технологических машин-автоматов пищевой, полиграфической и других отраслей промышленности совершают циклические движения с приближенными остановками разной длителыю-СІИ в одном, либо двух крайних положениях. Как правило, остановки исполнительных органон обеспечиваются кулачковыми механизмами, однако, в последние десятилетня для их привода стали широко применять плоские рычажные механизмы. Это стало возможным благодаря развитию в последние годы теории синтеза механизмов, обеспечивающих приближенные выстой в крайних положениях. Одним из перспективных направлений в области теории синтеза рычажных механизмов с выстоями выходного звена является модульный синтез, в соответствии с которым проводится синтез плоских рычажных механизмов по заданной циклограмме движения.
Достойное место среди рычажных механизмов занимают пространственные, обладающие рядом преимуществ по сравнению с плоскими механизмами. Предварительные исследования показали, что они обеспечивают лучшее по сравнению с плоскими приближение функции положения к выстоям, выгодны с точки зрения рациональной компоновки механизмов машины-автомата, обеспечивают большую план-поен, выборки зазоров за счет боковою контакта » сферических кинематических парах и т.д. Однако их применение ограничено рядом причин как технологического характера, так и олткншченнмм количеством теоретических разработок в области как кинематической), гак и динамического синтеза рассматриваемых механизмов. Н связи с вышеизложенным, разработка методов модульного синтеза пространственных рычажных механизмов является важной и актуальной научной проблемой. Пс решение позволит внести существенный вклад в развитие научного направления теории механизмов и машин, касающегося синтеза рычажных механизмов с выстоями выходного звена, обеспечиваемыми за счет предельных положений звеньев, и проводить синтез пространственных рычажных механизмов с остановками рабочих органов в крайних положеннях по заданной циклограмме движения на основе единой методики. Работа актуальна не только с теоретической, но и с практической точек зрения, поскольку ее решение будет способствовать улучшению качественных показателей цикловых машин-автоматов за счет расширения области применения пространственных рычажных механизмов.
Цель и задачи работы. Основная цель заключается в решении актуальной научной проблемы создания методики комплексного (сквозного) кинематического и динамического синтеза пространственных рычажных механизмов, составленных из четырехзвенных механизмов-модулей, обеспечивающих выстой выходного звена в его крайних положениях по наперед заданной циклограмме.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Разработать общие принципы модульного синтеза пространственных рычажных механизмов.
Сформулировать основные и дополнительные условия кинематического и динамического синтеза пространственных рычажных механизмов с выстоями выходного звена по заданной циклограмме.
Разработать математические модели исходных и присоединяемых пространственных ползунных, коромысловых, кулисных механизмов-модулей с произвольной ориентацией их промежуточных осей. Определить свободные параметры синтеза.
Разработать единую методику сопряжения синтезированных пространственных механизмов-модулей в многомодульную кинематическую цепь с произвольной
ориентацией осей промежуточных модулей и заданной ориентацией оси замыкающего модуля.
Разработать математические модели исходных и присоединяемых нолзунных, ко-ромысловых, кулисных пространственных механизмов модулей с жестко регламентированным расположением осей всех модулей в компоновке многомодульного пространственного механизма машины-автомата.
Разработать алгоритм и программное обеспечение кинематического синтеза многомодульных пространственных рычажных механизмов, позволяющий проводить синтез механизмов в интерактивном режиме с возможностью оптимизации набора свободных параметров и расчета критериев качества передачи движения. Применительно к выбранной системе осей получить зависимости, определяющие геометрические параметры синтезируемых механизмов - предельные угловые и ли- нсі'пімс перемещения, углы давления, функции положения механизмов-модулей.
Разработан, динамические и математические модели трех, двух и одномодульных пространственных рычажных механизмов с учетом упругости звеньев.
Разработать методику комплексного (сквозного) кинематического и динамического синтеза пространственных рычажных механизмов с иыстоями выходного звена но заданной циклоірамме движения но критерию суммарных кинематических и динамических предельных отклонений функции положения на интервалах ныегоя, критериям отстройки от динамически неустойчивых режимов, устранения нежелательных динамических аффектов от резких изменении функции возмущения, критерию ограничения коэффициента накопления возмущений па предыдущих циклах.
Довести разработанную методику кинематического и динамического синтеза до
инженерного применения путем создания компьютерных программ, позволяющих
вести синтез в интерактивном режиме.
Научная концепции. В основу решения проблемы проектирования пространственных рычажных механизмов, обеспечивающих выстой исполнительных органов по заданной циклограмме, заложена идея разработки единой методики комплексного кинематического и динамического синтеза, развивающей научное направление теории синтеза рычажных механизмов с выстоями выходного звена, обеспечиваемыми за счет предельных положений звеньев. Идея решения проблемы образования пространственных рычажных механизмов-модулей, составляющих многомодульный пространственный механизм, как программоносителей заданной циклограммы и как модулей, улучшающих качество выстоя на том или ином интервале выстоя, решается введением биссектрисных плоскостей, ограниченных геометрическим местом конечных точек звеньев, соответствующих их предельным положениям. С целью учета наиболее вероятных случаев задания компоновки проектируемого пространственного многозвенного механизма рассмотрены два возможных варианта задания расположения осей как конечных, так и промежуточных звеньев многомодульного механизма: с произвольным расположением осей звеньев промежуточных модулей; с жестко регламентированным расположением осей звеньев всех модулей.
Научная новизна работы. Предложена научная концепция решения проблемы проектирования пространственных рычажных механизмов, обеспечивающих выстой исполнительных органов по заданной циклограмме, заключающаяся в создании единой методики комплексного кинематического и динамического синтеза, для теоретической и практической реализации которой впервые выполнено следующее: разработаны общие принципы модульного синтеза пространственных рычажных
механизмов, обеспечивающих выстой исполнительных органов в крайних положениях по заданной циклограмме;
сформулированы основные и дополнительные условия комплексного кинематического и динамического синтеза пространственных рычажных механизмов с вы-стоями выходного звена, включающие критерии допускаемых суммарных кинематических и динамических предельных отклонений функции положения на интервалах пыстоя, критерии отстройки от динамически неустойчивых режимов, критерии устранения нежелательных динамических эффектов от резких изменений функции возмущения, критерии ограничения коэффициента накопления возмущений на предыдущих циклах;
разработаны математические модели исходных и присоединяемых пространственных нолзунных, коромысловых, кулисных механизмов-модулей с произвольной ориентацией их промежуточных осей при единичной длине входного звена механизма-модуля; определены задаваемые, вычисляемые и свободные параметры синтеза;
разработана методика сопряжения синтезированных пространственных механизмов-модулей и многомодульную кинематическую цепь с произвольной ориентацией осей звеньев промежуточных модулей и заданной ориентацией оси вращения коромысла (кулисы), либо направляющей ползуна замыкающего модуля.
предложены математические модели исходных и присоединяемых ползунпых, коромысловых, кулисных пространственных механизмов модулей с жестко регламентированным расположением осей всех модулей, привязанных к станине проектируемой машины-автомата, и вычисляемыми значениями длин входных звеньев модулей, совершающих вращательное движение;
применительно к выбранной системе осей получены зависимости, определяющие геометрические параметры синтезируемых механизмов - предельные угловые и линейные перемещения, углы давления, функции положения механизмов-модулей;
созданы динамические и математические модели трех, двух и одномодульных пространственных рычажных механизмов с учетом упругости звеньев; разработана методика динамического синтеза;
на примере пространственного трехмодульного рычажного механизма изучено влияние геометрических и динамических факторов многомодульного рычажного механизма на вибрационные искажения кинематических характеристик на интервалах выстоев;
с целью обеспечения возможности инженерного проектирования пространственных рычажных механизмов с выстоями выходного звена по заданной циклограмме разработаны алгоритм и пакет прикладных программ, обеспечивающих практическую реализацию предложенной методики синтеза и позволяющих проведение синтеза механизмов в интерактивном режиме с возможностью оптимизации набора свободных параметров и расчета критериев качества передачи движения.
Практическая значимость и реализация результатов работы заключается
в апробации разработанной методики путем проектирования большого числа конкретных пространственных многомодульных рычажных механизмов, включающих основные типы пространственных механизмов-модулей и реализующих выстой исполнительных органов по заданной циклограмме;
в подтверждении основных результатов кинематического и динамического синтеза экспериментальными исследованиями на примере трехмодульного пространст-
венного рычажного механизма в условиях лаборатории ТММ Кемеровского технологического института пищевой промышленности;
и разработке программных средств, включающих алгоритм оптимизационного синтеза и позволяющих осуществить автоматизированное проектирование пространственных рычажных механизмов в диалоговом режиме с учетом как кинематических, так и динамических критериев;
и разработке модернизированных исполнительных механизмов реальных технологических машин, упаковочного оборудования пищевой и других отраслей промышленности (Кемеровский опытно-механическом завод, Кемеровский кондитерском комбинат, Кемеровском экспериментальный завод средств безопасности, лаборатория механизации ОАО "КузНИИшахтострой" и др. предприятия);
но внедрении научных разработок в учебный процесс на кафедре теоретической механики и ТММ Кемеровского технологического института niiiucnoii промышленности (дипломное и курсовое проектирование).
Апробации работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных совещаниях но методам расчета механизмов и машин-автоматов (Львов. 1976, 79г.), Съездах по ТММ (Алма-Ата. 1977, 82г.), VI симпозиуме по динамике виброударных систем (Москва, 1981), заседании филиала Семинара І'ЛІІ по ТММ (Новосибирск, 1998г.), na'Tl международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 1997, 99г.), 10 Всемирном конгрессе по ТММ (Оулу, Финляндия, 1999г.), Всероссийских, зональных на научно-технических конференциях, а также на кафедре "Автоматизация и робототехника'" ОмГТУ.
Публикации. По теме диссертации имеется 61 публикация, в том числе одна монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести