автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Интегрированная параметрическая система автоматизированного проектирования и изготовления кулачковых механизмов

1.1. Области применения кулачковых меШШмов —. t JZ^li Проектирование и:обработка кулаяшв —~—.,.,.

1.2.2 Система CAD/C AM для кулачков.И

1.3. История исследования кулачковых механизмов.

1.4. Применение динамических кулачков.

1.5. Известные программы расчёта кулачков.

1.6. Цель и задает работы.

1.7. Выводы по первой гааве.

Глава 2 Описание законов движения толкателей и параметрическая универсальная кривая закона движения.

2.1. Выведение законов движения

2.1.1. Кривые закона движения ведомого звена и кривая профиля кулачка.

2.1.2. Характеристики движения толкателей.

2.1.3. Безразмерные характеристики законов движения и их параметризация.

2.1.4. Анализ значения характеристик движения.

2.2. Законы движения ведомого звена.4

2.2.1 Законы движения, оииеываемЕге разрывной кривой.

2.2.2 Законы движения с непрерывной кривой в форме простых функций.

2.2.3 Законы движения с модификациями.

2.2.4 Прочие законы движения.

2.3. Сравнение и выбор основных законов движения.

2.4. Параметрическая универсальная кривая закона движения

2.4.1. Композицияпараметрической-универсальной кривой.

2.4.2. Уравнения вычисления характеристик ведомого звена.

2.4.3. Примеры применения подпрограммы для параметрической универсальной кривой.

2.5. Выводы но второй главе.

Глава 5 Вычисление профильной поверхности кулачка по теории сопряжённых поверхностей

3.1. Системы координат в кулачковых механизмах и их преобразование.

3.2. Универсальные уравнения вычисления профильных поверхностей кулачков.

3.2.1. Теория шпряжённыхповерхностей^кулачковых механиках.

3.2.2. Ушверсальные уравнения профильной поверхности кулачка.

3.3. Вычисление профильной поверхности для распространенных кулачковых механизмов

3.3.1. Дисковый кулачковый механизм с роликовым ведомым звеном. 77 332*. Дисковый кулачковый механизм с плоским ведомым звеном 82 33,3 г Пространственный кулачковый механизм с концентрическим роликом---------------———----------------—------------.—

3.4. Угол давления: ведомого звена и кривизна профильных поверхностей———

3" At. Угол давления —.———„

З АЛ* Кривизна профильных поверхностей ——.------------------------- 94'

3.4.2.1. Дисковьш кулачковые механизмы: с роликовым ведомым: звеном.^—

3.4.2.2:. Дисковьш кулачковые механизмы с плоским ведомым звеном. .. . .-----------------.

3.4.2.3. Пространственные кулачковые механизмы с концентрическим роликом.

3.5. Выводы по третьей главе-.

Глава 4 Динамика кулачковых механизме». Проектирование динамического кулачка

4.1. Быстродействующие куяачшвж механизмы.

4.2. Источники вибраций.

4.3. Разработка динамическоймодели кулачшвого механизма-.

4.3.L Ашрошшщт. реальноймодели—

4.3.2. Определение параметров динамической модели звеньев механизма.

4.3.3. Передаточное отношение и преобразование параметров.

44. Дифференциальные уравнения движения ведомого звена с учётом упругости звеньев как системы с одной степенью свободы.

4.5. Дифференциальное уравнение реального движение ведомого звена с учетом упругости звеньев как системы со многими степенями свободы.

4.5.1. Днфференциапьное уравнение реального движения со многими степенями свобода ^——

4.5.2. Модштзый анализ кулачкового механизма.

4.5.3. Динамический отклик.

4.6. Проектирование динамических кулачшв.

4.7. Вывода ие четвертой шаве.

Глава 5 Интегрированная параметрическая система САВ/САМ проектирования кулачковых механизмов.

5.1. Общая структура системы CAD/GAM проектиования кулачшв.

5.2. Процесс работы и применение системы GGDCa«&.

5.2.1. 0&цеео1ШйМЮ: шетеш CKxDCams.

5.2.2. Процесс- работы системы GGDCams.

5.3. Построение параметршошнной трёхмерной твердотельной модели кулачковых механизмов и автоматическое черчение.

5.3 .1. Параметрическое проектирование и система T-FLEX CAD 148 5.3.2. Построение параметрической модели кулачкового механизма.

5.3.3 . Оформление чертежей.

5.3.4. Построение графиков характеристик движения ведомого звена.

5А Моделирование дшшх купаяжовьгх мехадазмов----------------------------------------.

5.4.1. Управление изменением нескольких переменных с помощью механизма OLE Automation прямо.

5.4.2. Одновременное управление набором данных с помощью баз, данных.

5.4.3. Параметрическая трёхмерная твердотельная модель к моделирование цетиадричесшш^лачковою механизма.

5.5. Практическое применение.

5.5Л . Немного истории,,

5.5.2. Практическое применение.

5.6. Вывода по гогазй гааве,.,---------.——-------------------------------— лючение.

Мив1|ф».17$

Актуальность»

Одной из важнейших задач современности является повышение надёжности и качества машин, приборов и механизмов, снижение затрат и времени на их проектирование и изготовление, обеспечение экономической эффективности при их эксплуатации.

Одним из наиболее рациональных и надёжных средств механизации и автоматизации в современном машиностроении и приборостроении являются кулачковые механизмы.

Кулачку можно придать любые очертания, и благодаря этому его легко приспособить к разным инженерным требованиям. По сравнению с другими механизмами и устройствами кулачковые механизмы обладают рядом преимуществ: простота и компактность конструкции, большая жёсткость и высокая надёжность в работе, низкая себестоимость изготовления, а также возможность воспроизведения почти любого закона движения исполнительного звена с необходимой точностью. Поэтому кулачковые механизмы широко применяются в машиностроении, приборостроении, в лёгкой промышленности и других отраслях. Несмотря на то, что микроэлектронная техника, техника числового программного управления и техника гидравлическо-электронного управления быстро развиваются, но они пока не могут поколебать позицию кулачковых механизмов в механизации и автоматизации.

Однако проектирование и изготовление кулачковых механизмов процесс сложный и трудоёмкий. Точность обработки профильной поверхности кулачка прямо влияет на качество работы механизма. Хотя современные многоцелевые станки и САПР широко используются в машиностроении, но из-за отсутствия необходимого программного обеспечения для автоматизированного проектирования кулачков многие предприятия ещё применяют старые методы для расчёта и изготовления кулачковых механизмов, что не обеспечивает нужную производительность и качество.

Применение интегрированной системы CAD/CAM позволяет повысить производительность и качество, ускорить сроки подготовки производства, облегчает труд конструктора, освобождая его от рутинной работы, помогая рядовому инженеру быстро овладеть специальными знаниями и методами проектирования, а также возможностью выполнять моделирование и анализ характеристик движения, предотвращая уже на ранней стадии проектирования большинство возможных ошибок. Следовательно, разработка интегрированной системы CAD/CAM для кулачковых механизмов является очень актуальной задачей.

Скорость - это свойство, отражающее рабочий эффект технологических машин. При работе на высокой скорости применение обычного метода проектирования кулачковых механизмов часто не обеспечивает выполнение служебного назначения машины. По мере увеличения рабочей скорости кулачковых механизмов увеличивается сила инерции, повышаются упругая деформация звеньев и колебания кулачкового механизма, которые приводят к нарушению закона движения, и вызывают динамические перегрузки. Поэтому, в основу системы CAD/CAM кулачковых механизмов должны быть положен комплексный подход* учитывающий геометрию, скорость и динамические факторы.

Несмотря на то, что в настоящее время используются различные методы профилирования кулачков, начиная от графо-аналитических и заканчивая системами CAD, тем не менее появление механизмов с новыми законами движения требует разработки дополнительной алгоритмов и программ, к тому же имеющиеся системы CAD слабо связаны с системами САМ. В этом состоит актуальность работы.

Пель работы. Повышение эффективности и сокращение сроков конструкторско-технологического проектирования кулачковых механизмов на основе использования системы CAD/CAM.

Объект исследования - различные кулачковые механизмы, а предметом исследования стали автоматическое вычисление, проектирование кулачковых механизмов, выполнение моделирования, анализ характеристик движения и динамических откликов кулачковых механизмов.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на использовании соответствующих разделов теории машин и механизмов, теории колебаний, теории дифференциальных уравнений, линейной алгебры, а также основных положениях технологии машиностроения.

Научная новизна. Разработка комплексной математической модели профилирования кулачков на основе универсальной кривой движения, позволяющей установить связи между законом движения и геометрическими, кинематическими и динамическими факторами. При этом получены следующие научные результаты:

1). Реализация концепции параметризации универсальной кривой закона движения, позволяющей с единых позиций производить вычисления законов движения ведомого звена.

2). Вывод универсальных уравнений профильной поверхности кулачка и разработка метода вычисления.

3). Динамическая модель кулачкового механизма как механической системы со многими степенями свободы.

4). Трёхмерная параметрическая твердотельная модель кулачковых механизмов.

5). Информационное, алгоритмическое и программное обеспечение системы CAD/CAM для кулачковых механизмов.

Практическая ценность работы заключается в:

1). том, что первые в Китае разработана параметрическая интегрированная система CAD/CAM для кулачковых механизмов;

2). разработке программно-методического обеспечения по автоматизированному проектированию кулачковых механизмов и их программирования для ЧПУ с помощью универсальных математических моделей;

3). методике исследования и разработке алгоритмов универсального вычисления закона движения ведомого звена, а также профильной поверхности кулачкового механизма;

4). создании методик построения параметрической твердотельной модели и моделирования движения кулачковых механизмов.

Исследование опирается на глубокие результаты дифференциальной геометрии. Поэтому для того, чтобы их применить в практике, а значит использовать современную вычислительную технику, необходимо было разработать программное обеспечение, которое содержится в Приложении I, реализована в ОС Microsoft Windows 98/NT/2000

Реализация работы. Разработанная интегрированная параметрическая система CAD/CAM для кулачковых механизмов, которая называется системой GGDCams, была внедрена в производство на следующих предприятиях: завод «Гуанчжоуские велосипеды», машиностроительный завод «Гонконг Хонфа» (в городе Шундэ), компания водонагревателей «Ванцзалэ», завод штампов «Сихуай Ченчжи», научно-исследовательский институт «Хуанань Лигон», научно-исследовательский институт «Гуанчжоуские станки» и др. Кроме того, система GGDCams используется в учебном процессе на кафедре машиностроения Гуандонского Технологического Университета (ГТУ) и кафедре основ конструирования машин МГТУ «СТАНКИМ».

Апробация работы. Основные выводы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Гуанчжоуской выставке программного обеспечения (1998 г. в городе Гуанжоу), на аттестационном заседании Учёного Совета провинции Гуандон (28, сентября 2000, в городе Гуожоу); результаты работы полностью доложены и одобрены на заседании кафедры машиностроения ГТУ, а также кафедры основ конструирования машин МГТУ «СТАНКИН».

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложении. Объём диссертации 199 страниц, библиография 87 наименований.

Выводы диссертации:

1). В результате анализа существующих методов проектирования кулачковых механизмов было выявлено, что

- при проектировании как правило, не учитываются динамические факторы и возникают определённые сложности профилирования пространственных кулачков.

В связи с этим полнота и достоверность используемых зависимостей недостаточна для адекватного профилирования. Точность профилирования может быть повышена на основе использования универсальной кривой и при учёте динамических факторов.

2). С целью получения аналитической зависимости для универсальной кривой была проведена классификация законов движения, используемых для обеспечения показателей служебного кулачковых механизмов.

3). Параметризация кривой с учётом конструктореко-технодогических и физико-механических ограничений для конкретных требований, вытекающих из служебного назначения механизма, позволяет путём изменения графика универсальной кривой получить разнообразные законы движения. Таким образом, на основе понятия универсальной кривой кулачка, может быть создана параметрическая универсальная математическая модель закона движения. Как показал анализ погрешности аппроксимации известных законов движения с помощью универсальной кривой не превышает 5%.

4). Для разработки универсального метода проектирования и расчёта кулачковых механизмов на основе теории сопряжённых поверхностей предложена универсальная кривая профиля кулачка.

5). Разработанное информационное и программное обеспечение для оптимального профилирования кулачков удовлетворяют основным требованиям к средствам моделирования: универсальности, проблемной ориентации, гибкости, модульности структуры.

6). Традиционные или с учётом динамических факторов методы проектирования кулачковых механизмов должны выбираться в соответствии с полученными критериями. Необходимость динамического анализа зависит от упругости звеньев и собственной частоты, а также от закона движения и вращательной скорости кулачка. На основе закона движения, собственной частоты и вращательной скорости можно построить спектры динамических откликов. По спектрам судят о том, относится ли кулачковый механизм к динамическому или кинематическому типу.

7). Поверхности координат траекторий режущих инструментов, составление программ для станков с ЧПУ должны вычисляться на основе теории сопряжённых поверхностей. На основе разработанного модуля позволяющего редактировать управляющие программы и выполнять имитацию траектории режущего инструмента.

8). Оценки характеристик движения и предотвращение ошибок на ранней стадии проектирования следует проводить на основе методики построения твердотельной модели и кинематического моделирования кулачкового механизма.

9). Разработана компьютерная программная система. Данная система реализована в среде Microsoft Windows 98/NT/2000. Отдельные её модули используют Visual Basic 6 (программирование), Microsoft Access 97 (базы данных) и T-FLEX CAD 7,0 (построение твердотельной модели кулачкового механизма и выполнение моделирования).

10). Разработанное методическое и программное обеспечение используется в качестве системы CAD/CAM на предприятиях КНР (завод «Гуанчжоуские велосипеды», машиностроительный завод «Гонконг Хонфа», компания водонагревателей «Ванцзалэ», завод штампов «Сихуай Ченчжи», научно-исследовательский институт «Хуанань Лигон», научно-исследовательский институт «Гуанчжоуские станки» и др.) и на кафедре ОКМ МГТУ «СТАНКИН» и в Гуандонском Технологическом Университете на кафедре машиностроения.

Отличие специфики нашей работы от других подобных исследований

Исследована универсальная кривая закона движения; создана параметрическая универсальная программа для вычисления законов движения ведомого звена, с помощью которой можно не только вычислить характеристики движения ведомого звена, но и построить новые законы движения, удовлетворяющие специальным требованиям, а также оптимизировать характеристики движения ведомого звена. На основе теории сопряжённых поверхности описан универсальный метод вычисления профильной поверхности кулачков, выведены универсальные уравнения профильной поверхности кулачков.

С помощью модального анализа проанализирован динамический отклик кулачкового механизма со многими степенями свободы. Построена параметрическая трёхмерная твердотельная модель кулачковых механизмов, выполнено кинематическое моделирование кулачковых механизмов

Перспективы дальнейшей работы

Исследования проектирования и обработки различных пространственных кулачковых механизмов.

Типов кулачковых механизмов много, различные пространственные кулачковые механизмы часто используются в машиностроении и лёгкой промышленности. В настоящее время большинство исследований проводятся только для дисковых кулачковых механизмов. Следовательно, актуальна разработка системы CAD/CAM для различных пространственных кулачковых механизмов. Оптимизация кулачковых механизмов

Оптимизационное проектирование предлагает оптимальные параметры, которые используются для повышения качества проектирование кулачковых механизмов. Создание математических модели различных оптимизационных целей, выполним оптимизационное проектирование кулачковых механизмов, чтобы облегчить инженерам выбор оптимального варианта проектирования Интеллектуальное проектирование

Интеллектуальное проектирование обладает рядом преимуществ. Оно: а) повышает качество проектирования; б) облегчает труд инженера, освобождая его от рутинной работы; в) помогает рядовому инженеру быстро овладеть специальными знаниями и методами проектирования; г) увеличивает уровень стандартизации изделий.

С помощью искусственного интеллекта создаются базы знаний, и эксперт-система CAD/CAM для проектирования и обработки кулачковых механизмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Борисов В. Д. Кулачковые механизмы в приводах станков и прессов. Алгоритмы автоматизированного расчёта и проектирования Москва: МГТУ «СТАНКИН» 1993.

2. Ротбарт Г. А. Кулачковые механизмы. Ленинград: Судпромгиз, 1960. -336 с.3. ПШ- й&ЗД&Ш. 4Ш: 1993.

3. Решетов Л. Н. Кулачковые механизмы. Москва: Мажгиз. 1953.

4. Решетов Л. Н. Кулачковые механизмы Москва: Машшз 1948.6. шшт тшшш 1995.7. мтши пш. ттттжша. ш-. 1990.

5. Авраамов А. А., Бушуев В. В., Верейкин Н. Н. Гаврюшин А. А., и др. Станочное оборудование автоматизированного производства Том 1 //М., Изд-во «Станкин», 1993. 584с.

6. Авраамов А. А., Бушуев В. В., Варламов А. М., Еремин А. В., и др. Станочное оборудование автоматизированного производства Том 2 //М., Изд-во «Станкин», 1994. -656 С.т. ш> шшт, gmm, wex шхфшшшятшшж

7. АТС) ЖЖ: ШШШЖЩШШ. 2000(8).

8. Орликов М. Л. Кулачковые механизмы машин-автомамов Киев-М.: Машгиз1955.

9. Вяткин Г. П. Построение профиля кулачка Москва: СТАНКИ 1970.

10. Румяецев А. В, Технология изготовления кулачков Москва: Машиностроение, 1969. 232 стр.

11. J.Volmer Щ, ПШР, ШШЖ ДШШ ЛЖ: 1983.21. шш. Йттш^. ш-.шх^жштб.22. шммшшм&тшт сш&тштттж, шштттш,1990.

12. ШШШШ, CAD/CAM ШЯ, Ш: 1994.

13. Jensen P. W. Cam Design and Manufacture Marcel Dekker Inc. New York, 1987.25. йшшт\. ш-. штш-пшъ. тз.

14. Решетов Л. Н., Торопыгин Е. И. Профилирование кулачков по кривымконического сечения. Москва: Машиностроение, 1966.-152 с.

15. Левитский Н. И. Кулачковые механизмы Москва: Машиностроение, 1964-287 стр.

16. Tesar D. and Matthew G. К. The Dynamic Synthesis, Analysis and Design of Modeled Cam Systems, Lexington Book, 1976.29. ШШШ. Ш: 1986.

17. Chen F. Y., Mechanics and Design of cam Mechanisms, Pergamon Press Inc. New1. York, 1982.

18. Попов H. H. Расчёт и проектирование кулачковых механизмов. Москва:

19. Машиностроение, 1980. 214 с.

20. J. Chakrabosty and S. G. Dhande, Kinematics and geometry of planar and spatialcam mechanisms, John Wiley & Sons, 1977.

21. Борисов В. Д. Автоматизированный расчёт пространственных кулачковых механизмов Москва: Станки и инструмент, 1991 № 01.

22. Ш CADЙШ, 1994*14 Я, р. 15 -16.

23. ШШ,, ШШШ, «к cad/cae/cam ЖШШ m%.JfU 2000, №06.42. шшш, тж, жш, tmт, шг шшжттщ%жжcad ш: шжшхшшш 1998, №03.

24. Левитский н. и. Алгоритмы проектирования схем механизмов Москва: изд-во «Наука» 1979.

25. Шелофаст в., Григорьев с. арм WinCam Среда для проектирования механизмов. сапр и графика, 1999, №01.

26. MiEtt, тшш, тттм'жт дштчтпзтттш -шжт&а2001 №03.56. шш, шщ, жш, шш. ш cad ^шштштмшттш1. Шй. ШМ^ЧШ 1998, 04.57. ш шб,№оз.58. ШШШ,МХПШ. «И. 1989.

27. Фролов К. В. Теория механизмов и машин. М., Высшая школа, 1987.60. к. в. Ш, тш Ш- ШШШШ тЩШМШ^, mi.

28. Кураксин Сергей, АО «Топ Системы». Итоги 2001 года, Москва: САПР и графика 2002 №02.

29. Бикулов С.А. Переход от 2d к 3d в t-flex cad Москва: САПР и графика 2000 №12.

30. Пуш А. В. Моделирование станков и станочных систем Конструкторско-технологйческая информатика -2000 Труды конгресса. В 2-х т.т. Т. 2.IV международный конгресс. -М.:Изд-во «СТАНКИН», 2000. -114-119 с.

31. Зуева Т. Б., Бикулов С. А., Баранов Л. В. Анимация в системе T-FLEX CAD Москва: САПР и графика 2001, №7.74. хш Iттштттш^ ттхшт±, то.

32. Бать М. И., Джанелидзе Г. Ю.5 Кельзон А. С. Теоретическая Механика в примерах и задачах: Статика и кинематика: Москва: Изд. «Политехника», 1995.-670 с.76. m%z, шшшшяштш.1990.77. тт тшш ш% штш,78. хттш, шшшшшшж, тьх&шшп, 1989.79. тшшхтт&цттш, штхшш, те.

33. Орликов М. Л. Динамика станков Киев: Высшая школа. Головное изд-во,1989. 272 с,81. ШР тш, тттшшцш, штхшшшлш.

34. Отто. Дж М. Смит Автоматическое регулирование Москва: Физико-математической литературы 1962.

35. Уиттекер Э. Аналитическая динамика Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет», 1999. 588 с.84. шжх?шшштт хш^ж^шшчшшт Ш: л mm1. ШШ± 1978.

36. Бугров Я. С., Нишльский С. М. Дифференциальные управления. Кратные интегралы. Ряды. Функции комплексного переменного, М.:Наука. 1981.

37. Выгоский MJL Справочник по высшей математике Москва: ДЖАНГАР, 1999.

38. Visual Base 6.0 Programmer's Guide Microsoft Press 1998.