автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Кинематический синтез плоских рычажных механизмов третьего класса с выстоями выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме

од

1 4 ДЕК 19рч

На правах рукописи

СОЛОМИН ВЯЧЕСЛАВ ЮРЬЕВИЧ

КИНЕМАТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ПЛОСКИХ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ ТРЕТЬЕГО КЛАССА

С ВЫСТОЯМИ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА В КРАЙНИХ ПОЛОЖЕНИЯХ ПО ЗАДАННОЙ ЦИКЛОГРАММЕ

Специальность 05.02Л8 - Теория механизмов и машин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степеш! /

кандидата технических наук /

Омск -1998

Работа выполнена на кафедре "Автоматизация и робототехника" Омского государственного технического университета

Научный руководитель:'

доктор технических наук, профессор В. Г. Хомченко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А. И. Смелягин

(НГТУ, г. Новосибирск) кандидат технических наук, доцент Ю. И. Евдокимов

(НСИ, г. Новосибирск)

Ведущее предприятие: НПО "ПРОГРЕСС" (г. Омск)

Защита диссертации состоится Я^-с^г^я* 1999 года на заседании диссертационного совета Д 063.23.02 Омского государственного технического университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ.

Просим Вас и заинтересованных лиц Вашего учреждения принять участие в заседании совета или прислать свои отзывы.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира 11, диссертационный совет Д 063.23.02. Ученому секретарю.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного ©

д.т.н., профессор

Актуальность проблемы. Развитие современного производства предполагает внедрение автоматизированных участков, робототехнических комплексов, машин-автоматов и манипуляторов. Одним из перспективных направлений создания новых средств автоматизации циклических движений исполнительных органов машин-автоматов и манипуляторов является использование рычажных механизмов. Реализация возвратно-вращательных и возвратно-поступательных видов движений рабочих органов по заданной циклограмме, включающей в себя остановки выходного звена в одном или двух его крайних положениях, может быть обеспечена рычажными механизмами третьего класса. Данные механизмы обладают преимуществами, свойственными рычажным механизмам, и, кроме того, позволяют создавать исполнительные механизмы на основе одномодульных рычажных схем, что по сравнению с многомодульным принципом построения механизмов второго класса дает возможность получать более компактные конструкции при одинаковой точности выстоявыходного звена. Обзор существующих методов кинематического синтеза и анализа механизмов третьего класса позволил выявить недостаточное развитие методов проектирования механизмов по наперед заданной циклограмме, ориентированных на использование в конструкторской практике.

В связи с этим актуальным является создание простых инженерных методов кинематического синтеза плоских рычажных механизмов третьего класса, позволяющих реализовывать циклограммы с одним и двумя выстоями выходного звена в крайних положениях, и проведение оптимизационного синтеза названных механизмов с использованием в качестве критерия кинематической погрешности выстоя выходного звена.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных научных исследований ОмГТУ (тема МФ29/2-97 "Оптимизационный синтез рычажных механизмов с выстоями как управляющих кинематических цепей исполнительных устройств цикловых машин-автоматов и манипуляторов").

Цель работы заключается в создании методов кинематического синтеза плоских рычажных механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена в его крайних положениях по наперед заданной циклограмме и алгоритма оптимизационного синтеза таких механизмов.

Научная новизна.

1. Разработан графический метод кинематического синтеза плоских рычажных механизмов третьего класса с выстоями выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме, позволяющий посредством простых графических приемов вести построение механизма от входного звена к выходному.

2. Разработана методика поуровневого построения и идентификации всех возможных при данном методе синтеза модификаций механизмов третьего класса с выстоями выходного звена в крайних положениях.

3. Разработан сонаправленный с графическим аналитический метод синтеза механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме. Данный метод обеспечивает использование единой математической модели механизма определенного типа для описания всех возможных модификаций механизма.

4. Выявлены все возможные модификации шести основных типов механизмов 3-го класса свыстоем выходного звена в одном крайнем положении, три из которых

обеспечивают возвратно-вращательное, а три — возвратно-поступательное движение рабочего органа, а также все возможные модификации шарнирного механизма 3-го класса с выстоями выходного звена в двух крайних положениях.

5. Обоснована возможность использования предложенного подхода к разработке методов кинематического синтеза других типов механизмов 3-го класса, обеспечивающих выстой выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме.

6. Составлены алгоритмы анализа и оптимизационного синтеза по заданной циклограмме механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена.

Практическая ценность работы заключается

— в разработке метода кинематического синтеза по наперед заданной циклограмме механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена в крайних положениях, приемлемого для применения в инженерном проектировании названных механизмов как исполнительных устройств современного технологического оборудования;

—в создании алгоритм а и пакета прикладных программ, обеспечивающих синтез названных механизмов и позволяющих проектировать механизмы в интерактивном режиме с предоставлением возможности визуализации графических построений;

—в создании учебного стенда на базе шарнирного механизма 3-го класса с двумя выстоями выходного звена в крайних положениях и внедрении его в учебный процесс;

—в разработке на базе механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена ряда устройств манипуляторов и машин-автоматов, внедряемых в условиях современного производства, что подтверждено актами внедрения.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались назаседании Западно-Сибирского филиала Семинара РАН по ТММ (Новосибирск, 1998), на Второй международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин"(Омск, 1997), на научно-технических конференциях ОмГТУ, а также на кафедре автоматизации и робототехники ОмГТУ.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано шесть научных работ.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 161 наименование, и приложений. Основной текст изложен на 152 машинописных страницах, поясняется 98 рисунками и 8 таблицами. Общий объем диссертации с приложениями составляет 203 страницы.

В первой главе выявлена необходимость создания средств автоматизации, обеспечивающих реализацию циклограмм движений рабочих органов машин-автоматов и манипуляторов с выстоями в одном или двух крайних положениях при минимальном воздействии на них со стороны системы управления. В качестве базовых механизмов для реализации движений рабочих органов предложены плоские рычажные механизмы 3-го класса, позволяющие за счет создания одномодульных конструкций обеспечить с достаточной точностью выстой выходного звена. Произведен критический обзор имеющихся методов анализа и синтеза механизмов 3-го класса. Основы теории синтеза и анализа рычажных механизмов 3-го и болеевысоких классов заложены в работах И .И. Артоболевского,

У.А.Джолдасбекова,Ж.Ж. Байгунчекова,В. И.Доронина,Э. Б. Пейсаха, К.С.Иванова, В. Г. Хомченко, Ю.И. Евдокимова, А. А. Романцева, В. М. Абрамова, К.Ханна, В. Име, А. Эрдмана, П. Райкова, П. Симионеску, Йанг Тинг Ли и других ученых. Отмечено, что вопрос адаптации современных методов синтеза и анализа данных механизмов для инженерного проектирования решен не полностью ввиду их сложности и недостаточного развития простых методов графического и аналитического синтеза механизмов 3-го класса. Совокупность полученных данных позволила сформулировать цель работы и определить основные задачи для ее достижения.

Во второй главе предложены графический и аналитический методы кинематического синтеза рычажных механизмов 3-го класса, имеющих возвратно-вращательное движение выходного звена с выетоем в одном из его крайних положений по заданной циклог рамме.Рассмотрен синтез трех основных типов механизмов: шарнирного, хривошипко-кулисного и кривошипно-коромыслового с поступательным движением промежуточного звена.

Графический метод проектирования позволяет вести построение механизма от входного звена к выходному (рис.1). Графический синтез механизма осуществляется путем построения четырех положений кинематической схемы механизма, соответствующих его предельным положениям при мгновенной остановке и на интервале высгся, а также положениям, совпадающим с началом и концом интервала выстоя.

Яа примере шарнирного механизма 3-го класса опишем последовательность графического построения всех возможных модификаций данного типа механизма.

Первый уровень построения модификаций механизма основывается на использовании хорды q , стягивающей положения шатуна В]Е1 в точках В', В/, соответствующих началу и концу интервала выстоя ф^(рис. 1). В общем случае при обеспечении равномерного приближения шарнир Е1 шатуна В можно располагать на прямой У/У/ (серединный перпендикуляр к хорде q¡) в двух положениях Е' при длине шатуна В1Е1, равной Ъ}. Для идентификации положений точки Е1 на линии У ¡У/ введем целочисленный параметр 1Г Этотпараметр принимает значение, равное

1, если на интервале выстоя исходный механизм проходит через внутреннее предельное положение, и значение, равное -1, если через внешнее. Первый уровень построения модификаций будет аналогичен для всех других типов механизмов 3-го класса с одним выетоем выходного звена.

Второй уровень построения модификаций получается при использовании хорды

2, стягивающей точки Е/ и (точка Е"" соответствует предельному положению центра шарнира Е1 на интервале выстоя). Возможные положения точки С] лежат на серединном перпендикуляре Аулу хорды g. Положения Су точки С; относительно отрезка Е/Е"" можно выразить при помощи целочисленного параметра Параметр 3] принимает значение, равное 1, если поворот на острый угол отрезка Е™Е' к отрезку ¿уС(' наблюдается по часовой стрелке, и равный -1, если против часовой стрелки.

Третий уровень построения модификаций определяется возможными положениями точки В1 относительно хорды Б", стягивающей положения точек су и С/ шарнира С1 в начале и конце интервалов движения. Возможные положения центра

Рис Л. Рычажный шарнирный механизм 3-го класса с выстоем выходного звена в его крайних положениях

вращения выходного коромысла определяются при помощи целочисленного параметра^. Этот параметр принимает значение, равное -1, если поворот на острый угол отрезка С/С° к отрезку С1°В1 будет иметь положительное значение (откладывается от отрезка С/С° против хода часовой стрелки). В противном случае значение К1 будет равно1.

Таким образом, заданная циклограмма может быть осуществлена восьмью модификациями шарнирно-рычажного механизма 3-го класса.

В работе предложен метод аналитического синтеза, сонаправяенный с графическим методом и дополняющий его. Аналитические зависимости для расчета вычисляемых параметров рассматриваемого механизма получены с использованием двух систем координат (рис. 1). Система х^р,, связанная с проектируемым механизмом располагаетя так, чтобы ось абсцисс А[х1 совпала с положением механизма, которое соответствует мгновенной остановке выходного звена. Вторая система хА р связана с корпусом машины-автомата.

В системе х}А 1у1 определяются координаты положений шарниров С ", Р]1,

Нручитывая параметры модификаций и 7Г Рассчитывается относительная

длина с> звена 01С! и межцентровое расстояние ¿1'.

сГ0,58?/яп(0,5где З^х^/У+^+у^2]0^

хГхс10+с1соУГУс10+с^пС!т'

ц/ угол поворота выходного звена за интервалы движения.

Расчет относительных длины промежуточного коромысла 171Н1 и межцентрового расстояния ¿^производится по формулам:

^гК^Г+^-у,/)2]01-, ¿гЫ+уЛ",

гдед:к=(крю-уГ}+ус11-каг>)/(к-к1>, у=к/хк-х^+у„, хрГ0,5(хп>+хГ10)-,

У„=0.5б>„>-уп»)-, к ^ -0,5ж)- 1п=Ъ(ъц-к+г\-0.5гГ/,

Определяются значение малого угла размаха выходного звена механизма за интервал выстоя, характеризующего кинематическую погрешность выстоя, и значение угла р, между линиями Ар1 и А^!'.

\[// =агссо^и2+с12-([+с11Р)/р1)-агссоз((<^ы2+с1г-р^р)-, р~агс^((с12+(12-(х1Гх/-(у1Гу/)Ш^1),

где РгМ^РгЫ-хУ+Ы-У/,

Равномерное приближение на интервале выстоя обеспечивается путем численного решения уравнения я-(у "+0,5<ц/)=(), корень Ц1"* которого используется для расчета длины (^выходного коромысла.

Положение механизма относительно системы координат хАу задается углом рг заключенным между осью абсцисс Аух и межцентровой линией Арг Угол поворота <р,й системы координат механизма х/1!у! относительно общей системы координат А,ху\ <р/0^Р;+рг где p,-sign(-yJarccos(x/с}^.

Угол 5 определяет положение выходного звена в основной системе координат хА .у при сборке механизма:

5 ^¡гп^Г-УщМссоз^'-х^Юр?), где ор;=((хс;-х/+(уе;-у/г\- л/'^/с^г-ф/^+л/^Г-ф/Л-

ус1"*=-хс]в1т(-<р]0)+ус1ссоз(-(г>10); хт,и уы, — координаты В1 в системе координат л-Ар.

Для получения абсолютных значений кинематических параметров в соответствии с заданным межцентровым расстоянием необходимо умножить относительные значения линейных кинематических параметров на масштабный коэффициент ц= ¿.¡^■/¿у где «/ абсолютное значение межосевого расстояния/}^.

Полученные аналитические выражения позволяют определять рассчитываемые кинематические параметры и кинематическую погрешность позиционирования выходного звена на интервале выстоя механизма с учетом его возможных модификаций.

В третьей главе рассматриваются вопросы кинематического синтеза рычажных механизмов 3-го класса, имеющих возвратно-поступательное движение выходного звена с выстоем в одном нз его крайних положений по заданной циклограмме. Рассмотрен синтез трех основных типов механизмов: кривошипно-ползунного, синусного и кривошипно-ползунного с поступательно движущимся промежуточ-

нымзвеном. Нарис. 2показан синтезированный кривошипно-ползунный механизм 3-го класса с поступательно движущимся промежуточным звеном. Методика кинематического синтеза данных типов механизмов совпадает с методикой, изложенной во второй главе, и предполагает первоначальное проведение их графического проектирования, основанного на простых приемах и позволяющего вести построение механизма от входного звена к выходному. На основе графического синтеза выявлены модификации механизмов и проведена их идентификация. При этом кривошнпно-ползунные механизмы 3-го класса, в зависимости от их типа, могут иметь от четырех до восьми модификаций.

Длярешения задачи аналитического синтезавводится системакоординат, связанная с проектируемым механизмом. Аналитические зависимости позволяют определить координаты положений шарниров синтезируемого механизма, относительные параметры кинематической схемы и кинематическую погрешность выстоя:

где г - угол между прямой С/С"" и прямой F/F".

Относительная длина рабочего хода выходного звена:

Рис.2. Кривошипно-ползунный механизм 3-го класса с поступательно движущимся промежуточным звеном в 4-х положениях

Получение абсолютных значений кинематических параметров и встраивание синтезированного механизма в систему машины-автомата осуществляется за счет угла и введения масштабного коэффициента (1= З'/З*0.

В четвертой главе предлагаются методы кинематического синтеза некоторых особых типов рычажных механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме. На примере шарнирного механизма 3-го класса (рис.3) рассмотрен метод кинематического синтеза механизмов с двумя выстоями выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме. Графический синтез данного типа механизма осуществляется за счет построения шести его положений: двух предельных положений на интервалах углов выстоя срв) и и четырех положений, соответствующих началу и концу интервалов углов выстоя (рис. 3). Построение модификаций в данном типе механизма производится относительно характерных хорд и 5/", стягивающих определенные

положения шарниров графически синтезируемого механизма, что позволяет построить и идентифицировать восемь модификаций. Математическая модель механизма с двумя выстоями строится по принципу, предложенному для механизмов с одним выстоем, и не требует значительного усложнения вычислительного аппарата. Аналитические зависимости позволяют определять координаты положений шарниров синтезируемого механизма, относительные параметры кинематической схемы и кинематическую погрешность выстоев. Абсолютные значения кинематических параметров определяются за счет введения масштабного коэффициента. В данной главе разработаны также методы графического синтеза ползунно-коромысловых механизмов 3-го класса с выстоем и механизмов 3-го класса, в которых базовое звено н шатун соединены поступательной парой.

В пятой главе разработаны алгоритмы анализа и оптимизационного синтеза механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена. Для анализа работоспособности синтезированного механизма применен метод замены входного звена. В качестве критерия работоспособности механизма на этапе его кинематического синтеза используется угол давления, значения которого должны удовлетворять неравенству Данный угол заключается между направлениями шатуна и вектора скорости шатунной точки базового звена (рис. 4).

В хачестве дополнительных критериев оценки работоспособности механизма могут быть использованы соотношения плеч и й., связывающих текущие положения шарниров Е1, и С] с мгновенным центром скоростей Я (рис.4). Изменение соотношений плеч й/йе и й/йг за полный оборот кривошипа характеризует распределение сил в механизме и может служить показателем его работоспособности. Введением ограничений й^^/г/й. и ктс>И/р11 определяются критические значения указанных соотношений.

При рассмотрении механизмов 3-го класса с одним выстоем для нахождения полной траектории шатунной точки ¿^достаточно принять звено Н1171 замыкающего чстырехзвеншгка Н]1т,Ср1 (рис. 1)за входное. В рычажных механизмах 3-го класса с двумя выстоями из-за более сложного движения звеньев замыкающего четырех-эвенника применение одного звена в качестве входного не решает поставленной задачи и позволяет найти только часть траектории шатунной точки.Поэтому на определенном интервале движения механизма требуется дополнительная перемена условного входного звена. На основании этого требования составлен алгоритм

анализа механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена в крайних положениях, который состоит то однотипных блоков, описывающих циклы движения условных входных звеньев, совокупность результатов расчета которых позволяет построить функцию положения механизма и графики, определяющие его работоспособность (рис. 5).

Для улучшения синтезированного механизма по критерию кинематической точности выстоя применен оптимизационный синтез.

Рис.4. Построение положений мгновенного центра скоростей Sv;;;c механизма 3-го класса и угла давления S

Зависимость критерия от свободных параметров синтеза образует критериальную функцию, в качестве которой используется аналитическая зависимость, описывающая кинематическую погрешность выстоя механизма: F^^z.x), где z,x — векторы соответственно назначаемых и свободных параметров синтеза.

Для обеспечения работоспособности и конструктивной приемлемости механизма вводится ряд обязательных и желательных дополнительных условий синтеза. К обязательным требованиям относится обеспечение существования механизма в определенной его модификации в виде замкнутой кинематической цепи во всем диапазоне возможных положений звеньев механизма. Желательные условия служат для установления допустимых областей существования параметров синтеза: ограничения на относительные длины звеньев, ограничения по наибольшему значению угла асимметрии циклограммы, ограничения на угол давления и приемлемые соотношения плеч передачи силового потока в механизме.

Исходя из этого составляется функция штрафа, которая определяет меру выполнения дополнительных условий синтеза механизма:

P(z,x)=P1+P^P+Pj, гд e>=IF9iS y9J; Р = WH((tnax{k/k, h/h J)f„^J;

P,"//)/(/«« ~ Vax(lma* -Wmax -IminX

j , 4 . ■

¡=1 ]-] где - максимальное значение угла давления на интервале движения и выстоя

механизма; iFÖ, Wv fV."" и - весовые коэффициенты при помощи которых

достигается возможность выделения наиболее важных показателей.

Сумма критериальной и штрафной функций составляет целевую функцию: Y(z,x)=F(z,x)+P(z,x).

Поиск оптимальных значений свободных параметров осуществляется по методу Гаусса-Зейделя, который предполагает поочередное изменение переменных. В качестве алгоритма движения к оптимуму по свободному параметру используется:

^xP-h^signfey.J, (к~1,.,.,К), где х£ и - значения л-го свободного параметра

синтеза соответственно в р-ой и (р+1)-ой точках процесса оптимизации; hk-задаваемый шаг при итерации по к-му параметру.

Для определения направления движения с шагом hk используется функция си-гналитета приращения целевой функции в окрестности р-oïi точки параметра хк. В соответствии с полученной выше целевой функцией и выбранным методом оптимизации составлен алгоритм оптимизационного синтеза рычажных механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена и соответственное программное обеспечение на языке программирования Turbo С 2.0.

#доп -----------------------------------------------Лч™-----

<Р, фи фчЗбво

Рис. 5. Характеристики механизма 3-го класса с двумя выстоями выходного звена: а - функция положения; Ь - изменение угла давления $ на интервале движения механизма; с - изменение отношения изменение отношения к/ке

В шестой главе на основе графических и аналитических методов кинематического синтеза по заданной циклограмме рычажных механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена синтезирован ряд исполнительных механизмов цикловых машин-автоматов и манипуляторов различного назначения. На базе шарнирного механизма 3-го класса с двумя выстоями выходного звена синтезирован механизм привода основного движения автоматического манипулятора для загрузки пресса холодной штамповки (рис. 6). Циклограмма работы манипулятора имеет следующие параметры: <р,=140°; ф>;=60°; ф2=140°; »¡/;й=60°. Модификация механизма: / = 1 ; ,/у=-1; К= 1. При максимальном радиусе зоны обслуживания автоматического манипулятора, равном 500 мм, точность позиционирования схвата робота в первой и второй точках выстоя будет составлять ±0,467 мм и ±0,134 мм соответственно, что удовлетворяет условиям поставленной задачи. Методика синтеза использовалась при разработке робототехнического комплекса на базе пресса КВ3732, что подтверждено актом внедрения (Авиационный завод, г. Улан-Уде).

На базе кривошипно-ползунных механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена в крайнем положении синтезированы механизмы привода подачи провода и перемещения конвейера автоматической линии по мерной подаче, резке и обработке провода, что подтверждено актом внедрения (Омский завод стиральных машин, г. Омск). Циклограмма движения ф,=130°; фв;=100°; 5. =500 мм. Модификация: 1-1; J=];K¡=\. Кинематическая погрешность выстоя Д.$у=±0,!77мм.

На базе кривошипно-подзунного механизма с одним выстоем синтезирована схема привода загрузочного устройства пресса полусухого прессования для производства строительных материалов, а также модернизированы устройства батанных механизмов ткацких станков Р-105-А и АТПР-120 для замены кулачковых устройств рычажными механизмами 3-го класса с выстоем выходного звена.

В приложении 1 представлены акты о внедрении результатов научных исследований в конструкторскую практику и учебный процесс.

В приложении 2 представлен пакет прикладных программ синтеза по заданной циклограмме механизмов 3-1 о класса с одним и двумя выстоями выходного звена.

Основные выводы:

1. Разработаны графические методы кинематического синтеза механизмов 3-го класса с одним и двумя выстоями выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме, позволяющие определять все возможные при данном методе модификации механизмов. Графические методы могут служить удобным и достаточно надежным инструментом при выборе типа и модификации механизмов с целью обеспечения рациональных компоновочных решений машин-автоматов.

2. Разработаны аналитические методы кинематического синтеза механизмов 3-го класса по заданной циклограмме, основанные на использовании единой математической модели механизма определенного типа, позволяющей учитывать все возможные модификации механизма.

3. Предложенные аналитические и сонаправленные с ними графические методы кинематического синтеза механизмов 3-го класса по заданной циклограмме являются достаточно простыми и приспособлены для их использования в инженерной практике при проектировании исполнительных механизмов цикловых машин-автоматов и манипуляторов различных отраслей промышленности.

4. Выявлены все возможные при данном подходе модификации шести основных типов механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена в одном крайнем положении, три из которых обеспечивают возвратно-вращательное, а три — возвратно-поступательное движение рабочего органа, а также все возможные модификации шарнирного механизма 3-го класса с выстоями выходного звена в двух крайних положениях.

5. Использованный при разработке методов синтеза рассмотренных семи типов механизмов 3-го класса подход может быть применен и для других типов механизмов 3-го класса, обеспечивающих выстой выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме.

6. Сформулированы основные и дополнительные (обязательные и желательные) условия оптимизационного синтеза механизмов 3-го класса с выстоями, исходя из минимизации кинематической погрешности выстоя выходного звена. Получена целевая функция как сумма критериальной и штрафной функций.

7. Разработаны алгоритмы анализа и оптимизационного синтеза по заданной циклограмме механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена и соответствующее программное обеспечение с использованием языка программирования Turbo С 2.0.

8. Проведенные расчеты механизмов показали, что предложенные математические модели являются достаточной базой для разработки эффективных алгоритмов, обеспечивающих устойчивый поиск оптимальных значений свободных параметров синтеза.

9. Созданный пакет прикладных программ позволяет вести кинематический синтез механизмов в интерактивном режиме с предоставлением возможностей визуализации кинематических схем спроектированных механизмов, функций перемещений и других графиков. Возможность вести проектирование механизмов в диалоговом режиме может способствовать расширению области применения предложенных методов в конструкторской практике.

10. Проектирование с использованием разработанных методов синтеза испол-

нительных рычажных механизмов 3-го класса для ряда машин-автоматов показало, что такие механизмы могут обеспечивать с необходимой точностью реализацию заданных циклограмм.

11. Разработанная методика синтеза по заданной циклограмме рычажных механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена в крайних положениях и пакет прикладных программ были использованы в конструкторской практике при проектировании исполнительных механизмов машин-автоматов и в учебном процессе, что подтверждено актами внедрения.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы:

1. Соломин В.Ю. Алгоритм построения коромыслово-ползунного механизма третьего класса с приближенным выстоем выходного звена // Омский научный вестник . Омск. Вып. 1, 1997. стр. 43-44.

2. Соломин В.Ю. Синтез кривошипно-кулисного механизма 3-го класса с вы-стоем выходного звена, полученным за счет коромысловой диады // Динамика систем, механизмов и машин (2-ая Межд. научн.-техн. конф.: Тез. докл. Омск. 1997. Кн. 1. стр.53.

3. Соломин В.Ю., Хомченко В.Г. Кинематический синтез шарнирных механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена в крайнем положении по заданной циклограмме // Омск. гос. техн. ун-т. -Омск, 1996.-8 е.: 1 ил. -Рус.-Деп. в ВИНИТИ 06.12.96, №3549-В96.

4. Соломин В.Ю., Хомченко В.Г. Методы графического и аналитического синтеза кривошипно-ползунных механизмов третьего класса с приближенным выстоем выходного звена // Омск. гос. техн. ун-т. -Омск, 1997.-12 с.: 4 ил.-Рус.-Деп. в ВИНИТИ 05.06.97, №1801-В97.

5. Соломин В.Ю., Хомченко В.Г. Модификации рычажного шарнирного механизма 3-го класса свыстоем выходного звена в крайнем положении по заданной циклограмме//Омск. гос. техн. ун-т.-Омск, 1996.-15 е.: 8 ил. -Рус. -Деп. в ВИНИТИ

06.12.96, №3550-В96.

6. Соломин В.Ю., Хомченко В.Г. Синтез кривошипно-коромыслового механизма 3-го класса с выстоем выходного звена, полученным с помощью ползунной диады // Омск. гос. техн. ун-т. -Омск, 1997,- 16 с.: 4 ил. -Рус. -Деп. в ВИНИТИ

05.06.97, № 1799-В97.

Solomin Vyacheslav Yurievich

"Kinematic synthesis of plane lever mechanisms of third class with dwells of output link at the lower and upper limit positions per set cyclegramm"

Speciality 05.02.18. — The theory of mechanisms and machines

The dissertation is devoted to the problems of synthesis of plane lever mechanisms of third class that can realise dwell of output link at the limit positions per set cyclegramm.

There often is a necessity in the realising of cyclegramms with dwell(s) at the limit position(s) of the work organ movements in automatic cycle machines used in polygraphical, food, textile and other branches of industry. For this purpose, the kinematical properties of the plane lever mechanisms of third class are used. Taking into consideration the analysis results, it should be

said that similar mechanisms could create more simple constructions and receive higher dwell accuracy, than mechanisms of second and high classes.

The basis of the kincmatical synthesis is a graphical methods give opportunity to obtain all possible modifications for the basic types of third class lever mechanisms that carry out work organ movements with approximate dwell at the lower and upper limit positions. Analytical methods of synthesis describe the graphical ones. The capacity for work of synthesised mechanisms is defined by means of analysis. To improve the initial decision the algorithm of optimisation is developed. The result of the submitted approach is the defining of free parameters meanings for mechanisms to realise cyclegramm with dwell of output link at the limit positions.

ЛР№ 020321 ox 28.11.96

Подписано к печати ЗОЛ 1.98. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Усл.печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 54.

Издательство ОмГТУ, 644050, г. 0мск-50, пр. Мира,11

Омский государственный технический университет

На правах рукописи

Соломин Вячеслав Юрьевич

КИНЕМАТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ПЛОСКИХ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ ТРЕТЬЕГО КЛАССА С ВЫСТОЯМИ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА В КРАЙНИХ ПОЛОЖЕНИЯХ

ПО ЗАДАННОЙ ЦИКЛОГРАММЕ

Специальность 05.02.18 — Теория механизмов и машин

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор В.Г. Хомченко

Омск — 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение.............................................................................................................................4

Глава 1: Рычажные механизмы 3-го класса как исполнительные устройства цикловых машин-автоматов и манипуляторов.....................................................7

1.1 Современное состояние методов анализа и синтеза механизмов 3-го класса......8

1.2 Цели и задачи исследования.....................................................................................21

Глава 2: Кинематический синтез рычажных механизмов 3-го класса, обеспечивающих возвратно-вращательное движение выходного звена с выстоем в одном из его крайних положений по заданной циклограмме........................................................25

2.1 Кинематический синтез шарнирных механизмов 3-го класса.............................25

2.2 Кинематический синтез кривошипно-кулисных механизмов 3-го класса...36

2.3 Кинематический синтез кривошипно-коромысловых механизмов 3-го класса с поступательно движущимся промежуточным звеном.........................................................45

2.4 Выводы....................................................................................................................... 54

Глава 3: Кинематический синтез рычажных механизмов 3-го класса, обеспечивающих возвратно-поступательное движение выходного звена с выстоем в одном из его крайних положений по заданной циклограмме...............................................56

3.1 Кинематический синтез кривошипно-ползунных механизмов 3-го класса....... 56

3.2 Кинематический синтез синусных кривошипно-ползунных механизмов 3-го класса...........................................................................................................................................64

3.3 Кинематический синтез кривошипно-ползунных механизмов 3-го класса с поступательно движущимся промежуточным звеном...............................................................71

3.4 Выводы........................................................................................................................82

Глава 4: Кинематический синтез некоторых особых типов механизмов

3-го класса с выстоями выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме...................................................................................................83

4.1 Кинематический синтез шарнирных механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена в двух крайних положениях..................................................................................83

4.2 Синтез кривошипно-коромыслового механизма 3-го класса, в котором базовое звено и шатун В1Е1 соединены поступательной парой........................................................92

4.3 Синтез ползунно-коромыслового механизма 3-го класса с выстоем выходного звена в одном из крайних положений......................................................................................95

4.4 Выводы......................................................................................................................98

Глава 5: Анализ и оптимизационный синтез механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме..............................99

5.1 Анализ шарнирно-рычажных механизмов 3-го с одним и двумя выстоями выходного звена...........................................................................................................................101

5.2 Алгоритм анализа механизмов 3-го класса с одним и двумя приближенными выстоями выходного звена......................................................................................................109

5.3 Формирование целевой функции..........................................................................113

5.4 Алгоритм оптимизационного синтеза рычажных механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена............................................................................................................115

5.5 Выводы....................................................................................................................119

Глава 6: Использование плоских рычажных механизмов 3-го класса с выстоем

выходного звена в конструкциях цикловых машин-автоматов и манипуляторов.... 120

6.1 Автоматический манипулятор для загрузки пресса КВЗ732 холодной штамповки..................................................................................................................................120

6.2 Модернизация механизма загрузки матрицы вертикального пресса................124

6.3 Модернизация механизмов подвода и уплотнения уточной нити в ткацких станках........................................................................................................................................127

6.3.1 Проектирование батанного механизма пневматического ткацкого станка Р-105-А.........................................................................................................................................128

6.3.2 Проектирование батанного механизма пневморапирного ткацкого станка АТПР-120...................................................................................................................................130

6.4 Автоматическая линия для мерной резки, обжига проводов и напрессовки наконечников....................................................................................................................................133

6.5 Выводы...................................................................................................................... 136

Заключение....................................................................................................................137

Литература.....................................................................................................................139

Приложение 1. Акты о внедрении результатов научных исследований в конструкторскую практику и учебный процесс.................................................................153

Приложение 2. Пакет прикладных программ синтеза по заданной циклограмме ме ханизмов 3-го класса с одним и двумя выстоями выходного звена..................................157

Введение

Развитие современного производства предполагает внедрение автоматизированных участков, робототехнических комплексов, машин-автоматов и манипуляторов. Одним из перспективных направлений создания новых средств автоматизации циклических движений исполнительных органов машин-автоматов и манипуляторов является использование рычажных механизмов. Реализация возвратно-вращательных и возвратно-поступательных видов движений рабочих органов по заданной циклограмме, включающей в себя приближенные остановы выходного звена в одном или двух его крайних положениях, может быть обеспечена рычажными механизмами 3-го класса. Данные механизмы обладают всеми преимуществами, свойственными рычажным механизмам, и кроме того позволяют создавать исполнительные механизмы на основе одномодульных рычажных схем, что по сравнению с многомодульным принципом построения механизмов 2-го класса дает возможность получать более компактные конструкции при одинаковой точности выстоя выходного звена. Рассмотрение существующих методов кинематического синтеза и анализа механизмов 3-го класса позволило выявить недостаточное развитие методов проектирования механизмов по наперед заданной циклограмме, ориентированных на использование в конструкторской практике.

В связи с этим актуальным является создание простых инженерных методов кинематического синтеза плоских рычажных механизмов 3-го класса, позволяющих реализо-вывать циклограммы с одним и двумя выстоями выходного звена в крайних положениях, и разработка методов оптимизационного синтеза названных механизмов с использованием в качестве критерия кинематической погрешности выстоя выходного звена.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседании Западно-Сибирского филиала Семинара РАН по ТММ (Новосибирск, 1998), на Второй международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин"(Омск, 1997). По теме диссертационной работы опубликовано шесть научных работ.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 161 наименование, и приложений. Основной текст изложен на 152 машино-

писных страницах, поясняется 98 рисунками и 8 таблицами. Общий объем диссертации с приложениями составляет 203 страницы.

В первой главе выявлена необходимость создания средств автоматизации, обеспечивающих реализацию циклограмм движений рабочих органов с выстоями в одном или двух крайних положениях при минимальном воздействии на них со стороны системы управления. В качестве базовых механизмов для реализации движений рабочих органов предложены плоские рычажные механизмы 3-го класса. Произведен критический обзор имеющихся в настоящее время методов анализа и синтеза механизмов 3-го класса. Отмечено недостаточное развитие исследований по реализации кинематических возможностей механизмов 3-го класса и отсутствие простых методов их графического и аналитического синтеза, приемлемых для применения в конструкторской практике. Совокупность полученных данных позволила сформулировать цель работы и определить основные задачи для ее достижения.

Во второй и третьей главах рассматриваются соответственно вопросы кинематического синтеза рычажных механизмов 3-го класса, имеющих возвратно-вращательное и возвратно-поступательное движение выходного звена с его выстоем в одном из крайних положений по заданной циклограмме. Рассмотрен синтез шести основных типов механизмов. Методика кинематического синтеза механизмов предполагает первоначальное проведение их детерминированного графического проектирования, основанного на простых приемах и позволяющего вести направленное построение положений звеньев механизма от входного звена к выходному. На базе графического синтеза сформулированы основные принципы иерархического построения модификаций механизмов и их идентификации. При этом механизмы 3-го класса, в зависимости от выбранной схемы, могут иметь от четырех до восьми модификаций. Метод аналитического синтеза предполагает сонаправлен-ность с графическим методом. Полученные аналитические выражения позволяют определять рассчитываемые кинематические параметры и кинематическую погрешность позиционирования выходного звена на интервале выстоя механизма с учетом его возможных модификаций. Предусмотрен алгоритм встраивания синтезированного механизма в общую компоновку машины-автомата или манипулятора.

В четвертой главе предлагаются методы кинематического синтеза некоторых особых типов рычажных механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена в крайних по-

ложениях по заданной циклограмме. На примере шарнирного механизма 3-го класса рассмотрен метод кинематического синтеза механизмов с двумя выстоями выходного звена в крайних положениях по заданной циклограмме. Правила построения математической модели механизма с двумя выстоями строятся по ранее предложенному принципу и не требуют усложнения вычислительного аппарата. Также разработаны методы графического синтеза ползунно-коромысловых механизмов 3-го класса с выстоем и механизмов 3-го класса, в которых базовое звено и шатун соединены поступательной парой.

В пятой главе разработаны алгоритм анализа и оптимизационного синтеза механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена в крайних положениях. Для этого использованы взаимодополняющие методы аналитического синтеза и анализа механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена в одном из крайних положений. Проводится исследование и формирование основных и дополнительных условий оптимизационного синтеза. Формируется целевая функция, в качестве критерия принимается кинематическая погрешность вы-стоя выходного звена механизма на интервале выстоя. В целевую функцию включается функция штрафа.

В шестой главе на основе использования плоских рычажных механизмов 3-го класса с выстоями выходного звена синтезирован ряд исполнительных механизмов цикловых машин-автоматов и манипуляторов различного назначения.

Глава 1: Рычажные механизмы 3-го класса как исполнительные

устройства цикловых машин-автоматов и манипуляторов

В России и за рубежом за последние 15-20 лет уделяется большое внимание созданию автоматизированных технических средств: промышленных роботов, машин-автоматов, манипуляторов, автоматизированных складов, автоматизированных транспортных средств и средств перегрузки упакованных грузов [45, 51]. Рабочие органы исполнительных механизмов при выполнении своих функций совершают в составе таких средств автоматизации строго установленные движения. К наиболее характерным можно отнести возвратно-вращательные и возвратно-поступательные с одним или двумя выстоями выходного звена в крайних положениях.

Такой характер движения рабочих органов может быть обеспечен различными механизмами, в частности, рычажными механизмами 2-го и 3-го класса, а также рычажными механизмами высших классов [64-66, 99, 101, 104, 109, 123]. Исходными данными на стадии разработки принципиальной схемы механизма с выстоем могут служить критерии, определяющие назначение механизма, требуемый тип производимых перемещений и их величину, степень нагружения механизма и др. [12].

Преобразователи движения цикловых промышленных роботов, машин-автоматов и других средств должны обладать высоким КПД, способностью обратимости хода (реверсом), достаточной жесткостью и нагрузочной способностью, относительно малой инерционностью перемещающихся частей и иметь конструктивно простую схему [51, 77, 78]. Указанными качествами обладают плоские рычажные механизмы. Данные механизмы за счет жесткостных свойств и наличия кинематических пар только низшего класса оказываются более предпочтительными [47, 132]. Используя конечные выстой выходного звена, обеспечиваемые за счет кинематических свойств рычажных механизмов, можно осуществлять согласование движений исполнительных органов машин-автоматов (суппорт токарного станка, кассетный накопитель заготовок, захватные устройства, вспомогательное технологическое оборудование и т.д.) [15, 48, 101, 105]. Рычажные механизмы с выстоем выходного звена по заданной циклограмме могут быть основой создания манипуляторов [105, 132], устройств вспомогательных транспортных средств [101], а также цикловых машин-автоматов в целом при обеспечении одного из самых больших коэффициентов полезного действия — 0,9-0,95 и отличающихся от других механизмов подобного назначения простотой конструкции, технологичностью изготовления, возможностью обеспечения су-

щественно большего, чем, например, в кулачковых механизмах хода рабочего органа, высокой безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью и стойкостью к внешним воздействиям [111].

Большой вклад в развитие теоретических основ синтеза рычажных механизмов 2-го класса внесли: И.И. Артоболевский [9, 10], С.А. Черкудинов [9, 110], Н.И. Левитский [9, 52, 53], В.Я. Белецкий [14], Э.Е. Пейсах [63-75], ЯЛ. Киницкий [50], К.С. Иванов [46, 47], и другие ученые. Механизмы 2-го класса нашли широкое применение в исполнительных механизмах автоматизированного производства и к настоящему времени достаточно хорошо изучены. Основы теории синтеза рычажных механизмов 3-го и более высоких классов заложены в работах У.А. Джолдасбекова [21-28, 130-132], Ж.Ж. Байгунчекова [21-23, 131, 132], В.И. Доронина [32-34], Э.Е. Пейсаха [63, 67-71, 74,75], В.Г. Хомченко [98, 100, 103, 105-109], Ю.И. Евдокимова [36-40], A.A. Романцева [80, 83], В.М. Абрамова [2], К. Хайна [121-123], В. Име [124-127], А. Эрдмана [137, 143, 154], П. Райкова [148], П. Си-мионеску [150], Йанг Тинг Ли [157] и других. Сложность проектирования и математического описания механизмов 3-го и более высоких классов затрудняет их широкое использование в конструкторской практике. Отсутствие достаточно простых и эффективных инженерных методов кинематического синтеза рычажных механизмов 3-го класса по наперед заданной циклограмме рабочего органа резко снижает возможности применения этих механизмов в составе средств автоматизации. В связи с этим возникает проблема дальнейшего изучения свойств рычажных механизмов 3-го класса и создания на этой основе методов синтеза рычажных механизмов 3-го класса с выстоем выходного звена, обеспечивающих существенное снижение трудоемкости их проектирования и приближения ее к трудоемкости проектировании кулачковых механизмов и рычажных механизмов второго класса.

1.1 Современное состояние методов анализа и синтеза механизмов 3-го класса

В общем случае можно выделить ряд направлений и способов в области анализа и синтеза рычажных механизмов 3-го класса. В области анализа в настоящее время используются следующие способы: способ перемены входного звена; способ размыкания кинематической цепи; способ, являющийся синтезом предыдущих двух способов; способ анализа механизмов при выполнении условий форм неразрывности; способ, основанный на

составлении векторных уравнений описания положений звеньев механизма; способ анализа положений звеньев механизма при помощи однотипной системы нелинейных уравнений. В области синтеза можно выделить следующие направления: проектирование механизмов посредством синтеза присоединяемых цепей; синтез механизмов на основе теории графов; синтез механизмов за счет разбивки одного из звеньев; графический итерационный метод определения положений механизмов; синтез механизмов с выстоем методом обращенного движения; способ прямого синтеза механизмов с выстоем выходного звена.

Способ перемены входного звена рассматрива