автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка методики расчета для проектирования несущих конструкций перегрузочных манипуляторов

КЫРГЫЗСКИЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

РГ6 од

На правах рукописи

РАДЖАПОВА НААРКУЛЬ АБДРАХМАНОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ

05.05.04 — Дорожные и строительные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек 1993

Диссертационная работа выполнена в Кыргызском архитектурно-строительном институте.

Научны» руководитель — доктор технических наук,

профессор Александров М. П.

Научный консультант — кандидат технических наук,

с. н. с. Иоффе Ф. С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Джиенкулов С. А. кандидат технических наук, доцент Баканов Б. Т.

Ведущее предприятие — Институт коиструкторско-

технологпческих проблем машиностроения (г. Бишкек).

Защита состоится 22 октября 1993 г. в 14 часов па заседании специализированного Совета К 05 .93 26 при Кыргызском архитектурно-строительном институте по адресу: 720023, Кыргызская Республика, г. Бишкек, ул. Малдыбаева, 34, б, корпус 1, ауд. 1/309.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзыв на автореферат б двух экземплярах, заверенный печатью, просим направить в адрес специализированного совета.

Автореферат разослан с ^ » ¿'/¿с* &/1»? 1993 Г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

А. И. ЖЫЛКЫЧИЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время повышение производительности труда и эффективности производства в ■ значительной степени сдерживается нехваткой в промышленности универсальных средств, автоматизации и механизации основных и вспомогательных технологических и' транспортных операций. К наиболее трудоемким вспомогательным операциям относятся строительные, подъемно-транспортные, погрузочно-разгрузочные и складские работы, где доля ручного труда все ещё очень велика и составляет 67%.

Для механизации тяжелых и монотонных ручных операций необходимо создание манипуляторов, не только обладающих широкими технологическими возможностями, но и отвечающих таким требованиям, как удобство и легкость в эксплуатации, надежность в работе, простота обслуживания и ремонта и малая стоимость. Сбалансированные перегрузочные манипуляторы находят все большее применение, автоматически обеспечивают сбалансированное положение груза в любой точке рабочей зоны и позволяют перемещать груз по любой траектории без необходимости производить большое число переключений и настроек системы управления. Одним из наиболее ответственных элементов указанных манипуляторов является несущая конструкция в виде шарнирно-сочленен-ных рычагов, прикрепленных к корпусу шарнирно, масса которой составляет значительную часть от массы полезного груза. Увеличение массы несущей конструкции манипулятора, хотя и делает его более надежным, но вместе с тем приводит к непроизводительным затратам энергии, лишнему расходу материала, утяжеляет конструкцию манипулятора. Поэтому возникает необходимость разработки методики расчета и выработки рекомендаций по рационально^ проектированию несущих конструкций манипуляторов.

Цель работы. Разработка методики расчета несущих конструкций перегрузочных манипуляторов с выработкой рекомендаций по их проектированию для практического использования и внедрения в производство.

Методы исследований. Научные положения и выводы, полученные автором, базируются на фундаментальных положения^ аналитической механики, теории механизмов и машин, строительной механики и сопротивления материалов.

Научная н о в и з н а. Разработаны математические модели функционирования сбалансированного манипулятора, вклшаггаие

алгоритм расчетов размеров рабочей зоны и геометрических параметров несудай конструкции и их взаимовлияние;

- создана ыетодика определения статических нагрузок е элеыеа-тах несудих конструкций перегрузочных манипуляторов с экспериментальным подтверждением;

- разработана математическая модель минимизации массы элементов несущей конструкции;

- разработана методика расчета рационального проектирования несущей конструкции перегрузочных манипуляторов с помощью разработанных алгоритмов и программ на ЭВМ.

Практическая ценность. Получены зависимости, позволяйте на стадии проектирования определять размеры званье! необходимых, для обеспечения обслуживания заданной рабочей зоны. Созданная методика определения статических нагрузок позволяв? выявлять нагрукенность звеньев кинематической цепи. Разработанная методика рационального проектирования несулей конструкции перегрузочных манипуляторов с механизмом пантографа позволяет сокращать время на расчеты и проектирование таких машин. Рациональным подбором сечений и рациональным перераспределением материала получено снижение металлоемкости несущей конструкции сбалансированных перегрузочных манипуляторов.

Реализация работы. Результаты, полученные б диссертационной работе реализованы в разработках ВЭДШПТиШ (г.!1ое-кса), завода "АПнур" (г.Бишкек) и в учебном процессе Кыргызского архитектурно-строительного института (1САСИ), что подтверждается соответствующий актом внедрения и справками об использовании.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены: на Всесоюзной конференции "Научно-технический прогресс в машиностроении и приборостроении" (к 150-летию МВТУ им. Н.Э.Баумана) (г.Москва, 1980 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт разработки и внедрения автоматических ианкцудк-торов и технологических комплексов с их использованием" (г.Москва, 1932 г.), на научно-технических конференциях МВТУ им.Н.Э.Баумана (1930-84 г.), КАШ (1993 г.).

Диссертационная работа доложена и одобрена в 1935 г. на заседании кафедры "Подъемно-транспортше машины" МВТУ им.Н.Э.Баумана и на секции "Механизация строительства к строительство айтеЖР-биль'КУ дорог" КАСИ (1993 г. ).

"Публикации. Но ?г!)»ераялли| диссертации опубликовано б работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, оенонннх шподов, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации взлсхена на

страницах и включает страниц машинописного текста, // таблицы, 34 иллюстраций и список литературы из нрикенований.

СОДЕРЖАНИЕ РДБОТЫ

Во введении обоснован^ актуальность тепы исследований, дана общая характеристика работы и освеценн те вопросы, которые резались в работе.

В первой главе дан краткий обзор исследований и разработок отечественных и зарубежных конструкций манипуляторов для погрузочно-разгрузочных и транспсртно-складских работ, классификация перегрузочных манипуляторов, определены цели и задачи исследований.

В разработку проблем ианипуллторостроешш значительный вклад внесли ученые И.И.Артоболевский, Н.П.Беляев, В.И.Глуаков; В.Л.Нав-нер, Е.П.Попов, П.Г.Грев1гч, а также зарубежные ученые Дя.Макперти, Р.Пол, М.Тринг и другие.

Разработка и создание конструкций промышленных роботов и глни-пуляторов неразрывно связаны с использованием основных положений по расчету и конструированию таких устройств. Создание еффектпвтих конструкций перегрузочных манипуляторов невозможна без создания совершенных методов их расчета. Несмотря на большое кол ¡г-? ее те о проводимых исследований, в настоящее время отсутствуй? систематизированные материалы по вопросам расчета и конструирования,- оптимизации несупгих конструкций манипуляторов.

При расчетах и проектировании манипуляторов для погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ необходимо учитывать, что для таких операций является достаточным четыре степени поде'лености, которые обеспечивают манипуляторы с механизмом пантографа. Анализ литературных источников показывает, что кинематика и д'тл-мика манипуляторов данного класса недостаточно исследованы.

Прч проектировании чесудих конструкций приходится ет-

полнить достаточно рутинные монотонные операции. К ним относятся выбор кинематической схемы машины исходя из заданного технологического процесса и указанной обслуживаемой рабочей зоны; расчет основных параметров мезанизмоз и несущей конструкции и т.д. Недостаточный уровень исследований по проектированию манипуляторов и сложность расчета несущих конструкций обуславливают актуальность задачи создания методики расчета, а в дальнейшем и систем автоматизированного проектирования несущих конструкций, предлагающих реализацию всех перечисленных операций на ЭВМ.

В работе поставлены задачи создания системы рационального проектирования несущей конструкции манипуляторов для погрузочно-разгрузочных работ по выбору кинематики, по минимизации массы звеньев. Задача определения рациональных размеров звеньев несущей конструкции решается:

1) определением минимально необходимого момента инерции сечений для заданной жесткости и его оптимального перераспределения по звеньям манипуляторов;

2) расчетом размеров сечений составных звеньев исходя из определенных моментов инерции сечений.

Наховдение необходимого количества момента инерции сечений и его распределение по стержням основано на минимизации потенциальной энергии деформации конструкции.

Во второй - главе приведены результаты исследования кинематики несущих конструкций перегрузочных сбалансированных манипуляторов, позволяющие обоснованно выбирать соотношения основных параметров функционирования. Выли решены две задачи: при заданной структуре киг 'магической цепи определить рабочий объем или рабочую зону обслуживания и обратная - при заданном рабочем объеме определить структуру и геометрические свойства манипулятора.

Произведен кинематический расчет несущей конструкции сбалансированного манипулятора с механизмом пантографа. Б данной работе была рассмотрена схема с закрытым контуром. Определены соотношения длин рычагов шарнирно-бапансирных манипуляторов, при которых схват с грузом совершает строго горизонтальное или же близкое к горизонтальному перемещение. На рис.1 представлена расчетная схема манипулятора.

4 _ П

Т - 7Г ' (1)

где ¿ - длина предплечья ММ \ R - длина плеча AJ> или £>С ;

Г; гг - расстояния от шарнира О до Т и от J до í .

Получены зависимости между угловыми координатами звеньев (плеч и предплечья) несущей конструкции манипулятора б зависимости от линейных координат звеньев. С помощью угловых координат устанавливается возможные полодения рук.

Для кинематического анализа несущей конструкции манипуляторов применен матричный метод, с помощью которого решена задача определения рабочего объема при заданной структуре кинематической цепи. Получено общее матричное уравнение, устанавливающее связь между координатами системы начальной J и конечной ¿

Гг - МЧ + L¿j , (2)

где r¿ - столбец координат точки Лс в системе Я У; ; - матрица поворота при переходе от системы j к системе /' ; Д^ - матрица параллельного переноса от системы j к системе ¿ .

Построен алгоритм определения положений несущей конструкции манипулятора " shektr « на языке ФОРТРАН - 4.

Решена обратная задача кинематики, т.е. для заданного объема рабочей зоны определены рациональные длины звеньев, выбрало минимальное количество звеньев для обеспечения полного обслуживания рабочей зоны, позволяющее минимизировать массу несущей конструкции манипуляторов.

Оптимальная длина плеча руки

Rmi" = ТТТГгу ' (3)

где - расстояние от точки подвеса плеча до самой отдаленной точки рабочей зоны; у - угол трения между поверхностями ролика и направляющей.

В третьей главе выполнено теоретическое и экспериментальное исследования статических нагрузок в звеньях несуще!1 конструкции манипулятора с механизмом пантографа. Усилия в элементах, возникающих от действия внешних нагрузок являются функциями от двух обобщенных координат

Р, U (4)

где) Т - характеризует положение конца pyir.i по горизонтали или рпдипд!иге гудрикение руки </-• спачг ; (/ .. поло*'-;-!!' кешг, руки

по вертикали или подъем груза при canst.

Предложенная методика расчета положена в основу программ! п ¡¡та г осуществляющей расчет статических нагрузок в элементах несущей конструкции перегрузочных манипуляторов и определяэщзй максимальное значение нагрузок для положения кряка в любой точке рабочей зоны обслуживания. Алгоритм и программы для ЭВМ, автоматизируют процесс вычислений и позволяют при минимуме подготовительной ручной работы получить информацию о результатах в наглядной и удобной форме.

Экспериментальное исследование- проводилось на стенде, состоящем из установки типа ШБМ-150 и измерительного устройства в комплексном отделе подвесных конвейеров и манипуляторов ВШ1ИПТМАЩ,. путем тензометрирования. Исследование проводилось в следующем порядке. Нагрузки в звеньях несущей конструкции перегрузочного манипулятора определялись лри статическом нагружении и установившемся режиме в зависимости:

от вылета руки или расстояния от оси колонны до точки приложе-ши нагрузки;

оч висоты подъема точки приложения груза; от выбранной схемы шарнирного пантографа.

Определялось напряженно-деформированное состояние каждого элемента звеньев несущей конструкции. Экспериментальные исследования проводились по разработанному плану. На рис.2 приведены результата исследования нагрузок. Характер построенных кришх показывает, что при максимальном гылетэ руки рычаги несу" о Л конструкции монгшулятер ра наиболее нагружены. Отскда вытекает,. что если по хяр-чп'ору технологического процесса появляется возможность работать с умсньяен-ными грузами на большом вылете, то это позволит проектировать несущую конструкций изньяеП массы или малой металлоемкости.

Анализ величин усилий в элементах несущей конструкция показывает, что рычаги Об- и находятся в сложнодеформирспалном состоянии; онн работают на сжатие и растяжение я одновременно на поперечный изгиб. Звенья OS и -ZVr (рисЛ) более иагруггеин, чем остальные, поэтому при проектировании следует особо обратить вникание на правильность выбора размеров поперечного сечения виечно этих стержне».

Звенья fit , нагружены незначительно, работают или на сглтие, или на растяжение; они предназначены точысо для поддерга-

Рис. 2. Сравнение экспериментальных и теоретических

значений-статических усилий и элементах манипуля тора (........ - теоретические, -.- - - - экспериментальные)

ния схвата строго в вертикальном положении.

Максимальное расхождение между теоретическими и экспериментальными данными доходят до 15 %, что мо-хно считать ьполне приемлемым. Выполненные эксперименты подтвердили достоверность теорем-чес:; исследований и принятых допущений.

В четвертой главе разработана методика определения рациональных размеров несущей конструкции перегрузочных манипуляторов.

Нахождение необходимого количества момента инерции сечений и его распределение по стержням основано на минимизации потенциальной энергии деформации конструкции

где Аи - функция распределения изгибающего момента по длине -го стердня; Е - модуль упругости; -Л - момент инерции ¿' -го стержня; г , % - CM.fi, не являются функцией длины стержня.

В статически определимых конструкциях распределение внутрень них усилий не зависит от формы и размеров поперечных сечений, т.е не зависит от распределения материала по конструкции. Из этого следует, что 4 -»й при условии неизменяемости линий очертания конструкции и внешних силовых факторов. Тогда потенциальная энергия деформации всей конструкции

из которого следует, что изменяя Л , можно добиться существенного изменения потенциальной энергии деформации У ■

Для расчета деформированного состояния, а также внутренних усилий звеньев несущей конструкции применялся метод перемещений.

Определение интеграла (6) осуществлялось в соответствии со следующей формулой:

(5)

А, ~ I г ¿5.

(6)

А- = М/ + Ч % -

(8)

- m -

где Alj - изгибакций момент в начальном j узле совокупности стержней с одинаковым наклоном относительно оси OZ ; - расстояние до начала i -ого стержня от j -го узла; - расстояние до конца - ого стержня от j -ого узла; - поперечная

сига б локальной системе координат.

Инженерная методика расчета рациональных размеров сечений несущей конструкции перегрузочных манипуляторов осуществлена блок-схемой алгоритма приведенной на рис.3, где цифрами обоз-

начено : I - расчет перемещений узлов; 2 - расчет внутренних сило-шх факторов; 3 - определение интеграла для расчета потенциальной энергии деформации н моментов инерции сечений; 4 - перераспределение по стержням заданного количества моментов инерции сечений и определение площадей сечений; 5 - расчет перемещений узлов; б -расчет моментов инерции, площади и размеров сечений по критерия заданной жесткости; 7 - определение площади и размеров сечений, отвечающих оаданннм геометрическим ограничениям; 8 - проверка .вы полнения условий прочности; 9 - расчет по условию прочности внешних размеров сечений; 10 - определение объема потенциальной энергия деформации жесткости и удельной жесткости.

Разработанная программа допускает расчет несущих кон-

струкций как в целом, так и их элементов в отдельности.

В стой главе рассматривается вопросы, связанные с определением упругих перемещений несущей конструкции перегрузочных манипуляторов, для которого составлена расчетно-динамическая модель.

Определен суммарный прогиб

£ = L.ff-S, cas^ + ccs$3 ,

где ¿п " передаточное отношение пантографа; - обобщенные

координате; - величина перемещений, соответствующая-координате f, ! 4г, ¿з - величина упругих перемещений звена

ш)

о £ JTf 1

Ввиду того, что звенья несущей конструкции соединены шарнирами, на прогиб конца руки или на точность позиционирования влияет ïrkss контактная кесткость. Зазоры, имеющиеся в опорах, и тентлет-

¡1

(10)

^ НАЧАЛО

/вод исходных данных

I 4

2

3 е.

4 7 -"7 2 сД

5

( КОНЕЦ )

Рис. 3. Блок-схема алгоритма определения рациональных размеров сечений несущей конструкции перегрузочных нянинупятороп

ные деформации ведут к появлению дополнительных смещений'конца руки механизма.

Получена зависимость для определения перемещений от зазоров в опорах (рис.5):

¿У* = [(л У* + - (12)

+ + ~ *+* У, - ■

В главе 4 также рассматриваются вопросы, связанные с экспериментальным исследованием жесткостных характеристик несущей конструкции перегрузочных манипуляторов на стенде, установленным во ВНИИПТМАШ.

Установлена допускаемая жесткость несущей конструкции перегрузочных манипуляторов [с] =29,1 Н/мм, которая подтверждена экспериментально.

В результате разработанной методики расчета выработаны рекомендации для рационального проектирования несущей конструкции, позволяющие снизить металлоемкость манипулятора, выявлено, что жесткость звена или плеча № должна быть больше жесткости звена в^ в 2 4- 2,5 раза, ранее при проектировании манипулятора МП-100 было положено одинаковое сечение этих звеньев, что является нежелательным.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, оЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В результате проведенных автором исследований разработана методика расчета для рационального проектирования несущей конструкции перегрузочных манипуляторов за счет автоматизации расчета, позволяющая сокращать общее время проектирования несущих конструкций перегрузочных манипуляторов.

2. Разработанная методика позволяет решать как прямую, так и обратную задачу кинематики, т.е. определяет геометрические парг-метры звеньев в зависимости от размеров рабочей зоны и наоборот, при заданных геометрических размерах звеньев несущей конструкции определяет объем рабочей зоны.

3. Разработана методика определения статических нагрузок в элементах перегрузочного манипулятора с механизмом пантографа на стадии проектирования таких механизмов с применением ЗБМ. Разра-

Рис. 4. Расчетная схема для определения общзго прогиба несущей конструкции манипулятора

Рис. 5. Расчетные схемы для определения прогибов: а) звена б) звена ВР -

работяифрогрокш определения рациональных размеров сечений несущей конструкции перегрузочных манипуляторов.

4. Приведенные расчетныз фортели и алгоритм решения позволяют подобрать правильше поперечные сечения r-'чагов, выбрать кинематн-uecüjie парн несущей конструкции.

5. Выбор жестхостных характеристик несущей конструкции перегрузочных манипуляторов проведен по критерия минимума потенциальной энергии деформации; получеки рацш;нз.чьнэе перераспределение количества момента ¡шерзрга сечений.

6. При проектировании несущих конструкции манипуляторов необходимо руководствоваться рекомендациями:

- жесткость звена AS {рис.4) долтла быть больше жесткости звена ЯР в 2 т 2,5 раза;

- звенья несущей конструкции должны в основном иметь коробчатые, прямоугольные и круглые сечения;

- целесообразно назначать размеры высоты сечений больше, а соотношения высоты к ширше для четырехугольных сечений меньше, если позволяют условия нагрузки: для круглого сечения надо стре-мимиться к увеличению внешнего диаметра, т.к. это влечет за собой увеличение внутреннего диаметра, а в итоге уменьшение площади поперечного сечения стерння.

7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований положены в основу при разработке, проектировании, изготовлении перегрузочных манипуляторов и внедрены во ВНИЖШАГОе с годовым экономическом эффектом 24,15 сомов (4,83 тыс. рубл.) на один манипулятор в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Запятой В.П., Ряд-гапова H.A. Кинематическое исследование исполнительного механизма погрузочного манипулятора // Тез. докл. Всесосзн. конф."Научно-технический прогресс в машиностроении и приборостроении"(к 150 - летию МВТУ им.Н.Э.Баумана)М., I93C.

С. 37-38.

2. РадядпоЕя H.A. Создание и перспективы развития конструкции сбалансированных перегрузочных манипуляторов //Тоз.докл.Всесоюзного научно-технического семинара "Опыт разработки и внедрения автоматических маницуляторов и технологических комплексов с их использованием".- М.,1932.- С. 46-47.

3. Рлцкялг-ва H.A. Уравноредигвнге масс оар.чирно-р.г-1зяных

манипуляторов с ручным управлением// Конвейера,канатние дороги, гидропривод. - П.: ШШИШ, 1933. - C.I24-I32.

'' Радаапова H.A. Определение упругих деформаций исполнительного механизма перегрузочных манипуляторов //Исследование кострукцкй и рабочих процессов строительных и дородных цапин: Сб.науч.тр. £рунзе, £ПИ, 1986. - С. 43-51.

5. Рэдааповз H.A. Разработка метода рационального проектирования носу.; Л конструкции манипуляторов с механизмом пантографа // Проблем механизации строительства з условиях высокогорья:

Сб.научи.тр. Фрунзе: ЯШ, 1990. - С. 57-69.

6. Рада,-шона H.A. Методика определения рациональных размеров несущей к'-чструкц:'!! манипуляторов // Проблемы механизации строительства и строительство автомобильных дорог: Сб.науч.тр. Бизкек, 1993. - С.