Оптимизация конструктивных параметров коромысла нового механизма сопла

Вторая задача, а именно определение конструктивных параметров коромысла механизма сопла, заключается в выявлении общей длины  коромысла, длины  сопла и угла наклона  сопла.

Очевидно, что поставленная задача требует оптимизации вышеназванных параметров коромысла механизма сопла, которую необходимо провести с целью выбора наилучшего варианта. Выбор оптимального решения или сравнение двух альтернативных решений проведем с помощью некоторой целевой функции, определяемой проектными параметрами. В процессе решения задачи оптимизации должны быть найдены значения проектных параметров, при которых целевая функция имеет экстремум.

Целевую функцию оптимизации проектных параметров коромысла механизма сопла можно записать в виде:

 

,

 

где  – наименьший угол между коромыслом и соплом в исходном положении механизма.

Поскольку число проектных параметров целевой функции равно трем, то графиком целевой функции будет являться поверхность в пространстве, но для наглядности выбора принимаемого решения будем строить график каждой переменной отдельно в виде кривой на плоскости. Задача оптимизации конструктивных параметров механизма сопла относится к задачам с ограничениями, т.е. имеется зависимость между проектными параметрами, которые должны учитываться при нахождении решения. Этой зависимостью является соотношение.

 

Таблица 7. Координаты точек траектории выходного звена механизма сопла на участке 4–5

; ; ;
Порядковый номер точки траектории	Абсцисса x точки траектории, мм	Ордината y точки траектории, мм
1 2 3 4 5 6 7	221 218 215 212 209 206 203	-74, 99999 -101, 88160 -128, 00979 -153, 38510 -178, 00825 -201, 87970 -225, 00001

 

Таблица 8. Координаты точек траектории выходного звена механизма сопла на участке 5–6

; ; ;
Порядковый номер точки траектории	Абсцисса x точки траектории, мм	Ордината y точки траектории, мм
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16	203 200 197 194 191 188 185 182 179 176 173 170 167 164 161 158	-225 -231, 72336 -238, 24891 -244, 57649 -250, 70592 -256, 63701 -262, 36959 -267, 90347 -273, 23849 -278, 37446 -283, 31121 -288, 04854 -292, 58630 -296, 92430 -301, 06236 -305, 00030

 

При этом заданы длина звена , определяющая положение установки ролика на коромысле, и радиус кулачка, определяющий минимальный угол отклонения коромысла. Кроме того, задана точка, определяющая центр положения патрона  при верхнем крайнем правом положении рычага захвата и смены патронов, а также задан радиус  поверхности этого рычага, сопрягаемой с поверхностью сопла. Целевую функцию находим симплекс-методом, заключающимся в следующем: примем в качестве начального приближения координаты некоторой вершины многогранника допустимых решений и найдем все ребра, выходящие из этой вершины, двигаясь вдоль того ребра, по которому линейная целевая функция убывает, приходим в новую вершину. Находим все выходящие из нее ребра, двигаемся по одному из них и т.д. В конце концов придем в такую вершину, движение из которой вдоль любого ребра приводит к возрастанию целевой функции. Следовательно, минимум достигнут, и координаты этой последней вершины принимаются в качестве оптимальных значений рассматриваемых проектных параметров. Поскольку в нашем случае параметры  зависят от угла наклона касательной к окружности, поэтому за многогранник допустимых решений примем треугольник ABD, вершины которого заданы координатами: , , . Определим уравнение прямых, проходящих через две точки, а именно: через А и D, B и D и через А и B.

 

Таблица 9. Координаты точек траектории выходного звена механизма сопла на участке 6–7

; ; ;
Порядковый номер точки траектории	Абсцисса x точки траектории, мм	Ордината y точки траектории, мм
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	158 155 152 149 146 143 140 137 134 131 128 125 122 119 116	-305 -307, 20940 -309, 33684 -311, 38208 -313, 34496 -315, 22521 -317, 02267 -318, 73710 -320, 36830 -321, 91605 -323, 38016 -324, 76040 -326, 05656 -327, 26845 -328, 39583

 

Имеем следующие параметры прямых, проходящих через эти точки:

,

 

,

 

.

 

Алгоритм решения задачи представим словесно-формульным описанием:

1. Определим уравнение прямой, являющейся касательной к кулачку с радиусом . При этом известна точка вращения кулачка, радиус  кулачка, точка подвеса коромысла и длина , определяющая точку крепления ролика на коромысле. Для вызова подпрограммы KOR следует принять: , , , , .

2. Вычисляем коэффициенты k и b, используя подпрограмму KOR.

3. Приравниваем , .

4. Примем в качестве начального приближения координаты точки . Для вызова подпрограммы KOR примем: , , , , .

5. Вычисляем коэффициенты k и b.

6. Приравняем , .

7. Решаем систему уравнений двух прямых:

,

откуда следует, что

 

,

и ,

 

где ,  – координаты шарнира коромысла, на котором установлено сопло.

Тогда ,

 

,

 

.

 

8. Выводим на печать .

9. Идем вдоль стороны AD, при этом значение x будет в пределах от  до , шаг , вычисляем значение .

10. Вызываем подпрограмму KOR.

11. Доходим до вершины D, идем вдоль стороны BD, при этом значение x будет в пределах от  до , вычисляем значение .

12. Доходим до вершины B, идем вдоль стороны AB, при этом значение  будет в пределах от  до , вычисляем значение .

Значения выходных параметров в точках A, B и D будут вычислены дважды.

Подпрограмма KOR решает задачу нахождения координат общей точки касательной и окружности, к которой она проведена.

Алгоритм решения данной задачи также представим словесно-формульным описанием:

1. Задается точка  с координатами  и , из которой проводится касательная к окружности с радиусом , центр которой задан координатами  и .

2. Решаем систему уравнений двух окружностей:

 

,

 

где  и ;  – расстояние между точками  и ;  – расстояние от точки  до точки касания прямой с окружностью;  и  – координаты точки касания.

После преобразований получим:

.

Пусть ,

, .

Тогда         или  ,

где , .

После преобразований получим:

 

,

 

где ,

 

,

 

.

 

3. Из двух значений y выбираем максимальное согласно конструктивным особенностям механизма сопла.

4. Находим уравнение прямой, проходящей через две точки, а именно точку  и точку касания.

Пусть , , тогда

 

 и ,

 

где k и b – параметры прямой с уравнением

Блок-схема симплекс-метода представлена на рис. 59. Результаты расчетов представлены в табл. 10, на основании которых построены графики, из которых выбрано оптимальное решение целевой функции . При этом для выявления минимума целевой функции вычислялись параметры  и  по следующим зависимостям:

,

.

 

По минимальному значению  определены следующие оптимальные параметры коромысла механизма сопла: ,  и .

 

Таблица 10. Значения параметров для расчета целевой функции

Порядковые номера сторон треугольника допустимых решений	Значения параметров целевой функции				, мм
	, мм	, мм	, град.	, мм
Вершина А 1 2 3 4 5 6 7 8 Вершина D 1 2 3 Вершина В 1 2 3 4	330 299 247 218 226 227 227, 5 216 209   213, 5 259 302 364, 5   423, 5 418 403 392, 5 370	290 282 272, 5 273 276, 2 279 282, 5 284 287, 5   290, 5 293 301 327   360, 5 353 341 331 315	112 125 160 - - - - - -   - 137 116, 5 96   82 83 86, 5 89, 5 97	566, 9 615, 2 761, 0 - - - - - -   - 700, 6 612 547, 9   515, 9 511, 4 514, 8 517, 1 533, 3	1186, 9 1196, 2 1280, 5 - - - - - -   - 1252, 6 1215, 0 1239, 4   1299, 9 1282, 4 1258, 8 1240, 6 1218, 3

 

В табл. 11 представлена характеристика состояний работоспособности механизма сопла при различных сочетаниях конструктивных параметров. При этом следует заметить, что зона направляющего бруса, где может быть произведена обрезка и захват нити, ограничена точками 2 и 3 соответственно с координатами =153 мм, = -308 мм и =178 мм, = -300 мм.

Анализ табл. 11 подтверждает значения принятых оптимальных параметров коромысла механизма сопла.

В табл. 12 представлены способы устранения неработоспособных характерных состояний механизма сопла.

 

Таблица 11. Характеристика состояний работоспособности механизма сопла

Порядковые номера точек сторон треугольника допустимых решений	Характеристика состояний работоспособности механизма сопла
Вершина А 1 2 3 4 5 6 7 8 Вершина D 1 2 3 Вершина В 1 2 3 4	Работоспособность Недолет до зоны направляющего бруса То же самое Конструкция неосуществима То же самое То же самое То же самое То же самое То же самое То же самое Недолет до зоны направляющего бруса Налетает на бобину Выходит на зону направляющего бруса То же самое То же самое То же самое То же самое То же самое

 

 

Таблица 12. Способы устранения состояний неработоспособности механизма сопла

Характеристика неработоспособных состояний механизма сопла	Способ устранения неисправности
Недолет до зоны направляющего бруса	Невозможно устранить, т. к. в существующей базовой конструкции недопустимо изменять точку вращения кулачка
Налет на наработанную бобину	Применить фигурную форму сопла
Выход за зону направляющего бруса	Изменить профиль кулачка, т.е. при обрезке нити коромысло стоит дальше, а при передаче принудительного движения движется вместе с рычагом захвата и смены патронов

 

Согласно выявленным параметрам коромысла произведено профилирование кулачка механизма сопла по дугам окружностей, что позволило:

- уменьшить угол размаха коромысла;

- уменьшить длину коромысла;

- уменьшить длину сопла;

- уменьшить габаритные размеры конструкции механизма сопла;

- уменьшить металлоемкость конструкции механизма сопла;

- устранить явление мягкого и жесткого ударов и повысить надежность работы как механизма сопла, так и всего автосъемника бобин.

Отметим, что профилирование кулачка механизма сопла с учетом синхронизации движений исполнительных механизмов автосъемника бобин подробно изложено в работе. При этом его габаритные размеры остались примерно такими же.

Проведенные производственные испытания усовершенствованного автосъемника бобин доказали, что надежность его работы повысилась и достигла величины 0, 968. Дальнейшее увеличение надежности автосъемника бобин данной конструкции связано с разработкой отдельного механизма для выталкивания наработанной бобины или с разработкой механизма для определения диаметра бобины. Производственные испытания автосъемника бобин подтвердили также вывод о том, что его экономическая эффективность зависит от номера вырабатываемой пряжи, т.е. чем выше ее номер, тем эффективнее работа данного устройства.

Применение разработанной методики проектирования автосъемника бобин позволило получить экономический эффект.

 

 

Выводы

 

Одним из основных направлений развития текстильной промышленности является освоение автоматизированного поточного способа производства пряжи, связанного с обязательным использованием робототехнических средств. Активное использование РС в данных поточных линиях осложняется необходимостью самостоятельного изготовления предприятиями их составных элементов и периферийного оборудования, поэтому целесообразно сотрудничество с использованием международного разделения труда, а также различных форм международной кооперации. В качестве последнего России в сфере создания РС для текстильной промышленности в условиях современной экономической ситуации рекомендуется выбрать проектирование данных устройств по требованиям заказчика. Для ускорения внедрения РС в текстильную промышленность необходимо также существенно повысить их надежность и снизить себестоимость.

С целью снижения затрат на создание РС разработан метод их проектирования, который позволяет выявить различные технические решения данных устройств по требованию потребителя независимо от конструктивных особенностей текстильной машины, а также произвести оценку надежности механизмов исполнительных органов и всего РС на стадии проектирования и конструкторской отработки опытного образца. Данный метод включает в себя шесть этапов: разработку функциональной структуры РС; моделирование структурных схем исполнительных органов РС; алгоритм моделирования траектории выходного звена исполнительного органа РС; выбор критериев оптимизации р проектировании РС; выявление принципов разработки циклограммы РС и контроль надежности РС при испытаниях. Каждый этап разработанного метода может быть использован как самостоятельный способ проектирования РС.

Определено максимальное количество исполнительных механизмов робототехнического средства текстильной машины, на основании чего разработана схема взаимосвязей между элементами РС, с учетом которой выявлена функциональная структура последнего. Анализ и улучшение выявленной функциональной структуры позволяют повысить надежность работы РС.

На основе применения метода Ф. Цвики разработана морфологическая матрица моделирования структурных схем исполнительных механизмов РС машин поточной линии прядильного производства, позволяющая выявить все возможные варианты технических решений исполнительных механизмов.

Для РС текстильной машины разработан алгоритм моделирования траектории выходного звена исполнительного органа по характерным точкам последнего с учетом повторения участков траектории и синхронизации работы всех исполнительных механизмов. При реализации разработанного алгоритма выявлена универсальная структурная схема исполнительного механизма РС, позволяющая получить широкий спектр всевозможных траекторий выходного звена исполнительного органа.

С целью выбора критериев оптимизации при проектировании робототехнических средств текстильных машин определены целевые функции и их значения. Для уменьшения затрат машинного времени ЭВМ и учета конкретных требований заказчика на проектируемое РС введен приоритет целей. Для РС существующих текстильных машин в качестве приоритетов первого уровня целей целесообразно принять габаритные размеры РС, тип траектории и число характерных точек выходных звеньев исполнительных механизмов. Для критериев, имеющих информативно-смысловой характер, предложено ввести шкалу экспертных оценок. Выявлены принципы разработки циклограммы РС с учетом оценки быстродействия, синхронизации и надежности работы его исполнительных органов.

С целью дальнейшего повышения надежности работы РС текстильной машины рекомендовано функционирование данной системы на стадии отработки опытного образца исследовать методами технической диагностики на основе применения обобщенной формулы Байеса, что позволяет выявить «слабые» элементы системы. В качестве признаков системы РС предложено использовать следующие случаи нарушения нормального функционирования ее элементов: самопроизвольные остановки в точках их позиционирования; увеличение погрешности точности их позиционирования; увеличение погрешности времени их прохождения между характерными точками траектории.

С целью выявления новых технических решений РС для машин прядильного производства показано применение этапа моделирования структурных схем исполнительных органов РС как самостоятельного способа проектирования. При этом определено: 10 новых технических решений исполнительных органов автосъемника бобин для пневмопрядильной машины; техническое решение устройства нахождения и отматывания конца пряжи на бобине текстильной машины, предназначенное в основном для установки в автоприсучальщике пряжи; техническое решение механизма для воспроизведения сложного профиля, предназначенное для перемещения рабочих органов по сложным плоскостным траекториям.

Приведен пример методики проектирования робототехнического средства – автосъемника бобин для пневмопрядильной машины ППМ‑ 120. С этой целью составлены и проанализированы структурные схемы основных рабочих органов существующего автосъемника бобин АС‑ 120, к которым относятся: механизм захвата и смены патронов; механизм сопла и механизм управления рычагами бобинодержателя пневмопрядильной машины. Определены рациональные параметры наладки механизма захвата и смены патронов, при этом установлена неэффективность работы данного узла. Выявлена недостаточная надежность работы механизма сопла. Определены структурные схемы механизмов, которые могут быть применены в конструкции манипулятора данного назначения.

На основе разработанной морфологической матрицы моделирования структурных схем исполнительных механизмов РС машин поточной линии прядильного производства и с учетом граничных условий проектирования усовершенствована конструкция существующего автосъемника бобин АС‑ 120 с целью повышения надежности его работы. При этом изменены структурные схемы механизма захвата и смены патронов и механизма сопла.

Показано увеличение эффективности работы усовершенствованного механизма захвата и смены патронов. Определена траектория выходного звена механизма сопла. Проведена оптимизация конструктивных параметров коромысла усовершенствованного механизма сопла, что позволило после профилирования кулачка данного узла уменьшить угол размаха коромысла, длины коромысла и сопла, габаритные размеры и металлоемкость конструкции механизма сопла, а также повысить надежность работы данного узла и всего автосъемника бобин.

 

 

Библиографический список

 

1. Использование робототехнических средств в прядильном производстве. Обзорная информация. Хлопчатобумажная промышленность / ЦНИИТЭИлегпром. – М.: ЦНИИТЭИлегпром, 2009. – 40 с.

2. Хавкин, В.П. Автоматизация оборудования и технологических процессов на базе микропроцессорной техники / В.П. Хавкин, И.В. Горн // Текстильная промышленность. – 2008. – №11.

3. Расчет кинематических и динамических характеристик плоских рычажных механизмов: справочник / В.П. Хавкин. – М.: Машиностроение, 2008. – 312 с.

4. Решетов, Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин / Д.Н. Решетов. – М.: Машиностроение, 1974. – 206 с.

5. Решетов, Д.Н. Конструирование рациональных механизмов / Д.Н. Решетов. – Изд. 2‑ е, перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2007. – 256 с.

6. Хубка, В. Теория технических систем / В. Хубка. – М.: Мир, 2008. – 208 с.

7. Теория систем и методы системного анализа в управлении и связи / В.Н. Волкова, В.А. Воронков, А.А. Денисов. – М.: Радио и связь, 2007. – 248 с.

8. Приводы машин: справочник. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 2007. – 248 с.

9. Ушакова, Н.Л. Разработка функциональной структуры робототехнических средств текстильных машин / Н.Л. Ушакова // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. – 2008. – №2. – С. 79–83.

10. Проников, А.С. Надежность машин / А.С. Проников. – М.: Машиностроение, 2007. – 592 с.

11. Расторгуев, А.К. Анализ и разработка роботизированных устройств автосъемника паковок на прядильной машине / А.К. Расторгуев, В.И. Власов // Новые исследования по разработке и применению робототехнических систем в текстильной и легкой промышленности: межвуз. сб. науч.-техн. тр. – Л., 2007. – С. 111–120.

12. Ушакова, Н.Л. Повышение эффективности и надежности работы автосъемника бобин для прядильных пневмомеханических машин / Н.Л. Ушакова // Разработка и совершенствование технологических процессов и художественного оформления изделий в текстильной и легкой промышленности: межвуз. сб. науч. тр. – М., 2008. – С. 65–67.

13. Методы поиска новых технических решений / под. ред. д.т.н., проф. А.И. Половинкина. – Йошкар-Ола: Марийское книжное изд-во, 2008. – 308 с.

14. Ушакова, Н.Л. Моделирование структурных схем робототехнических средств машин прядильного производства / Н.Л. Ушакова // Теория и практика перспективных способов прядения: межвуз. сб. науч. тр. – Иваново, 2007. – С. 103–111.

15. Артоболевский, И.И. Механизмы в современной технике. В 4 т. Т. 2. Рычажные механизмы / И.И. Артоболевский. – М.: Наука, 2008. – 1007 с.

⇐ Предыдущая123456789

Поделиться: