Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ПЕРЕЧЕСОВА АННА ДМИТРИЕВНА
АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МЕХАНИЗМА ДЛЯ ПЛЕТЕНИЯ ТОРСИОННЫХ ПОДВЕСОВ ПРИБОРОВ
Специальность 05.02.18 - Теория механизмов и машин
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2012
Работа выполнена на кафедре Мехатроники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО).
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Мусалимов Виктор Михайлович
Официальные оппоненты: Беляев Александр Константинович д. ф.-м. наук, проф., Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук, заместитель директора по научной работе Падун Борис Степанович к.т.н., доц., кафедра Технологии приборостроения НИУ ИТМО, доцент
Ведущая организация: Санкт-Петербургский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова Российской академии наук (СПбФ ИЗМИРАН)
Защита состоится л27 ноября 2012 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 при НИУ ИТМО по адресу: 197101, Санкт-Петербург, пр.
Кронверкский, д. 49, аудитория 206.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.
Автореферат разослан л 2012 г.
Отзывы и замечания (в 2 экз.) по автореферату направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д. 49, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.227.04.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.к.т.н., доцент С.С. Киселев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Известны механизмы и машины для плетения, которые применяются: в текстильной промышленности, как для достижения определенных свойств материала, так и в декоративных целях; в канатной промышленности при изготовлении канатов, арматурных канатов, стальных канатов закрытого типа; в кабельной промышленности при изготовлении многопроволочной токопроводящей жилы, при создании оболочек для кабелей (изоляционноэкранирующей, огнестойкой, звукоизоляционной, армирующей, демпфирующей и т.д.); в других областях: при изготовлении арматуры конвейерной ленты; для изготовления металлических сеток, замкнутых безузловых плетеных сетей, т.е.
плетеных изделий замкнутой геометрической формы (а также для шнуроплетения); для изготовления трубчатых армированных изделий из композиционных материалов (труб, отводов, тройников, переходников).
В меньшей степени разработаны механизмы для плетения компонентов чувствительных элементов (ЧЭ) с микронными толщинами, например, торсионных подвесов ЧЭ приборов. Где в качестве сырья для плетения ЧЭ используется особый материал - филаменты синтетических высокомодульных нитей (относятся к классу параарамидных волокон) с диаметром 0,016 мм и длиной 400 мм.
В настоящее время, упругие торсионные подвесы, используемые в качестве подвесов магниточувствительных элементах (МЧЭ) магнитостатического вариометра (МСВ), входящего в состав геофизического комплекса GI-MTS-1 (СПбФ ИЗМИРАН), изготавливаются с помощью устройства для изготовления спирально-анизотропных торсионов УИСАТ-1. Данные торсионные подвесы обладают свойствами упругой анизотропии. В свою очередь использование таких торсионных подвесов при изготовлении ЧЭ приборов позволяет: снизить модуль кручения (повысить чувствительность); повысить устойчивость к изменению климатических факторов, повысить временную стабильность (уменьшить температурный дрейф нуля); повысить устойчивость к динамическим нагрузкам.
Проектирование современных механизмов плетения торсионов связана с их анализом, то есть описанием кинематики и динамики с одной стороны, и с другой стороны синтезом, который заключается в разработке структуры и геометрии механизмов на основе заданных кинематических и динамических характеристик с учетом заданной структуры торсионов. Этим определяется актуальность работы.
Цель диссертационной работы - синтез механизма плетения с учетом особенностей структуры торсионов, моделируемых как эквивалентные спиральноанизотропные стержни (САС).
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Провести анализ механизма плетения.
2. Построить динамическую модель исполнительного механизма плетения с учетом влияния характеристик торсионного подвеса.
3. Разработать и внедрить в практику производства магнитометров син тезированный механизм плетения торсионных подвесов.
4. Изготовить партию опытных образцов торсионных подвесов и исследовать структуру полученных образцов и их физико-механические свойства.
5. Разработать новые подходы к оценке физико-механических характеристик винтовых элементов САС.
Основные положения, защищаемые в диссертации:
1. Принцип плетения торсионных подвесов.
2. Результаты моделирования механизма плетения в SimMechanics.
3. Методика определения интегральных упругих постоянных САС.
4. Механизм для плетения торсионных подвесов.
Методы исследования. Результаты работы основаны на использовании базовых положений теории машин и механизмов, теории оптимизации, основных уравнений теории упругости САС.
Математическое моделирование, обработка результатов исследования выполнялись на персональном компьютере при помощи программного обеспечения Microsoft Excel, Matlab и др.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Впервые разработан и синтезирован механизм для плетения торсионных подвесов.
2. Разработана динамическая модель исполнительного механизма для плетения торсионных подвесов.
3. Впервые разработаны алгоритмы решения слабообусловленных нелинейных систем алгебраических уравнений с целью определения интегральных упругих постоянных САС.
Достоверность научных результатов, полученных в работе, обеспечивается строгостью постановки задач, применяемых классических математических методов ТММ, теории упругости, теории оптимизации, статистической обработкой полученных результатов, использованием компьютерных методов исследований.
Достоверность подтверждена работоспособностью синтезированного механизма плетения, позволившего производить торсионы с заданными физикомеханическими характеристиками. Обработка экспериментальных данных проводилась на базе кафедры Мехатроники НИУ ИТМО и Лаборатории наземных геомагнитных исследований СПбФ ИЗМИРАН. Исследование структуры образцов торсионов производилось в Лаборатории физико-технологических исследований и электронной микроскопии ПИМаш.
Практическая ценность и реализация работы. Заключается в разработке:
механизма для плетения торсионных подвесов, алгоритмов решения слабообусловленных нелинейных систем алгебраических уравнений; способов определения интегральных упругих постоянных САС.
По результатам диссертационной работы поданы материалы на получение патента РФ на изобретение Устройство для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов приборов (дата подачи материалов заявки 18 сен тября 2012 г. ФИПС СПБ №1740). Механизм для плетения торсионных подвесов внедрен в СПбФ ИЗМИРАН как средство для изготовления торсионных подвесов МЧЭ МСВ и в учебном процессе кафедры Мехатроники СПбГУ ИТМО при проведении занятий со студентами по курсу Прикладная механика.
Работа получила развитие и поддержку в рамках целевой программы Министерства образования и науки РФ Развития научного потенциала высшей школы госзаказ по договору №35-002/2012 от 01.01.2012 г (проект № 7.941.2011).
Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на 14-ти конференциях различного уровня, в том числе на 8-й и 10-й сессии Международной научной школы "Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов" VPB-и VPB-11 (Санкт-Петербург, 2007, 2011), V, VI, VII и VIII Всероссийской научной конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008 - 2011), 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments, ISMTII-2009 (Санкт-Петербург, 2009), Международной научно-практической конференции ХХХIХ Неделя науки СПбГПУ (Санкт-Петербург, 2010), Mеждународном конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям (International Congress on Intelligent Systems and Information Technologies) IS-IT'2011, (Геленджик-Дивноморское, 2011), ХLI научной и учебно-методическая конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012), I Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012), Международной научно-практической конференции Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте С2012 (Одесса, Украина, 2012), 23rd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, IСTAM-2012 (Пекин, Китай, 2012), Международной научно-практической конференции Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития С2012 (Одесса, Украина, 2012) и на семинарах кафедры Мехатроники НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2007 - 2012).
Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 17 работ, из низ 2 - в журналах из перечня ВАК, 5 - в иностранных реферируемых журналах. По результатам диссертационной работы поданы материалы на получение патента РФ на изобретение Устройство для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов приборов, - дата подачи материалов заявки 18 сентября 2012 г. ФИПС СПБ №1740 (конструкция и принцип действия синтезированного механизма).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 5 приложений, библиографического списка из 103 наименований.
Основной текст работы изложен на 125 страницах, включает в себя 8 таблиц и рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна исследований и практи ческая ценность полученных результатов, представлены основные выносимые на защиту положения. Отмечено, что разработка принципа механизма плетения осуществлялось с учетом методологической и теоретической базы теории механизмов и машин: И.И. Артоболевский, Б.П. Тимофеев, Н.Н. Попов и д.р.; аналитической механики: А.Н. Лурье, Н.В. Бутенин и д.р.; моделирования в SimMechanics: В.П. Дьяконов, Ю.Ф. Лазарев и д.р.; с учетом методологической и экспериментальной базы теории спирально-анизотропных тел: С.Г. Лехницкий, С.А. Амбарцумян, А.Н. Динник, Ю.А. Устинов, В.М. Мусалимов, И.И. Ворович, А.Н. Друзь, И.П. Гетман и д.р; теории оптимизации: А. Фиакко, Г. Мак-Кормик и д.р. Приведена краткая характеристика работы.
Первая глава посвящена рассмотрению состояния вопроса и постановке задач исследования.
Описываются известные механизмы для производства плетеных изделий, в том числе устройство УИСАТ-1, предназначенное для изготовления торсионных подвесов ЧЭ приборов, которое может найти применение в магнитометрии, сейсмологии, геодезии, метеорологии, электротехнике и др., т.е. использоваться для производства торсионов ЧЭ высокочувствительных магнитометров, акселерометров, сейсмометров, наклономеров, микробарографов, гальванометров, а также в датчиках охранной сигнализации.
Это устройство позволяет изготавливать путем плетения из трех прядей торсионный подвес диаметром не более 0,046 мм, с заранее заданными характеристиками (материалом, толщиной, структурой, плотностью плетения, модулем кручения, прочностью и др.), которые обладают свойствами упругой анизотропии.
Специфика и уникальность данного устройства состоит в том, что в качестве сырья для плетения используется особый материал - филаменты кевларовых нитей (параарамидные волокна). Диаметр 0,016 мм, длина 400мм.
На сегодняшний день торсионные подвесы используются в качестве подвеса МЧЭ МСВ, входящего в состав геофизического комплекса GI-MTS-1 (СПбФ ИЗМИРАН).
Сформулированы задачи исследования: провести анализ механизма плетения; построить динамическую модель исполнительного механизма плетения с учетом влияния характеристик торсионного подвеса; разработать и внедрить в практику производства магнитометров синтезированный механизм плетения торсионных подвесов; изготовить партию опытных образцов торсионных подвесов и исследовать структуру полученных образцов и их физико-механические свойства; разработать новые подходы к оценке физико-механических характеристик винтовых элементов САС.
Во второй главе выполнен критический анализ ранее разработанного автором устройства УИСАТ-1.
3D модель и кинематическая схема устройства УИСАТ-1 приведена на рис. 1.
а) б) Рис. 1. 3D модель устройствa УИСAТ-1 (a) и его кинемaтическaя схемa (б) 1..3 - пряди, 4 - переключатель, 5, 6 - диски, 7 - шатун, 8 - рычаг стрелки, 9..11 - грузы, 12 - гайка, I..IX - валы, z1.. z3 - зубчатые колеса, d1..d10 - шкивы Процесс плетения реализован следующим образом: при помощи электродвигателя М механический редуктор (d1..d4) приводит в движение два диска 5 и 6, в пазы которых пропущены три пряди (1..3) будущего торсиона. При помощи зубчатых колес z1 и z2 реализовано взаимновстречное вращение этих дисков.
Синхронно с вращением дисков коромысловый механизм привода переключателя 4 (z1,7,8) реализует его возватновращательное движение. Так переключатель перемещает пряди из пазов одного диска в свободные пазы другого диска. Блок механизма сбора продукции (d1.. d10, IX, 12) представляет собой захват 12, который фиксирует концевые участки прядей, и равномерно вертикально перемещается относительно исполнительного механизма плетения.
На рис. 2 приведена схема исполнительного механизма и внешний вид получаемого торсионного подвеса.
а) б) Рис. 2. Исполнительный мехaнизм устройствa УИСAТ-1 (a) и торсион (б) 1..3 - пряди, 4 - переключатель, 5,6 - диски, 7 - шатун, 8 - рычаг переключателя, z1.. z3 - зубчатые колеса Анализ показал, что устройство обладает нестабильностью работы, обусловленной несогласованностью движений звеньев механизма плетения, связанной с формой переключателя (влияет на равномерность плетения); сложностью в эксплуатации и настройке; невозможностью регулирования плотности плетения (для задания различных характеристик торсионного подвеса); недостаточно высоким быстродействием (не более 100 мм/час), связанным с конструктивными особенностями, заданными при проектировании устройства.
Перечисленные факторы влияют на качество торсионного подвеса, удобство эксплуатации механизма, его обслуживания и настройку, а также на быстродействие.
Структурными элементами механизма плетения торсионных подвесов являются:
Х Исполнительный механизм плетения;
Х Блок механизма сбора продукции;
Х Плетеный торсион (САС);
Х механизмы привода;
Синтез механизма для плетения торсионных подвесов из филаментов синтетических высокомодульных нитей диаметром 0,016 мм и длиной 400 мм, при повышении быстродействия является завершающей фазой проектирования и создания высокопроизводительной механической системы.
В третьей главе развиты новые подходы к решению задачи об оценке физико-механических характеристик винтовых элементов САС.
САС является одним из элементов синтеза механизма плетения.
Многослойные пружины, канаты, тросы, нити представляют собой объекты механики деформируемого твердого тела, которые моделируются как САС. На рис. 4 приведена типичная конструкция гибкого кабеля. Механические свойства винтовых составляющих этих конструкций определяются их физикомеханическими характеристиками E1, G1, 1, соотнесенными с геометрией подвижного репера , , r (рис. 3). Механические свойства самих конструкций традиционно соотнесены с геометрией стержня Ч осью z и радиусом r (рис. 4). При механических испытаниях САС регистрируются линейные e и угловые деформации при различных граничных условиях, определяющих деформированное состояние: свободное и стесненное растяжение, свободное и стесненное кручение.
В работах В.М. Мусалимова выведены уравнения, связывающие внешние силы и моменты с линейными и угловыми деформациями САС:
P = A11e + A12; R2E (1) M = A21e + A22; R3E Здесь при A11, A22, A12= A21 - соответственно модули растяжения, кручения, растяжения-кручения; E1 - Рис.3. Локальная система модуль упругости САС, P - осевая нагрузка, M - координат r, , скручивающий момент; R - радиус САС.
Введены следующие обозначения:
A11E1 = 11, A12E1 = 12, A21E1 = 21, A22E1 = В указанных работах приведены также уравнения, связывающие экспериментально определенные модули с физико-механическими характеристиками винтовых составляющих САС:
11 = G1(91 +182) - 92E1 + E1 - 31E1;
2 -12 = -G1(31 +122 ) + 62E1 +1E1; (2) 2 -tg20 22 = G1( + 82 ) - 42E1;
2 2 -где 1 = 1- 2ctg20 ln sec0;
2 = sin2 0 -1;
0 - угол наклона винтовых линий относительно оси цилиндра z.
E1, G1, и 1 - интегральные упругие постоянные САС;
Соотношения (2) является слабообусловленной нелинейной алгебраической системой уравнений относительно интегральных упругих постоянных E1, G1, v.
Ранее для решения системы уравнений были использованы вероятностные методы и методы на основе детерминированного подхода. В настоящей работе для определения интегральных упругих постоянных САС разработаны оригинальные оптимизаторы - методы поиска оптимума (Программы Парабола;
Гребень; Координатная; Симплекс).
В работе в качестве модулей растяжения 11, растяжения-кручения (коэффициент влияния) 12, кручения 22 использованы данные систематических исследований по механике кабеля. Они приняты в качестве эталонных при тестировании методов оптимизации.
На рис 5-8 для 1=0,3 приведены оценки, полученные с помощью алгоритмов описанных в работе методов. Угол наклона к оси анизотропии упругоэквивалентных спиралей 0 = 15. Рис.4 - Программа Парабола; 5 - Гребень;
6 - Координатная; 7 - Симплекс (а - графическое отображение работы программы оптимизации; б - увеличенное графическое отображение работы программы оптимизации). Результат: E1=2,4465109 (Па), G1=7,2913108 (Па).
8 Программа "Гребень" x 1010 Программа "Парабола" Программа "Парабола" x 10 Программа "Гребень" x 10 x 12 11 2 10 9 8 0 7 6 --5 -4 -3 --2 -3 -2 -1 0 1 2 3 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 E1, (Пa) 10 -3 -2 -1 0 1 2 3 x 10 9 E1, (Пa) E1, (Пa) x 10 E1, (Пa) 10 x x а) б) а) б) Рис.4 - Программа Парабола Рис.5 - Программа Гребень G1, ( П a) G1, ( П a) G1, ( П a) G1, ( П a) 10 9 10 Программа "Координатная" Программа "Координатная" Программа "Симплекс" Программа "Симплекс" x 10 x 10 x 10 x 8 3 7 2 6 1 5 4 0 3 --1 -2 --2 -1 --3 -0 --3 -2 -1 0 1 2 3 4 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 E1, (Пa) 10 E1, (Пa) 9 E1, (Пa) 10 E1, (Пa) x 10 x 10 x 10 x а) б) а) б) Рис.6 - Программа Координатная Рис.7 - Программа Симплекс Следует отметить, что с помощью оптимизаторов вычисляются все значения физико-механических характеристик E1, G1 для заданных 1.
E Для изотропных тел выполняется соотношение G =, а для анизотроп2(1 +) ных не выполняется, так как E1, G, 1 независимы, то есть для изотропных тел 2G 1 2G =, для анизотропных = m. И для эталонных рассчитанных значений E 1 + E 2G 1 2G при 1=0,3, получаем: = = 0,769 и = m = 0,655, соответственно. СледоваE 1+ E тельно, m.
1 + На рисунке 8 показан характер изменения отношения 2G/ E1 в функции 1 и показана соответствующая точка для изотропного тела при 1=0,3.
2G1/E1(v1) 0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.vРис. 8. Характер изменения отношения 2G1/ E1 в функции Приведенные результаты расчетов для САС основаны на примере исходных многочисленных экспериментальных данных для кабеля. Для каждого 0 они являются стандартными (безразмерными характеристиками) и взяты за основу оценки модулей кевларовых торсионных подвесов. Используя приведенную на рисунке 9 закономерность и E = 100109 Па для исходных нитей, получаем mE 0,6551G = = 109 = 0,32751011 Па = 30 ГПа.
2 Эти значения модулей используются при расчете нагрузок приложенных к переключателю.
В четвертой главе предложены пути оптимизации механизма для плетения G1, ( П a) G1, ( П a) G1, ( П a) G1, ( П a) 2G1/E торсионного подвеса ЧЭ МСВ. Исследуется кинематика и динамика исполнительного механизма плетения, реализовано моделирование с помощью библиотеки SimMechanics пакета Simulink среды MATLAB.
Переход к синтезу механизма ориентирован на: устранение нестабильности работы, обусловленной несогласованностью движений звеньев механизма плетения, связанной с формой переключателя (влияет на равномерность плетения);
устранение некоторой сложности в эксплуатации и настройке; повышение быстродействия (составляющее не более 100 мм/час). Перечисленные факторы влияют на качество торсионного подвеса, удобство эксплуатации механизма, его обслуживания и настройку, а также на быстродействие.
На рис. 9 изображена кинематическая схема синтезированного механизма плетения торсионов. Блок механизма сбора продукции (торсиона) представляет собой захват, фиксирующий начала прядей и обладающий способностью вертикального перемещения относительно исполнительного механизма плетения.
Блок механизма сбора продукции (торсиона), снабжается направляющей с отверстием 13, стягивающим пряди, которая имеет два возможных положения (по высоте), данная направляющая позволяет изменять угол плетения, но этого недостаточно для регулирования плотности плетения. Так же на оси винта, приводящего в движение гайку (на которой расположен захват, фиксирующий начала прядей), располагают вариатор A, позволяющий изменять скорость перемещения захвата относительно механизма плетения. Вариатор A выполнен в виде ведущего трехступенчатого шкива d9 расположенного на выходном валу VII механического редуктора и ведомого трехступенчатого шкива d10 установленного на оси винта IX, приводящего в движение гайку. Внесенные изменения выделены на рисунке серыми блоками.
Рис. 9. Кинематическая схема устройства 1..3 - пряди, 4 - переключатель, 5, 6 - диски, 7 - шатун, 8 - рычаг стрелки, 9..11 - грузы, 12 - гайка, 13 - направляющая, I..IX - валы, z1.. z3 - зубчатые колеса, d1..d12 - шкивы. А - вариатор, Б - реверс Блок механизма сбора продукции оснащен реверсом Б (переключателем направления перемещения), осуществляющим переключение перемещения гайки, и используется для возврата блока механизма сбора в исходное (начальное) положение. Реверс Б выполнен в виде механического редуктора, состоящего из шкивов d11 и d12.
Критическим элементом в механизме плетения является блок исполнительного механизма, который осуществляет перекидку нитей, поэтому принято решение оптимизировать профиль переключателя 4 - основного элемента плетения. Форма рабочей поверхности (конструктивного профиля) переключателя, полученная геометрическим способом построения профилей кулачковых механизмов. Опираясь на теорию машин и механизмов, а именно область анализа и проектирования кулачковых механизмов, была решена задача синтеза кулачкового механизма при условии, что задан теоретический (центровой) профиль, который в системе координат кулачка описывает центр сечения рабочего профиля пряди, при движении ее по конструктивному профилю кулачка. Траектория движения прядей представляет собой замкнутую линию в виде цифры восемь, размерные характеристики определяются конструкцией.
На рис. 10. представлен исполнительный механизм плетения с оптимизированным профилем переключателя.
Рис. 10. Исполнительный механизм плетения с оптимизированным профилем переключателя 1..3 - пряди, 4 - переключатель, 5,6 - диски, 7 - шатун, 8 - рычаг переключателя, 14 - оптимальная траектория движения прядей, z1.. z3 - зубчатые колеса Форма рабочей поверхности переключателя, введение направляющей с отверстием, стягивающим пряди, вариатора и реверса, влияют на достижение ожидаемого результата.
Изменение формы рабочей поверхности основного элемента плетения - переключателя, позволяет избежать проблем связанных с нестабильностью работы исполнительного механизма плетения, который осуществляет перекидку нитей, обусловленных не согласованностью движений механизма плетения, что влияет на равномерность плетения.
Введение вариатора и направляющей с отверстием, стягивающим пряди, в конструкцию устройства дает возможность дополнительной регулировки плотности плетения, что в свою очередь упрощает настройку устройства и позволяет повысить качество торсионного подвеса. Так же использование вариатора позволяет повысить быстродействие в процессе плетения и в режиме реверса.
Для повышения быстродействия внесены изменения в характеристики механического редуктора (d1.. d8, z1.. z3) - изменены передаточные отношения шкивов.
Введение вариатора, реверса и внесение изменений в характеристики механического редуктора позволяет упростить эксплуатацию и обслуживание устройства за счет полуавтоматического ускоренного возврата блока механизма сбора в исходное (начальное) положение и повысить быстродействие механизма плетения в целом.
Для исследования динамики исполнительного механизма плетения осуществлено моделирование с помощью библиотеки SimMechanics пакета Simulink среды MATLAB, предназначенной для моделирования пространственных движений твердотельных машин и механизмов. Дифференциальные уравнения записаны в виде структурной модели SimMechanics с использованием блоков, то есть механическая система представляется связанной блочной диаграммой. Блоки пакета являются моделями механических устройств, положение которых в пространстве и относительно друг друга может меняться в соответствии с законами механики и в разных системах координат. Модель SimMechanics изображает физическую структуру механизма, геометрические и кинематические отношения его компонентов. SimMechanics автоматически преобразует это структурное изображение во внутреннюю, эквивалентную математическую модель.
На рис. 11 представлена кинематическая схема исполнительного механизма плетения.
Рис. 11. Кинематическая схема исполнительного механизма (вид сверху) Обозначения на рис. 11: d1..d4 - шкивы, dz1.. dz3 - зубчатые колеса, O1А - кривошип, АВ - шатун, B02 - коромысло, O2C - переключатель. 1.. 5 - углы поворота звеньев. Для расчета углов поворота звеньев начало координат выбрано в точке О1.
На рис. 12 представлена анимированная модель SimMechanics исполнительного механизма плетения.
а) б) Рис. 12. Анимированная модель SimMechanics исполнительного механизма плетения вид сверху (плоскость xy) (a) и произвольный вид (б) На рис. 13 представлена модель SimMechanics, а на рис. 14 результаты расчетов моделирования исполнительного механизма плетения с синхронным двигателем в среде SimMechanics.
Рис. 13. Модель SimMechanics исполнительного механизма плетения Представлена модель исполнительного механизма плетения с синхронным двигателем, выполненная с помощью пакета прикладных программ MatLab (Simulink / SimMechanics). Получены основные законы изменения во времени угла, угловой скорости, силы реакции относительно примитива (по осям x, y, z). На рис. 14 в течении короткого промежутка времени (0,11 с) наблюдается переходной процесс. В пределах прикладываемых нагрузок механическая система работает стабильно.
Сила реакции по оси примитива Угол Угловая скорость 5 Fr1x Fr1y 0 -0.Fr1z -5 -а) t=--10 -1.--15 -0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 t, с t, с t, с Сила реакции по оси примитива Угол Угловая скорость 0.05 Fr1x 0 Fr1y -0.Fr1z -0. t=0,2 --0.--1.-0.--0.2 -0 0.05 0.1 0.15 0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.t, с t, с t, с Угол Угловая скорость Сила реакции по оси примитива 4 2 0.Fr2x 0.Fr2y 2 1.Fr2z 0 б) t=10 -0.-2 0.-0.-4 0 -0.0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 t, с t, с t, с Угол Угловая скорость Сила реакции по оси примитива 0.15 1.5 0.Fr2x 0.Fr2y 0.1 Fr2z 0.05 0. t=0,-0.0 -0.-0.05 -0.5 -0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.t, с t, с t, с Угол Угловая скорость Сила реакции по оси примитива от времени 0.5 1 0.Fr3x 0.Fr3y 0 0.Fr3z -0.5 в) t=10 -0.-1 -0.-0.-1.5 -1 -0.0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 t, с t, с t, с Угол Угловая скорость Сила реакции по оси примитива от времени 0.04 0.8 0.Fr3x 0.Fr3y 0.03 0.Fr3z 0.02 0. t=0,-0.0.01 0.-0.0 0 -0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.t, с t, с t, с Угол Угловая скорость Сила реакции по оси примитива 1.5 1 0.Fr4x 0.Fr4y 1 0.Fr4z 0.0.5 г) t=0 -0.-0.-0.-0.5 -0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 t, с t, с t, с -Угол Угловая скорость Сила реакции по оси примитива x 5 0.1 0.Fr4x 0 0.Fr4y 0.Fr4z -5 0. t=0,-10 -0.-15 -0.-20 -0.1 -0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.t, с t, с t, с Рис. 14. Данные поступившие с: (а) датчика 1 (кривошип); (б) датчика 2 (шатун);
(в) датчика 3 (рычаг переключателя); (г) датчика 4 (переключатель) исполнительного механизма плетения, рад, рад / с Fr, Н * м , рад, рад / с Fr, Н * м , рад, рад / с Fr, Н * м , рад, рад / с Fr, Н * м , рад, рад / с Fr, Н * м , рад, рад / с Fr, Н * м , рад, рад / с Fr, Н * м , рад, рад / с Fr, Н * м Приведены результаты исследования структуры шести образцов (филаментов исходных нитей, торсионных подвесов и нитей Русаро линейной плотности 6,текс), определены геометрические характеристики спирально-анизотропного кевларового торсионного подвеса, а именно плотности плетения и размеры поперечного сечения вдоль большой и малой оси. А также произведена оценка размеров поперечного сечения филамента исходной нити и нити плотности 6,3 текса. На основании проведенных измерений подтверждена высокая стабильность геометрических характеристик спирально-анизотропного кевларового торсиона, изготовленного с помощью синтезированного механизма для плетения подвесов ЧЭ приборов. Достоверность результатов подтверждена использованием двух измерительных систем (Микровизора Vizo-МЕТ-222 ЛОМО и микроскопа Meiji Techno IM7200).
Упругий торсионный подвес (рис. 15) представляет собой САС из трех прядей (одна нить в каждой пряди). Плотность плетения - 7 узлов/мм. Огибающая поперечного сечения упругого торсионного подвеса представляет собой эллипс с большей осью 0,046 мм и меньшей осью 0,033 мм; общая длина подвеса - 100 мм.
а) б) Рис. 15 - Фотографии плетеных торсионных подвесов Две проекции: вид сверху (а), сбоку (б) В приложениях к диссертационной работе приведены: текст патента РФ на изобретение Устройство для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов приборов; акты внедрения; модель SimMechanics (Simulink / MATLAB), текст управляющей программы и параметры настройки блоков управления для модели; текст программ Алгоритмы решения слабообусловленных нелинейных систем алгебраических уравнений, фотографии результатов микроскопических исследований.
Основные выводы и результаты работы:
Х Произведен анализ механизма плетения.
Х Х Х Х Построена динамическая модель исполнительного механизма плетения с Х Х Х учетом влияния торсионного подвеса.
Х Разработан и внедрен в практику производства магнитометров синтезироХ Х Х ванный механизм плетения, способный производить торсионный подвес необходимого качества с заданными характеристиками.
Х Изготовлена партия опытных образцов торсионных подвесов с заданными Х Х Х характеристиками плотности плетения и исследована структура получен ных образцов и их физико-механические свойства.
Х Разработаны новые подходы к оценке физико-механических характериХ Х Х стик винтовых элементов спирально-анизотропного стержня.
Цель диссертационной работы, заключающаяся в синтезе механизма плетения с учетом особенностей структуры торсионов, моделируемых как эквивалентные спирально-анизотропные стержни, достигнута.
Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:
В изданиях из перечня ВАК:
1. Мусалимов В.М., Заморуев Г.Б., Перечесова А.Д. Расчет физикомеханических характеристик винтовых элементов спиральноанизотропных стержней // Изв. вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55, № 6.
С. 24-30.
2. Перечесова А.Д., Сергушин П.А. Закон движения механизма плетения спирально-анизотропных нитей // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 48. Мехатроника, технологии, системы автоматизированного проектирования./ Главный редактор д.т.н, проф. В.О. Никифоров, 2008. С. 29Ц35.
В иностранных реферируемых журналах:
3. Yuri A. Kopytenko, Pavel A. Sergushin, Maksim S. Petrishchev, Valery А. Levanenko, Anna D. Perechesova. Device for Manufacturing Torsion Bars with Helical Anisotropy UISAT-1 // Key Engineering Materials Vol. 437 (2010). - Trans Tech Publications, Switzerland, 2010. P. 625Ц628. DOI:
10.4028/www.scientific.net/KEM.437.625.
4. Perechesova A. Calculation of Elastic Constants of the Torsion Bars with Helical Anisotropy using the methods of Optimization theory// Abstract Book 23rd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, Beijing (China), 19-24 August 2012, China Science Literature Publishing House, P. 146.
5. Perechesova A. Calculation of Elastic Constants of the Torsion Bars with Helical Anisotropy using the methods of Optimization theory // Proceedings of the 23rd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics. - Beijing (China), 2012. - SM04Ц050.
6. Perechesova A. Optimization of a device for manufacturing the torsion suspensions for sensing elements of the instruments UISAT-1 in Modern scientific research and their practical application edited by Alexandr G. Shibaev, Sergiy V.
Kuprienko, Alexandra D. Fedorova.Vol. J31207 (Kupriyenko Sergiy Vasilyovich, Odessa, 2012) - URL: (date: September 2012) - Article CID Number J31207-576.
7. Перечесова А.Д. Оптимизация устройства для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов приборов УИСАТ-1. // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте С2012. - Выпуск 2. Том 7. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. - ЦИТ: 212-576 - С. 47Ц53.
Прочие публикации:
8. Perechesova A., Sergushin P., Petrishchev M. The device for manufacturing torsion bars with helical anisotropy UISAT-1 // Proceedings of ISMTII-2009, St. Petersburg, 29 June - 2 July 2009. Vol 4. P. 418Ц421.
9. Sergushin P., Perechesova A., Petrishchev M. The torsion magnetic variometer with Kevlar-hanger-based sensor // Proceedings of ISMTII-2009, St. Petersburg, 29 June - 2 July 2009. Vol 4. P. 411Ц414.
10. Перечесова А.Д. Моделирование динамики исполнительного механизма УИСАТ-1 в среде SimMechanics // ХХХIХ неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции, СанктПетербург, 6-11 декабря 2010 г., Ч. ХХI. - СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. С. 89.
11. Перечесова А.Д., Сергушин П.А. Обзор современных средств для плетения различных объектов// Программа и сборник докладов Восьмой сессии Международной научной школы Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов VPB-07, СанктПетербург, 22-27 октября 2007 г. СПб: ИПМаш РАН, 2007. С. 116Ц120. Рег.
свидетельство № 11991 от 26.11.2007 г.
12. Перечесова А.Д. Автомат для изготовления подвеса магниточувствительного элемента торсионного магнитометра УИСАТ-1 // Труды Конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям IS-IT'11, Научное издание в 4-х томах. - М.: Физматлит, 2011. - Т.3. С. 118Ц124.
13. Перечесова А.Д. Устройство для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов приборов // Альманах научных работ молодых ученых. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. С. 182Ц186.
14. Перечесова А.Д. Моделирование динамики исполнительного механизма УИСАТ-1 в среде SimMechanics // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 3. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. С. 168.
15. Перечесова А.Д. Устройство для изготовления спирально-анизотропных торсионов УИСАТ-1 // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Санкт-Петербург, 12Ц15 апреля 2011 г., Выпуск 2. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. С. 297Ц298.
16. Перечесова А.Д. Алгоритмы решения слабообусловленных нелинейных систем алгебраических уравнений // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. С 317Ц318.
17. Сергушин П.А., Перечесова А.Д. Вейвлет-анализ магнитограмм // Программа и сборник докладов Восьмой сессии Международной научной школы Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов VPB-07, Санкт-Петербург, 22-27 октября 20г. СПб: ИПМаш РАН, 2007. С. 196Ц197. Рег. свидетельство № 11991 от 26.11.2007 г.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям