Разработка и исследование механизма дифференциального преобразователя движения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Желобов, Антон Александрович

• Желобов, Антон Александрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Желобов, Антон Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР МЕХАНИЗМОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНОГО

ДВИЖЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА.

1.1. Обзор и анализ механизмов для получения сложных траекторий перемещения исполнительного органа.

1.2. Практическое использование механизмов для получения сложных траекторий перемещения исполнительного органа.

1.3. Цели и задачи исследования.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДВИЖЕНИЯ.

2. 1. Кинематические схемы исследуемых механизмов.

2.2. Определение основных кинематических характеристик.

2.3. Вывод уравнений сателлитных кривых и их анализ.

2. 4. Моделирование на ЭВМ траекторий перемещения точек выходного звена механизма.

2. 5. Уравнения скоростей и ускорений перемещения исполнительного органа механизма по сателлитной кривой.

2. 6. Исследование погрешности перемещения исполнительного органа дифференциального преобразователя движения.

2. 7. Выводы по главе.

Глава 3. СИЛОВОЙ РАСЧЁТ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДВИЖЕНИЯ.

3.1. Силы, действующие на звенья механизма.

3.2. Влияние кинематических особенностей механизма на условия силового нагружения его звеньев.

3.3. Исследование потоков мощности в дифференциальном преобразователе движения.

3.4. Коэффициент полезного действия дифференциального преобразователя движения.

3.5. Определение моментов на основных звеньях механизма.

3.6. Определение сил в зацеплениях и на опорах основных деталей механизма дифференциального преобразователя.

3.7. Сравнительный анализ силовых и энергетических показателей различных схем дифференциальных преобразователей.

3.8. Выводы по главе.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДВИЖЕНИЯ.

4. 1. Программа исследований.

4. 2. Описание экспериментальной установки.

4. 3. Частные методики проведения экспериментальных исследований

4. 3. 1. Методика проведения исследований по установлению связи между кинематическими параметрами механизма и видом траектории, воспроизводимой его выходным звеном.

4. 3. 2. Методика машинного эксперимента по определению скоростей и ускорений точки исполнительного органа дифференциального преобразователя движения.

4. 3. 3. Методика машинного эксперимента по исследованию погрешностей воспроизведения траектории точки исполнительного органа преобразователя движения.

4. 3. 4. Методика проведения исследований по установлению связи между моментами полезных сопротивлений на ведомом звене и движущими моментами, прилагаемыми к ведущему звену (ведущему валу).

4. 4. Результаты экспериментов.

4. 4. 1. Результаты эксперимента по определению сателлитных кривых.

4.4.2. Анализ результатов эксперимента по определению сателлитных кривых.

4. 4. 3. Результаты экспериментов по исследованию скоростей и ускорений рабочих точек выходного звена дифференциального преобразователя движения и их анализ.

4.4.4. Результаты машинных экспериментов по исследованию погрешностей воспроизведения траекторий перемещения точки исполнительного органа и их анализ.

4. 4. 5. Результаты экспериментов по определению моментов на основных звеньях преобразователя движения и их анализ.

4. 5. Выводы по главе.

Глава 5. ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИФФЕ

РЕНЦИАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ.

5. 1. Методика проектирования дифференциальных преобразователей движения.

5. 2. Проектирование дифференциального преобразователя для перемещения рабочего органа по перициклоиде.

5.3. Проектирование дифференциального преобразователя для перемещения рабочего органа по спирали.

5. 4. Технико-экономическое обоснование принятой конструкции станка для спирального точения с суппортом на основе дифференциального преобразователя движения.

5. 5. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование механизма дифференциального преобразователя движения»

На современном этапе социальные и экономические потребности общества требуют дальнейшей интенсификации различных технологических процессов. Их механизация, осуществляемая рациональным применением и использованием известных, а так же созданием новых механизмов, является одним из действенных средств повышения производительности и качества труда.

В практической деятельности большой круг задач требует перемещения исполнительного органа машины по криволинейной траектории. Это захватывающие устройства сельскохозяйственных машин, роботов, манипуляторов, грузоподъемных и т.п. машин; перемещение режущих инструментов на станках специального назначения, например, при шлифовании аэродинамических поверхностей у турбинных лопаток или дисковых фрез у пилорам; при автоматической сварке фасонных швов; на станках, у которых подача режущего инструмента должна осуществляться по криволинейной траектории относительно обрабатываемой детали в продольном или поперечном направлении и т.д.

Рабочие органы машин первых групп базируются чаще всего на криво-шипно-ползунных механизмах, механизмах с качающейся или вращающейся кулисой, кулисных механизмах с шатуном, четырёхшарнирных, кулачковых и других механизмах. Для образования фасонного профиля детали в продольном направлении хорошо себя зарекомендовали механизмы, работающие от копира (гидро - и электрокопировальные устройства).

Перемещение режущего инструмента в поперечном направлении при циклоидальном (а. с. 432975 В 23 В 1/00) или спиральном (а. с. 1779462 В 23 В 1/00) точении возможно при использовании в качестве суппорта планетарного или дифференциального механизмов, которые обеспечивают режущим инструментам врезную подачу соответственно по эпициклоиде либо по плоской спирали вокруг обрабатываемой заготовки. Указанные способы точения используются для обработки деталей с короткими поверхностями вращения (Ъ/Е) < 0,5) широкими резцами (кольца подшипников, блоки шестерен, шкивы и т.п.).

Планетарные или дифференциальные механизмы имеют широкие, еще не вскрытые возможности по использованию их в качестве направляющих для перемещения режущего инструмента при обработке материалов. Изучение сателлитных кривых, описываемых различными точками их сателлитов, ограничивались передаточными отношениями в пределах - 3.4 (5) [11]. Причём в этом диапазоне передаточные отношения выбирались произвольно, с довольно крупным шагом, например 0,5, что не позволило вскрыть в полном объёме возможности этих механизмов как построителей сложных траекторий.

Дополнительные исследования этих механизмов показали, что дифференциальные механизмы из-за наличия у них двух независимых ведущих звеньев — центрального колеса и водила, позволяют получать более разнообразные виды траекторий точек перемещения ведомого звена — сателлитов, в том числе и спиральные. Для приведения в движение такой механизм должен иметь две приводные цепи, что в ряде случаев является препятствием для его использования. Внезапный отказ в одной из приводных цепей приведёт к резкому изменению требуемой траектории перемещения исполнительного органа машины и создаст аварийную ситуацию, что особенно опасно при обработке металлов резанием. Кроме того, два двигателя делают невозможным использование такого механизма при разработке механизированных слесарных инструментов, например, для шабрения или очистки плоскостей от старой краски и т. п. Такая конфигурация механизма может вызвать затруднения при размещении его в ограниченном пространстве.

Поэтому целью данной работы является создание механизма для построения криволинейных траекторий перемещения режущего инструмента на 8 металлорежущих станках, разработка теоретических основ его проектирования и определение области его использования.

Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. разработать схему одноприводного дифференциального механизма, обеспечивающего рабочему органу, связанному с сателлитом, криволинейные, в том числе, спиральные траектории перемещения;

2. теоретически и экспериментально установить связь между кинематическими параметрами механизма и видом траектории, воспроизводимой его выходным звеном;

3. исследовать скорости и ускорения перемещения точки исполнительного органа по сателлитной кривой;

4. оценить кинематическую точность воспроизведения криволинейной траектории;

5. теоретически и экспериментально установить связь между движущими силами или моментами, прилагаемыми к ведущему звену, и силами полезных сопротивлений на ведомом звене, определить коэффициент полезного действия механизма;

6. разработать методику проектирования изучаемого механизма и пакет программ для его расчета и проектирования;

7. дать примеры конструктивного решения механизма для различных случаев его использования;

8. оценить экономическую эффективность нового механизма применительно к конкретному случаю его использования.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Желобов, Антон Александрович

Общие выводы и рекомендации

1. Предложен новый вид дифференциального механизма — дифференциальный преобразователь движения (ДПД) - преобразователь движения: получая простое вращательное движение на входном валу, он преобразует его в сложное криволинейное перемещение рабочего органа, жёстко связанного с выходным звеном - сателлитом.

2. Предложены четыре кинематические схемы выполнения ДПД. Определена его передаточная функция кХ2, характеризующая величину общего передаточного отношения между ведущим валом механизма и выходным звеном — сателлитом. Установлена её зависимость от частных передаточных отношений в его ведущих звеньях. Установлено, что наибольшее влияние на передаточную функцию оказывает передаточное отношение ^ в диапазоне от -1,5 до +1,5 при любых значениях г1/г. В этой области передаточных отношений имеет место наибольшее разнообразие видов сателлитных кривых.

3. Установлен закон движения рабочего органа механизма в зависимости от его базовых параметров. Форма сателлитных кривых определятся кинематической схемой механизма, величинами и знаками передаточных отношении между его звеньями и не зависит от частоты вращения его ведущего звена. Натурный эксперимент установил совпадение видов сателлитных кривых, полученных на ПЭВМ и экспериментальной установке, что подтверждает правильность теоретического анализа.

4. Предложена методика определения на ПЭВМ скоростей и ускорений перемещения рабочей точки исполнительного органа ДПД, что необходимо для оценки соответствия скоростей и ускорений режимам рабочего процесса.

5. Определена кинематическая точность воспроизведения траекторий перемещения точек исполнительного органа и её связь с назначением точности выполнения основных звеньев ДПД. Разработанная методика расчёта погрешностей отработки траектории базируется на требованиях и рекомендациях

ГОСТ 21098-82. Каждая более точная степень зубчатых передач повышает точность отработки траектории в среднем на 30 . 50%.

6. Исследовано распределение входной мощности между цепями ДПД в зависимости от величины и знака передаточного отношения замкнутого контура irc. Показано, что при irc < 0 в механизме циркулируют потоки замкнутой мощности, так как сателлит в одной из двух кинематических цепей становится ведущим: при irc < -1 — в цепи водила, при -1 < irc < 0 - в цепи центральной шестерни. При irc > 0 в обеих цепях сателлит является ведомым, и замкнутая мощность в ДПД отсутствует. Последние схемы предпочтительней по энергетическим показателям.

7. Теоретически исследована зависимость КПД механизма от величины и знака irc- Приведены формулы для определения КПД ДПД для трёх диапазонов изменения irc, в которых изменяются направления потоков замкнутой мощности и последняя отсутствует.

8. Выделено шесть расчётных схем механизмов в зависимости от сочетания направлений крутящих моментов, действующих на основные звенья. Получены расчётные формулы для определения их величин. Измерение моментов на экспериментальной установке подтвердило результаты расчётов их по формулам: расхождение в среднем составляет 5.7%, максимальное — 10%. Для двух схем механизма экспериментально подтверждены формулы для определения КПД ДПД. Расхождение теоретических величин КПД и экспериментальных данных не более 8%.

9. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана и предложена методика проектирования ДПД с применением пакета программ для ПЭВМ по расчёту основных кинематических и силовых параметров механизмов в среде Borland Pascal 7.0 и MathCad plus 5.0 при использовании машинного моделирования процесса работы ДПД. По предложенной методике на основе ДПД спроектированы торцовая фрезерная головка (ТФГ) к продольно - фрезерному станку для обработки плоских поверхностей

186 и суппорт для станка спирального точения для обточки внутреннего кольца подшипника 1316. Станок для спирального точения этой детали при внедрении в производство в условиях ГПЗ-1 повысит производительность её обработки в 1,25 раза с годовым экономическим эффектом в 34,5 тыс. руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Желобов, Антон Александрович, 2000 год

1. Артоболевский И. И. Механизмы в современной технике. М.: Наука, 1971. Т. 1,606 с, Т. 2, 1606 с.

2. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин: Учеб. для втузов. —4-е изд., перераб. и доп.— М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.— 640 с.

3. Артоболевский С. И. Теория механизмов и машин: Учеб. пособ. для втузов.— 2-е изд.- М.: Высш. школа, 1965. —367 с.

4. Решетов Л. Н. Конструирование рациональных механизмов. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1972. — 256 с.

5. Кудрявцев В. Н. Планетарные передачи. — 2-е изд., перераб. и доп-М.-Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1966. — 307 с.

6. Кудрявцев В. Н., Державец Ю. А., Глухарев Е. Г. Конструкция и расчёт зубчатых редукторов: Справочнок пособие. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1971.—328 с.

7. Планетарные передачи: Справочник./Под ред. В. Н. Кудрявцева и Ю. Н. Кирдяшева. —М.-Л.: Машиностроение, 1977.— 536 с.

8. Кирдяшев Ю. Н. Многопоточные передачи дифференциального типа. — М.-Л.: Машиностроение, 1981. — 223 с.

9. Кирдяшев Ю. Н., Иванов А. Н. Проектирование сложных зубчатых механизмов. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1973. — 351 с.

10. Карелин В. С. Проектирование рычажных и зубчато-рычажных механизмов. Справочник.— М.: Машиностроение, 1986. — 180 с.

11. Боренштейн Ю. П. Механизмы для воспроизведения сложного профиля. Справочное пособие. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. —232 с.

12. Боренштейн Ю. П. Исполнительные механизмы захватывающих устройств. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982.— 232 с.

13. Семёнов M. В. Исследование движения сателлитов планетарных механизмов. — «Труды семинара по ТММ», 1954. — с. 5-26.

14. Семёнов М. В. Теория одно- и двухступенчатых планетарных передач. — М.-Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1966.— 164 с.

15. Семёнов М. В. Кинематические и динамические расчёты исполнительных механизмов.—Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1974.—430 с.

16. Семёнов М. В. Теория механизмов и машин. Пространственные механизмы, преобразующие вращательное движение. Письменные лекции.—Л.: 1964,—70 с.

17. Хоменко И. С. Исследование планетарной передачи 2НК. Спец. 05.02.02. Автореф. дисс-ции на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. — Киев, 1975. —24 с.

18. Айрапетов Э. Л., Генкин М. Д. Статика планетарных механизмов.— М.: Наука, 1976. — 263 с.

19. Петров А. В. Планетарные и гидромеханические передачи колёсных и гусеничных машин.— М.: Машиностроение, 1966. — 383 с.

20. Теория передач в машинах. Сб. статей. Ред. коллегия: д-р техн наук, проф. В. А. Гавриленко, отв. ред. и др..— М.: Наука, 1973.— 113 с.

21. Шабанов К. Д. Замкнутые дифференциальные передачи. — М.: Машиностроение, 1972. — 160 с.

22. Иванов M. Н. Детали машин: Учебник для втузов. 5-е изд., перераб. — М.: Высш. школа, 1991. — 383 с.

23. Решетов Д. Н. Детали машин: Учебник для втузов. 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1989. — 496 с.

24. Свешников В. К., Усов А. А. Станочные гидроприводы: Справочник — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1988. — 512 с.

25. Справочник по электрическим машинам: в 2 т./под общ. ред И. П. Копалова и Б. К. Колокова. т. 1. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 456 с.

26. Кинематика, динамика и точность механизмов: Справочник/Под ред. Г. В. Крейнина. — М.: Машиностроение, 1984. — 224 с.

27. Желобов A.A., Желобов А.И., Желобова Т.А. Спиральное точение деталей сложного профиля // Техника машиностроения. 1996. № 3. С. 38.

28. Желобов A.A., Желобов А.И., Медкова Т. А. Конструкция и расчёт суппорта к токарному станку. Владимир, 1991. - 6 с. Деп. в ЦНИИТЭИ тракторосельхозмаш. 09.04.91. ФН1380-тс91.

29. А. с. 432975 СССР, МКИ3 В23 В 1/00. Способ механической обработки металлов / Б. П. Романов, Д. В. Бушенин, Т, А. Медкова.— №16293799/25-08; заяв. 09. 03. 71; опубл. 25. 06. 74, Бюл. № 12.— 2 с.

30. А. с. 889403 СССР, МКИ3 В24 В 39/00. Способ упрочнения поверхностей тел вращения / Б. П. Романов, Д. В. Бушенин, Т. А. Желобова.— №2743788/25-08; заяв. 30. 03. 79; опубл. 15. 12. 81, Бюл. № 46,— 3 с.

31. А. с. 1139567 СССР, МКИ3 В23 В 1/00. Способ механической обработки металлов./ Б. П. Романов, Д. В. Бушенин, А. И. Желобов, Т. А. Желобова,— №3623310/25-03; заяв. 12. 04. 83; опубл. 15. 02. 85, Бюл. № 6.— 2 с.

32. А. с. 1779462 СССР, МКИ3 В23 В 1/00. Способ механической обработки металлов./ Б. П. Романов, А. И. Желобов, Т. А. Желобова.— №4660015/08; заяв. 07. 03. 89; опубл. 07. 12. 92, Бюл. № 45,— 2 с.

33. Бушенин Д. В., Желобов А. А., Желобова Т. А. Анализ схем компоновок станков для спирального точения колец подшипников/В ладим. государ. ун-т — Владимир, 1998. 13 с. Деп. в ВИНИТИ 19. 03. 98, №764-В98.

34. Желобов A.A., Желобова Т.А. Совершенствование методов обработки деталей машин // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: Материалы науч.-техн. конф. 21 22 октября 1998 г. - Владимир, 1999. - С. 73-74.

35. Желобов A.A., Желобова Т.А. Технологические возможности дифференциальных умформеров. Владимир, 2000. - 6 е.: Деп. в ВИНИТИ. 22.03.00. ФН708-В00.

36. Коченов М. И., Правоторова Е. А., Сергеев В. И. Вероятностное моделирование в задачах точности. — М.: Наука,1973. — 152 с.

37. Правоторова Е. А., Сергеев В. И. Исследование точности кинематических цепей, уравнение движения которых записываются в неявном виде.— В кн.: Механика машин. — М.: Наука, 1972, вып. 35-36, с. 37-43.

38. Сергеев В. И. Инструментальная точность кинематических и динамических систем.— М.: Наука, 1971.— 100 с.

39. Дунаев П. Ф. Конструирование узлов и деталей машин.— 3-е изд., перераб. и доп.— М.: Высшая школа, 1978.—352 с.

40. Одинец С. С., Топилин Г. Е. Средства измерения крутящего момента. Библиотека приборостроителя. — М.: Машиностроение, 1977. — 160 с.

41. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. — Изд. 2-е, стереотип. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1975. — 872 с.

42. ГОСТ 1643 81. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски. — М.: Издательство стандартов, 1985.— 42 с.191

43. Экономическое обоснование металлорежущих станков при проектировании: Методические указания к дипломному проектированию./ Владим политехи, ин-т. Сост.: В. Н. Жарков, И. В. Пичужкин, Л. М. Фадеева. — Владимир, 1989. — 48 с.

44. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. Пер. с англ.— М.: Мир 1985, —272 с.

45. ГОСТ 21098 82. Цепи кинематические. Методы расчёта точности — М.: Издательство стандартов, 1984.— 26 с.

46. Красненьков В. И., Вашец А. Д. Проектирование планетарных механизмов транспортных машин. —М.: Машиностроение, 1986. 272 с.

47. Крейнее М. А., Розовский М. С. Зубчатые механизмы. Выбор оптимальных схем. — М.: Наука, 1987.— 428 с.

48. ГОСТ 13837 79. Динамометры общего назначения. Технические условия. — М.: Издательство стандартов, 1980.— 10 с.