Использование моделей и реальных механизмов в курсе ТММ

Скачать презентацию Использование моделей и реальных механизмов в курсе ТММ

презентация курса.ppt

Количество слайдов: 93

Использование моделей и реальных механизмов в курсе ТММ Профессор Александр Головин МГТУ им. Баумана, Кафедра ТММ Профессор Марко Чекарелли Университет г. Кассино, Италия Москва – Кассино 2008 1

Предисловие Эта работа не претендует на статус учебного пособия. Ее нельзя назвать даже тезисами. Она представляет перечень тем курса ТММ, предлагаемый для нескольких специальностей МГТУ им. Н. Э. Баумана. Особое внимание уделено использованию демонстрационных моделей коллекции механизмов кафедры ТММ, сопоставлению лабораторных работ с тематикой лекционного курса. Около половины материала – фотографии моделей из коллекции и реальных механизмов. Показаны возможности дифференцированного подхода к обучению: сильным и интересующимся студентам предлагаются более сложные и интересные задачи* (работа с реальными механизмами, выполнение работ, связанных с интересами преподавателя). Перспективность такого подхода подтверждена результатами: с 2000 по 2008 год в 7 международных конференциях с докладами участвовало 13 студентов. На кого рассчитана работа? На наш взгляд она полезна преподавателям и должна вызвать некоторый интерес у студентов как вспомогательный материал при изучении курса ТММ, совмещенный с просмотром «веселых картинок» из «жизни механизмов» . Фотографии 10 -1, 10 -2, 15, 16 -1, 22, 40 -1, 3, 4, 59, 65, 66 68, 69, 71 -1, 2, 4, 72 -77 сделаны А. Ю. Вуколовым; 37 -38, 39 -1, 2 сделаны Т. В. Милевской; 45 - А. Титаренко; 57 -58 взяты из книги А. А. Головина и В. Б. Тарабарина «Русские модели…» ; 63 -64 сделаны М. Голенковым и А. Зинягиным; 78 – Э. Харитоновым; 81 -83 – А. Симушкиным; остальные – А. А. Головиным *В древнем Риме говорили: Богу – Богово, а Кесарю – Кесарево, что в современной интерпретации звучит как: кесарю – кесарево, а слесарю - слесарево).

Общая информация об обучении Теории Машин и Механизмов в МГТУ им. Баумана Полный курс обучения длится 12 семестров (6 лет) Бакалавр Магистр 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 • Лекции • Курсовая работа, зачет • Упражнения Предлагаемый курс с 1987 по 2008 годы • Лабораторные обслуживал следующие специальности: работы • Технология и машины обработки давлением; • Оборудование и технология прокатки; • Домашние • Реновация; • Метрология и взаимозаменяемость; задания • Технология машиностроения; • Лазерные технологии в машиностроении. • Экзамен 3

Краткий обзор курса Теория механизмов Динамика механизмов: • Классификация • Задачи циклового • Рычажные движения; механизмы • Задачи нециклового • Высшая пара движения (кулачковые механизмы, зубчатые передачи и т. д…) • 30 – 36 часов • 15 – 21 час 4

Особенности курса Общий курс для всех студентов; Для лучших студентов предлагается: • Дополнительные работы в рамках общего курса; • Дополнительные работы, выходящие за рамки общего курса; • Анализ и решение различных задач; • Специальные работы с реальными механизмами; • Для выдающихся студентов – инициативные предложения. 6

Минимальные знания студентов, необходимые для изучения ТММ • Математика: элементарные функции, производные и интегралы ряда функций, геометрический смысл производных и интегралов, системы линейных алгебраических уравнений, разность и сумма векторов • Механика: материальная точка, механика твердого тела, скорость, ускорение, сила, момент, мощность, масса, момент инерции, импульс • Сопротивление материалов: напряжение, деформация, растяжение-сжатие, изгиб, кручение, закон Гука 7

Введение в курс ТММ Машина как мехатронная система. Механизмы в машине. 8. Диагностика 6. Хранение 7. Обработка информации 5. Управление движением 1. Источник 3. энергии 2. Преобразователь Потребитель энергии (механическая система) 4. Измерение параметров движения 8

Итерационный характер проектирования 1. Осознание необходимости в новой машине 2. Формирование требований Требования заказчика Возможности производителя 3. Проектирование Развитие возможных схем механизмов и конструкций машин Вариант 1 … m … Вариант i … n … Вариант N 4. Разработка технологии изготовления 5. Изготовление 6. Эксплуатация 9

Пример многовариантного решения технической задачи • Паровая машина Уатта: преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное движение кривошипа

Варианты механизмов для преобразования прямолинейного движения во вращательное движение «Прямило Уатта» - один из механизмов преобразования Два варианта преобразования прямолинейного движения во вращательное 11

Паровая машина Чебышева Одноцилиндровая вертикальная паровая машина П. Л. Чебышева изготовлена и испытана в ИМТУ. Машина экспонировалась на Всемирной выставке в Филадельфии в 1876 году.

Проектирование варианта решения

Возможные задачи проектирования: геометрические, кинематические, силовые, энергетические, точностные 5 задач геометрического и кинематического проектирования Возможные задачи проектирования силовых элементов механизмов 14

Рычажные механизмы Возможные структуры четырехзвенных механизмов Генератор комбинаций кинематических пар R R RR RP * = P P PR PP Генератор комбинаций схем четырехзвенных механизмов RRRR RPRR PRRR PPRR RR RP RRPR RPPR PRPR PPPR * = PR PP RRRP RPRP PRRP PPRP RRPP RPPP PRPP PPPP W=2 15

Таблица комбинаций четырехзвенных механизмов RR RP PR PP R R P P P 16

Table of four-bar models combination RR RP PR PP R R R P P

Примеры механизмов для лабораторной работы по структуре плоских механизмов 1 K O 0 A D 3 2 B, E 4 7 F C, M N G 5 8 6 S 18

КПД рычажных механизмов. 19

Точность размеров звеньев и кинематических пар. Идеальный механизм и Векторные контуры: поле возможных идеальный и реальный отклонений размеров.

Пример: определение допустимых отклонений размеров кривошипа и шатуна при позиционировании по двум крайним положениям Определение поля допуска для Варианты выбора допустимых кривошипа и шатуна отклонений внутри поля допуска 21

Лабораторная работа: элементарный синтез рычажного механизма и вопросы точности 22

Определение реакций в кинематических парах. Группы Ассура. 23

Рычажные механизмы со специальными функциональными свойствами. Шатунная точка и шатунная кривая. Шатунная кривая четырехзвенного механизма Антипараллелограмм Чебышёва 24

Рычажные механизмы со специальными функциональными свойствами. Принципы многовариантного структурно-параметрического синтеза плоских рычажных механизмов Синтез на основе свойств шатунной кривой 25

Схема механизма прижима вытяжного пресса 8 T 107 9 N M X 11 V, W 7 6 Y A, Z 3 Q, K 2 1 D, E L 4 5 0 B, C График функции положения ползуна (звено 11) Цикловая диаграмма Перемещение ползуна в зоне четырехзвенного механизма 26 прижима

Модель механического пресса двойного действия Два крайних положения механизма прижима (показаны стрелками) 27

Открытые кинематические цепи Маркетинговое исследование рынка промышленных роботов Специализация Рыночные Отношение Рыночные цены без производителя цены RTS без Компания- системы (типы, проданные (включая системы производитель управления(только манипуляторы) систему управления к механическая часть) управления) цене RTS Fanuc PUMA-Scara 23. 000 -100. 000 Eur - ABB PUMA 17. 000 -50. 000 Eur 110. 000 Eur 5 -2, 5 Kuka PUMA 15. 000 -35. 000 Eur - Adept PUMA-SCARA 13. 500 -23. 000 Eur 150. 000 Eur 11 -6 IGM PUMA 30. 000 -80. 000 Eur 160. 000 Eur 5 -2 Robotosystem Wemo SCARA-Portal 13. 300 -24. 500 Eur - Robotosystem Robots Wittmann Portal Robots 13. 300 -27. 000 Eur - Motoman PUMA-Scara 70. 000 Eur - 28

Стадии проектирования робототехнических систем (РТС) n разработка механической части (выбор схемных решений, разработка конструкции); n разработка приводной части ; n выбор системы очувствления ; n синтез структуры системы управления. Постановка задачи: n конструирование приводной части; n формирование образа механической части РТС, адекватной для задания рабочих условий на основе системного подхода к созданию возможных структур. n экспертная оценка механической части конкурирующих решений. 29

Пример разработки структурной схемы РТС Возможные варианты движений Цель движения z↑ f(x, y) z↓ Задачи движения z↑ y↑, x↑ z↓ z↑ ρ↑, z z↓ z↑ z , ρ↑ z↓ z↑ … z↓ 30

Возможные решения - параллелограмм 31

Пример: Разработка конкурентоспособных схем. n построение множества возможных структурных схем манипуляторов n разработка образа робототехнической системы, реализующей заданные условия работы n разработка достаточно эффективной системы управления для конкурирующих решений n разработка экспертной системы оптимального выбора робототехнического средства (РТС) 32

Структурные схемы реализации простейших траекторий точки R R RR PR × = P P RP PP 33

Плоское ориентированное движение тела RR PR R RRP RPR RPP × = RP P PRR PRP PPR PPP 34

Сравнение конкурирующих решений Целевая функция: xi = xi /xi 1 g 1= g 2 = g 3 = g 4= 0. 25 № Критерии Достижимость оценки 1 Коэффициент использования рабочего пространства: x 1 = Sрз / Sрп x 1 ↑ + Sрз – площадь рабочей зоны, Sрп – площадь рабочего пространства 2 зона полного сервиса x 2 (0, … 1. 0) x 2 ↑ + 3 точность x 3 (0. 25, … 1. 0) x 3 ↑ + 4 жесткость x 4 (0. 25, … 1. 0) x 4 ↑ + Вариант схемы 1 RRR 1 1 1 1 … … … … … 4 RPP 0. 95 0. 25 1. 4 1. 5 0. 885 … … … … … 35 7 PPR 1. 56 1 1. 75 1. 449

Лабораторная работа: изучение структуры промышленного робота и копирующего манипулятора 36

Высшая пара Основная теорема зацепления и свойства высшей пары 37

Два геометрических аналога механических свойств высшей пары. Геометрический аналог контактного напряжения Формула Герца Компоненты формулы Герца Геометрический аналог рассеивания мощности и пути скольжения Возможные пути изнашивания высших пар (w) 38

Примеры сопряженных кривых Циклоидальное зацепление Внутреннее (F. Reuleaux) зацепление Зацепление Новикова 39

Примеры сопряженных кривых-2 Кулачки: Внутреннее Шатунно-планетарная зацепление передача (Н. Скворцова) Парадоксальное внутреннее зацепление (Б. Шитиков, Н. Баязитов) 40

Примеры сопряженных кривых-3 «Треугольник» Reuleaux 41 Иллюстрация системы для сверления квадратных отверстий

Кулачковые механизмы Классификация кулачковых механизмов 42

Геометрический синтез кулачкового механизма 43

Некоторые задачи проектирования кулачковых механизмов Угол заклинивания и допустимый угол давления 44

Контакт ролика и конструктивного профиля Кривизна теоретического профиля, радиус ролика и контактные напряжения 45

Эвольвентное зацепление Свойства зацепления Требования заказчика Требования изготовителя Зацепление Передача Зацепление Передача 1. u = const 4. Отсутствие 6. aw = aw + D 7. Формирование подреза и профиля зуба заострения двумя 2. 5. Возможность движениями Непрерывность изготовления инструментаl (3 е работы шестерни и движение - зацепления колеса одним технологическое) 3. Qn = const инструментом 46

Эвольвентное зацепление – согласованный оптимум ряда свойств 47

Эвольвентные зубчатые колеса Зубчатые колеса Решетова Лабораторная работа: нарезание прямозубых эвольвентных зубчатых колес 48

Свойства эвольвентного зацепления. лекция, упражнение, фрагмент домашней работы-2 Пример начальной фазы износа зацепления по критерию «аналог контактного напряжения» 49

КПД эвольвентного зацепления Фрагмент домашней работы-2 50

Свойства силовой открытой эвольвентной зубчатой передачи Привод штамповочного пресса “Toledo” Износ этого зацепления 51

Примеры износа зубчатых колес прессов x 1=0. 2; x 2=0

Пример износа передачи привода электропоезда

Сравнительный анализ свойств эвольвентного зацепления 55

Возможный механизм изнашивания зубчатых колес 56

Зубчатая передача Конфигурация зубчатой передачи О конфигурации передач Слабое место – крепление вала Пресс “Toledo”

Зубчатые передачи с неподвижными осями Модели пространственных гиперболических зацеплений, сделанные студентами МГТУ им. Баумана 58

Планетарные зубчатые передачи Модель планетарной передачи Модель однорядной планетарной Фергюссона передачи с тремя сателлитами

Планетарные зубчатые передачи z 3 z 2 z 3 z 2 z 4 z 1 z 5 h w 1 z 4 w 3 w 1 h z 1 z 5 z 6 wh w 4 h z 6 z 7 Модель дифференциальной двухрядной планетарной передачи с 2 внутренними однорядной планетарной передачи зацеплениями z 2 z 3 z 5 z 4 h w 1 z 4 z 5 h w 1 h z 6 z 1 w 4 z 6 h z 1 z 7 w 4 z 7 Модель дифференциальной двухрядной планетарной передачи со смешанным зацеплением 60 с двумя внешними зацеплениями

Волновые передачи zs zf wh wf h 0 Волновой редуктор с гибким кольцом и двухролерным волновым генератором zs zf wf wh f h 0 Волновой редуктор с гибким стаканом и 61 двухролерным волновым генератором

Пространственное представление плоских механизмов Примеры кинематических пар 62

Модели механизмов без избыточных связей Модель однорядной планетарной передачи с тремя сателлитами и ликвидированными избыточными связями Модели механизмов без избыточных связей

Ликвидация избыточных связей в зубчатой передаче при перекосе осей ? ?

Роликовая опора цементной печи Опора с избыточными связями (технический музей г. Мальме, Швеция) Опора без избыточных связей Очки

Пространственные механизмы Прокатный кардан

Модели универсальных шарниров (карданных механизмов) «Пьяная» бочка Кардан с кубиком Сухарный кардан Тракта Кардан с плоской вилкой Шариковый кардан Вейса

Пространственные механизмы с вращательными парами Механизм Беннета Модель на базе механизма Беннета 68

Самотормозящиеся эвольвентные передачи внеполюсного зацепления

Динамика механизмов. От механизма к модели. • Алиби для простых моделей (w = 1) • Математическая формулировка задач динамики механизмов: Начальные и граничные задачи • Качественный анализ уравнивания компонентов движения: Масса и момент инерции звеньев. Приведенный момент инерции J (приведенная масса m ). Точность представления внешних воздействий. Статическая податливость механической системы. Силы инерции. • Характеристики источников и потребителей энергии. 70

Динамические модели Гармонизатор Смирнова «Гармонизатор» служил для синтеза функции по 8 значениям коэффициентов ряда Фурье, вычисленным по приближенным формулам.

Аппроксимация функции 6 и 8 гармониками ряда Фурье 1 M 2 j . . Дискретные значения заданной функции __ Приближенная функция, построенная по 6 гармоникам - - Приближенная функция, построенная по 8 гармоникам

Динамический анализ (начальная задача) Энергетическая форма уравнения движения (позиционные силы): • Влияние параметров системы на движение. • Влияние внешней нагрузки на движение. Дифференциальная форма уравнения движения (позиционная и автономная системы): • Метод последовательных приближений Пикара. Некоторые принципы управления движением механизмов Задачи динамического синтеза Нецикловое движение (две задачи) • Перемещение на заданное расстояние без ограничения на время операции без ограничения времени операции (задача со свободным конечным временем); • Перемещение на заданное расстояние за заданное операционное время (обеспечение заданного быстродействия механизма). Цикловое движение (две задачи) • Условие периодического движения; • Условия движения в заданном интервале (ωmax - ωmin). Методы • Приближенное аналитическое решение; • Общие положения итерационных методов решения граничных задач циклового движения. 73

Лабораторная работа “Исследование поршневого компрессора” 74

Лабораторная работа “КПД редуктора” Червячный редуктор Лабораторная установка для исследования КПД Планетарный редуктор 75

Виброзащита Моментная неуравновешенность ротора Демонстрационная модель 76

Лабораторная работа “Динамическое уравновешивание ротора” 77

Демонстрационная модель “Уравновешенный кривошипно- ползунный механизм” 78

Специальные работы для лучших студентов: исследование реального механизма • Разборка и сборка механизма; • Исследование структуры, кинематической и компоновочной схемы механизма; • Анализ функциональных характеристик механизма; • Силовой анализ; • Анализ КПД; • Определение масс и моментов инерции звеньев; • Построение динамической модели; • Оформление отчета по работе. Несколько вариантов механизмов 79

Пример 1: механизм для специальной работы 80

Пример 2: механизм для специальной работы 81

Пример специальной курсовой работы: Механическая модель гусеницы 1996 – С. Гуськов, С. Ланин (Франция, Международный Конгресс по Мехатронике); 2000 – А. Ибрагимов, И. Туманов (Румыния, Международная конференция) Основная идея Варианты движения Червяк Хобот слона Движение на различном рельефе 82

Моделирование прямолинейного движения гусеницы 83

Пример специальной курсовой работы: Экспериментальное и теоретическое исследование износа кулачков гибочного пресса-автомата Гибочный пресс-автомат с кулачковыми механизмами 84

Последовательность определения размеров кулачка и кулачкового механизма Определение функции Цифровое фото кулачка Обработка фото положения 85

резка Зажим заготовки гибка поджим и калибровка гибка 86

Экспериментальные и восстановленные зависимости Функция положения и график нагрузки Аналог скорости Аналог ускорения _____ экспериментальная кривая - - - восстановленная зависимость 87

Сравнение исходного и изношенного контуров кулачка 88

Имитационная модель износа кулачка (по контактным напряжениям) 89

Качественное сравнение фактического износа (кривая w) и износа по имитационной модели (кривая σ ) 90

Посещение завода Шатуны и эксцентрики пресса Планетарный механизм привода пресса 91

ЛИТЕРАТУРА - Головин А. А. Проектирование сложных рычажных механизмов: Учеб. пособие по курсу «Теория механизмов и машин» . – М. : Изд-во МГТУ, 1995. – 76 с. , ил. - Динамика механизмов: под ред. Головина А. А. – М. : 2006. – 159 с. , ил. - Юдин В. А. , Петрокас Л. В. Теория механизмов и машин. Учеб. Пособие для втузов. Изд. 2 -е перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1977. – 527 с. ил - Решетов Д. Н. Детали машин: Учеб. для ст-тов машиностроит. и механических спец-тей вузов. – 4 -е изд. , перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1989. – 496 с. , ил. - Безухов Н. И. Теория упругости и пластичности. – М. : Гос. Изд-во науч. -техн. Лит-ры, 1953. – 420 с - Мерцалов Н. И. Динамика механизмов: Курс лекций, читанный в Императорском техническом училище/ Обработал и издал М. И. Фелинский. – М. : 1914. – 610 с. - Д. Мур, Основы и применения трибоники. Пер. с англ. Изд-во «Мир» , 1978. – 487 с. , ил. - Баранов Г. Г. Кинематика и динамика механизмов. Ч. 1. - Л. -М. : Гос. Энерг. Изд. , Высшая школа, – 1932. - Морозов Е. М. , Зернин М. В. Контактные задачи механики разрушения. – М. : Машиностроение, 1999. – 544 с. , ил. - Решетов Л. Н. Корригирование эвольвентных зацеплений. Методы и обоснования. – М. -Л. : ОНТИ, 1935. – 143 с. - Кожевников С. Н. Теория механизмов и машин. Учебное поосбие для студентов втузов. Изд. 4 -е исправленное. – М. : Машиностроение. – 592 с. - Шульц В. В. Точность и износ // Сб. «Фундаментальные проблемы теории точности» / Под ред. В. П. Булатова и И. Г. Фридлендера. – СПб. : Наука, 2001. – 504 с. - Гавриленко В. А. Основы теории эвольвентной зубчатой передачи. – М. : Машиностроение, 1969. - M. Ceccarelli: Fundamentals of Mechanics of Robotic Manipulation. – Kluwer Academic Publisher, Dordrecht/Boston/London. – 2004. – 312 p. , ill. - A. Golovin, V. Tarabarin: Russian Models from the Mechanisms Collection of Bauman University. – Springer. – 2008. – 238 p. , il. - A. Golovin, K. Danilenko: Evolution of theory of mechanisms and machines from G. Monge to present day and modern problems of TMM training in technical university//Proceeding of International Symposium on History of Machines and Mechanisms/Edited by Marco Ceccarelli. – Kluwer Academic Publisher, Dordrecht/Boston/London. – 2000. – Pp. 263 -270. - A. Borisov, A. Golovin, A. Ermakova: Some Examples from the History of Machinary in Teaching TMM//Proceeding of International Symposium on History of Machines and Mechanisms/Edited by Marco Ceccarelli. – Kluwer Academic Publisher, Dordrecht/Boston/London. – 2004. – Pp. 107 -119. - M. Ceccarelli, A manipulation Analysis for robot programming // Robotica (1999), v. 17, pp. 529 -541 / Cambrige University Press, 1999 92

Литература по курсу ТММ 1. А. А. Головин, Проектирование сложных рычажных механизмов. – М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1995. – 96 стр. (есть в электронной библиотеке МГТУ) 2. Динамика механизмов: А. А. Головин, Ю. В. Костиков, А. Б. Красовский и др. ; Под ред. А. А. Головина. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 192 с. , ил. (грант № 01 -01 -14018 РФФИ РАН) 3. Головин А. А. , Иванов А. В. Кинематический анализ и элементы синтеза плоских рычажных механизмов: Учебное пособие. Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 32 с. 4. Динамика механизмов: А. А. Головин, Ю. В. Костиков, А. Б. Красовский и др. ; под ред. А. А. Головина. Издание 2 -е, исправленное и дополненное. – М. : Изд-во МГТ У им. Баумана, 2006. – 159 с. , ил. Электронные издания 5. А. Головин, А. Иванов, Т. Милевская, Е. Смирнова, «Кинематический анализ и элементы синтеза плоских рычажных механизмов: Электронное учебное пособие» // Регистрационное свидетельство № 13543 от 10. 06. 2008/Гос. Регистр. № 0320801316 7. А. Головин, А. Борисов, А. Ермакова, Т. Милевская, «Высшая пара геометрические аналоги износа, кулачковые механизмы и зубчатые передачи: Электронное учебное пособие по курсу ТММ. Часть 1» // Регистрационное свидетельство № 15770 от 17. 03. 2009/Гос. Регистр. № 0320900407 8. А. Головин, М. Чекарелли, «Использование моделей и реальных механизмов в курсе Теория механизмов и машин: альбом иллюстративного материала по курсу Теория механизмов и машин» : Электронное издание // Регистрационное свидетельство № 16335 от 21. 05. 2009/ Гос. Регистр. № 0320900972