Анализ и синтез механизма для плетения торсионных подвесов приборов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Перечесова, Анна Дмитриевна

• Перечесова, Анна Дмитриевна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Перечесова, Анна Дмитриевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Плетеные торсионные подвесы чувствительных элементов.

1.2. Возможные области применения кевларовых торсионных подвесов.

1.3. Механизмы для производства плетеных изделий.

1.4. Выводы.

2. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ДЛЯ ПЛЕТЕНИЯ ТОРСИОННЫХ ПОДВЕСОВ ПРИБОРОВ.

2.1. Принцип плетения и механизм для плетения устройства УИСАТ

2.2. Анализ динамики исполнительного механизма плетения.

2.3. Модель исполнительного механизма.

2.4. Постановка проблемы.

2.5. Выводы.

3. ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИНТОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СПИРАЛЬНО-АНИЗОТРОПНЫХ СТЕРЖНЕЙ.

3.1. Теория спирально-анизотропных стержней.

3.2. Методы определения интегральных упругих постоянных спирально-анизотропных стержней.

3.3. Алгоритмы решения слабообусловленных нелинейных систем алгебраических уравнений (оптимизаторы).

3.4. Примеры расчета.

3.5. Выводы.

4. СИНТЕЗ МЕХАНИЗМА ДЛЯ ПЛЕТЕНИЯ ТОРСИОННЫХ ПОДВЕСОВ ПРИБОРОВ.

4.1. Оптимизация геометрических и кинематических параметров механизма плетения.

4.2. Моделирование динамики исполнительного механизма плетения.

4.3. Модель исполнительного механизма плетения.

4.4. Структура плетеных кевларовых торсионных подвесов чувствительных элементов приборов.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и синтез механизма для плетения торсионных подвесов приборов»

Известны механизмы и машины для плетения [54], 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 то-копроводящей жилы, при создании оболочек для кабелей (изоляционно-экранирующей, огнестойкой, звукоизоляционной, армирующей, демпфирующей и так далее); 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 материала для плетения используется особый материал - филаменты синтетических высокомодульных нитей (относятся к классу параарамидных волокон) с диаметром 0,016 мм и длиной 400 мм.

Торсионные подвесы ЧЭ используются при создании высокочувствительных приборов [91, 12, 65]: магнитометров, акселерометров, сейсмометров, наклономеров, микробарографов, гальванометров, стимуляторов лазерных сканирующих, а также в датчиках охранной сигнализации, то есть применяются в магнитометрии, сейсмологии, геодезии, метеорологии, электротехнике, медицине и других областях).

В настоящее время упругие торсионные подвесы из филаментов синтетических высокомодульных нитей, используемые в качестве подвесов магни-точувствительных элементов (МЧЭ) магнитостатического вариометра

МСВ), входящего в состав геофизического комплекса GI-MTS-1 (СПбФ ИЗМИР АН) [12], изготавливаются с помощью устройства для изготовления спирально-анизотропных торсионов УИСАТ-1 [86, 90, 43, 44 ,50]. 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 связано 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.

Разработка принципа механизма плетения осуществлялась с учетом методологической и теоретической базы теории механизмов и машин (И.И. Артоболевский, Б.П. Тимофеев, H.H. Попов и другие); аналитической механики (А.И. Лурье, Н.В. Бутенин и другие); моделирования в SimMechanics (В.П. Дьяконов, Ю.Ф. Лазарев и другие); 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 другие); теории оптимизации (А. Фиакко, Г. Мак-Кормик и другие) [2, 3, 8, 9, 10, 13, 17, 19, 20, 29,31,33,37, 59, 77, 78, 79].

Целью работы является синтез механизма плетения с учетом особенностей структуры торсионов, моделируемых как эквивалентные спирально-анизотропные стержни (САС).

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 оптимизационные методы оценки физико-механических характеристик винтовых элементов С АС.

Первая глава диссертационной работы посвящена рассмотрению состояния вопроса и постановке задач исследования. Описываются известные механизмы для производства плетеных изделий, в том числе устройство УИСАТ-1. Приведены области применения торсионных подвесов, обоснован выбор объекта исследования.

Во второй главе выполнен критический анализ устройства УИСАТ-1, ранее разработанного соискателем с соавторами. Показаны недостатки устройства, выделены структурные элементы механизма плетения торсионных подвесов. Из указанного анализа ясны задачи: синтезировать кулачок при условии выполнения закона движения пряди по заданной траектории с постоянной скоростью; ввести в конструкцию вариатор, позволяющий изменять скорость перемещения захвата относительно механизма плетения; оснастить реверсом (переключателем направления перемещения) механизм сбора продукции, осуществляющим переключение перемещения гайки, и использовать для возврата механизма сбора в исходное положение. 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 высокопроизводительного механизма.

В третьей главе развиты новые оптимизационные методы оценки физико-механических характеристик винтовых элементов САС, так как САС является одним из элементов синтеза механизма плетения. Проведен анализ существующих методов определения упругих постоянных САС. Полученные результаты используются для оптимизации одного из структурных элементов устройства исполнительного механизма плетения (при расчете нагрузок, приложенных к переключателю, и при построении динамической модели исполнительного механизма плетения).

В четвертой главе предложены пути оптимизации УИСАТ-1 - механизма для плетения торсионного подвеса ЧЭ МСВ. Исследуется кинематика и динамика исполнительного механизма плетения, реализовано моделирование с помощью библиотеки ЗтМесЬатсБ пакета 81шиНпк среды МАТЪАВ. Приведены результаты исследования структуры шести образцов (филаментов исходных нитей, торсионных подвесов, нитей Русар® линейной плотности 6,3 текс и торсионных подвесов, изготовленных с помощью устройства УИСАТ-1), обработка измерений плотности плетения торсионного подвеса, изготовленного с помощью устройства УИСАТ-1 и синтезированного механизма плетения. В результате расчетов сделан вывод, что точность изготовления торсиона при заданной плотности плетения повысилась.

По результатам диссертационной работы поданы материалы на получение патента РФ на изобретение «Устройство для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов приборов» (дата поступления материалов заявки 18 сентября 2012 г. входящий №065633, регистрационный № 2012140673). Уведомление о поступлении заявки патента РФ на изобретение в Федеральный институт промышленной собственности и формула изобретения приведены в приложении А. Механизм для плетения торсионных подвесов внедрен в СПбФ ИЗМИР АН как средство для изготовления торсионных подвесов МЧЭ МСВ, основные результаты диссертационной работы в учебный процесс кафедры Мехатроники НИУ ИТМО при подготовке магистров, в дисциплины «Системные технические решения в мехатронике», «Методы и теория оптимизации» и «Научно-исследовательская работа» (акты внедрения приведены в приложении Б).

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).

Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору В.М. Мусалимову, доктору физико-математических наук, профессору Ю.А Копытенко, кандидату технических наук, доценту Г.Б. Заморуеву за помощь, оказанную при работе над диссертацией; коллективу работников Лаборатории наземных геомагнитных исследований СПбФ ИЗМИР АН за предоставленные информационные материалы; кафедре Мехатроники НИУ ИТМО.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Перечесова, Анна Дмитриевна

Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы:

• Произведен анализ механизма плетения, основанного на оригинальном принципе использования переключателя-кулачка.

• Построена динамическая модель исполнительного механизма плетения с учетом влияния торсионного подвеса.

• Разработан и внедрен в практику производства магнитометров синтезированный механизм плетения торсионных подвесов.

• Изготовлена партия опытных образцов торсионных подвесов и исследована структура полученных образцов и их физико-механические свойства.

• Разработаны новые оптимизационные методы оценки физико-механических характеристик винтовых элементов С АС.

Цель диссертационной работы, заключающаяся в синтезе механизма плетения с учетом особенностей структуры торсионов, моделируемых как эквивалентные спирально-анизотропные стержни, достигнута.

73

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Перечесова, Анна Дмитриевна, 2012 год

1. Акулич И.Л. Математическое программирование в примерах и задачах: Учеб. пособие для студентов эконом, спец. вузов. — М.: Высшая школа, 1986.

2. Амбарцумян С. А. Общая теория анизотропных оболочек. М.: Наука, 1974. 446 с.

3. Артоболевский, И. И. Теория механизмов и машин : учебник для втузов / И. И. Артоболевский . 6-е изд., стер., перепеч. с изд. 1988 г . - М. : Альянс, 2011 . - 640 с. - ISBN 978-5-91872-001-1 .

4. Ахромеев Ж.П. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. В 9-ти кн. Кн. 2. Приводы робототехнических систем, 1986, 175 с.

5. Баничук Н.В., Иванова С.Ю. Оптимизация формы в контактных задачах теории упругости при неполных данных о внешних воздействиях // Прикладная математика и механика. 2009. Т. 73. № 6. - С. 696-704. 965-976

6. Беленький И.М. Введение в аналитическую механику СПб.: Высшая школа, 1964. -328 с.

7. Беляев А.К. Динамическая устойчивость зубчато -ременной передачи / Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2010. Т. 53. № 2. С.20-23.

8. Брицкий В. Д., Тимофеев Б. П. Синтез и анализ механизма с высшей кинематический парой; М-во образования РФ ; СПбГУ ИТМО, Каф. МТ .— СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004 .— 16с.: ил.

9. Бутенин Н.В. Введение в аналитическую механику. М.: Наука, 1971, 264с.

10. Ю.Ворович, И. И. Неклассические смешанные задачи теории упругости / И. И. Ворович, В. М. Александров, В. А. Бабешко. М. : Наука, 1974. - 456 с.

11. П.Габасов Р., Кириллова Ф.М. Методы линейного программирования. 4.1: Общие задачи. Изд. 2-е. М: Книжный дом «Либроком», 2010.-176 с.

12. Геофизический комплекс 01-МТ8-1. Техническое описание. С-Пб.: СПбФ ИЗМИРАН, 2009. -38 с.

13. Гетман И.П., Устинов Ю.А. О методах расчета канатов. Задача растяжения-кручения // ПММ. 2008. Т. 72, вып. 1. С. 81-90.

14. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. Пер. с англ. — М.: Мир, 1985.

15. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов /5-е изд., перераб. и доп. М. Высш. шк. 1989. 622 с.

16. Диевский В.А. Теоретическая механика. СПб.: изд. Лань, 2005. - 320 с.

17. Динник А.Н. Статьи по горному делу. М: Углетехиздат СССР, 1957. -202 с.

18. Дронг В.И., Дубинин В.В., Ильин М.М. и др. Курс теоретической механики. / Под ред. К.С. Колесникова. М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2005.

19. Дьяконов В. П. БшшНпк 5/6/7: Самоучитель. М.: ДМК - Пресс, 2008. -784 е.: ил

20. Дьяконов В.П. МАТЬАВ 6.5 вР1 + 8шшНпк 5 и МАТЪАВ 7 + БшшНпк 6 в математике и математическом моделировании. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.

21. Заявка на изобретение РФ №93037810, МПК Б 04 С 3/12, приоритет от 23.07.93, опубликована 20.03.96 («Плетельная машина», авторы: Васильев В.А., Прилепский В.А.).

22. Зубов Л.М. Нелинейная задача Сен-Венана о кручении, растяжении и изгибе естественно скрученного стержня // Прикладная математика и механика, 2006. Том 70. №2. С. 332-343.

23. Карманов В.Г. Математическое программирование. — Изд-во физ.-мат. литературы, 2004.

24. Келли А. Высокопрочные материалы: Пер. с анг. М.: Мир, 1976. 264 с.

25. Кожевников С. Н., Есипенко Я. И., Раскин Я. М. Механизмы. Справочник. Изд. 4-е, перераб. и доп. Под ред. С. Н. Кожевникова М., «Машиностроение», 1976. 784 с. с ил.

26. Колчин Н. И. Механика машин. ТОМІ и ТОМ2. 1971г. и 1972г.

27. Конструирование машин: Справочно-методическое пособие В 2 т. Т. 1 /К. Ф. Фролов, А. Ф. Крайнев, Г. В. Крейнин и др.; Под общ. ред К. Ф. Фролова. М.: Машиностроение, 1994. - 528с

28. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1970. — С. 575-576.

29. Лазарев Ю.Ф. Моделирование процессов и систем в МАТЬАВ. Учебный курс. СПб.: Питер; Киев: Издательская группа ВНУ, 2005. - 512 е.: ил.

30. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов: Учебное пособие. СПб.: Политехника, 2007. 579 е.: ил.

31. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М., Наука, 1977.

32. Лурье А. И. Нелинейная теория упругости. —М.: Наука, 1980. — 512 с.

33. Лурье А. И. Теория упругости. М.: Наука, 1970. — 940 с.

34. Максимов Ю.А. Алгоритмы линейного и дискретного программирования. — М.: МИФИ, 1980.

35. Максимов Ю.А., Филлиповская Е.А. Алгоритмы решения задач нелинейного программирования. — М.: МИФИ, 1982.

36. Мусалимов В. М., Мокряк С. Я., Соханев Б. В., Шиянов В. Д. Определение упругих характеристик гибких кабелей на основе модели спирально-анизотропного тела // Механика композитных материалов. 1984. № 1. С. 136—141.

37. Мусалимов В.М. Механика деформируемого кабеля. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005.-203 с.

38. Мусалимов В.М., Заморуев Г.Б., Перечесова А.Д. Расчет физико-механических характеристик винтовых элементов спирально-анизотропных стержней // Изв. вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55, № 6. С. 24-30.

39. Мусалимов В.М., Соханев Б.В. Механические испытания гибких кабелей. Томск, 1984.

40. Параарамидные волокна и нити Электронный ресурс.: официальный сайт ОАО «Каменскволокно», 2012 — Режим доступа: http://www.aramid.ru, свободный.

41. Патент на полезную модель РФ № 47903, МПК D04C3/12, приоритет 05.04.2005 г., опубликован 10.09.2005 г («Устройство для плетения фитиля», авторы: Медведев Е.А.).

42. Патент РФ № 2287837, МПК G 01 R 33/038, опубликованный 20.12.1006 в Бюл. № 32. («Датчик магнитометра», авторы: Копытенко Ю.А., Коробейников А.Г., Мусалимов В.М., Петрищев М.С., Сергушин П.А., Тка-лич В.Л.).

43. Перечесова А.Д. Устройство для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов приборов // Альманах научных работ молодых ученых. СПб: НИУ ИТМО, 2012. С. 182-186.

44. Плахтин В.Д., Бороздина Е.И., Ивочкин М.Ю. Теория механизмов и машин. Зубчатые механизмы. Кулачковые механизмы. Основы теории. Курсовое проектирование: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГОУ, 2009. -ISBN 978-5-7045-0853-3.

45. Плахтин В.Д., Пантюшин Б.Д. Теория механизмов и машин. Кинематический и силовой анализ плоских механизмов. Основы теории. Курсовое проектирование: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГОУ, 2009. -ISBN 978-57045-0825-0.

46. Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. М., изд-во МГУ, 1984.

47. Теория механизмов и машин: Учеб. для втузов/ К. В. Фролов, С. А. Попов, А. К. Мусатов и др.; Под ред. К. В. Фролова.—М.: Высш. шк., 1987.—496 с: ил.

48. Устинов Ю.А. Обоснование принципа Сен-Венана для естественно-закрученного стержня // Владикавк. мат. журн. 2010. Т. 12, вып.1. С.58-71

49. Устинов Ю.А., Поляков Н.А., Друзь А.Н., Дьяконов М.Б., Морозова О.Н. Статические и динамические задачи теории упругости для цилиндрических тел с неканоническими границами / Информационный бюллетень РФФИ. 1994. Т. 2. № 1.С. 34.

50. Фиакко А., Мак-Кормик Г. Нелинейное программирование. Методы последовательной безусловной минимизации. М.: Мир, 1972. 241 с.

51. Шалобаев Е.В. Микросистемная техника и мехатроника: особенности соотношений микро- и макроуровней // Нано- и микросистемная техника Изд. "Новые технологии"2000г №4, стр. 5-9

52. Щербаков B.C., Корытов М. С., Руппель А.А., Глушец В.А., Милюшен-ко С.А. Моделирование и визуализация движений механических систем в MATLAB: Учебное пособие Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. - 84с.

53. Brookstein D. S. Joining methods for advanced braided composites // Composite Structures, Vol. 6, Issue 1-3, 1986, pp. 87-94.

54. Chouaieb N., Maddocks J.H. Kirchhoff s problem of helical equilibria of uniform rods // Elasticity, 2004, Vol. 77, p. 221-247.

55. Freger G. E., Karvasarskaya N. A. Kireev I. Yu. Basic problems of the mechanics of spirally anisotropic media // Mechanics of Composite Materials, 1991, Vol. 26, No. 4, pp. 447^452.

56. 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. 418^121.

57. 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. 411^114.

58. Tarnopol'skii Yu. M., Kulakov V. L., Zakrzhevskii A. M., Mungalov D. D. Textile composite rods operating in torsion // Composites Science and Technology, Vol. 56, Issue 3, 1996, pp. 339-345.