Управление эксплуатационными характеристиками механических прецизионных приводов на основе анализа их динамических свойств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Богомолова, Елена Владимировна

• Богомолова, Елена Владимировна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Богомолова, Елена Владимировна

Введение.

1. Анализ работ по расчету параметров вращательно-поступательных приводов и повышению их точности.

1.1. Общие характеристики и области применения высокоскоростных приводов.

1.2. Анализ существующих динамических моделей механических приводов и их элементов.

1.3. Повышение точности работы высокоскоростных приводов.

1.4. Постановка задачи исследования.

2. Математические модели механического прецизионного привода.

2.1. Основные допущения, используемые при составлении модели вращательно-поступательного привода.

2.2. Кинематическая схема привода.

2.3. Модель расчета собственных форм крутильных колебаний редуктора.

2.4. Модель расчета собственных форм радиальных колебаний редуктора.

2.5. Модель расчета собственных форм осевых колебаний винтовой передачи.

2.6. Выводы.

3. Определение параметров модели вращательно-поступательного привода.

3.1. Исходные параметры модели привода.

3.2. Инерционные характеристики.

3.3. Определение осевой упруго-деформационной характеристики ШВП.

3.3.1. Расчет на статическую прочность.

3.3.2. Расчет на долговечность.

3.3.3. Расчет силы предварительного натяга.

3.3.4. Расчет деформации гайки относительно винта.

3.3.5. Расчет деформации и жесткости винта.

3.3.6. Уравнение деформаций винтовой передачи.

3.3.7. Расчет жесткости винтовой передачи.

3.4. Определение жесткости подвески элементов привода.

3.4.1. Определение крутильной жесткости валов.

3.4.2. Расчет осевой жесткости и деформации подшипниковых опор.

3.4.3. Расчет радиальной жесткости подшипниковых опор.

3.4.4. Расчет коэффициентов податливости системы.

3.5. Выводы.

4. Описание программного продукта.

4.1. Общее описание и структурная схема программного комплекса.

4.2. Программа расчета податливости привода и собственных частот осевых колебаний винтовой передачи.

4.2.1. Тезаурус расчета статической податливости и собственных форм колебаний винтовой передачи.

4.2.2. Алгоритм расчета податливости привода и собственных частот осевых колебаний.

4.2.3. Описание расчетной части программы винтовой передачи.

4.3. Программа расчета собственных частот крутильных и радиальных колебаний редуктора.

4.3.1. Тезаурус расчета собственных форм колебаний редуктора.

4.3.2. Алгоритм расчета собственных частот колебаний редуктора.

4.3.3. Описание расчетной части программы вращательной части привода.

4.4. Рекомендации для пользователя.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление эксплуатационными характеристиками механических прецизионных приводов на основе анализа их динамических свойств»

Современное машиностроение и тесно связанные с ним смежные отрасли промышленности являются наиболее значимыми направлениями развития научно-технического прогресса и человеческого общества в целом. Развитие машиностроительного производства является важной экономической задачей. Данное направление является актуальным как для стран с высоким уровнем развития экономики, так и для стран переходного периода. Последние, по ряду причин , вынуждены заниматься реформированием, перепрофилированием и реструктуризацией основных базовых отраслей экономики в целом и машиностроительных производств в частности.

Точность и производительность металлорежущих станков определяют эффективность машиностроительного производства и качество выпускаемой продукции. Поэтому проблема повышения точности и производительности всегда была основной для конструкторов и исследователей станков. Постоянный рост требований, предъявляемых промышленностью к этим показателям, приводит к тому, что современные металлорежущие станки становятся все более сложными и совершенными машинами, насыщенными различными устройствами и системами автоматизации, измерительными средствами.

Конструктор, создавая новый станок, должен принимать оптимальные технические решения как по станку, так и по согласованию характеристик отдельных элементов между собой. Анализ процесса проектирования показывает, что каждое решение принимается в результате выполнения операций выбора и расчета. Значение этих операций зависит от полноты информации об условиях работы проектируемого объекта, об элементах, из которых он должен состоять, и о возможных комбинациях этих элементов в реальной конструкции. Чем полнее информация, тем большее значение в принятии технического решения имеет выбор. Когда не определен заранее характер взаимодействий между различными элементами, узлами и деталями конструкции, большое значение имеет расчет, который и должен дать недостающую информацию.

По мере роста требований, предъявляемых к точности и производительности станков и, следовательно, к жесткости элементов, скорости рабочих перемещений, уровню колебаний, величинам динамических сил в переходных режимах, развиваются, совершенствуются и усложняются расчетные методики, используемые при проектировании. По мере совершенствования и усложнения расчетных методик усложняется и применяемый для их построения математический аппарат. Каждому виду расчета соответствует своя математическая модель. Именно математическая модель является тем инструментом, с помощью которого можно получить необходимую информацию для принятия технического решения.

Любая научная, исследовательская, проектная деятельность в определенной мере связана с моделированием. Решение многих сложных научных и технических задач значительно упрощается при использовании различных моделей. Моделирование основано на замещении одних объектов другими, обеспечивающими фиксацию наиболее существенных свойств и особенностей замещаемых объектов. Моделирование является мощным средством анализа и синтеза сложных объектов и явлений [20,41].

Основой моделирования является теория подобия. В рамках этой теории рассматривается и решается основная проблема о разумном упрощении модели, т.е. выбор необходимой и достаточной степени её сложности и соответствия реальному объекту моделирования. Многообразие объектов, целей и задач моделирования породило множество различных типов моделей. Так математическое моделирование безусловно является одним из наиболее распространенных методов, которые используются при создании современных сложных САПР [24]. Математическое моделирование—это процесс установления соответствия между реальным объектом и некоторой математической конструкцией, называемой математической моделью. Выбор математического аппарата для построения модели зависит как от природы и свойств моделируемого объекта , так и от характера решаемой задачи.

Математические модели достаточно адекватно отражают реальные процессы работы механизмов, а также их подсистем и узлов в различных условиях эксплуатации. Математические модели используются для изучения тех или иных эксплуатационных параметров существующих или вновь создаваемых технических систем, что дает разработчикам ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами исследований [12]:

• используемый формально-логический аппарат дает широкие возможности количественного и качественного анализа моделей с помощью современных математических методов;

• универсальность математического языка позволяет использовать одни и те же модели для исследований физически разных систем;

• возможность получать результаты , относящиеся сразу для целого множества возможных состояний исследуемой системы;

• сокращение времени и стоимости исследований за счет использования алгоритмов численного анализа и вычислительной техники в процессе моделирования.

Использование мощного математического аппарата и современных возможностей вычислительной техники делает математическое моделирование приоритетным направлением по отношению к другим методам научных исследований. Модель обеспечивает широкий спектр возможных технических решений и получаемых результатов, которые можно использовать для последующего анализа и поиска. Нельзя забывать и о малых сроках и сравнительно небольших капиталовложениях, необходимых для проведения таких исследований.

Именно поэтому успешные разработки в области программно-аппаратных систем математического моделирования для расчетов и испытаний механических систем интересуют руководителей и проектировщиков современных машиностроительных предприятий.

Внедрение подобных систем позволяет неуклонно совершенствовать качество и потребительские свойства выпускаемой продукции, повышать рентабельность и неизбежно снижать её себестоимость, проводить успешную маркетинговую политику, гибко и своевременно реагировать на изменение спроса и предложения со стороны клиентов в условиях острой конкурентной борьбы на рынках сбыта.

Целью исследования является построение динамической модели механических вращательно -поступательных высокоскоростных приводов для повышения точности их работы на основе управления динамическими характеристиками технологической системы. При составлении модели необходимо выявить и учесть основные параметры привода, определяющие его внутреннюю и внешнюю динамику. Модель должна предоставлять возможность автоматизации испытаний и компьютерное моделирование с использованием современных возможностей вычислительной техники.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие прикладные задачи :

• разработать динамические модели отдельных элементов привода с использованием современного математического аппарата ;

• автоматизировать процесс составления общих уравнений движения модели;

• предложить типовые методики определения основных инерционных и жесткостных параметров простейших моделей на базе существующих современных методов и рекомендаций;

• разработать комплекс алгоритмов и программ, который позволяет повысить точность работы привода за счет выбора рекомендуемых режимов эксплуатации.

До настоящего времени попытки конструктивного, материаловедческого и технологических методов исчерпали себя, поэтому основным направлением повышения точности таких устройств является учёт динамики их работы. В настоящей работе строятся динамические модели приводов, на основании чего разрабатывается математическое обеспечение, служащее основой рациональной эксплуатации приводов. Перенос задачи управления точности с этапа технологической и конструкторской подготовки на этап эксплуатации представляется актуальным и может заинтересовать пользователей прецизионных приводов.

Подробное решение сформулированных выше задач рассмотрено и изложено в рамках данной диссертационной работы. Для удобства изложения материала, работа тематически делится на 4 раздела, введение и заключение. Дополнительные материалы приведены в приложении.

1. Анализ работ по расчёту параметров вращательно-поступательных

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Богомолова, Елена Владимировна

Общие выводы.

1. Рассмотрены основные преимущества и области применения вращательно-поступательных приводов. Выявлены основные тенденции развития данной отрасли машиностроения. Приведены факты, наглядно демонстрирующие динамику развития отрасли и актуальность задачи повышения точности работы прецизионных приводов. Данное направление в проектировании приводов позволяет улучшить надежность и качество без существенного увеличения себестоимости продукции.

2. Проведен анализ основных подходов, используемых при исследовании динамических процессов в узлах вращательно-поступательных приводов и разработке основных моделей. Анализ существующих динамических моделей вращательно-поступательных механизмов показывает, что наиболее предпочтительным методом исследований является математическое моделирование. Данный метод исследований является оптимальным и позволяет получить динамические параметры привода с минимальными затратами. Научная перспективность использования данного метода базируется на современных достижениях в области вычислительной техники.

3. На основании научного анализа современного состояния проблемы динамического исследования приводов сформулированы основные допущения и базовые принципы построения динамических моделей вращательно-поступательных приводов. Предложенные допущения и упрощения сделаны на основании существующего научного опыта построения таких моделей.

4. Составлены динамические расчетные схемы и математические системы уравнений, которые составляют в совокупности адекватную модель для сложных динамических процессов в высокоскоростных механических приводах.

5. Получены динамические уравнения движения типовых элементов вращательно-поступательных приводов. Для итоговых систем дифференциальных уравнений найдены решения и получены характеристические уравнения для определения собственных частот колебаний привода. Для крутильных и радиальных колебаний редуктора собственные частоты найдены в явном виде, а для осевых колебаний винтовой передачи для нахождения собственных частот нужно воспользоваться тем или иным численным методом. Каждой частоте соответствует своя система отношений амплитуд, определяющая форму собственных колебаний. Выявлено, что крутильные колебания являются одночастотным процессом; радиальные колебания—дву хчастотн ым процессом. Проведено исследование собственных форм осевых колебаний винтовой передачи

6. Сформулированы основные допущения и получены расчетные зависимости и алгоритмы для определения основных параметров модели привода. Изложены основные подходы, используемые для определения инерционных параметров вращательно-поступательных приводов. Рассмотрены методики построения упруго-деформационных характеристик шариковой винтовой передачи. Приведены расчетные алгоритмы для определения контактных деформаций в сопряжениях тел качения с дорожками качения. Найдена общая податливость передачи винт-гайка качения. Предложен алгоритм для определения радиальной и осевой жесткости подшипников качения различных типов.

7. На основании теоретических зависимостей и алгоритмов создан программный продукт, который позволяет определять собственные частоты и податливость отдельных элементов вращательно-поступательного привода с целью предыскажения программы линейного перемещения и исключения резонансных режимов работ. Это позволяет повысить точность работы вращательно-поступательных приводов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Богомолова, Елена Владимировна, 2005 год

1. Айрапетов Э.Л., Анархов В.И. и др. Возбуждение колебаний в зубчатых передачах.—Сб.: «Динамические процессы в механизмах с зубчатыми передачами» (п/р Генкина М.Д.), М. «Наука», 1976.

2. Айрапетов Э.Л., Анархов В.И. и др. Анализ вынужденных параметрических колебаний косозубой передачи на АВМ.—Сб.: «Динамические процессы в механизмах с зубчатыми передачами» (п/р Генкина М.Д.), М. «Наука», 1976.

3. Айрапетов Э.Л., Генкин М.Д. Динамика планетарных механизмов. М., «Наука», 1980.

4. Аршанский М.М., Богомолова Е.В. Расчет собственных частот крутильных колебаний спецприводов. Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ, №4, М., 2003.

5. Архангельский А.Я. C++Builder 6. Справочное пособие. М., ЗАО «Издательство БИНОМ», 2002

6. Аугустайтис В.К. Автоматизированный расчет колебаний машин. Л., Машиностроение. Ленинградское отделение, 1988.

7. Бабаков И.М. Теория колебаний. М., Наука, 1968.

8. Бейзельман Р.Д., Ципкин Б.Ф., Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочник. Изд. 6-ое перераб. и доп., М., Машиностроение, 1975.

9. Бидерман В.П. Прикладная теория механических колебаний. М., Высшая школа, 1972.

10. Ю.Блехман И.И. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах. Т.2., М., Машиностроение, 1979.

11. П.Блохин В.В. Автоматизация испытаний механических прецизионных приводов методом имитационного моделирования. Диссертация. М., 2000.

12. Блохин В.В. Математическое моделирование процессов систем и комплексов механической обработки: Учебное пособие/МГАПИ —М., 1995.

13. Богомолова Е.В. Расчет собственных частот радиальных колебаний осей редуктора. Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ, №4, М., 2003.

14. М.Богомолова Е.В. Расчет собственных форм осевых колебаний винтовой передачи. Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ, №6, часть I, М., 2004.

15. Богомолова Е.В., Бокк В.А. Расчет жесткости винтовой передачи спецприводов. Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ, №6, часть I, М., 2004.

16. Богомолова Е.В., Бокк В.А. Расчет собственных колебаний спецприводов. Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ, №6, часть I, М., 2004.

17. Вейц В.Л. Динамика машинных агрегатов. М., Машиностроение, 1969.

18. Вейц B.JI. Колебательные системы машинных агрегатов. Л., Машиностроение, 1979.

19. Вейц В. Л. Расчет механических систем приводов с зазорами. JL, Машиностроение, 1979.

20. Волкевич Л.И. Автоматические линии в машиностроении (проектирование и эксплуатация). Справочник в 3-х томах, т.1—М., машиностроение, 1984.

21. Галахов М.А. Расчет подшипниковых узлов. М., Машиностроение, 1979.

22. Генкин М.Д., Зинюков Л.И. и др. К расчету колебаний малонагруженных зубчатых передач. Сб. «Динамические процессы механизмах с зубчатыми передачами» (п/р Генкина М.Д.), М., Наука, 1976.

23. Глушков Г.С. Инженерные методы расчетов на прочность и жесткость. Изд. 3-е, М., Машиностроение, 1971.

24. Гонихин О. Д., Мишутин В.В. Интегрированная среда автоматизированного проектирования. Межвуз. сб. науч. трудов «Математическое моделирование нестационарных процессов и автоматизированные системы».—М., Моск. Инст. Приборостр., 1992.

25. Городецкий Ю.И. Создание математических моделей сложных автоколебательных систем в станкостроении. Сб. «Автоматизация проектирования». М., Машиностроение, 1986.

26. Данилина Н.И., Дубровская Н.С. и др. Численные методы. М., Высшая школа, 1976.

27. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М., Наука, 1966.

28. Дерягин Р.В. О движении машинного агрегата с учетом упругости звеньев. Известия вузов. Машиностроение, №4, 1983.

29. Добронравов В.В. Курс теоретической механики. М., Высшая школа, 1974.

30. Елизаров М.Е. Вероятностные методы определения основных характеристик ШВП.—Дисс. на соиск.уч.ст. к.т.н., М., МГТУ, 1989.

31. Иванов М.Н. Детали машин. М., Высшая школа, 1984.

32. Иида X., Тамура А. Динамические характеристики зубчатых передач с валами на упругом основании. Экспресс-информация, Детали машин, №18, 1987.

33. Иосилевич Г.Б. Детали машин. М., Машиностроение, 1988.

34. Ковалев М.И., Народецкий М.З. Расчет высокоточных шарикоподшипников. М., Машиностроение, 1980.

35. Когаев В.П., Махутова H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. М., Машиностроение, 1985.

36. Копченова Н.В., Марон И.А. Вычислительная математика в примерах и задачах. М., Наука, 1972.

37. Кубо А., Киоко С. Анализ механических вибраций в зубчатых передачах. Реферативный журнал, Детали машин, №3, 1987.

38. Кудинов В.А. Динамика станков. М., Машиностроение, 1967.

39. Кузнецов В.Г. Приводы станков с программным управлением. М., Машиностроение, 1983.

40. Кумар A.C., Санкар Т.С. Определение динамической нагруженности зубчатых передач методом объёмного состояния. Экспресс-информация, Детали машин, №26, 1986.

41. Левин А.И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков. М., Машиностроение, 1978.

42. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость в машиностроении. М., Машиностроение, 1971.

43. Магнус К. Колебания. Пер. с нем. М., Мир, 1982.

44. Михайлов О.П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков. М., Машиностроение, 1989.

45. Михайлов О.П., Веселов О.В. Экспериментальное определение параметров привода металлорежущих станков. Станки и инструмент, №8, 1990.

46. Михеев Ю.Е., Сосонкин В.Л. Системы автоматического управления станками. М., Машиностроение, 1978.47,Остроменский П.И., Аксенов В.А., Атапин В.Г. Математическое моделирование в машиностроении: Учеб. пособ/Новосиб. Гос. Тех. Ун-т,-Новосибирск, 1993.

47. Павлов. Б.К. Шариковые механизмы в приборостроении. Л., машиностроение, 1976.

48. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. Л., Машиностроение, 1976.

49. Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочник. М., Машиностроение, 1983.

50. Пинегин C.B. Трение качения в машинах и приборах. М., Машиностроение, 1976.

51. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев, Наукова думка, 1975.

52. Поджаров Е.М. Колебания зубчатых колес под действием переменной жесткости зубьев и сил трения в зацеплении. Сб. «Надежность и прочность машин для добычи и переработки полезных ископаемых». М., Машиностроение, 1985.

53. Поджаров Е.М., Палочкин C.B. Демпфирование поперечных колебаний силами трения в зубчатых зацеплениях. Изв.вузов. Машиностроение, №6, 1988.

54. Поджаров Е.М. Колебания зубчатых передач при действии переменных сил трения между зубьями. Изв.вузов. Машиностроение, №8, 1987.

55. Проников A.C. и др. Расчет и конструирование металлорежущих станков. М., Высшая школа, 1967.

56. Проников A.C. Точность и надежность станков с числовым программным управлением. М., Машиностроение, 1982.

57. Проников A.C., Васильев Т.Н. и др. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. Справочник-учебник в 3-х томах. М: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана; МГТУ «Станкин», 2000.

58. Проников A.C., Камышный Н.И. и др. Металлорежущие станки и автоматы. М., Машиностроение, 1981.

59. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. М., Машиностроение, 1977.

60. Пуш В.Э. Металлорежущие станки. М., Машиностроение, 1986.

61. Пясик И.Б. Шариковинтовые механизмы. М., Машгиз, 1962.

62. Ратмиров В.А. Основы программного управления станками. М., Машиностроение, 1978.

63. Ратмиров В.А., Чурин И.Н., Шмутер C.JI. Повышение точности и производительности станков с программным управлением. М., Машиностроение, 1970.

64. Решетов Д. Н. Детали машин. М., Машиностроение, 1989.

65. Решетов Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин. М., Высшая школа, 1974.

66. Решетов Д.Н. Детали и механизмы металлорежущих станков. Т.2., М., Машиностроение, 1972.

67. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. М., Машиностроение, 1986.

68. Решетов Д.Н., Шелофаст В.В. Осевая жесткость ШВП, установленной с предварительным осевым натягом. М., Изв. вузов. Машиностроение, №5, 1986.

69. Решетов Д.Н., Палочкин C.B. Демпфирование колебаний в зацеплениях зубчатых колес. Изв. вузов. Машиностроение, №3, 1984.

70. Ривин Е.Е. Динамика привода станков. М., Машиностроение, 1966.

71. Русавский Ю.П., Яковлев Г.Н. Диагностирование виброустойчивости узлов машин с шариковой или роликовой винтовой передачей. СТИН, №2, 1994.

72. Ряховский O.A. Детали машин. М: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

73. Сато О., Шитояма X. Исследование крутильных колебаний в многовальной зубчатой передаче. Экспресс-информация, Детали машин, №13, 1986.

74. Стопер Дж. Нелинейные колебания в механических и электрических системах. М., ИИЛ, 1952.

75. Тарзиманов Г.А. Проектирование металлорежущих станков. М., Машиностроение, 1980.

76. Тимошенко С.П., Янг Д.Х. Колебания в инженерном деле. М., Машиностроение, 1985.

77. Турпаев А.И. Винтовые механизмы и передачи. М., Машиностроение.

78. Фадеев В.З., Елизаров М.Е. Вероятностная оценка зазоров для расчетов ДМ по параметрам надежности. Труды МВТУ №467, Исследования динамики и прочности машин, 1986.

79. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М., Наука, 1979.8 ¡.Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М., Мир, 1980.

80. Фролов К.В., Попов С.А., Мусатов А.К. и др. Теория механизмов и машин. М., Высшая школа, 1987.

81. Хог А., Арора Я. Прикладное оптимальное проектирование. М., Мир, 1983.

82. Цзе Ф.С., Морзе И.Е., Хинкл Р.Т. Механические колебания. М., Машиностроение, 1966.

83. Чернавский С.А., Боков К.Н., Чернин И.М. Курсовое проектирование деталей машин. М., Машиностроение, 1988.

84. Шелофаст В.В., Елизаров М.Е. Определение осевой жесткости ШВП, установленной без преднатяга. Изв. вузов, Машиностроение, №4, 1986.

85. Шкапенюк М.Б. Пути улучшения основных эксплуатационных характеристик шариковых винтовых передач. Станки и инструмент, №4, 1990.

86. Lin H.-H., Huston R.L., Coy J.J. On Dynamic Loads in Parvalles—Shaft Transmission: Part 1-Modelling and Analisis.-"Trans. ASME. J. of. Mech., Transmiss. and Autom. Des.", Vol. 110, 1988.

87. Pintz Z. Dynamic analysis of gelical gears.-"Trans. ASME. J. Mech., Transmiss. and Autom. Des.", Vol. 107, N3, 1985.

88. Umezava K. Vibration of power transmissions with Helical Gears.-Trans. JSME, Vol. 51, No 469, 1985.

89. Yang D.C.H., Lin J.Y. Hertzian Damping, Tooth Friction and Bending Elasticity in Gear Impact Dynamics.-Journal of Mechanisms, Transmissions and Automation in Design. June, Vol. 109, 1987.