Проектирование роботехнических средств для поточных линий прядильного производства

Анализ развития приготовительно-прядильного оборудования зарубежных фирм и отечественного производства за последние годы показывает, что одним из основных направлений является освоение автоматизированного поточного способа производства пряжи, представляющего наиболее совершенную форму технологического процесса в организации производства. Использование поточного способа производства позволяет повысить эффективность последнего и сократить количество используемых в производстве вспомогательных изделий и материалов: тазов, катушек, тележек для транспортировки полуфабрикатов между технологическими переходами и др.

Применение автоматизированного поточного способа производства пряжи связано с обязательным использованием робототехнических средств. Широкое внедрение РС обеспечивает повышение производительности труда в основном и вспомогательном производствах, сокращение доли монотонного и непривлекательного труда, повышение мобильности производства, а также способствует улучшению качества вырабатываемой продукции за счет более точного соблюдения технологических режимов.

Активное использование РС в поточных линиях прядильного производства осложняется необходимостью самостоятельного изготовления предприятиями их составных элементов и периферийного оборудования, поскольку в нашей стране не выпускаются РС специально для немашиностроительных отраслей. Имеющийся на рынке большой набор РС не обеспечивает требований, обусловленных спецификой предприятий текстильной промышленности. Поэтому целесообразно сотрудничество с использованием международного разделения труда, а также различных форм международной кооперации.

Для ускорения внедрения РС в текстильную промышленность необходимы: существенное повышение их надежности; снижение цены; обеспечение производства и поставок полностью роботизированных участков; организация стимулирующих мероприятий у производителей и потребителей; международное разделение труда и т. д.

В качестве сферы международного разделения труда в области создания РС для текстильной промышленности России лучше всего выбрать в условиях современной экономической ситуации проектирование данных устройств по требованиям заказчика.

1. Метод проектирования робототехнических средств текстильных машин

В общем процессе создания высоконадежных систем этап проектирования является определяющим. На этом этапе имеются большие возможности расчетной и экспериментальной проверки принимаемых конструктивно-технических, структурных и схемных решений по обеспечиваемому уровню надежности, а также большие возможности по изменению этих решений в целях применения более надежных вариантов.

С целью снижения затрат на создание робототехнических устройств разработан метод их проектирования, который позволяет выявить различные технические решения РС по требованию потребителя независимо от конструктивных особенностей текстильной машины, а также произвести оценку надежности механизмов исполнительных органов и всего РС на стадии проектирования и конструкторской отработки опытного образца.

Данный метод включает в себя следующие шесть этапов:

— разработку функциональной структуры РС, состоящую из выявления максимально возможного количества элементов, входящих в РС и находящихся в функциональной взаимосвязи, определения выходных параметров всей системы РС и отдельных ее элементов, оказывающих влияние на ее надежность, и свойств данных параметров, выявления возможности изменения функциональной вза-имосвязи между элементами РС с целью повышения надежности работы последнего;

— моделирование структурных схем исполнительных органов РС, включающее определение основного критерия, по которому следует производить оценку получаемых технических решений, выявление направления решения проблемы увеличения надежности работы РС и разработку на основе принципа Ф. Цвики метода проектирования таких средств;

— алгоритм моделирования траектории выходного звена исполнительного органа РС, заключающийся в выявлении закона движения последнего по характерным точкам выполняемой им технологической операции и с учетом повторения требуемых участков траектории и синхронизации работы всех исполнительных механизмов;

— выбор критериев оптимизации при проектировании РС, включающий определение данных критериев, выявление необходимых предельных значений целевых функций всех критериев, введение приоритета целей и шкалы экспертных оценок;

— рассмотрение принципов разработки циклограммы РС, рекомендующих производить синхронизацию работы исполнительных органов манипулятора с учетом оценки их быстродействия и надежности;

— контроль надежности РС при испытаниях, заключающийся в выявлении характеристик и признаков состояний системы РС и их анализе на основе обобщенной формулы Байеса, позволяющей определить характерные состояния и детерминирующие признаки системы, а также в вычислении необходимого количества отрабатываемых РС циклов по обслуживанию им текстильных машин.

Следует отметить, что каждый этап разработанного метода может быть использован как самостоятельный способ проектирования РС, что повышает его мобильность и позволяет привязать к конкретным проблемам конструкторской практики и использовать в совокупности с другими имеющимися методами проектирования РС. Рассмотрим более детально все разработанные этапы проектирования РС.

1.1 Разработка функциональной структуры робототехнических средств

В соответствии с теорией технических систем робототехнические средства текстильных машин относятся к сложным системам. Возможность обеспечения надежного функционирования такой системы связана с изучением ее структуры, т. е. совокупности элементов и отношений между ними, и тех взаимосвязей, которые определяют ее работоспособность. Выделим в технической системе «робототехническое средство текстильной машины» элементы, каждый из которых выполняет определенную функцию и находится во взаимодействии с другими элементами системы. К таким элементам относятся:

— привод ходовой секции, осуществляющий движение РС вдоль фронта текстильной машины и остановку его около рабочего места, где необходимо осуществить вспомогательную технологическую операцию;

— привод рабочей секции, осуществляющий передачу движения от привода ходовой секции к механизмам исполнительных органов РС или работающий автономно;

— исполнительные механизмы РС, выполняющие технологические операции по обслуживанию текстильной машины.

Определим отношения между этими элементами системы РС, которые задаются функциональным описанием способа действия технической системы, заключающегося в следующем: энергия вращательно-поступательного движения элемента 1 при остановке РС около требуемого рабочего места текстильной машины передается элементу 2, который преобразует ее и далее передает элементам 3, …, N соответственно. Более предпочтительным является вариант, когда элемент 2 самостоятельно включается в работу после поступления к нему соответствующего входного сигнала. В этом случае непосредственная механическая связь между элементами 1 и 2 отсутствует, что положительным образом будет сказываться на надежности работы РС, его точности и времени позиционирования около рабочего места текстильной машины. Элементы 3, …, N преобразуют эту энергию в движение исполнительных органов.

С целью построения функциональной структуры РС выявим максимальное количество элементов, которое может входить в данную техническую систему. Для эффективной эксплуатации РС большое значение имеет время позиционирования около рабочего места и передвижения вдоль фронта текстильной машины, поэтому исходя из условия отсутствия или наименьшего времени запаздывания сигнала передачи крутящего момента от одного элемента системы к другому имеем:

— максимальное количество приводов рабочей секции равно двум;

— максимальное количество исполнительных механизмов, приводимых в движение от привода рабочей секции, равно двум;

— максимальное количество исполнительных механизмов, имеющих движение от других исполнительных механизмов, также равно двум.

На основании вышеизложенного разработана схема взаимосвязей между элементами системы РС, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Схема взаимосвязей между элементами системы «робототехническое средство»

Здесь: элемент 1 — привод ходовой секции РС; элементы 2, 7 — приводы рабочих секций; элементы 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10 и 11 — исполнительные механизмы. Связь между элементами 1 и 7 обозначена пунктирной линией, т. к. она дублирует связь между элементами 1 и 2. Необходимо заметить, что при числе исполнительных механизмов больше 4, но меньше 8 следует произвести перераспределение связей в системе РС. По нашему мнению, наибольшее число исполнительных механизмов из РС текстильных машин будет иметь автомат присучивания ленты на пневмопрядильных машинах.

Из функционального описания способа действия технической системы РС и схемы взаимосвязей между ее элементами следует, что определенные выходы элемента 1 одновременно являются входами элемента 2; определенные выходы элемента 2 являются входами элементов 3 и 4; определенные выходы элемента 3 являются входами элемента 5 и определенные выходы элемента 4 являются входами элемента 6.

Отношения взаимозависимости между отдельными функциями рассматриваемых элементов относятся к категории связей. Рассмотрим выходные параметры каждого элемента, при изменении которых в процессе эксплуатации должны учитываться требования, предъявляемые к надежности всей системы.

Выходными параметрами всей системы РС являются — точность позиционирования и — время позиционирования. Выходными параметрами элементов 1, 3, 4, 5 и 6 являются: — точность позиционирования, — кинематические характеристики и — прочностные характеристики. Выходными параметрами элемента 2 являются: — кинематические характеристики и — прочностные характеристики. Следует заметить, что важным выходным параметром являются динамические характеристики элементов, однако информация об этом уже заложена в их кинематических и прочностных характеристиках.

При рассмотрении выходных параметров каждого элемента можно отметить то, что они могут по-разному влиять на формирование выходных параметров и всей системы, определяющих ее надежность. Можно выделить три основных свойства этих параметров:

— - изменение параметра влияет на работоспособность лишь самого элемента, отказ данного элемента ведет, как правило, к отказу системы;

— - параметр участвует в формировании одного или двух выходных параметров всей системы. Его изменения должны учитываться в совокупности с изменением параметров данной категории для других элементов. По отклонению от номинала только данного параметра нельзя судить об отказе элемента;

— - параметр влияет на работоспособность других элементов, его изменение для остальных частей системы аналогично изменению внешних условий работы.

Выходной параметр элементов 3, 4, 5 и 6 обладает двумя свойствами: и; выходной параметр первого элемента обладает следующими свойствами: и. Выходной параметр всех элементов обладает свойствами и, а этот же параметр элементов 3, 4, 5 и 6 имеет еще свойство. Выходной параметр всех элементов обладает свойствами и; этот же параметр элементов 1 и 2 имеет также свойство. На основании вышеизложенного разработана схема функциональной структуры РС, представленная на рис. 2.

Анализ этой схемы показывает, что при оценке надежности системы РС большую роль играют взаимосвязи, когда работоспособные элементы оказывают побочные воздействия на другие элементы и могут вывести их из строя. Изменение точности позиционирования элемента 1 влияет на нормальное функционирование элементов 3 и 4, а через них — на элементы 5 и 6; изменение кинематических параметров и прочностных характеристик элемента 1 влияет на время включения в работу элемента 2; изменение тех же параметров элемента 2 влияет на синхронизацию движений между элементами 3 и 4; изменение аналогичных параметров элементов 3 и 4, а через них — на элементы 5 и 6; изменение кинематических параметров и прочностных характеристик элемента 1 влияет на время включения в работу элемента 2; изменение тех же параметров элемента 2 влияет на синхронизацию движений между элементами 3 и 4; изменение аналогичных параметров элементов 3 и 4 влияет на время передачи крутящего момента элементам 5 и 6; изменение этих же параметров элементов 5 и 6 влияет на синхронизацию движений между исполнительными органами РС.

На выходной параметр всей системы РС — точность позиционирования — влияют точность позиционирования и кинематические характеристики, являющиеся выходными параметрами элементов 1, 3, 4, 5 и 6, а также прочностные характеристики элемента 1. На выходной параметр всей системы РС — время позиционирования — влияют вышеназванные параметры тех же элементов, а также кинематические характеристики элемента 2 и прочностные параметры элементов 1 и 2. Такой выходной параметр всей системы РС, как — точность позиционирования, определяет нормальное функционирование системы «РС — текстильная машина», а именно: надежность работы рассматриваемой системы; выходной параметр — время позиционирования определяет эффективность работы данной системы.

С целью повышения надежности работы робототехнического средства рассмотрим возможность изменения его функциональной структуры. Очевидно, что из всех выходных параметров элементов РС можно уменьшить или устранить воздействие в функциональной структуре взаимосвязи параметров — точности позиционирования отдельных элементов. Влияние параметров на работоспособность всей системы РС устраняется посредством введения жесткой механической фиксации манипулятора относительно рабочего места текстильной машины, где производится вспомогательная технологическая операция по ее обслуживанию. Для этой цели можно использовать зубчатую реечную передачу, храповые механизмы, различные виды фиксаторов. Данные стопорные устройства монтируются на текстильной машине и выставляются относительно ее рабочих мест. Влияние параметров, , и на работоспособность РС можно устранить посредством увеличения зоны перекрытия временных диапазонов позиционирования исполнительных механизмов РС при совместном выполнении ими технологической операции по обслуживанию текстильной машины. С этой целью лучше всего применять в конструкции РС кулачковые механизмы. Для того чтобы при этом не увеличилось общее время позиционирования манипулятора, необходимо улучшить кинематические характеристики последнего.

Рис. 2. Функциональная структура робототехнических средств текстильных машин

С учетом вышеизложенного на рис. 3 представлена схема усовершенствованной функциональной структуры РС текстильных машин.

1.2 Моделирование структурных схем исполнительных механизмов робототехнических средств

Технологическая цепочка прядильного производства состоит из большого количества разнообразных по своему назначению и конструктивному исполнению текстильных машин, поэтому с целью снижения затрат времени на проектирование робототехнических средств, имеющих, как правило, несколько исполнительных органов и обслуживающих конкретные типы текстильных машин, имеет смысл выявить общую методику моделирования структурных схем исполнительных механизмов РС.

Для частного случая, а именно для автосъемника бобин, осуществляющего съем наработанных бобин на пневмомеханической прядильной машине и установку пустых патронов на их место, методика поиска новых технических решений его исполнительных органов отражена в работах.

При решении задачи разработки общей методики моделирования структурных схем исполнительных механизмов РС машин прядильного производства, прежде всего, следует определить основной критерий, который необходимо положить в основу оценки получаемых технических решений. Очевидно, что этим основным критерием является надежность функционирования РС, т.к. она в себя включает следующие требования, предъявляемые к работе исполнительных механизмов РС:

— получение требуемой траектории выходного звена исполнительного механизма РС исходя из выполняемой им вспомогательной технологической операции по обслуживанию текстильной машины;

— выполнение кинематических и динамических ограничений, налагаемых на работу выходного звена;

— получение необходимой точности позиционирования выходного звена на обслуживаемом им рабочем месте текстильной машины;

— достижение синхронизации движений между выходными звеньями исполнительных механизмов РС.

Рис. 3. Усовершенствованная функциональная структура робототехнических средств текстильных машин

В предыдущем пункте показано, что максимальное количество приводов РС текстильных машин может быть равно трем, а максимальное количество исполнительных механизмов равно восьми. При этом один из приводов осуществляет движение РС вдоль фронта текстильной машины, а два других приводят в движение исполнительные механизмы. Учитывая эти условия, произведем оценку надежности исполнительных механизмов РС текстильной машины, которая может быть осуществлена на стадии проектирования и заключается в систематическом исследовании всех вариантов конструкции, втекающих из закономерностей строения совершенствуемого объекта. При этом исследуются как известные, так и новые необычные варианты, которые при простом переборе могли быть упущены. Основные этапы оценки надежности новых технических решений исполнительных механизмов РС текстильной машины заключаются в следующем:

— дается точная формулировка задачи, подлежащей решению;

— раскрываются все важные характеристики объекта, его параметры, от которых зависит решение проблемы;

— раскрываются возможные варианты по каждой характеристике посредством составления морфологической матрицы поиска новых технических решений на основе применения метода Ф. Цвики и ее последующего решения;

— определяется функциональная ценность всех полученных решений посредством наложения граничных условий на взаимообусловленные характеристики объекта.

Согласно вышеизложенному, рассмотрим основные этапы решения проблемы «Увеличить надежность работы РС машины поточной линии прядильного производства». Как было указано ранее, данное РС может состоять из одиннадцати основных элементов, а именно: привода ходовой секции, приводов рабочих секций и исполнительных механизмов, выполняющих технологические операции по обслуживанию текстильной машины, входящей в состав поточной линии прядильного производства. Следовательно, согласно теории надежности для выполнения поставленной задачи надо решить проблему повышения надежности работы каждого элемента системы. Кроме того, надежность работы системы зависит от ее связей с окружением, в данном случае с текстильной машиной поточной линии прядильного производства. На основании этого определено поле поиска решений для проблемы «Увеличить надежность работы РС машины поточной линии прядильного производства», представленное на рис. 4. Используя основные методы повышения надежности элементов, определены поля поиска решения проблем «Увеличить надежность работы 3_го элемента РС машины поточной линии прядильного производства», а также «Уменьшить количество связей РС с машиной поточной линии прядильного производства». Следует заметить при этом, что элементы данного РС при решении проблемы повышения их надежности работы разделены на две группы. Это обусловлено различиями в характере их функционирования.

Из анализа схем, приведенных на рис. 4−6, следует, что одним из основных путей повышения надежности работы РС машины поточной линии прядильного производства является изменение структурных схем его исполнительных механизмов, в связи с чем необходимо разработать методику моделирования данных структурных схем таких РС.

Для этого раскроем возможные варианты по каждой характеристике исполнительного механизма РС путем составления морфологической матрицы, отражающей закономерности строения усовершенствуемого объекта. Каждая характеристика обладает определенным числом различных независимых свойств, , … Например, параметр исполнительного механизма «движение» может иметь независимые свойства, , означающие перемещение в плоскости и пространстве. Эти матрицы-строки могут быть записаны в следующем виде:

Если в каждой строке матрицы зафиксировать один из элементов, то набор из них будет представлять возможный вариант решения исходной задачи. Если использовать приведенную выше систему матриц для построения р-мерного пространства, то получим морфологический ящик. Полное число решений в этом случае равно:

.

В высшей степени существенно, что вплоть до данного момента не должен ставиться вопрос о ценности того или иного решения. Такое преждевременное любопытство почти всегда наносит ущерб беспристрастному применению морфологического метода. Однако, как только получены все решения, можно сопоставить их с любой системой принятых критериев.

— движение механизма совершается:

а) в плоскости ;

б) пространстве .

— наличие взаимодействия механизма с другими рабочими органами РС:

а) именно с одним рабочим органом ;

б) именно с двумя рабочими органами ;

в) именно с тремя рабочими органами ;

г) не имеется .

Рис. 4. Поле поиска решений проблемы «Увеличить надежность работы робототехнического средства машины поточной линии прядильного производства»

Рис. 5. Поле поиска решений для проблемы «Уменьшить количество связей робототехнического средства с машиной поточной линии прядильного производства»

Рис. 6. Поле поиска решений для проблемы «Увеличить надежность работы 3_го элемента робототехнического средства машины поточной линии прядильного производства»

— пересечение выходным звеном механизма траек-тории выходного звена другого рабочего органа РС:

а) обязательно ;

б) необязательно ;

в) ни в коем случае .

— наличие у механизма принудительного движения от другого рабочего органа РС:

а) обязательно ;

б) необязательно ;

в) автономное движение .

— совмещение выходным звеном механизма различных технологических операций:

а) имеется ;

б) не имеется .

— вид движения выходного звена механизма:

а) возвратное ;

б) замкнутое .

— траектория выходного звена механизма:

а) прямая линия ;

б) дуга окружности ;

в) линия, проходящая через m характерных точек ;

г) линия, в определенной своей части соответствующая требуемой траектории ;

д) шатунная кривая ;

е) сателлитовая кривая .

— траектория выходного звена рабочего органа PC, функционально взаимодействующего с моделируемым механизмом:

а) прямая линия ;

б) дуга окружности ;

в) линия, проходящая через m характерных точек;

г) линия, в определенной своей части соответствующая требуемой траектории ;

д) шатунная кривая ;

е) сателлитовая кривая .

— наличие выстоев при движении выходного звена механизма:

а) не имеется ;

б) имеется один выстой ;

в) имеется два выстоя ;

г) имеется m_е количество выстоев .

— выстой выходного звена механизма обусловлен:

а) конструкцией самого механизма ;

б) применением вспомогательного устройства .

— механизмы, применяемые для получения выстоя:

а) храповой механизм ;

б) мальтийский механизм ;

в) стержневой механизм ;

г) кулачковый механизм ;

д) зубчатый механизм ;

е) механизм автоматического включения и выключения .

— количество законов движения у выходного звена механизма:

а) один закон ;

б) два закона ;

в) три закона .

— тип механизма:

а) кривошипно-ползунный механизм ;

б) механизм шарнирного четырехзвенника ;

в) кулисный механизм ;

г) зубчатый механизм ;

д) кулачковый механизм ;

е) зубчато-рычажный механизм .

— способ захвата выходным звеном механизма транспортируемого им технологического объекта:

а) механический ;

б) электромагнитный ;

в) пневматический .

— форма выходного звена механизма:

а) прямолинейная ;

б) фигурная .

Отметим, что как количество параметров, так и число их независимых свойств могут быть изменены в зависимости от конкретной задачи, которую ставит перед собой разработчик или заказчик, но при этом общий принцип определения матриц-строк сохраняется.

Полученная морфологическая матрица имеет следующий вид:

Произведем оценку полного числа решений исполнительного механизма PC по формуле полученной системы матриц:

Проведем сокращение числа альтернативных вариантов в системе матриц посредством исключения наименее эффективных и наименее перспективных технических решений. Следует заметить, что это еще не означает, что данные решения являются наихудшими, т. к. сокращение альтернативных вариантов в морфологической матрице произведено на основании сравнительного анализа имеющихся патентов и существующих конструкций PC, обслуживающих текстильные машины поточной линии прядильного производства, а также практического конструкторского опыта авторов настоящей работы. Кроме того, рассматриваются технические решения отдельного исполнительного механизма, а не всего PC, включающие в себя также технические решения и других исполнительных органов данного манипулятора и их функциональную взаимосвязь. Поэтому на основании вышеизложенного общий вид морфологической матрицы сохраняем без изменений.

К сокращаемым альтернативным вариантам в отнесем следующие:, ,, ,, ,, ,, .

Произведем оценку числа возможных вариантов, которые можно синтезировать на основе морфологической матрицы при наложении на нее граничных условий проектирования, а именно исключения вышеперечисленных вариантов:

Для всего PC машины поточной линии прядильного производства оценка полных решений может быть проведена по следующей формуле:

где — количество исполнительных механизмов в проектируемом робототехническом средстве (= 8).

Такой метод моделирования структурных схем исполнительных механизмов PC машин поточной линии прядильного производства создает основу для мышления в категориях основных принципов и параметров, что и обеспечивает эффективность его применения. Он является упорядоченным способом, позволяющим добиться систематического обзора всех возможных решений данной крупномасштабной проблемы. Метод структурирует мышление таким образом, что генерируется новая информация, касающаяся таких комбинаций, которые при несистематической деятельности воображения ускользают от внимания. Хотя данному образу мышления внутренне присуще убеждение, что все решения могут быть реализованы, при этом, естественно, многие из них оказываются сравнительно тривиальными.

1.3 Алгоритм моделирования траектории выходного звена исполнительного органа робототехнического средства

Одной из основных проблем, стоящих перед конструкторами, при проектировании робототехнических средств текстильных машин является получение сложной траектории выходного звена исполнительного органа для осуществления им технологической операции или перемещения рабочего тела.

Данные устройства должны обладать компактностью, иметь несколько одновременно работающих исполнительных органов и быть «жестко» привязанными к текстильной машине, поэтому применение PC общепромышленного назначения в текстильной промышленности нецелесообразно. В связи с этим встает задача разработки такого исполнительного механизма, который при минимальном количестве приводов имеет максимальное количество степеней подвижности и позволяет получить любую траекторию выходного звена. При этом должна иметься возможность повторения любой части траектории, что особенно важно для выполнения технологических процессов в текстильной промышленности, т.к. продукт текстильного производства, над которым производится действие, не исключается из рабочей зоны текстильной машины и технологического процесса. Кроме того, должно выполняться условие синхронизации работы исполнительных органов PC текстильной машины.

С этой целью, а также для снижения трудозатрат на проектирование данных устройств разработан алгоритм моделирования траектории выходного звена исполнительного органа PC текстильной машины, содержащий пять этапов реализации.

На первом этапе формируется массив текущих координат рабочего органа, закрепленного на выходном звене; предполагается выбор системы координат устройства относительно принимаемой базовой системы координат и выявления характерных точек плоскости перемещения рабочего органа, т. е. таких точек, через которые обязательно должны пройти рабочий орган и транспортируемое им тело при выполнении технологической операции. Далее выявляют или задают законы движения между характерными точками, предпочтительными являются:

— прямая линия;

— дуга окружности;

— кубический сплайн.

Следует заметить, что для прямой линии и дуги окружности достаточно наличия двух узловых точек, а для дуги окружности необходимо еще задаться радиусом кривизны для вычисления других точек массива текущих координат через определенный интервал. Кубическим сплайном можно получить любые траектории рабочего органа с требуемой степенью точности, для этого необходимо задаться требуемым количеством узловых точек.

Второй этап предусматривает формирование матрицы текущих координат рабочего органа и включает выявление последовательности прохождения им узловых точек с учетом приемов выполнения технологической операции. В результате получаем матрицу:

где первая строка — последовательность изменения координат по оси X; вторая строка — последовательность изменения координат по оси Y; индекс у соответствующего значения изменения координаты означает порядок проходимой рабочим органом узловой точки.

Третий этап содержит формирование матрицы скорости изменения текущих координат перемещения рабочего органа и предполагает определение времени всего цикла выполнения технологической операции транспортирования рабочего тела и дискретизации полученного значения либо на промежутки, соответствующие требованиям заказчика. При этом должны выполняться следующие соотношения:

где, , …,, …, — значения промежутков времени, необходимых для перемещения рабочего органа между узловыми точками;, , …,, …, — значение времени прохождения рабочим органом соответствующей узловой точки, отсчитываемое от начала времени цикла выполнения технологической операции.

В матрицу добавляем третью строку со значениями, , …,, …, и получим новую матрицу:

На четвертом этапе формируются матрицы законов движения входных звеньев исполнительного механизма, общие коды каждого сочетания, определяются массивы используемых сочетаний, а также матрицы каждого сочетания.

Совокупность сочетаний представлена в табл. 1, при этом каждому закону движения присвоен свой код. В обозначении общего кода первая цифра относится к закону движения первого звена, вторая — к наличию или отсутствию у него дополнительного закона движения, третья цифра — к наличию или отсутствию дополнительного закона движения у данного звена.

Таблица 1. Совокупность сочетаний законов движения входных звеньев исполнительного механизма

Определим изменение углов поворота (или) при вращательном законе движения с постоянной угловой скоростью. Имеем:

Тогда …,

…, .

Определим изменение углов поворота (или) при возвратно-качательном законе движения с постоянной угловой скоростью :

_,

Тогда

…,

…,

где G — максимальный угол размаха звена.

Определим изменение подъема входного звена при возвратно-поступательном законе движения с постоянной линейной скоростью v. Имеем:

.

Тогда

,

,

где S — максимальная высота подъема входного звена.

При вращательном и возвратно-качательном законах движения входного звена с меняющейся угловой скоростью углы поворота (или) этого звена будут определяться следующим образом:

, …,

,

где, , — функции изменения угла поворота входного звена с изменяющейся линейной скоростью v; изменение высоты подъема звена будет определяться следующим образом:

,

,

где, , — функции изменения высоты подъема входного звена.

На основании вышесказанного произведем формирование массива матриц законов движения входных звеньев:

; ;

; ;

; ;

; .

Обозначим массив всех полученных матриц:

При этом следует заметить, что законы движения выходных звеньев полученных матриц также могут представлять из себя сочетания по формулам …

Пятый этап предусматривает проверку входимости матрицы скорости изменения текущих координат перемещения рабочего органа во множество массива матриц.

.

При реализации этого алгоритма возможно определение типов структурных схем исполнительных органов робототехнического средства текстильной машины. Осуществляться данный процесс может следующим образом.

На лист чертежа наносятся изображения исполнительных механизмов текстильной машины согласно их конструктивным размерам и взаимосвязей, а также положения рабочих тел, подлежащих транспортированию или какой-либо другой операции над ними, и крайние положения взаимодействующих исполнительных механизмов РС. Исходя из последовательности выполнения технологической операции по обслуживанию данной текстильной машины выявляются характерные точки. Далее выбирают базовую систему координат, относительно которой будут производиться расчеты, задаются траекторией транспортируемого тела и порядком ее прохождения. В данном случае выходное звено механизма сопла при своем движении должно пройти несколько характерных точек, а именно: исходную точку, находясь в которой, сопло имеет возможность передвижения вдоль фронта машины; точку входа сопла в зону обрезки и захвата нити; точку, определяющую продолжительность выстоя сопла в зоне обрезки и захвата нити; крайнюю верхнюю точку сопряжения поверхности сопла с поверхностью рычага захвата и смены патронов при совместном движении механизма сопла с механизмом захвата и смены патронов; точку прохождения соплом около поверхности патрона, установленного в рычаги бобинодержателя, опускающего патрон на мотальный вал; точку, находящуюся в зоне захвата нити между мотальным валом и установленным патроном; точку, совпадающую с исходной точкой.

Далее лист чертежа 1, с нанесенными на него узловыми точками 2, крепят на столе 3 координатной измерительной машины. В программно-управляющий пульт 4 машины вводят характеристики узловых точек траектории транспортируемого тела, последовательность их прохождения, временные характеристики узловых точек, а также предполагаемые конструктивные и технологические параметры устройства. Исходя из этого и ранее введенной программы сопряжения узловых точек программно-управляющий пульт 4 перемещает измерительную головку 5 со сменным наконечником 6 с установленным в нем самописцем 7 с требуемой скоростью от одной узловой точки к другой, вычерчивая при этом траекторию транспортируемого рабочего тела. При этом все промежуточные точки траектории вычисляются программно-управляющим пультом 4 и могут быть выведены на дисплей или принтер. Далее программно-управляющий пульт 4 выводит на дисплей или принтер законы движения входных звеньев и рекомендуемую структурную схему устройства их реализации.

Выявим универсальную структурную схему исполнительного механизма, которую можно применить для автоматизации практически любого технологического процесса текстильной машины, в связи с чем повышается степень унификации всего РС, а следовательно, повышается надежность его работы и снижается стоимость изготовления.

Данный механизм для воспроизведения траектории транспортируемых рабочих тел содержит входное звено 1, установленное на неподвижном звене 2. На звене 1 зафиксирован ролик 3, находящийся во фрикционном контакте с кулачком 4, имеющем возможность поворота вокруг кулачкового вала, установленного на неподвижном звене 5. На свободном конце звена 1 шарнирно закреплено выходное звено 6 с установленным на нем рабочим органом 7. Выходное звено 6 посредством шарнирно связанного с ним промежуточного звена 8 шарнирно соединено с осью 9, зафиксированной на втором входном звене — кривошипе 10, выполненном телескопическим и установленном на неподвижном звене 5. На оси 9 кривошипа 10 зафиксирован также ролик 11, находящийся во фрикционном контакте с кулачком 12, неподвижно установленным на раме 13 устройства. В другом варианте исполнения входное звено 1 установлено в неподвижных направляющих 2.

Рис. 7. Функциональная блок-схема алгоритма работы вычислительного устройства Рис. 8. Механизм для воспроизведения траектории транспортируемых рабочих тел Рис. 9. Вариант устройства по рис. 8

Работает устройство следующим образом. Посредством фрикционного контакта ролика 3 и кулачка 4 вращательное движение от последнего вокруг кулачкового вала, установленного на неподвижном звене 5, передается входному звену 1, которое при этом получает возвратно-качательный закон движения относительно неподвижного звена 2 и служит коромыслом. В результате этого выходному звену 6 с установленным на нем рабочим органом 7 также сообщается этот закон движения. В то же время выходное звено 6, а следовательно, и рабочий орган 7 получают еще два закона движения посредством шарнирно связанного с ним промежуточного звена 8, шарнирно соединенного с осью 9, зафиксированной на втором входном звене — кривошипе 10, которому сообщается вращательное движение относительно неподвижного звена 5. При этом ролик 11, установленный на оси 9, совершает возвратно-поступательное движение относительно звена 5 посредством фрикционного контакта с кулачком 12, неподвижно установленным на раме 13 устройства. В результате этого длина входного звена — кривошипа 10, выполненного телескопическим, изменяется. При суммировании всех законов движения рабочий орган 7 воспроизводит заданную траекторию, необходимую для выполнения требуемой технологической операции по обслуживанию текстильной машины.

Работа варианта исполнения данного устройства отличается от вышеприведенной тем, что входное звено 1 выполняет функцию толкателя, получая при этом возвратно-поступательное движение относительно неподвижных направляющих 2.

Сочетание различных законов движения входных звеньев данного устройства позволяет получить широкий спектр всевозможных траекторий выходного звена, на котором установлен рабочий орган РС.

1.4 Выбор критериев оптимизации при проектировании робототехнических средств

При проектировании робототехнических средств текстильных машин необходимо решить задачу многокритериальной оптимизации, определяемой наличием множества целевых функций, которые выявляются по следующим критериям:

— определяется максимальное число исполнительных механизмов РС в соответствии с выполняемыми технологическими операциями по обслуживанию текстильной машины;

— определяется минимальное число характерных точек траектории отдельного исполнительного механизма РС соответственно выполняемой им вспомогательной технологической текстильной операции;

— выбирается последовательность обхода этих точек выходным звеном исполнительного механизма РС в соответствии с выполняемой технологической текстильной операцией;

— выбирается тип траектории выходного звена исполнительного механизма РС в соответствии с числом характерных точек, последовательностью их обхода и выполняемой технологической текстильной операцией;

— выбирается в соответствии с типом траектории необходимая структурная схема исполнительного механизма РС;

— выявляются общие характерные точки траекторий выходных звеньев исполнительных механизмов РС в пространстве и во времени, т. е. производится синхронизация работы РС и обслуживаемой им текстильной машины;

— определяются законы движения выходных звеньев исполнительных механизмов РС между характерными точками, которые соответствуют выполняемой технологической текстильной операции;

— определяются максимальные конструктивные размеры исполнительных механизмов РС по выявленным законам движения;

— определяются в соответствии с конструктивными размерами исполнительных механизмов РС кинематические и динамические параметры их выходных звеньев;

— производится оценка допуска позиционирования, кинематических и динамических параметров выходных звеньев исполнительных механизмов РС в соответствии с обслуживаемой текстильной машиной;

— производится оценка габаритных размеров РС по отношению к обслуживаемой им текстильной машине.

В данной многокритериальной задаче встречаются все четыре типа целевых критерия: больше или равно; меньше или равно; равенство и диапазон. В соответствии с вышеприведенными критериями запишем условия задачи:

Цель ;

Цель ;

Цель ;

Цель ;

Цель ;

Цель ;

Цель ;

Цель ;

Цель ;

Цель ;

Цель ;

при ,

где … — градиенты 1…11_й целевых функций; - значения 1…11_го критериев; - множество допустимых значений переменных.

В в фигурных скобках справа стоят те значения критериев, которые должны быть достигнуты по отношению к заданным значениям целей.

Покажем определение предельных значений целевых функций по всем вышеперечисленным критериям.

Максимальное число исполнительных механизмов РС текстильной машины —, где:

а) — два исполнительных механизма;

б) — три ИМ;

в) — четыре ИМ;

г) — пять ИМ;

д) — шесть ИМ;

е) — семь ИМ;

ж) — восемь ИМ.

Минимальное число характерных точек траектории ИМ —, где:

а) — одна точка;

б) — две точки;

в) — три точки;

г) — четыре точки;

д) — пять точек;

е) — шесть точек.

Последовательность обхода характерных точек выходным звеном ИМ —, где:

а) — выборочно;

б) — в соответствии с последовательностью изменения значений их текущих координат.

Тип траектории выходного звена ИМ —, где:

а) — прямая линия;

б) — дуга окружности;

в) — линия, проходящая через m характерных точек;

г) — линия, в определенной своей части соответствующая требуемой траектории выходного звена;

д) — шатунная кривая;

е) — сателлитовая кривая.

Структурная схема ИМ —, где:

а) — кривошипно-ползунный механизм;

б) — шарнирный четырехзвенный механизм;

в) — кулисный механизм;

г) — зубчатый механизм;

д) — кулачковый механизм;

е) — зубчато-рычажный механизм.

Количество характерных точек траектории выходных звеньев исполнительных механизмов РС текстильной машины —, где:

а) — имеется одна общая точка;

б) — две общих точки;

в) — три общих точки;

г) — четыре общих точки;

д) — пять общих точек;

е) — шесть общих точек;

ж) — семь общих точек.

Законы движения выходных звеньев ИМ между характерными точками —, где:

а) — прямая линия;

б) — дуга окружности;

в) — кубический сплайн.

Максимальные конструктивные размеры исполнительных механизмов РС текстильной машины —, где:

а) — нижний предел максимальных конструктивных размеров;

б) — верхний предел максимальных конструктивных размеров.

Кинематические и динамические параметры выходных звеньев исполнительных механизмов РС текстильной машины —, где:

а) — нижний предел кинематических и динамических параметров;

б) — верхний предел кинематических и динамических параметров.

Допуск позиционирования, кинематических и динамических параметров выходных звеньев исполнительных механизмов РС текстильной машины —, где:

а) — нижнее отклонение допусков;

б) — верхнее отклонение допусков.

Габаритные размеры РС текстильной машины —, где:

а) — нижний предел размеров;

б) — верхний предел размеров.

С целью уменьшения затрат машинного времени ЭВМ и учета конкретных требований заказчика на проектируемое РС текстильной машины необходимо ввести приоритет целей. Приоритетом первого уровня целей РС для существующих типов текстильных машин будут следующие критерии:

— габаритные размеры РС текстильной машины;

— тип траектории и число характерных точек выходных звеньев исполнительных механизмов.

Схема выполнения приоритета целей РС для существующих типов текстильных машин представлена на рис. 10.

Для решения данной задачи на ЭВМ требуется ввести шкалу экспертных оценок для значений критериев, имеющих информативно-смысловой характер. На примере некоторых типов механизмов покажем возможность введения шкалы экспертных оценок.

Кулисный, кривошипно-ползунный и шарнирный четырехзвенный механизмы относятся к плоским рычажным механизмам, а плоские рычажные механизмы, звенья которых образуют вращательные или поступательные пары, получили широкое распространение в современном машиностроении в связи с присущими им достоинствами: высокой технологичностью изготовления, возможностью выполнения шарнирных соединений на подшипниках качения и небольшим износом соприкасающихся поверхностей, долговечностью, надежностью в работе и ремонтопригодностью. Зубчатые механизмы относятся к механизмам, имеющим высшие кинематические пары. Такие механизмы обладают сравнительной сложностью изготовления, необходимостью высокой культуры производства для среднескоростных и быстроходных зубчатых передач. Кроме того, для изготовления зубчатых передач требуется использование специального оборудования и высококачественного инструмента для достижения необходимой точности и плавности работы механизма.

Рис. 10. Схема выполнения приоритета целей для робототехнического средства При выборе шкалы экспертных оценок по показателям сложности изготовления и надежности работы наивысший балл получают плоские рычажные механизмы. При изменении базового показателя экспертной шкалы может измениться и оценка, которую получает механизм.

После выбора необходимых предельных значений целевых функций всех критериев, введения приоритета целей и шкалы экспертных оценок задача решается методами целевого программирования.

1.5 Принципы разработки циклограммы робототехнического средства

С целью повышения надежности работы робототехнического средства текстильной машины изучим проблему синхронизации движений его исполнительных механизмов, т. е. выявим принципы разработки циклограммы этой системы.

Данная проблема предполагает рассмотрение вопроса оценки быстродействия РС текстильных машин. Для рассматриваемых РС характерны: повторно-кратковременный режим работы, большая частота пусков, высокое быстродействие при обслуживании рабочего места текстильной машины. С учетом этих факторов оценку быстродействия РС исследуем с позиций запаздывания передачи крутящего момента от приводов манипулятора к его исполнительным органам. На основании кинематических схем существующих РС текстильных машин для поточных линий прядильного производства выявлены наиболее распространенные виды механических передач для таких РС. К ним относятся: кулачковые, червячные, зубчатые и цепные передачи. Последние три типа передач имеют боковой зазор, который необходим для устранения возможного заклинивания при нагреве передачи, обеспечения условий протекания смазочного материала. Этот зазор также служит для компенсации погрешностей изготовления и монтажа передачи.

Очевидно, что при почти мгновенной остановке ведущего звена таких передач в PC ведомое звено будет продолжать свое движение вследствие воздействия на него инерциальных сил. Из-за мгновенной остановки ведущего звена и малой величины бокового зазора между нерабочими профилями поверхностей сопряженных звеньев это движение будет продолжаться до тех пор, пока последний не выберется. В результате чего прерывается контакт рабочих профилей поверхностей сопрягаемых звеньев и между ними возникает боковой зазор. Отметим, что при наличии высоких рабочих скоростей ведущих звеньев между нерабочими профилями поверхностей сопряженных звеньев может возникнуть явление удара.

На основании вышесказанного на быстродействие PC текстильных машин будет оказывать влияние время выработки боковых зазоров таких передач, входящих в кинематические цепи исполнительных органов PC.

Определим суммарное время выработки всех максимальных боковых зазоров кинематической цепи отдельного исполнительного органа PC, получаемых при наиболее неблагоприятных сочетаниях отклонений составляющих размеров.

Вй цилиндрической зубчатой передаче имеем:

где — гарантированный боковой зазорй цилиндрической передачи; , — допуск на дополнительное смещение исходного контура шестерни и колеса соответственной цилиндрической передачи; - верхнее предельное отклонение межосевого расстоянияй цилиндрической передачи; - угол профиля зуба исходного контура в нормальном сечениий цилиндрической передачи .

Поскольку боковой зазор определяют в сечении, перпендикулярном к направлению зубьев, в плоскости, касательной к основным цилиндрам, поэтому время выработки вй цилиндрической зубчатой передаче определится как:

где — число оборотов ведущей шестерний цилиндрической передачи; - диаметр основной окружности ведущей шестерний цилиндрической передачи.

Учитывая, что где — стандартный модуль зубчатого зацепленияй цилиндрической передачи; - число зубьев ведущей шестерний цилиндрической передачи, получим Для определения в зубчатой конической ортогональной передаче воспользуемся методом дополнительных конусов, позволяющим рассматривать взаимодействие профилей зубьев не на сфере, а на поверхности соприкасающихся со сферой дополнительных конусов. При развертывании на плоскость дополнительных конусов рассматривают зубчатую цилиндрическую передачу, эквивалентную зубчатой конической ортогональной передаче.

В u_й зубчатой конической ортогональной передаче имеем:

где — гарантированный боковой зазор u_й конической передачи; - допуск на дополнительное смещение исходного контура шестерни и колеса соответственно u_й конической передачи; - верхнее предельное отклонение осевого смещения зубчатого венца шестерни и колеса соответственно u_й конической передачи; - угол профиля зуба исходного контура в нормальном сечении цилиндрической передачи, эквивалентной u_й конической передаче .

Время выборки в u_й зубчатой конической ортогональной передаче определится, как:

где — число оборотов ведущей шестерни u_й конической передачи; - диаметр основной окружности ведущей шестерни цилиндрической передачи, эквивалентной u_й конической передаче.

Учитывая, что:

где — стандартный модуль зубчатого зацепленияй конической передачи; - число зубьев ведущей шестерний конической передачи; - угол, равный половине угла раствора начального конуса ведущей шестерний конической передачи, получим

.

Вй червячной передаче имеем:

где — гарантированный боковой зазорй червячной передачи; - допуск на дополнительное смещение исходного контура червяка и червячного колеса соответственной червячной передачи; - верхнее предельное отклонение межосевого расстоянияй червячной передачи; - угол подъема нитки червякай червячной передачи определяется как

где — поступательная скорость червякай червячной передачи, равная

где — число оборотов червякай червячной передачи; - шаг червякай червячной передачи, равный

где — стандартный модуль червячного зацепленияй червячной передачи.