Проектирование роботехнических средств для поточных линий прядильного производства

Более подробно анализ функционирования механизма захвата и смены патронов и механизма сопла существующего автосъемника бобин отражен в работе.

Механизм управления рычагами бобинодержателя прядильной машины состоит из ведущего кулачка 1, имеющего радиальный и торцовый профили, и двухзвенного рычага 2. Радиальный профиль, воздействуя на ролик 3, поворачивает весь рычаг 2 относительно горизонтальной оси, что обеспечивает при соприкосновении ролика на конце рычага 2 с подвижным плечом бобинодержателя прядильной машины подъем последнего и отрыв бобины от мотального вала. Торцовый профиль обеспечивает поворот звена рычага 2 в направлении отклонения подвижного плеча бобинодержателя для его раскрытия и освобождения бобины из зажимов тарелок. Профили кулачка 1 выполнены так, что после выталкивания бобины и совмещения оси тарелок с осью патрона бобинодержатель освобождается от воздействия рычага 2, зажимает тарелками патрон и опускается вместе с ним на мотальный вал.

Механизм управления рычагами бобинодержателя прядильной машины имеет возможность переналадки в процессе эксплуатации, т.е. его движение можно согласовать с движениями остальных исполнительных органов автосъемника бобин и по данным производственных испытаний, проведенных сотрудниками ПензНИЭКИПМаша, работает достаточно надежно.

Следует отметить, что согласно кинематическому расчету для рассматриваемой конструкции АС_120 угловые скорости ведущих звеньев всех вышеупомянутых исполнительных механизмов одинаковы и равны 1,4 с^-1.

Поскольку механизм сопла в определенном цикле своей работы получает принудительное движение от механизма захвата и смены патронов, т.е. их нормальное функционирование взаимосвязано, к тому же выходное звено механизма сопла имеет сложную траекторию и выявлены недостатки в структурных схемах данных рабочих органов, поэтому наиболее целесообразным представляется обратить внимание на модернизацию механизма захвата и смены патронов и механизма сопла.

3.2 Определение конструктивных требований к функционально взаимодействующим структурным схемам рабочих органов автосъемника бобин

Главным условием нормального протекания технологического процесса съема наработанных бобин и установки на их место пустых патронов на пневмомеханической прядильной машине является четкое согласование работы основных исполнительных механизмов автосъемника бобин. С целью выявления взаимодействия рабочих органов автосъемника бобин был проведен анализ процесса замены наработанной бобины пустым патроном в вышеупомянутых источниках, а также на существующем автосъемнике бобин.

Данный анализ показывает, что при работе исполнительных механизмов автосъемника бобин должны выполняться следующие основные граничные условия, определяющие конструктивные требования к функционально-взаимодействующим структурным схемам рабочих органов:

- в исходном положении исполнительные органы основных механизмов не препятствуют продвижению автосъемника бобин вдоль фронта пневмомеханической прядильной машины;

- при своей работе исполнительные органы основных механизмов
автосъемника бобин не препятствуют выполнению друг другом технологических операций;

- выталкивание наработанной бобины из рычагов бобинодержателя пневмомеханической прядильной машины происходит после того, как механизм сопла произведет обрезку и захват нити;

- обрезку и захват нити соплом можно производить как в зоне между вытяжными валами и направляющим брусом, так и в зоне между направляющим брусом и мотальным валом прядильной машины, но нить легче обрезать в зоне между направляющим брусом и мотальным валом прядильной машины, т. к. там она имеет большее натяжение нежели в другой зоне;

- подъем рычагов бобинодержателя прядильной машины механизмом управления их движением происходит после того, как будет обрезана и захвачена нить, но до того момента, когда бобина будет вытолкнута;

- механизм сопла в зоне захвата и обрезки нити должен иметь достаточный выстой для проведения данной технологической операции;

- в зависимости от номера вырабатываемой пряжи выстой механизма сопла в зоне захвата и обрезки нити имеет различное значение;

- во время процесса перекидки обрезанной нити через устанавливаемый патрон, происходящего посредством передачи принудительного движения соплу механизмом захвата и смены патронов, сопло должно постоянно находиться в контакте с сопрягаемой поверхностью механизма захвата и смены патронов;

- возвращение рычагов бобинодержателя прядильной машины в исходное положение происходит после того, как обрезанная нить будет перекинута через патрон, установленный в рычаги бобинодержателя;

- при возвращении в исходное положение механизм сопла не должен находиться в зоне захвата и обрезки нити;

- при возвращении в исходное положение механизм сопла должен пройти зону между установленным патроном и мотальным валом после того, как они войдут во фрикционный контакт друг с другом, чтобы обрезанная нить была захвачена между патроном и мотальным валом;

- для того чтобы повысить эффективность работы автосъемника бобин, т.е. снизить время его рабочего выстоя около рабочего места прядильной машины, требуется наличие механизма второй обрезки нити, т.к. в противном случае необходимо дожидаться пока вся длина захваченной соплом нити не будет выбрана из него;

- скорость всасывания соплом нити не должна быть меньше скорости выпуска пряжи;

- для лучшего согласования движений исполнительных органов
автосъемника бобин необходимо иметь для выполнения каждой технологической операции в процессе съема наработанной бобины и установки на ее место пустого патрона свой отдельный рабочий орган;

- возвращение в исходное положение механизма сопла и механизма захвата и смены патронов происходит после того, как установленный патрон войдет в контакт с мотальным валом прядильной машины.

На основании этих граничных условий можно определить требования к траекториям функционально-взаимодействующих рабочих органов автосъемника бобин. Они заключаются в следующем:

- рабочий орган механизма выталкивания наработанной бобины может совершать возвратно-поступательное или возвратно-вращательное движение, следовательно, в первом случае его траекторией является прямая линия, в другом - дуга окружности;

- механизм управления рычагами бобинодержателя прядильной машины должен обеспечивать движение в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: для подъема и разжатия рычагов, в обеих плоскостях движение может совершаться как по прямой линии, так и по дуге окружности;

- рабочий орган механизма захвата и смены патронов может совершать движение как по прямой линии, так и по дуге окружности;

- рабочий орган механизма сопла имеет сложную траекторию в виде замкнутой кривой линии, проходящей через характерные точки движения с выстоем.

В связи с вышеизложенным структурными схемами исполнительных органов автосъемника бобин могут являться:

а) при движении по дуге окружности:

- кривошипно-коромысловый механизм;

- кулачковый коромысловый механизм;

- кулисный механизм;

- зубчатый механизм;

б) при движении по прямой линии:

- кривошипно-ползунный механизм;

- кулачковый механизм с толкателем;

- зубчато-реечный механизм;

- кулисный механизм;

в) при движении по замкнутой кривой линии, проходящей через характерные точки:

- плоский четырехзвенный рычажный механизм;

- плоский зубчато-рычажный механизм;

- кулачковый механизм;

- синтез двух механизмов, задающих два закона движения выходному звену.

Кривошипно-коромысловый, кулисный, кривошипно-ползунный механизмы относятся к плоским рычажным механизмам, которые получили широкое распространение в современном машиностроении.

Зубчатый и зубчато-реечный механизмы относятся к механизмам, имеющим высшие кинематические пары и обладают сравнительной сложностью изготовления. Зубчатые колеса, как правило, подвергаются термической обработке для увеличения твердости поверхности зубьев. Требования к точности изготовления зубчатых колес выше, нежели к плоским рычажным механизмам, поэтому они и выделены в технологии машиностроения в отдельный раздел «Зубонарезание».

Кулачковый коромысловый механизм и кулачковый механизм с толкателем относятся также к механизмам, имеющим высшие кинематические пары. Для сопряжения пары кулачок-коромысло и кулачок-толкатель характерны переменные условия контакта. Для такого сопряжения основную роль в распределении износа на поверхности трения играет изменение внешних факторов по отношению к каждому участку поверхности. Неравномерный износ профиля кулачка приводит к нарушению передаваемого закона движения, что способствует отклонению исполнительного органа от заданной траектории.

Кроме того, неравномерный износ профиля кулачка приводит к возникновению дополнительных динамических нагрузок и нередко является основной причиной отказа всего механизма. На показатель долговечности и надежности кулачкового механизма также непосредственное и существенное влияние оказывает технологический процесс изготовления кулачка. Ошибки в изготовлении профиля кулачков на большинстве заводов, применяющих для этой цели координатный или кинематический способ, оказывают значительно большее влияние на динамические качества механизмов, чем выбор того или иного закона движения. Неточность изготовления сводит на нет этот выбор, и поэтому технология или точность обработки и сборки имеют большее значение для надежной работы механизма, продолжительности его службы, чем назначение более удачного закона движения ведомого звена. Кроме того, проектирование кулачковых передач более трудоемко, нежели зубчатых передач и плоских рычажных механизмов, а технологически изготовить кулачок гораздо сложнее, чем зубчатое колесо, что в свою очередь влияет на себестоимость.

Применение однотипных передач рабочих органов будет способствовать повышению степени унификации изделия, что благоприятно сказывается на общем уровне технологического процесса и на себестоимости автосъемника бобин в целом.

Кривошипно-ползунный механизм, кулачковый механизм с толкателем, зубчато-реечный механизм требуют наличия направляющей достаточной длины с высокой точностью обработки поверхности, что усложняет технологический процесс изготовления самого механизма, увеличивает его габаритные размеры, повышает себестоимость изготовления.

На основании вышеизложенного приходим к выводу, что рациональными структурными схемами исполнительных органов автосъемника бобин являются следующие:

- для механизма выталкивания наработанной бобины из рычагов бобинодержателя и механизма захвата и смены патронов - кривошипно-коромысловый механизм и механизм с качающейся кулисой;

- для механизма сопла - кулачковый механизм и синтез двух механизмов, задающих два закона движения выходному звену;

- для механизма управления рычагами бобинодержателя прядильной машины - кулачковый механизм.

В связи с тем, что на проектирование исполнительных органов автосъемника бобин наложены жесткие граничные условия, принимаем следующие структурные схемы исполнительных органов - механизм выталкивания полной бобины совмещаем с механизмом захвата и смены патронов - кривошипно-коромысловый механизм; механизм сопла - кулачковый механизм, выходное звено которого имеет в определенном цикле работы автосъемника бобин принудительное движение от рычага захвата и смены патронов; механизм управления рычагами бобинодержателя прядильной машины - оставляем существующий кулачковый механизм, т.к. он имеет возможность переналадки в процессе эксплуатации.

3.3 Новые технические решения основных исполнительных органов автосъемника бобин АС_120 с учетом граничных условий проектирования

Учитывая тот факт, что необходимо повысить надежность процесса автоматизированного съема наработанных бобин и установки на их место пустых патронов на пневмопрядильных машинах ППМ_120 с наименьшими затратами материальных ресурсов, следует испытать возможность модернизации существующего автосъемника бобин АС_120, улучшив при этом структурные схемы его наименее надежных исполнительных органов, а именно: механизма сопла и механизма захвата и смены патронов. При этом новые технические решения основных исполнительных органов автосъемника бобин АС_120 должны приниматься с учетом граничных условий проектирования, таких как:

- недопустимо изменять точку вращения кривошипа механизма захвата и смены патронов относительно плоскости ;

- недопустимо изменять точку вращения кулачка механизма сопла и рычага захвата и смены патронов относительно плоскости ;

- недопустимо изменять точку подвеса коромысла механизма сопла относительно плоскости ;

- недопустимо изменять направление вращения приводных валов вокруг центров и ;

- недопустимо изменять передаточное отношение между валами с центрами и ;

- изменение размеров звеньев механизмов исполнительных органов возможно в пределах габаритных размеров автосъемника бобин АС_120;

- недопустимо изменять способ захвата нити механизмом сопла;

- необходимо устранить заклинивание механизма сопла и механизма захвата и смены патронов при контакте поверхностей их исполнительных звеньев;

- необходимо устранить смещение центра патрона от центра тарелочек бобинодержателей пневмопрядильной машины при установке патрона в них;

- необходимо сопло выполнить самоустанавливающимся и саморегулируемым, а также с возможностью переналадки в процессе эксплуатации;

- недопустимо изменять конструкцию пневмопрядильной машины ППМ_120;

- недопустимо изменять месторасположение направляющих металлоконструкций, по которым происходит передвижение автосъемника бобин вдоль фронта пневмопрядильной машины ППМ_120.

Сущность технических решений морфологических матриц изменяемых механизмов, представленных на рис. 37 и 38, с учетом граничных условий проектирования поясняется чертежами, где на рис. 39 изображен автосъемник бобин в момент обрезки и захвата нити соплом; в этот момент фрикционный контакт бобины с мотальным валом прерван посредством механизма управления рычагами бобинодержателя; на рис. 40 - структурная схема механизма сопла; на рис. 41 - продольный разрез сопла; на рис. 42 - вид А по рис. 41; на рис. 43 - вид Б по рис. 42; на рис. 44 - вариант выполнения резака; на рис. 45 - направляющая поверхность сопла; на рис. 46 - вид В по рис. 45; на рис. 47 - вариант исполнения всасывающего патрубка сопла; на рис. 48 - вид Г по рис. 47; на рис. 49 - структурная схема механизма захвата и смены патронов; на рис. 50 - исполнение шатуна механизма захвата и смены патронов; на рис. 51 - рычаг устройства захвата патронов; на рис. 52 - момент выталкивания бобин диаметром 180 и 250 мм; на рис. 53 - вид Д по рис. 52.

Автосъемник бобин содержит следующие рабочие органы: механизм 1 управления рычагами бобинодержателя прядильной машины, механизм 2 сопла и механизм 3 захвата и смены патронов. Механизм 2 сопла содержит коромысло 4, установленное на неподвижной оси 5, на котором зафиксирован ролик 6, находящийся во фрикционном контакте с кулачком 7, име-ющим возможность поворота вокруг оси 8 своей установки. На свободном конце коромысла 4 установлен ограничитель поворота сопла 9, а также шарнирно закреплено сопло 10. Ограничитель поворота сопла 9 имеет регулировочные пазы 11 и упорную поверхность 12. Сопло 10 содержит направляющую фигурную поверхность 13, имеющую на своем свободном конце регулировочные пазы 14 и закрепленную посредством шарнира 15 на свободном конце коромысла 4. На направляющей фигурной поверхности 13 через пазы 14 закреплена опора 16, на которой установлена направляющая втулка 17, находящаяся в контакте с кулисой 18 сопла 10, внутри которой установлен всасывающий патрубок 19, на конце которого закреплен резак 20. Кулиса 18 сопла 10 посредством пружины 21, установленной на ней, и направляющей 22 опоры 16 имеет возможность смены положения при упоре ролика 23, зафиксированного на кулисе 18 сопла 10, в препятствие. К направляющей втулке 17 подсоединен гибкий шланг 24, принимающий форму направляющей фигурной поверхности 13. Всасывающий патрубок 19 может быть выполнен разъемным с возможностью смены длины, при этом он снабжен направляющей 25, фиксирующей положение всасывающего отверстия относительно кулисы 18 сопла 10; в этом случае при регулировании даны сопла 10; всасывающий патрубок 19 выдвигается на необходимую длину из кулисы 18 сопла 10. На конце всасывающего патрубка 19 может быть закреплен резак 26, установленный над всасывающим отверстием. Механизм 3 захвата и смены патронов содержит кривошип 27, установленный на приводном валу 28, кинематически связанном с приводом автосъемника бобин.

Кривошип 27 шарнирно соединен с шатуном 29, который, в свою очередь, шарнирно соединен с выходным звеном-коромыслом, устройством 30 захвата патронов, установленным на неподвижной оси 31. Шатун 29 состоит из двух элементов 32 и 33, соединенных жестко между собой посредством пазов 34, которые обусловливают возможность регулировки длины шатуна 29. Устройство 30 захвата патронов содержит рычаг 35, на котором установлены фигурный кронштейн 36, часть которого, сопряженная с поверхностью рычага 35, охватывающей патрон, имеет форму дуги окружности, выталкиватель бобины 37, выполненный в виде фигурной пластины, свободный конец которой имеет форму дуги окружности, конечный выключатель 38 и фигурную пластину 39, закрепленную на шарнире 40.

Работает автосъемник бобин следующим образом. Данное устройство движется вдоль фронта пневмомеханической прядильной машины. При обнаружении наработанной бобины с требуемым диаметром автосъемник останавливается около данного рабочего места, происходит сброс патрона, предварительно уложенного на полку, расположенную вдоль фронта пневмопрядильной машины, в накопитель, затем начинают работу все исполнительные механизмы 1, 2 и 3 автосъемника. Движение от приводного вала 28 передается оси 8, а от - нее кулачку 17. Кулачок 7 посредством фрикционного контакта с роликом 6 передает движение коромыслу 4, на конце которого установлено сопло 10. Предварительно угол наклона сопла 10 регулируется ограничителем поворота сопла 9 посредством регулировочных пазов 11, через которые он неподвижно крепится к коромыслу 4, при этом меняется угол наклона упорной поверхности 12. Длина сопла 10 предварительно также регулируется посредством смещения опоры 16 относительно направляющей фигурной поверхности 13 через пазы 14, после чего опора 16 неподвижно крепится к направляющей фигурной поверхности 13. Предварительно длина сопла 10 может быть отрегулирована выдвижением всасывающего патрубка 19 из кулисы 18 сопла 10 посредством направляющей 25 на необходимую длину. При движении коромысла 4, а следовательно, и сопла 10 в сторону пневмопрядильной машины происходит контакт ролика 23 с направляющим брусом, при этом ролик 23 и кулиса 18 сопла 10 вместе с всасывающим патрубком 19 посредством пружины 21 и направляющей 22 меняют свое положение относительно направляющей фигурной поверхности 13, т.е. «вылет» сопла 10 уменьшается, при этом кулиса 18 сопла 10 задвигается внутрь направляющей втулки 17. При дальнейшем движении коромысла 4 в сторону пневмопрядильной машины происходит «вкатывание» ролика 23 на направляющий брус, при этом сопло 10 самоустанавливается на направляющем брусе относительно пряжи, наматываемой на бобину; причем при этом процессе угол наклона сопла 10 либо остается прежним, либо увеличивается, т.е. в данном случае угол наклона сопла 10 не зависит от ограничителя поворота сопла 9. После самоустановки сопла 10 на направляющем брусе происходит обрезка пряжи резаком 20 за счет большого натяжения пряжи в этой зоне и засасывание конца обрезанной пряжи всасывающим патрубком 19. Механизм 1 управления рычагами бобинодержателя прядильной машины в это время поднимает вышеупомянутые рычаги, прерывая тем самым фрикционный контакт наработанной бобины с мотальным валом. К этому времени механизмом 3 захвата и смены патронов произведен захват патрона из накопителя, при этом кривошип 27 получает вращение от приводного вала 28 и передает движение шатуну 29, который в свою очередь передает это движение устройству 30 захвата патронов, которое производит захват патрона из накопителя посредством отжима-зажима фигурной пластины 39, вращающейся вокруг своего шарнира 40 при взаимодействии с конечным выключателем 38. Далее устройство 30 захвата патронов движется в сторону пневмопрядильной машины, транспортируя при этом патрон к месту его установки в рычаги бобинодержателей. При этом движении фигурный кронштейн 36 вступает в контакт с направляющей фигурной поверхностью 13 механизма 2 сопла, посредством чего сопло 10 совершает вращение вокруг шарнира 15, на котором оно закреплено, в результате чего пряжа перебрасывается через патрон, образуя тем самым петлю. При дальнейшем движении устройства 30 захвата патронов в сторону пневмопрядильной машины выталкиватель бобины 37 вступает в контакт с наработанной бобиной либо верхней своей частью, либо нижней, в зависимости от диаметра бобины, при этом происходит выталкивание бобины на ленту транспортера. В рычаги бобинодержателей устанавливается патрон с перекинутой через него пряжей, при этом патрон освобождается из рычага 35 посредством взаимодействия конечного выключателя 38 и фигурной пластины 39. Для того чтобы патрон точно спозиционировать при его установке в рычаги бобинодержателей, имеется возможность изменить угол размаха устройства 30 захвата патронов при помощи изменения длины шатуна 29 посредством смещения относительно друг друга элементов 32 и 33 и их жесткой последующей фиксации через пазы 34. Кроме того, применение конечного выключателя 38 позволяет устранить смещение центра патрона от центра тарелочек бобинодержателей при установке патрона в них. Далее механизм 1 управления рычагами бобинодержателей опускает последние в исходное положение. Механизм 3 захвата и смены патронов движется при этом в сторону накопителя. Сопло 10 плавно опускается вниз вокруг шарнира 15 посредством контакта направляющей фигурной поверхности 13 с фигурным кронштейном 36, а коромысло 4 начинает движение в сторону исходного положения. Сопло 10 проходит достаточно близко к зоне, ограниченной поверхностями установленного патрона, мотального вала и сопрягающей их диаметры поверхностью, в результате чего происходит захват нити между патроном и мотальным валом, т.е. начинается процесс наработки бобины. Все рабочие органы автосъемника возвращаются в исходное положение, а устройство движется к следующему рабочему месту пневмопрядильной машины.

Учитывая тот факт, что передача устанавливаемого патрона новым механизмом захвата и смены патронов, представляющего типичный шарнирный четырехзвенник, должна осуществляться в той же точке, что и в существующем автосъемнике бобин, были определены измененные конструктивные параметры данного механизма: =75 мм; = 183,3…194,7 мм; =87 мм; = 41,93…49,48°. До модернизации данный механизм имел следующие конструктивные параметры: =85 мм; = 221,3…232,7 мм; = 53 мм; = 80 мм; =50…57°. При этом не изменялись: длина рычага захвата и смены патронов (= 253 мм); угловая скорость входного звена-кривошипа.

С целью определения оптимальных параметров наладки данного механизма для синхронизации его движения с функционально-взаимодействующим с ним новым механизмом сопла автосъемника бобин исследовались циклы установившегося движения в зависимости от регулировки начальной длины шатуна и начального угла фиксации рычага захвата и смены патронов, диапазоны изменения значений которых определены из технической документации на автосъемник бобин и условий монтажа последнего на пневмопрядильную машину соответственно.

Результаты расчетов зависимости цикла установившегося движения нового механизма захвата и смены патронов автосъемника бобин от регулировки начального угла фиксации представлены в табл. 5, анализ результатов которой показывает, что при увеличении значения начального угла фиксации уменьшается начальная фаза движения в сторону накопителя, суммарная фаза движения в сторону бобины остается постоянной и равной 186^о, а фаза движения в сторону увеличивается.

Таблица 5. Фазы циклограммы механизма захвата и смены патронов в зависимости от регулировки начального угла фиксации

= 189 мм
Наименование фазы	Граничные значения фазы
	= 41,93°	= 45,65°	= 49,48°
1. Движение в сторону накопителя	0-80	0-74	0-68
2. Захват патрона	80	74	68
3. Движение в сторону бобины: в т.ч.	80-266	74-260	68-254
- выталкивание бобины	168	162	156
- установка патрона	231	255	219
4. Движение в сторону накопителя	266-360	260-360	254-360

Результаты расчетов зависимости цикла установившегося движения нового механизма захвата и смены патронов автосъемника бобин от регулировки начальной длины шатуна представлены в табл. 6.

Таблица 6. Фазы циклограммы механизма захвата и смены патронов в зависимости от регулировки начальной длины шатуна

= 45,65°
Наименование фазы	Граничные значения фазы
	= 183,3 мм	= 189 мм	= 194,7 мм
1. Движение в сторону накопителя	0-84	0-74	0-65
2. Захват патрона	84	74	65
3. Движение в сторону бобины: в т.ч.	84-264	74-260	65-257
выталкивание бобины	172	162	151
установка патрона	238	255	213
4. Движение в сторону накопителя	264-360	260-360	257-360

Анализ полученных результатов показывает, что при увеличении значения начальной длины шатуна уменьшается начальная фаза движения в сторону накопителя, фаза движения в сторону бобины увеличивается, конечная фаза движения в сторону накопителя также увеличивается.

Учитывая тот факт, что мотальный механизм пневмопрядильной машины ППМ_120 и механизм управления рычагами бобинодержателя автосъемника бобин не подвергались в данном случае модернизации, следует признать оптимальными параметрами наладки нового механизма захвата и смены патронов следующие: =45,65°; =183,3 мм. При этом рабочая фаза движения механизма составляет 264^о при минимальной длине шатуна.

Из приведенных данных следует, что эффективность работы усовершенствованного механизма захвата и смены патронов увеличилась, а его металлоемкость уменьшилась вследствие уменьшения габаритных размеров звеньев и уменьшения числа элементов, входящих в структурную схему рассматриваемого механизма. Последний фактор положительным образом отразится на надежности работы как механизма захвата и смены патронов, так и автосъемника бобин в целом.

3.4 Определение траектории выходного звена механизма сопла

Модернизированный механизм сопла автосъемника бобин представляет собой плоский кулачковый коромысловый механизм.

Очевидно, что для профилирования кулачка данного механизма необходимо определить: траекторию выходного звена механизма сопла и конструктивные параметры коромысла.

Выходное звено механизма сопла при своем движении должно пройти несколько характерных точек. Этими точками являются: 1 - исходная точка, находясь в которой сопло имеет возможность передвижения вдоль фронта машины; 2 - точка входа сопла в зону обрезки и захвата нити; 3 - точка, определяющая продолжительность выстоя сопла в зоне обрезки и захвата нити; 4 - крайняя верхняя точка сопряжения поверхности сопла с поверхностью рычага захвата и смены патронов при совместном движении механизма сопла с механизмом захвата и смены патронов; 5 - точка прохождения сопла около поверхности патрона, установленного в рычаги бобинодержателя, опускающего патрон на мотальный вал; 6 - точка, находящаяся в зоне захвата нити между мотальным валом и установленным парном; 7 - точка, совпадающая с характерной точкой 1.

Определим траекторию выходного звена механизма сопла. Между характерными точками 1 и 2 траектория определяется дугой окружности; между характерными точками 2 и 3 траектория определяется прямой линией; между характерными точками 3 и 4 траектория определяется дугой окружности; между характерными точками 4 и 5, 5 и 6, 6 и 7 траектории определяются кубическими сплайнами. Траектория выходного звена механизма сопла представлена на рис. 56 и определяется следующими уравнениями:

участок 1-2: ,

где - координаты точки подвеса коромысла; - максимальное расстояние от точки подвеса коромысла до крайней точки звена, равное:

,

где - общая длина коромысла; - длина сопла; - угол наклона сопла;

участок 2-3: ,

где k и b - параметры прямой, определяемой конструктивным расположением направляющего бруса;

участок 3-4: ,

где , - координаты крайнего правого положения шарнира, установленного на конце коромысла;

участок 4-5: ,

где , , , - коэффициенты кубического сплайна;

участок 5-6: ,

где , , , - коэффициенты кубического сплайна;

участок 6-7: ,

где , , , - коэффициенты кубического сплайна.

Для определения коэффициентов , , , на всех n элементарных отрезках необходимо получить уравнений. Часть из них вытекает из условий прохождения графика функции через заданные точки, т.е. . Эти условия можно записать в виде:

,

Вычислим производные кубического сплайна:

Приравнивая в каждом внутреннем узле значения этих производных, вычисленные в левом и правом от узла интервалах, получаем уравнений:

,

.

Недостающие два соотношения получаются из условий закрепления концов сплайна.

В частности, при свободном закреплении концов можно приравнять нулю кривизну линии в этих точках. Такая функция, называемая свободным кубическим сплайном, обладает свойством минимальной кривизны, т.е. она самая гладкая среди всех интерполяционных функций данного класса. Из условий нулевой кривизны на концах следуют равенства нулю вторых производных в этих точках:

, .

Уравнения … составляют систему линейных алгебраических уравнений для определения коэффициентов , , , . Эту систему решаем методом Гаусса, изложенным в курсе программирования и имеющимся в банке стандартных программ, введенных в память ЭВМ.

3.5 Оптимизация конструктивных параметров коромысла нового механизма сопла

Вторая задача, а именно определение конструктивных параметров коромысла механизма сопла, заключается в выявлении общей длины коромысла, длины сопла и угла наклона сопла.

Очевидно, что поставленная задача требует оптимизации вышеназванных параметров коромысла механизма сопла, которую необходимо провести с целью выбора наилучшего варианта. Выбор оптимального решения или сравнение двух альтернативных решений проведем с помощью некоторой целевой функции, определяемой проектными параметрами. В процессе решения задачи оптимизации должны быть найдены значения проектных параметров, при которых целевая функция имеет экстремум.

Целевую функцию оптимизации проектных параметров коромысла механизма сопла можно записать в виде:

,

где - наименьший угол между коромыслом и соплом в исходном положении механизма.

Поскольку число проектных параметров целевой функции равно трем, то графиком целевой функции будет являться поверхность в пространстве, но для наглядности выбора принимаемого решения будем строить график каждой переменной отдельно в виде кривой на плоскости. Задача оптимизации конструктивных параметров механизма сопла относится к задачам с ограничениями, т.е. имеется зависимость между проектными параметрами, которые должны учитываться при нахождении решения. Этой зависимостью является соотношение.

Таблица 7. Координаты точек траектории выходного звена механизма сопла на участке 4-5

; ; ;
Порядковый номер точки траектории	Абсцисса x точки траектории, мм	Ордината y точки траектории, мм
1 2 3 4 5 6 7	221 218 215 212 209 206 203	-74,99999 -101,88160 -128,00979 -153,38510 -178,00825 -201,87970 -225,00001

Таблица 8. Координаты точек траектории выходного звена механизма сопла на участке 5-6

; ; ;
Порядковый номер точки траектории	Абсцисса x точки траектории, мм	Ордината y точки траектории, мм
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16	203 200 197 194 191 188 185 182 179 176 173 170 167 164 161 158	-225 -231,72336 -238,24891 -244,57649 -250,70592 -256,63701 -262,36959 -267,90347 -273,23849 -278,37446 -283,31121 -288,04854 -292,58630 -296,92430 -301,06236 -305,00030

При этом заданы длина звена , определяющая положение установки ролика на коромысле, и радиус кулачка, определяющий минимальный угол отклонения коромысла. Кроме того, задана точка, определяющая центр положения патрона при верхнем крайнем правом положении рычага захвата и смены патронов, а также задан радиус поверхности этого рычага, сопрягаемой с поверхностью сопла. Целевую функцию находим симплекс-методом, заключающимся в следующем: примем в качестве начального приближения координаты некоторой вершины многогранника допустимых решений и найдем все ребра, выходящие из этой вершины, двигаясь вдоль того ребра, по которому линейная целевая функция убывает, приходим в новую вершину. Находим все выходящие из нее ребра, двигаемся по одному из них и т.д. В конце концов придем в такую вершину, движение из которой вдоль любого ребра приводит к возрастанию целевой функции. Следовательно, минимум достигнут, и координаты этой последней вершины принимаются в качестве оптимальных значений рассматриваемых проектных параметров. Поскольку в нашем случае параметры зависят от угла наклона касательной к окружности, поэтому за многогранник допустимых решений примем треугольник ABD, вершины которого заданы координатами: , , . Определим уравнение прямых, проходящих через две точки, а именно: через А и D, B и D и через А и B.

Таблица 9. Координаты точек траектории выходного звена механизма сопла на участке 6-7

; ; ;
Порядковый номер точки траектории	Абсцисса x точки траектории, мм	Ордината y точки траектории, мм
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	158 155 152 149 146 143 140 137 134 131 128 125 122 119 116	-305 -307,20940 -309,33684 -311,38208 -313,34496 -315,22521 -317,02267 -318,73710 -320,36830 -321,91605 -323,38016 -324,76040 -326,05656 -327,26845 -328,39583

Имеем следующие параметры прямых, проходящих через эти точки:

,

,

.

Алгоритм решения задачи представим словесно-формульным описанием:

1. Определим уравнение прямой, являющейся касательной к кулачку с радиусом . При этом известна точка вращения кулачка, радиус кулачка, точка подвеса коромысла и длина , определяющая точку крепления ролика на коромысле. Для вызова подпрограммы KOR следует принять: , , , , .

2. Вычисляем коэффициенты k и b, используя подпрограмму KOR.

3. Приравниваем , .

4. Примем в качестве начального приближения координаты точки . Для вызова подпрограммы KOR примем: , , , , .

5. Вычисляем коэффициенты k и b.

6. Приравняем , .

7. Решаем систему уравнений двух прямых:

,

откуда следует, что

,

и ,

где , - координаты шарнира коромысла, на котором установлено сопло.

Тогда ,

,

.

8. Выводим на печать .

9. Идем вдоль стороны AD, при этом значение x будет в пределах от до , шаг , вычисляем значение .

10. Вызываем подпрограмму KOR.

11. Доходим до вершины D, идем вдоль стороны BD, при этом значение x будет в пределах от до , вычисляем значение .

12. Доходим до вершины B, идем вдоль стороны AB, при этом значение будет в пределах от до , вычисляем значение .

Значения выходных параметров в точках A, B и D будут вычислены дважды.

Подпрограмма KOR решает задачу нахождения координат общей точки касательной и окружности, к которой она проведена.

Алгоритм решения данной задачи также представим словесно-формульным описанием:

1. Задается точка с координатами и , из которой проводится касательная к окружности с радиусом , центр которой задан координатами и .

2. Решаем систему уравнений двух окружностей:

,

где и ; - расстояние между точками и ; - расстояние от точки до точки касания прямой с окружностью; и - координаты точки касания.

После преобразований получим:

.

Пусть ,

, .

Тогда или ,

где , .

После преобразований получим:

,

где ,

,

.

3. Из двух значений y выбираем максимальное согласно конструктивным особенностям механизма сопла.

4. Находим уравнение прямой, проходящей через две точки, а именно точку и точку касания.

Пусть , , тогда

и ,

где k и b - параметры прямой с уравнением

Блок-схема симплекс-метода представлена на рис. 59. Результаты расчетов представлены в табл. 10, на основании которых построены графики, из которых выбрано оптимальное решение целевой функции . При этом для выявления минимума целевой функции вычислялись параметры и по следующим зависимостям:

,

.

По минимальному значению определены следующие оптимальные параметры коромысла механизма сопла: , и .

Таблица 10. Значения параметров для расчета целевой функции

Порядковые номера сторон треугольника допустимых решений	Значения параметров целевой функции	, мм
	, мм	, мм	, град.	, мм
Вершина А 1 2 3 4 5 6 7 8 Вершина D 1 2 3 Вершина В 1 2 3 4	330 299 247 218 226 227 227,5 216 209 213,5 259 302 364,5 423,5 418 403 392,5 370	290 282 272,5 273 276,2 279 282,5 284 287,5 290,5 293 301 327 360,5 353 341 331 315	112 125 160 - - - - - - - 137 116,5 96 82 83 86,5 89,5 97	566,9 615,2 761,0 - - - - - - - 700,6 612 547,9 515,9 511,4 514,8 517,1 533,3	1186,9 1196,2 1280,5 - - - - - - - 1252,6 1215,0 1239,4 1299,9 1282,4 1258,8 1240,6 1218,3

В табл. 11 представлена характеристика состояний работоспособности механизма сопла при различных сочетаниях конструктивных параметров. При этом следует заметить, что зона направляющего бруса, где может быть произведена обрезка и захват нити, ограничена точками 2 и 3 соответственно с координатами =153 мм, = -308 мм и =178 мм, = -300 мм.

Анализ табл. 11 подтверждает значения принятых оптимальных параметров коромысла механизма сопла.

В табл. 12 представлены способы устранения неработоспособных характерных состояний механизма сопла.

Таблица 11. Характеристика состояний работоспособности механизма сопла

Порядковые номера точек сторон треугольника допустимых решений	Характеристика состояний работоспособности механизма сопла
Вершина А 1 2 3 4 5 6 7 8 Вершина D 1 2 3 Вершина В 1 2 3 4	Работоспособность Недолет до зоны направляющего бруса То же самое Конструкция неосуществима То же самое То же самое То же самое То же самое То же самое То же самое Недолет до зоны направляющего бруса Налетает на бобину Выходит на зону направляющего бруса То же самое То же самое То же самое То же самое То же самое

Таблица 12. Способы устранения состояний неработоспособности механизма сопла

Характеристика неработоспособных состояний механизма сопла	Способ устранения неисправности
Недолет до зоны направляющего бруса	Невозможно устранить, т. к. в существующей базовой конструкции недопустимо изменять точку вращения кулачка
Налет на наработанную бобину	Применить фигурную форму сопла
Выход за зону направляющего бруса	Изменить профиль кулачка, т.е. при обрезке нити коромысло стоит дальше, а при передаче принудительного движения движется вместе с рычагом захвата и смены патронов

Согласно выявленным параметрам коромысла произведено профилирование кулачка механизма сопла по дугам окружностей, что позволило:

- уменьшить угол размаха коромысла;

- уменьшить длину коромысла;

- уменьшить длину сопла;

- уменьшить габаритные размеры конструкции механизма сопла;

- уменьшить металлоемкость конструкции механизма сопла;

- устранить явление мягкого и жесткого ударов и повысить надежность работы как механизма сопла, так и всего автосъемника бобин.

Отметим, что профилирование кулачка механизма сопла с учетом синхронизации движений исполнительных механизмов автосъемника бобин подробно изложено в работе. При этом его габаритные размеры остались примерно такими же.

Проведенные производственные испытания усовершенствованного автосъемника бобин доказали, что надежность его работы повысилась и достигла величины 0,968. Дальнейшее увеличение надежности автосъемника бобин данной конструкции связано с разработкой отдельного механизма для выталкивания наработанной бобины или с разработкой механизма для определения диаметра бобины. Производственные испытания автосъемника бобин подтвердили также вывод о том, что его экономическая эффективность зависит от номера вырабатываемой пряжи, т.е. чем выше ее номер, тем эффективнее работа данного устройства.

Применение разработанной методики проектирования автосъемника бобин позволило получить экономический эффект.

Выводы

Одним из основных направлений развития текстильной промышленности является освоение автоматизированного поточного способа производства пряжи, связанного с обязательным использованием робототехнических средств. Активное использование РС в данных поточных линиях осложняется необходимостью самостоятельного изготовления предприятиями их составных элементов и периферийного оборудования, поэтому целесообразно сотрудничество с использованием международного разделения труда, а также различных форм международной кооперации. В качестве последнего России в сфере создания РС для текстильной промышленности в условиях современной экономической ситуации рекомендуется выбрать проектирование данных устройств по требованиям заказчика. Для ускорения внедрения РС в текстильную промышленность необходимо также существенно повысить их надежность и снизить себестоимость.

С целью снижения затрат на создание РС разработан метод их проектирования, который позволяет выявить различные технические решения данных устройств 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 шесть этапов: разработку функциональной структуры РС; моделирование структурных схем исполнительных органов РС; алгоритм моделирования траектории выходного звена исполнительного органа РС; выбор критериев оптимизации р проектировании РС; выявление принципов разработки циклограммы РС и контроль надежности РС при испытаниях. Каждый этап разработанного метода может быть использован как самостоятельный способ проектирования РС.

Определено максимальное количество исполнительных механизмов робототехнического средства текстильной машины, на основании чего разработана схема взаимосвязей между элементами РС, с учетом которой выявлена функциональная структура последнего. Анализ и улучшение выявленной функциональной структуры позволяют повысить надежность работы РС.

На основе применения метода Ф. Цвики разработана морфологическая матрица моделирования структурных схем исполнительных механизмов РС машин поточной линии прядильного производства, позволяющая выявить все возможные варианты технических решений исполнительных механизмов.

Для РС текстильной машины разработан алгоритм моделирования траектории выходного звена исполнительного органа по характерным точкам последнего с учетом повторения участков траектории и синхронизации работы всех исполнительных механизмов. При реализации разработанного алгоритма выявлена универсальная структурная схема исполнительного механизма РС, позволяющая получить широкий спектр всевозможных траекторий выходного звена исполнительного органа.

С целью выбора критериев оптимизации при проектировании робототехнических средств текстильных машин определены целевые функции и их значения. Для уменьшения затрат машинного времени ЭВМ и учета конкретных требований заказчика на проектируемое РС введен приоритет целей. Для РС существующих текстильных машин в качестве приоритетов первого уровня целей целесообразно принять габаритные размеры РС, тип траектории и число характерных точек выходных звеньев исполнительных механизмов. Для критериев, имеющих информативно-смысловой характер, предложено ввести шкалу экспертных оценок. Выявлены принципы разработки циклограммы РС с учетом оценки быстродействия, синхронизации и надежности работы его исполнительных органов.

С целью дальнейшего повышения надежности работы РС текстильной машины рекомендовано функционирование данной системы на стадии отработки опытного образца исследовать методами технической диагностики на основе применения обобщенной формулы Байеса, что позволяет выявить «слабые» элементы системы. В качестве признаков системы РС предложено использовать следующие случаи нарушения нормального функционирования ее элементов: самопроизвольные остановки в точках их позиционирования; увеличение погрешности точности их позиционирования; увеличение погрешности времени их прохождения между характерными точками траектории.

С целью выявления новых технических решений РС для машин прядильного производства показано применение этапа моделирования структурных схем исполнительных органов РС как самостоятельного способа проектирования. При этом определено: 10 новых технических решений исполнительных органов автосъемника бобин для пневмопрядильной машины; техническое решение устройства нахождения и отматывания конца пряжи на бобине текстильной машины, предназначенное в основном для установки в автоприсучальщике пряжи; техническое решение механизма для воспроизведения сложного профиля, предназначенное для перемещения рабочих органов по сложным плоскостным траекториям.

Приведен пример методики проектирования робототехнического средства - автосъемника бобин для пневмопрядильной машины ППМ_120. С этой целью составлены и проанализированы структурные схемы основных рабочих органов существующего автосъемника бобин АС_120, к которым относятся: механизм захвата и смены патронов; механизм сопла и механизм управления рычагами бобинодержателя пневмопрядильной машины. Определены рациональные параметры наладки механизма захвата и смены патронов, при этом установлена неэффективность работы данного узла. Выявлена недостаточная надежность работы механизма сопла. Определены структурные схемы механизмов, которые могут быть применены в конструкции манипулятора данного назначения.

На основе разработанной морфологической матрицы моделирования структурных схем исполнительных механизмов РС машин поточной линии прядильного производства и с учетом граничных условий проектирования усовершенствована конструкция существующего автосъемника бобин АС_120 с целью повышения надежности его работы. При этом изменены структурные схемы механизма захвата и смены патронов и механизма сопла.

Показано увеличение эффективности работы усовершенствованного механизма захвата и смены патронов. Определена траектория выходного звена механизма сопла. Проведена оптимизация конструктивных параметров коромысла усовершенствованного механизма сопла, что позволило после профилирования кулачка данного узла уменьшить угол размаха коромысла, длины коромысла и сопла, габаритные размеры и металлоемкость конструкции механизма сопла, а также повысить надежность работы данного узла и всего автосъемника бобин.

Библиографический список

1. Использование робототехнических средств в прядильном производстве. Обзорная информация. Хлопчатобумажная промышленность / ЦНИИТЭИлегпром. - М.: ЦНИИТЭИлегпром, 2009. - 40 с.

2. Хавкин, В.П. Автоматизация оборудования и технологических процессов на базе микропроцессорной техники / В.П. Хавкин, И.В. Горн // Текстильная промышленность. - 2008. - №11.

3. Расчет кинематических и динамических характеристик плоских рычажных механизмов : справочник / В.П. Хавкин. - М.: Машиностроение, 2008. - 312 с.

4. Решетов, Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин / Д.Н. Решетов. - М.: Машиностроение, 1974. - 206 с.

5. Решетов, Д.Н. Конструирование рациональных механизмов / Д.Н. Решетов. - Изд. 2_е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2007. - 256 с.

6. Хубка, В. Теория технических систем / В. Хубка. - М.: Мир, 2008. - 208 с.

7. Теория систем и методы системного анализа в управлении и связи / В.Н. Волкова, В.А. Воронков, А.А. Денисов. - М.: Радио и связь, 2007. - 248 с.

8. Приводы машин: справочник. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 2007. - 248 с.

9. Ушакова, Н.Л. Разработка функциональной структуры робототехнических средств текстильных машин / Н.Л. Ушакова // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2008. - №2. - С. 79-83.

10. Проников, А.С. Надежность машин / А.С. Проников. - М.: Машиностроение, 2007. - 592 с.

11. Расторгуев, А.К. Анализ и разработка роботизированных устройств автосъемника паковок на прядильной машине / А.К. Расторгуев, В.И. Власов // Новые исследования по разработке и применению робототехнических систем в текстильной и легкой промышленности: межвуз. сб. науч.-техн. тр. - Л., 2007. - С. 111-120.

12. Ушакова, Н.Л. Повышение эффективности и надежности работы автосъемника бобин для прядильных пневмомеханических машин / Н.Л. Ушакова // Разработка и совершенствование технологических процессов и художественного оформления изделий в текстильной и легкой промышленности: межвуз. сб. науч. тр. - М., 2008. - С. 65-67.

13. Методы поиска новых технических решений / под. ред. д.т.н., проф. А.И. Половинкина. - Йошкар-Ола: Марийское книжное изд-во, 2008. - 308 с.

14. Ушакова, Н.Л. Моделирование структурных схем робототехнических средств машин прядильного производства / Н.Л. Ушакова // Теория и практика перспективных способов прядения: межвуз. сб. науч. тр. - Иваново, 2007. - С. 103-111.

15. Артоболевский, И.И. Механизмы в современной технике. В 4 т. Т. 2. Рычажные механизмы / И.И. Артоболевский. - М.: Наука, 2008. - 1007 с.