CC BY
27Научный вестник НГТУ. - 2008. - № 1(30)
УДК 621.01
Алгоритм циклограммирования технологических машин*
Ю.И. ПОДГОРНЫЙ, О.В. МАКСИМЧУК, Г.П. СТРОЙНОВА
Разработана методика циклограммирования технологических машин-автоматов с кулачковыми распределительными валами (машины с централизованной системой управления). Предложены модель циклограммы технологической машины в виде ориентированного графа и алгоритм циклограммирования в виде блок-схемы, позволяющий проводить анализ и синтез циклограммы машины-автомата с использованием моделей механизмов с жесткими и упругими звеньями.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из путей повышения производительности и надежности технологических машин-автоматов (МА) с распределительными валами является уплотнение цикла работы, оптимальное распределение времени кинематического цикла между исполнительными механизмами.
В системах управления с распределительными валами программоносителями являются сами исполнительные механизмы. В связи с этим проектирование таких систем управления и синтез исполнительных механизмов должны осуществляться взаимосвязанно (так называемый системный подход в циклограммировании) [1].
Предлагаемый алгоритм циклограммирования предназначен для технологических машин с кулачковыми распределительными валами, для которых характерны следующие признаки: сложная циклограмма с множеством особых точек, определяющих зависимые положения механизмов и пересекающиеся траектории; большое число цикловых механизмов, значительная часть которых с кулачковым приводом.
Цель данной работы - повышение производительности технологической машины за счет оптимизации параметров циклограммы с учетом кинематических и динамических характеристик исполнительных механизмов.
1. МОДЕЛЬ ЦИКЛОГРАММЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
Предлагается представлять циклограмму технологической машины в виде ориентированного графа, выделять в нем подграфы, соответствующие группам механизмов, и лимитирующую операцию, от продолжительности которой главным образом зависит производительность машины.
Предлагаемую методику представления циклограммы в виде ориентированного графа поясним на примере обобщенной машины-автомата, в которой выделим N групп механизмов, выполняющих отдельные технологические операции. Циклограмма обобщенной машины, представленная в виде ориентированного графа, изображена на рис.1, где подграфы изображены упрощенно (группа 1, 2, 3, 4, ...,
* Статья получена 26 ноября 2007 г.
Ж), видны также дуги, отражающие взаимосвязи между подграфами (циклограммами групп механизмов).
Остановимся на выборе лимитирующей операции. Пользуясь терминами теории графов [2], лимитирующую операцию можно назвать критической. Критическая операция - это операция, время выполнения которой равно минимально возможному. Минимально возможное время операции определяется исходя из критериев работоспособности, долговечности или надежности механизма. Например, для механизмов с кулачковым приводом лимитирующим фактором, как правило, является максимальное значение контактных напряжений в высшей паре [3]. Критические операции указывают на механизмы, которые ограничивают увеличение цикловой производительности машины-автомата. В процессе анализа может быть выявлено несколько критических (лимитирующих) операций. В данной работе в соответствии с поставленной целью повышения производительности в качестве лимитирующей операции предлагается операция, от продолжительности которой главным образом зависит производительность машины.
Циклограммы групп механизмов предлагается представлять в виде сетевых графиков. Рассмотрим пример составления циклограммы группы механизмов для одной из групп обобщенной МА. Предположим, что первая группа (см. рис. 1) состоит из пяти механизмов. Циклограммы этой группы отражены на рис. 2, а.
Подграф, отражающий последовательность работы и взаимосвязи между движениями механизмов группы, изображен на рис. 2, б. Вершины отражают характерные положения механизмов группы по циклограмме (см. рис. 2, а), которым может быть положение ведомого звена в начале и конце рабочего и холостого ходов, а также зависимое положение. Номер каждой вершины состоит из двух цифр. Первая цифра в номере вершины - номер механизма, вторая - номер характерного положения механизма. Метка у каждой вершины соответствует углу поворота главного вала станка в градусах. Длина каждой дуги соответствует определенному фазовому углу на циклограмме. Дуги, соединяющие вершины, принадлежащие разным механизмам, отражают зависимости между движениями этих механизмов. Предположим, что фазы движения 4.2-4.3 и 3.1-3.2 взаимосвязаны кинематически, т.е. траектории исполнительных органов механизмов 3 и 4 на участках 4.2-4.3
Рис 1. Цикловая диаграмма машины-автомата в виде ориентированного графа: 10.1-10.2 - лимитирующая операция
и 3.1-3.2 должны совпадать. Остальные из перечисленных выше зависимостей относятся к технологическим. Например, взаимосвязь 1.4-2.1 означает, что по требованиям технологического процесса положение 1.4 должно предшествовать 2.1. Дуги, исходящие из вершин 1.3, 1.4, показанные на рис. 2 пунктиром, отражают взаимосвязи между движениями рабочих органов механизмов исследуемой и других групп.
N мех. Угол поворота главного вала, град. 0° 40° 80° 120° 160° 180° 240° 280° 320° 360°
1 0 S Г" ( 1 8< £ 21 D > —1 3 07 31 5
2 s (2 5 ( 22 95 ) 1i £ 62 P ro s2; 7 50 ( 2 3) 9.» * (2 ^ 2.1 33 10 9 0 5 4« ^2 0
0 3» 18 (I 5ч 5
3 0 Зл 35 ) (3 1 3> 01 3.4 16 ) 3.5 24 5
!11 2 3
4 ( 0 10 2) 1< 1 ■Vi »0 £ y- & 16' )
5 7: 16 Г
1 ( 40 В
а
Рис. 2. Пример построения сетевой циклограммы группы механизмов
Кроме длины дуги сетевые циклограммы имеют еще несколько весовых характеристик, отражающих значение максимальных контактных напряжений в высшей паре, и амплитуду колебаний рабочего органа на соответствующем участке циклограммы.
2. АЛГОРИТМ ЦИКЛОГРАММИРОВАНИЯ
Предлагаемый алгоритм циклограммирования машин-автоматов с распределительными валами включает как анализ, так и синтез циклограмм и представляет собой циклический процесс. Структура алгоритма в виде блок-схемы показана на рис. 3.
^Начало ^
Выбор 7 подграфа I /
Анализ циклограммы
с использованием моделей механизмов с жесткими звеньями
Анализ циклограммы
с использованием моделей механизмов с упругими звеньями
Фтах<[^Н.
1 ' с тах< ЧУ+ 7
Оптимизационный синтез циклограммы с использованием моделей механизмов с упругими звеньями Оптимизационный синтез циклограммы с использованием моделей механизмов с упругими звеньями
/■--
Конец )
Рис. 3. Алгоритм циклограммирования
В соответствии с поставленной целью повышения производительности МА с использованием графа (см. рис. 1) производится выбор одной из групп механизмов для дальнейшего анализа и синтеза (блок 2 на рис. 3). При циклограммировании группы механизмов рассматриваются отдельно. Проводится исследование существующих циклограмм без учета упругости звеньев (блок 3) и с использованием моделей механизмов с упругими (блок 4) звеньями с целью уточнения существующих циклограмм с учетом движения ведомого звена кулачкового коромыслового механизма по дуге и поведения механизмов в динамике, проверки выполнения взаимосвязей между движениями рабочих органов. Сравнительный анализ полученных результатов (блок 5) позволяет сделать вывод о целесообразности использования динамических моделей механизмов. Для оценки используются значения максимальных контактных напряжений в высших парах и амплитуды колебаний рабочих органов, полученные в результате динамического анализа механизмов.
Для повышения производительности МА с использованием графа (см. рис. 1) производится выбор одной из групп механизмов для дальнейшего анализа и синтеза (блок 2 на рис. 3). При циклограммировании группы механизмов рассматриваются отдельно. Проводится исследование существующих циклограмм без учета упругости звеньев (блок 3) и с использованием моделей механизмов с упругими (блок 4) звеньями с целью уточнения существующих циклограмм с учетом движе-
ния ведомого звена кулачкового коромыслового механизма по дуге и поведения механизмов в динамике, проверки выполнения взаимосвязей между движениями рабочих органов. Сравнительный анализ полученных результатов (блок 5) позволяет сделать вывод о целесообразности использования динамических моделей механизмов. Для оценки используются значения максимальных контактных напряжений в высших парах и амплитуды колебаний рабочих органов, полученные в результате динамического анализа механизмов.
Затем в зависимости от принятого на предыдущем шаге решения проводится оптимизационный синтез циклограммы без учета (блок 6) или с учетом упругости звеньев (блок 7). Задачей синтеза является такая перестройка, уплотнение циклограммы, рациональное распределение времени цикла между фазами движений механизмов, которая обеспечивает максимальную цикловую производительность машины при ограничении максимальных контактных напряжений в высших парах.
Изменения, внесенные в циклограмму группы механизмов (подграф), согласовываются с общей циклограммой машины (блок 8). Координация проводится с использованием графа (см. рис. 1) на основании текущих значений выходных параметров циклограмм групп механизмов. При необходимости проводится анализ и синтез циклограмм других групп механизмов (блоки 3-7). В конце процесса цик-лограммирования осуществляется переход от циклограммы в виде графа к линейной (блок 9), так как такая форма принята в конструкторской документации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе получены следующие результаты.
1. Описана методика представления циклограммы машины-автомата с распределительными валами в виде ориентированного графа, в котором выделяются подграфы, соответствующие группам механизмов, и лимитирующая операция.
2. Предложен алгоритм циклограммирования, позволяющий проводить анализ и синтез циклограммы машины-автомата с кулачковыми распределительными валами. Он может быть использован при проектировании и модернизации МА различного технологического назначения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Новгородцев В.А. Системный подход к оптимизации параметров механизмов технологических автоматов // Машиноведение. - 1984. - № 2. - С. 59-64.
[2] Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах; пер. с англ. - М.: Мир, 1981.
[3] Афанасьев Ю.А., Подгорный Ю.И., Ермолаев В.Ф. и др. Исследование и проектирование цикловых диаграмм технологических машин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.
Подгорный Юрий Ильич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры проектирования технологических машин. Основное направление научных исследований - механика текстильных машин. Имеет более 60 публикаций, в том числе 3 монографии.
Максимчук Ольга Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики и вычислительной техники Новосибирского технологического института Московского государственного университета дизайна и технологии. Основное направление научных исследований -механика текстильных машин. Имеет более 20 публикаций, в том числе соавтор 1 монографии.
Стройнова Галина Петровна, старший преподаватель кафедры автоматики и вычислительной техники Новосибирского технологического института Московского государственного университета дизайна и технологии. Основное направление научных исследований - моделирование механических систем в MatLab. Имеет более 20 публикаций.
Podgorny YU.I., Maximchuk O.V., Stroinova G.P.
The Algorithm of technological machine cyclogramming
The article is dedicated to the problem of development of cyclogramming technologies. The test subject is a technological automatic machine with camshafts, in other words it's a machine with centralized control system. The purpose of given work is technological machine productivity improvement by means of cyclogram optimization that is allowing for kinematical and dynamical parameters of executing mechanisms. The model of technological machine cyclogram in the form of oriented graphs and the algorithm of cyclogramming are introduced. There are allocated subgraphs, that correspond to the groups of mechanisms, and critical operation in the model of technological machine cyclogram. The algorithm of cyclogramming is consisting of analysis and synthesis of automatic machine cyclogram. This algorithm may be used in the process of designing and modernization of various technological automatic machine.
Ключевые слова: циклограммирование, технологическая машина, граф, ориентированный граф, блок-схема, подграф.
