CC BY
34
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 1 (33), 2014
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 621.865.8:919.6
МОДЕЛЬ ШАРНИРНО-СТЕРЖНЕВОГО МАНИПУЛЯТОРА С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ПРИВОДНЫМ МЕХАНИЗМОМ
Н.В. Бабоченко, кандидат технических наук, доцент
Волгоградский государственный аграрный университет
Создана модель шарнирно-стержневого манипулятора с пространственным приводным механизмом и разработана программа для его построения.
Ключевые слова: манипулятор, секция, стрела, гидроцилиндры, геометрия.
При исследовании работы шарнирно-стержневого манипулятора с пространственным приводным механизмом была разработана математическая модель для кинематического анализа с помощью ЭВМ Mechanism — 3D [1], блок-схема которой представлена на рисунке 1. Исследовались две модификации шарнирно-стержневых манипуляторов. Исходя из проведенных расчетов, для дальнейшей работы выбрана только одна модификация шарнирно-стержневого манипулятора и для неё приняты обозначения и системы координат (системы отсчёта) (рисунок 2).
Программа кинематического анализа шарнирно-стержневого манипулятора с пространственным приводным механизмом использует исходные формулы созданной модели для расчётов:
где q - число обобщенных координат; ^ и 12 длины гидроцилиндров; а - половина расстояния между точками крепления корпусов гидроцилиндров на основании; в - расстояние от точки крепления гидроцилиндров до оси г; с - расстояние от точки крепления гидроцилиндров до оси
у; О - выражение, определяющее условие существования механизма.
4a
4a(b2 + с2) 4a(b2 + с2)
(1)
q = I2 + /22 - 2(a2 +b2+c2+ г2\q = (b2 + с2) 16
[I22-!2 )2 -a2q2 (2)
(р = arc to
л:
,!//= arctg — V
где р и у - углы поворота стрелы в вертикальной и горизонтальной плоскости.
Рисунок 1 - Блок-схема программы Mechanism — 3D
Исходными положениями механизма являлись: начальная длина гидроцилиндров l1 = l2 = l0 = 300 мм; размеры b = 60 мм; c = 200 мм; r = 270 мм; ход штока S= 180 мм; полная длина цилиндров l1 = l2 = l0 + S = 480 мм. Варьированием размеров а и l1, l2 получены и выведены на дисплей, кроме исходных данных, результаты расчёта Q, x, y, z, р, ^(углы в градусах).
Определение координат по предлагаемому алгоритму позволяет произвести графическое построение кривых их изменения в зависимости от исследуемого параметра. В конечном счете, по полученным данным может быть определено расположение траектории характерных точек механизма в пространстве.
Рисунок 2 - Расчетная схема шарнирно-стержневого манипулятора
Рисунок 3 - Блок-схема реализации программы Pivotal Manipulator — 3D
Это возможно сделать использованием системы КОМПАС для построения стрелы - корневой секции с рукоятью - из отдельных стержней и гидроцилиндров заданной длины как плоской структуры, и изменением геометрии стрелы за счёт варьирования в определённом диапазоне длиной L1y L2, L3 верхних стержней.
Разработана также программа Pivotal Manipulator — 3D (Стержневой манипулятор), с помощью которой определяется положение в пространстве оголовка К стрелы и зона действия манипулятора как подвижной системы с числом степеней свободы равным трем.
Блок-схема реализации программы Pivotal Manipulator — 3D [2], представлена на рисунке 3. Построения проводятся при заданной и постоянной длине стержней стрелы (плоские фермы трактуются как стержни). Вначале выполняется построение корневой секции исходя из условия, что имеется ведомое звено пространственного приводного механизма, которое располагается горизонтально (угол возвышения стрелы р = 0). Гидроцилиндры пространственного приводного механизма не учитываются как не относящиеся к стреле.
Затем к концу корневой секции присоединяется треугольник рукояти, его положение на плоскости при L2 = const предопределяется длиной l3 гидроцилиндра рукояти: l3 = l0 + 0,5 S, где S - ход штока. Заканчивается графическое изображение стрелы присоединением к вершинам треугольника соответствующих стержней.
Построение стрелы произведено при средних размерах длины L1, L2, L3 верхних стержней. После этого осуществлена корректировка геометрии стрелы за счёт дискретного изменения длины L1 ... L3 как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.
При указанном перемещении конца корневой секции вступает в работу специфический трёхстержневой механизм с единственной неподвижной точкой. При L1= const и l3 = const эта структура является жёсткой и представляет ещё один - четвёртый треугольник стрелы.
Таким образом, незначительное изменение длины L1 верхнего стержня корневой секции влечёт за собой кардинальное изменение геометрии всей стрелы и движение её оголовка в широком диапазоне. Этот вывод свидетельствует о возможности расширения зоны обслуживания механизма небольшими изменениями длины его стержней, а значит приспособления механизма в целом к условиям работы.
Варьирование всеми размерами L1, L2, L3 приводит к корректировке геометрии всех четырёх треугольников составляющих стрелу и стрелы в целом. В результате этого существенно возрастает диапазон перемещения точки оголовка стрелы. При этом оголовок стрелы может занимать существенно удалённые друг относительно друга -крайние верхние и нижние положения, перемещаясь относительно опорного шарнира.
Блок-схема реализации программы Pivotal Manipulator — 3D (рисунок 3) и соответствующая программа расчётов базируются на определении: 1) координат (хС, yc, zc) и обобщённых координат р и щ 2) координат (уС, zC) и обобщённой координаты в согласно; 3) координат конца корневой секции (х1, y1, z1) и оголовка стрелы (хК, уК, zK). Ещё раз подчеркнем, что составленный алгоритм счёта может быть использован не только для пошаговой оптимизации размеров составляющих звеньев механизма, описанной в статье. Он может производить построение пространственной траектории характерных точек механизма. С помощью анализа пространственного расположения этих траекторий возможно определение зоны действий манипулятора. Программа реализации алгоритма на ЭВМ хранится на кафедре «Механика» и может быть представлена по запросу заинтересованным лицам.
Библиографический список
1. Кривельская Н.В. Совершенствование сельскохозяйственных шарнирно-стержневых гидроманипуляторов с пространственным приводным механизмом [Текст]: дис. ... к. т. н. / Н.В. Кривельская. - Волгоград, 2004. - 196 с.
2. Кривельская Н.В. Совершенствование сельскохозяйственных шарнирно-стержневых гидроманипуляторов с пространственным приводным механизмом [Текст] : монография / Н.В. Кривельская. - Волгоград: ВГСХА, 2010. - 104 с.
E-mail: nat-kivelskaya@mail.ru
