Оценка мощности приводов механизма панкратического объектива Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 658.51; 621.45

ОЦЕНКА МОЩНОСТИ ПРИВОДОВ МЕХАНИЗМА ПАНКРАТИЧЕСКОГО ОБЪЕКТИВА

А.Н. Князев, Э.Л. Матвеев, А.В. Дмитриев, В.М. Понятский, А.В. Романов

Показано, что при разработке сложной оптической техники трудоемкой задачей является выбор шагового двигателя. Разработана методика по оценке мощности шагового двигателя, основанная на использовании САПР SolidWorks и Matlab/Simulink, для механизма панкратического объектива - динамическая модель, позволяющая определить необходимый крутящий момент, развиваемый двигателем с учетом воздействия пружин, сложного профиля и программного изменения угла поворота кулачкового механизма.

Ключевые слова: возвратная пружина, люфтовыбирающая пружина, трансляция модели.

Одной из актуальных проблем при создании малогабаритной оптической техники является выбор шагового двигателя с максимальной мощностью, достаточной для обеспечения корректной работы устройства. Наличие сложного профиля кулачкового механизма, программное изменение угла поворота кулачка и воздействие цилиндрических пружин растяжения и сжатия осложняют задачу.

Существуют современные САПР, позволяющие проводить исследования динамики и кинематики сложных механизмов.

Пакет программ SolidWorks обеспечивает высокую эффективность и качество разработки твердотельных моделей и узлов и проводит исследования их динамики и кинематики.

Пакет программ Matlab/Simulink расширяет возможности САПР SolidWorks в части имитационного моделирования ЭБ-моделей. Благодаря включенной в его состав графической среды имитационного моделирования Simulink можно объединить элементы различной физической природы и моделировать движение механизмов и машин. Пакет расширения Simulink/ Simscape Multibody Link позволяет моделировать механизмы, состоящие из множества твердых тел и их компонентов - соединений, ограничителей движения, управляющих элементов.

Встраиваемый в САПР SolidWorks CAD-транслятор Matlab позволяет генерировать из ЭБ-модели динамическую модель механических систем и их сборок. При этом все параметры твердотельной модели, определяющие ее динамику, массоинерционные характеристики, координаты центров масс, параметры соединений и др., а также сопряжения ЭБ-модели - преобразуются в степени свободы и передаются в динамическую модель Matlab.

Методика оценки мощности шагового двигателя

Методика оценки мощности шагового двигателя включает в себя следующие этапы.

Этап 1. Экспорт 3D-модели SoHdWorks в xml-файл данных (рисунок 1, а).

Этап 2. Импорт xml-файла данных в среду MatLab (рис. 1, б).

Этап 3. Доработка модели в соответствии с кинематической схемой механизма.

Этап 4. Моделирование функционирования механизма панкратиче-ского объектива и оценка максимальной мощности шагового двигателя.

а

/ ^

Имитационная модель б кий-файле

Импорт xml-файла данных

SIX -файлы 1

Sims cape Muí ti body Model

Витали запил

б

Рис. 1. Этапы трансляции 3D-модели SolidWorks в динамическую модель Matlab: a - экспорт 3D-модели SolidWorks в xml-файл данных (этап 1); б - импорт xml-файла данных в среду MatLab

Проведена оценка мощности шагового двигателя для механизма панкратического объектива в соответствии с предложенной методикой.

Этап 1. Экспорт ЭБ-модели механизма панкратического объектива в xml-файл данных

Исходная 3D-модель механизма панкратического объектива, выполненная в SOLIDWORKS, представлена на рис. 2.

Для экспорта из CAD-системы Solidworks 3D-модели механизма в CAE-систему MatLab необходимо наличие установленного CAD-транслятора Simscape Multibody Link и выполнить следующие действия:

- выбрать в пункте меню «Инструменты» команду Simscape Multibody Link: Export: Simscape Multibody, появится окно для сохранения во внешний файл.

В результате экспорта получен файл Объектив панкратический.xml (рис 3).

Рис. 2. ЗБ-модель механизма панкратического объектива, выполненная в SolidWorks: 1, 2 - люфтовыбирающие пружины;

3, 4 - каретки

t Cyj Find Files Insert fx

SB Compare - Go To » Comment

New Open Save

й Print »

Find »

NAVIGATE

Indent m

BREAKPOINTS

f

<?злс1 version="l .0" encoding="UTF-8" scandalone="nû" ?> ^ijnscapeMultibodyliGportXML version^ гг2.0гг xiclns= "urr. :mathworks : 5ï ntBcapeMuitjibQdy : impart" зсге1пз :xsi="http: / /www. w3 . <Created by="" оп="05/31/18|]15 : 06:07" us±ng="S.iiF.scape Multxbody Lxnk Version 5.2" f rom=nSoIidWorJcs 24.5.Q"/> <ModelUnits гогзз="1с11сдгатгг lengnïi="iEillimet;er "/> <DataUnits ir.ass= "kiiagraiE" Iength="œeter "/>

<RootAssembly г,агсе=" Объектив па>:кратический" uid= "! Объектив -£>:кратический" vers:ion=" l2lЗrг> <Aзsert•.blyFile паке=п Объектив па>:крагический.51ЕА5НГ| cype="5olidWcrk3 Asserefcly"/;-<InstaiiceTree>

<Inscance пшпе=п Шгйба-l" uid^ "[¿гйбг-1 " ennityUid=" Шайба" : *-02 "> <Traas£oriD>

<RotatiQïi>0 О 1 -0.40852605867761688 0.91274665673522593 О -0.91274665673522593 —0.40852605867761683 0</Rota-tion> <Traîislacion>0 .079388919168312116 О . 0057372170451097538 0</Тгапз1ат:1оп> </Transf опв> </Instance>

<In.stance naœe=n Корпус-1" uid="Корпус-!" grounded.=ntrue" entityU±d= "Корпус* : "-01 (поя оптопару} "> cTrans fо rm>

<Rotation>l 0 0 0 10 0 0 1</Rotation>

<Translation>-0.0066110808316879044 0.01673721704510931 -О.028000000000000001</Translation>

</TxansforiE>

</Instance>

<Instance паше-"Оправa—1 " uid="Спрага-1" entityUid-"Справа":"По унолчдникз"> <Transform>

<Rotation>! 0 0 0 10 0 0 K/Rotation>

<Translation>0.062888919168312102 -0.019262782954890194 0</Translation> </Transforra> </Instance>

<Instance naiïie="Объектив—1" u±d="Сбъектив-l" ent±tyU±d="Объектив" r±gid="tr .îe"> < Trans f orm>

<Rotation>l 0 0 0 1 0 0 0 K/Rotation>

<Translation>0.057227506996770053 -0.019262782954890204 0</Translation> </TzansforiE>

<Instaiice naïaeКольцо -1 " ui d= "Кольцо-1" entit:yUid:="Koлы*o* : *Основная">

XML/HTML source fi te

■fnr

Рис. 3. Xml-файл данных

При трансляции телам модели Simulink передаются соответствующие массоинерционные характеристики компонентов сборки SolidWorks, а сопряжения деталей 3D-моделей преобразуются в степени свободы динамической модели Matlab. Для обеспечения визуализации модели Simulink геометрия элементов сборки SolidWorks передается с помощью транслируемых *stl-файлов.

Этап 2. Импорт xml-файла механизма панкратического объектива в среду MatLab

Импорт в среду MatLab - это чтение системой MatLab созданных Cad-транслятором: xml- и *8й-файлов.

Для импорта модели в MatLab используется команда:

- smimport (Объектив панкратический.хтГ).

На рис. 4 представлена динамическая модель механизма панкратического объектива в среде Simulink пакета MatlLab, полученная путем трансляции xml-файла с помощью Simscape Multibody Link.

Рис. 4. Модель механизма панкратического объектива в ЗШиИнк

Визуализация модели механизма панкратического объектива, выполненная в 81шиНпк с помощью 8й-файлов, представлена на рис. 5.

Simulation View Tools Window

■ Ha<&|H|ggggiggij|EEiD| Ш Щ I View convent, |znp(XYTQp)

g© + Q. ® I *

- *Ja«_l jyi_Ul Ь_П 4af|_UU_^_HI ЫI и

1 xi>fl_1»_016_1«1_80_3_RIGID 3 k3H9_129_016_1.®1_S0_5_RIGID 1 k637229_1MJ_RIGID 5 k711163_1_RJGID 1 я7111'Щ_1<52_1 jtlGID 3 >711344_l0i_1_RIGID 1 x713664 1 _RI Gl D 5 x715613_10i_1_RIGID 1 «71561i_10i_2_RIGID BF Ш Fl H F2 ffl F3

Рис. 5. Визуализация модели механизма панкратического

объектива

310

Этап 3. Доработка модели механизма панкратического объектива, реализация модели шагового двигателя

Для оценки мощности шагового двигателя механизма панкратического объектива необходимо провести следующие доработки модели: реализовать модель шагового двигателя; реализовать обратный ход шагового двигателя; реализовать переменный профиль кулачкового механизма; реализовать воздействия пружин (люфтовыбирающих и возвратной).

Реализация вращения кулачкового механизма

Моделирование вращения кулачка реализовано блоком Revolute Joint, обеспечивающим вращательную степень свободы. Доработка заключалась в введении в блок Revolute Joint дополнительного входа «q» и подключении через этот вход модуля, реализующего вращение шагового двигателя - Motor (рис. 6).

Рис. 6. Реализация дискретного вращающего момента на валу

шагового двигателя

В модели шагового двигателя реализовано задание вращающего момента, программное изменение угла поворота, ограничение по максимальному моменту и режим реверса.

Реализация профиля кулачкового механизма

Были добавлены блоки Spline и Point On Curve Constraint. С помощью блока Spline задаются кривые, описывающие профиль кулачкового механизма. Данный блок находится в подсистеме кулачкового механизма. Математическое описание кривых, повторяющих профиль кулачка, задано в маске подсистемы кулачкового механизма.

Параметры блока Spline с визуализацией кривой, описывающей профиль кулачкового механизма, представлены на рис 7. Координаты точек интерполяции заданы в маске подсистемы кулачкового механизма (рис. 8).

Маска - настраиваемый пользовательский интерфейс, который скрывает содержание и различные настройки для блока из библиотеки Simulink. В данном случае это уравнения кривых, описывающих профиль кулачкового механизма.

Рис. 7. Параметры блока Spline

Рис. 8. Маска подсистемы кулачкового механизма

Связь профиля кулачкового механизма и каретки осуществляется блоком Point On Curve Constraint из библиотеки Simscape, позволяющим кареткам двигаться только вдоль кривой, описывающей профиль кулачкового механизма. В параметрах блока была выбрана опция Force Vector, необходимая для измерения силы как трехмерного вектора [Fx, Fy, Fz].

Моделирование воздействия пружин

Моделирование люфтовыбирающих пружин осуществляется с помощью блока Spring and Damper Force из библиотеки Simscape. 3D-модель люфтовыбирающей пружины и вид блока Spring and Damper Force из библиотеки Simscape представлены на рис. 9.

Spring and Damper Force

б

Рис. 9. модель люфтовыбирающей пружины: а - SD-модель люфтовыбирающей пружины; б - блок Spring and Damper Force из библиотеки Simscape

На рис. 10 представлена ЭБ-модель возвратной пружины.

Рис. 10. SD-модель возвратной пружины

Модель возвратной пружины представлена на рис. 11.

Рис. 11. Модель возвратной пружины

Этап 4. Моделирование функционирования механизма панкра-тического объектива

При моделировании используется модель шагового двигателя, задающего вращающий момент с программным изменением угла вращения с режимом реверса и ограничением по максимальному моменту, и переме-

щение кареток осуществляется с помощью блоков Spline и Point On Curve Constraint. Задан максимальный момент шагового двигателя, соответствующий FL20STH42-0804A с крутящим моментом, равным

200 гсм.

На рис. 12 приведен результат моделирования суммарного момента от действия шагового двигателя и пружин.

006 О 04 0.02 О 02 О 04 006 0 08 -ai

Рис. 12. Результат моделирования суммарного момента вращения

На рис. 13 представлен график изменения углового положения вала двигателя.

ssa

500 150 too

JOO 250 ZOO I50

I

Рис. 13. График изменения углового положения вала двигателя

На рис. 14 представлен график изменения положения кареток относительно друг друга.

Проведенное моделирование показало, что выбранная мощность шагового двигателя обеспечивает функционирование механизма на всем интервале времени.

80 70

50

зо 20 10

0 5 10 15 20

Рис. 14. График изменения положения кареток

Выводы

В соответствии с рассмотренной технологией, основанной на использовании САПР SolidWorks и системы Matlab проведены разработка и исследование динамической модели сложного механизма панкратического объектива, позволившие осуществить выбор шагового двигателя необходимой мощности.

Список литературы

1. Дьяконов В.П. MATLAB R2006/2007/2008 + Simulink 5/6/7. Основы применения. 2-е изд., перераб. и доп. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. 800 с.

2. Первицкий Ю.Д. Расчет и конструирование точных механизмов. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1976. 456 с.

3. Народецкая М.Э., Торбан Б. А, Аркуша А.И. Техническая механика и детали машин приборов. М.: Машиностроение, 1982. 456 с., ил.

Князев Алексей Николаевич, начальник отделения, khkedratiila.net, Россия, Тула, АО «КБП»,

Матвеев Эдуард Львович, зам. начальника отделения, khkedra tHla.net, Россия, Тула, АО «КБП»,

Дмитриев Андрей Васильевич, начальник отдела, khkedr a tiila.net, Россия, Тула, АО «КБП»,

Понятский Валерий Мариафович, начальник отдела, khkedr atiila.net, Россия, Тула, АО «КБП»,

Романов Алексей Вячеславович, инженер, khkedr a tiila. net, Россия, Тула, АО «КБП»

ASSESSMENT OF POWER OF DRIVES OF THE PANCRA TIC MECHANISM

OF THE LENS

A.N. Knyazev, E.L. Matveev, A. V. Dmitriyev, V. M. Ponyatsky, A. V. Romanov

When developing difficult optical technique, a labor-consuming task is the choice of the step engine. The technique is developed, according to the power of the step engine, CAD SolidWorks and Matlab/Simulink based on use. The dynamic model allowing to define the necessary torque developed by the engine taking into account influence of springs, a difficult profile and program change of an angle of rotation of the cam mechanism is developed for the mechanism of a pancratic lens.

Key words: returnable spring, take-up spring, broadcast of model.

Knyazev Alexey Nikolaevich, the chief of department, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»,

Matveev Eduard Lvovich, the deputy chief of department, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»,

Dmitriyev Andrey Vasilyevich, the head of department, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»,

Ponyatsky Valery Mariafovich, the head of department, pwmruayandex. ru, Russia, Tula, JSC «KBP»,

Romanov Alexey Vyacheslavovich, the engineer, kbkedr@,tula, Russia, Tula, JSC «KBP»