Конспект лекций по КМР

В выражении (16.2) через Кi обозначен безразмерный коэффициент, определяемый как отношение i-й частной погрешности модуля к его первой частной погрешности:

Из условия точности (16.2) можно найти первую частную погрешность модуля:

Для нахождения значений коэффициента K i необходимо определить значения частных погрешностей qi модуля. Для этого запишем условие точности модуля (16.2) в виде:

515

мертвого хода преобразователя движения по сравнению с его кинематической погрешностью;

q1 – погрешность ввода обобщенной координаты, приведенная к выходному звену мехатронного модуля:

новленного на валу двигателя датчика обратной связи по положению; j – передаточный коэффициент между двигателем и выход-

ным звеном модуля;

q4 – погрешность, вызванная упругими деформациями валов преобразователя движения, приведенная к выходному звену:

эффициент полезного действия между j -м валом и выходным звеном;

q5 – погрешность, вызванная упругими деформациями зубьев

516

колес зубчатых преобразователей движения, приведенная к выходному звену:

риала зубчатого колеса j - й зубчатой передачм, МПа. Для сталей

формациями винтов (стержней), приведенная к выходному звену, мм:

движения, приведенная к выходному звену:

517

принимать меньше, полученных по формуле (16.14) значений.

При конструировании модулей степеней подвижности и рабочих органов необходимо стремиться к уменьшению погрешности модуля. Этого можно достичь, если располагать преобразователи движения в модуле в порядке возрастания их передаточного отношения, т.е. чтобы каждый последующий преобразователь движения, считая от двигателя, имел меньший передаточный коэффици-

16.5. Расчет элементов модуля

Расчет элементов модуля, основанный на его точностных показателях, проводят по следующей методике.

Значения частных погрешностей qij модуля находят по фор-

муле (16.14).

Например, погрешность ввода обобщенной координаты (погрешность угла поворота вала двигателя) определяют в виде:

Значения кинематической погрешности q2 j и мертвого ходаq3 j , найденные по формуле (16.14) и выраженные в угловых единицах (...'), переводят в линейные (мкм). Для j-й цилиндрической,

518

конической, реечной, червячной передач кинематическая погреш-

где d2 – диаметр делительной окружности ведомого зубчатого колеса, мм.

Для винтовых передач кинематическая погрешность и мертвый ход в линейных единицах, мкм, равны:

где Ph – ход резьбы, мм.

Далее проектируют каждую передачу так, чтобы значения кинематической погрешности и мертвого хода не превышали значений, найденных по указанным формулам, т.е. находят степень точности и вид сопряжения передачи, а также уточняют модуль зубьев, найденный из условия прочности, используя для этого расчетные формулы, приведенные в главе 7. Следует отметить, чем меньше модуль зубьев, тем меньше кинематическая погрешность и мертвый ход передачи.

По упругой деформации q4 j j-го элемента модуля находят его

податливость ej и уточняют размер поперечного сечения. Например, для j-го сплошного вала длиной j , находящегося под дей-

ствием крутящего момента Тj, податливость равна:

519

Диаметр вала находят по формуле:

16.6. Основы методики конструирования модулей

Под методикой конструирования будем понимать последовательность, взаимосвязь и взаимообусловленность этапов процесса конструирования модуля [28].

Модуль, который надлежит сконструировать, определим как часть некоторой подсистемы, которая в свою очередь является частью более крупной системы. Такое деление может считаться достаточно типичным, так как уровень сложности современных систем заставляет уже при проектировании разбивать их на более мелкие подсистемы. При этом проектирование разделяют на две стадии – внешнее и внутреннее. Основным содержанием первой стадии проектирования является формулировка задачи, определение “входов” и “выходов”, а также существенных связей данного модуля с другими частями системы и с внешним окружением. Содержанием второй стадии является разработка принципиальной схемы, выявление наиболее важных технических характеристик модуля, вытекающих из его схемы и назначения, и затем подробная проработка конструкции.

Разрабатываемый модуль должен быть достаточно рациональным. Критериями рациональности конструкции будем называть те признаки (оценки), по которым можно судить о рациональности создаваемого модуля в ходе конструирования. К таким критериям можно отнести технологичность конструкции, минимизацию массы, минимизацию габаритов (объема), надежность, экономичность и т. д.

Выбор критериев рациональности конструкции зависит от множества взаимосвязанных переменных и прежде всего от данных технического задания.

520

16.6.1. Техническое задание

При получении технического задания на конструирование нового модуля, конструктор прежде всего ищет в задании возможно более полного и строгого формулирования той конечной цели, которая перед ним ставится. Если создаваемый модуль является частью более общей системы, то конечная цель, которая ставится перед конструктором в задании, должна быть сформулирована на основе знания места и роли модуля в системе. В этом случае целевое назначение модуля определяется целевым назначением системы.

Необходимость критического подхода к формулировке цели является одной из особенностей инженерных, в частности конструкторских задач.

Изучение принципиальной схемы модуля. В техническом задании на разрабатываемый модуль может быть представлена его принципиальная схема и ряд технических требований к нему. Степень приближения принципиальной схемы к реальной конструкции может быть самой различной.

Принципиальная схема анализируется, оценивается и корректируется конструктором прежде всего с точки зрения возможностей ее конструктивной реализации. При этом он стремится усовершенствовать схему в направлении “интеграции”, т.е. объединения частей и уплотнения их функциональной нагрузки. Очень часто множество независимых от конструктора проблем как научного, так и технического характера ограничивают такие стремления. Чем совершеннее схема, тем меньше возможностей у конструктора улучшить ее в указанном направлении.

При изучении предложенной принципиальной схемы конструктор должен проанализировать ее с точки зрения надежности. Оценка надежности принципиальной схемы может производится конструктором по ряду факторов: оценка возможностей резервирования, использование тех или иных готовых элементов и стандартизированных деталей, обеспечение безопасности обслуживающего персонала и т.д. Схема может быть проанализирована по критериям “цены реализации отдельных ее элементов”, технологичности, минимизации габаритов и массы и др.

Технические требования. Технические требования, приведенные в задании на конструирование, будем называть исходными техническими требованиями. В наиболее общем случае перечень исходных технических требований задания охватывает широкий круг вопросов. Прежде всего в нем приводятся “входные” и “выходные”

521

характеристики модуля и основные параметры принципиальной схемы. Затем дается описание тех наиболее характерных внешних воздействий на модуль, которые могут иметь место при его эксплуатации, а также вызванные этими воздействиями допустимые отклонения от нормальных режимов работы. Наконец, перечисляются меры, обеспечивающие удобство работы оператора, обслуживающего персонала, потребителя. Эти требования составляют лишь часть того материала, который должен учитываться конструктором при последующей реализации задания. Поэтому до начала собственно конструирования модуля, конструктор должен дополнить исходные требования задания новыми требованиями, выявленными им на основе самостоятельного анализа взаимовоздействий модуля с окружением, а также исходя из соображений производственного, технологического и экономического характера. Дополненный перечень технических требований должен давать конструктору всестороннее и достаточно четкое представление о процессе функционирования готового модуля в реальных условиях.

Технологические возможности реализации технического задания.

Изучение технологических возможностей заключается в возможности выполнения задания, а также реализации тех дополнительных требований, накопление и формирование которых происходит уже на данном этапе. Конструктор решает вопрос сравнительной сложности изготовления применительно не только ко всему модулю в целом, но и к отдельным узлам и даже деталям. При этом рассматриваются возможности производственной базы, технологии изготовления деталей, сборки, регулировки, настройки и т.д., то есть конструктор должен наглядно представить себе прохождение модуля через заводские цеха.

16.6.2. Анализ взаимосвязей модуля с внешним окружением

Под внешним окружением будем понимать всю ту материальную среду, которая, находясь вне модуля, оказывает на него какиелибо воздействия или испытывает их со стороны модуля.

Входными воздействиями называют такие воздействия на модуль, которые необходимы для его функционирования, т.е. для формирования таких выходных воздействий (параметров), ради которых и создается модуль. Все остальные взаимосвязи модуля с внешним окружением в большинстве случаев необязательны и не-

522

желательны. Не всегда бывает очевидным, какие воздействия принять за входные, какие за выходные, не всегда входы и выходы могут считаться однонаправленными, не всегда их легко отделить от остальных воздействий, не вводя те или иные условности.

Широта охвата картины взаимодействий модуля с внешним окружением зависит от располагаемой информации и потраченного на работу времени. Поэтому часть существенных для конструктора взаимосвязей иногда может остаться необнаруженной или недостаточно раскрытой ввиду ограниченности возможности получения информации и времени.

На что может повлиять недостаточная полнота раскрытия взаимосвязей? Прежде всего на надежность будущего модуля. Не упустить из виду ни одного существенного воздействия – главное в рассмотрении взаимосвязей окружения с модулем, если к последнему предъявляются высокие требования по надежности. Анализ взаимосвязей должен вестись направленно и избирательно. Конструктор должен уметь отбросить излишние подробности, ненужные связи и концентрировать свое внимание на существенных.

16.6.3. Разработка технических требований

В конструкторских задачах путь от анализа взаимосвязей до четко сформулированных технических требований к модулю, необходимых конструктору, может быть более сложным, чем рассмотренный выше. Этот путь может проходить через такие стадии создания модуля, как научно-исследовательская разработка, моделирование, промежуточное макетирование, а также может сопровождаться расчетными и экспериментальными работами, далеко не всегда выполняемыми при участии конструктора. В перечне технических требований даются уже не сами связи, а технические характеристики модуля и параметры, отражающие условия его эксплуатации.

Технические требования можно разделить на четыре группы. Первая группа. Требования, содержащие ограничения геомет-

рического и конструктивного характера. Пример формулировки: предельное отклонение межосевого расстояния 0,5мм.

Вторая группа. Требования, выраженные при помощи технических или физических понятий, записанные в виде чисел с размерностями. Пример формулировки: сила сопротивления на выходном звене не более 100Н.

523

Третья группа. Требования, выраженные словесно, не включающие в себя ни понятий, определенных количественно, ни геометрических ограничений в конструкции. Пример формулировки: устройство должно быть быстросъемным.

Четвертая группа. Требования, сформулированные при помощи сложных понятий или математических зависимостей. Пример формулировки: для данного конструируемого устройства распределение атмосферного давления в рабочем диапазоне высот следует принимать согласно МСА (международной стандартной атмосферы) [28].

Первая группа требований значительно пополняется в результате выявления ограничений, связанных с местом установки конструируемого модуля.

Вторая группа требований является в значительной степени результатом количественного отображения взаимосвязей модуля с внешним окружением и особенностей принципиальной схемы. Конструктивная реализация требований, выраженных при помощи четких технических понятий, определенных количественно (таких, например, как передаточное отношение), может быть осуществлена различным образом. Преимущества такой формы написания требований очень велики, так как она не несет в себе неопределенности и служит средством объективной проверки правильности конструкции.

Все сказанное относительно второй группы требований можно отнести к четвертой группе.

Следует особо остановиться на третьей группе требований. Словесная форма написания технических требований в большинстве случаев свидетельствует о незаконченности процесса формализации реальной физической картины. Иногда она порождена отсутствием информации о количественной стороне тех или иных взаимосвязей или незнанием сущности каких-либо процессов в системе “модуль – окружение”. Нередко словесная формулировка посредством весьма общих понятий объединяет множество нераскрытых связей. Пример такой формулировки: “Модуль должен быть удобным в эксплуатации, при монтаже и демонтаже.”

Конструктор, уточняющий и дополняющий техническое задание для себя, должен расшифровать такой пункт, рассмотрев наиболее существенные взаимосвязи между модулем и обслуживающим персоналом. Но это не значит, что следует стремиться к наиболее полной формализации всех без исключения технических требований. Степень необходимой формализации определяется, с одной стороны, трудностями ее осуществления, с другой – требованиями последующих этапов конструирования.

524