Проектирование роботехнических средств для поточных линий прядильного производства

Введение
 
Анализ развития приготовительно-прядильного оборудованиязарубежных фирм и отечественного производства за последние годы показывает, чтоодним из основных направлений является освоение автоматизированного поточногоспособа производства пряжи, представляющего наиболее совершенную формутехнологического процесса в организации производства. Использование поточногоспособа производства позволяет повысить эффективность последнего и сократитьколичество используемых в производстве вспомогательных изделий и материалов:тазов, катушек, тележек для транспортировки полуфабрикатов междутехнологическими переходами и др.
Применение автоматизированного поточного способа производства пряжисвязано с обязательным использованием робототехнических средств. Широкоевнедрение РС обеспечивает повышение производительности труда в основном ивспомогательном производствах, сокращение доли монотонного и непривлекательноготруда, повышение мобильности производства, а также способствует улучшениюкачества вырабатываемой продукции за счет более точного соблюдениятехнологических режимов.
Активное использование РС в поточных линиях прядильного производстваосложняется необходимостью самостоятельного изготовления предприятиями ихсоставных элементов и периферийного оборудования, поскольку в нашей стране невыпускаются РС специально для немашиностроительных отраслей. Имеющийся на рынкебольшой набор РС не обеспечивает требований, обусловленных спецификойпредприятий текстильной промышленности. Поэтому целесообразно сотрудничество сиспользованием международного разделения труда, а также различных форммеждународной кооперации.
Для ускорения внедрения РС в текстильную промышленность необходимы:существенное повышение их надежности; снижение цены; обеспечение производства ипоставок полностью роботизированных участков; организация стимулирующихмероприятий у производителей и потребителей; международное разделение труда ит.д.
В качестве сферы международного разделения труда в области созданияРС для текстильной промышленности России лучше всего выбрать в условияхсовременной экономической ситуации проектирование данных устройств потребованиям заказчика.

1. Метод проектирования робототехнических средств текстильныхмашин
В общем процессе создания высоконадежных систем этап проектированияявляется определяющим. На этом этапе имеются большие возможности расчетной иэкспериментальной проверки принимаемых конструктивно-технических, структурных исхемных решений по обеспечиваемому уровню надежности, а также большиевозможности по изменению этих решений в целях применения более надежныхвариантов.
С целью снижения затрат на создание робототехнических устройствразработан метод их проектирования, который позволяет выявить различныетехнические решения РС по требованию потребителя независимо от конструктивныхособенностей текстильной машины, а также произвести оценку надежностимеханизмов исполнительных органов и всего РС на стадии проектирования иконструкторской отработки опытного образца.
Данный метод включает в себя следующие шесть этапов:
–         разработкуфункциональной структуры РС, состоящую из выявления максимально возможногоколичества элементов, входящих в РС и находящихся в функциональной взаимосвязи,определения выходных параметров всей системы РС и отдельных ее элементов,оказывающих влияние на ее надежность, и свойств данных параметров, выявлениявозможности изменения функциональной вза-имосвязи между элементами РС с цельюповышения надежности работы последнего;
–         моделированиеструктурных схем исполнительных органов РС, включающее определение основногокритерия, по которому следует производить оценку получаемых техническихрешений, выявление направления решения проблемы увеличения надежности работы РСи разработку на основе принципа Ф. Цвики метода проектирования такихсредств;
–         алгоритммоделирования траектории выходного звена исполнительного органа РС,заключающийся в выявлении закона движения последнего по характерным точкамвыполняемой им технологической операции и с учетом повторения требуемыхучастков траектории и синхронизации работы всех исполнительных механизмов;
–         выборкритериев оптимизации при проектировании РС, включающий определение данныхкритериев, выявление необходимых предельных значений целевых функций всехкритериев, введение приоритета целей и шкалы экспертных оценок;
–         рассмотрениепринципов разработки циклограммы РС, рекомендующих производить синхронизацию работыисполнительных органов манипулятора с учетом оценки их быстродействия и надежности;
–         контрольнадежности РС при испытаниях, заключающийся в выявлении характеристик ипризнаков состояний системы РС и их анализе на основе обобщенной формулыБайеса, позволяющей определить характерные состояния и детерминирующие признакисистемы, а также в вычислении необходимого количества отрабатываемых РС цикловпо обслуживанию им текстильных машин.
Следует отметить, что каждый этап разработанного метода может бытьиспользован как самостоятельный способ проектирования РС, что повышает егомобильность и позволяет привязать к конкретным проблемам конструкторскойпрактики и использовать в совокупности с другими имеющимися методамипроектирования РС. Рассмотрим более детально все разработанные этапы проектированияРС.
1.1 Разработка функциональной структуры робототехнических средств
В соответствии с теорией технических систем робототехническиесредства текстильных машин относятся к сложным системам. Возможностьобеспечения надежного функционирования такой системы связана с изучением ееструктуры, т.е. совокупности элементов и отношений между ними, и техвзаимосвязей, которые определяют ее работоспособность. Выделим в техническойсистеме «робототехническое средство текстильной машины» элементы, каждый изкоторых выполняет определенную функцию и находится во взаимодействии с другимиэлементами системы. К таким элементам относятся:
–         приводходовой секции, осуществляющий движение РС вдоль фронта текстильной машины иостановку его около рабочего места, где необходимо осуществить вспомогательнуютехнологическую операцию;
–         приводрабочей секции, осуществляющий передачу движения от привода ходовой секции кмеханизмам исполнительных органов РС или работающий автономно;
–         исполнительныемеханизмы РС, выполняющие технологические операции по обслуживанию текстильноймашины.
Определим отношения между этими элементами системы РС, которыезадаются функциональным описанием способа действия технической системы,заключающегося в следующем: энергия вращательно-поступательного движенияэлемента 1 при остановке РС около требуемого рабочего места текстильной машиныпередается элементу 2, который преобразует ее и далее передает элементам 3, …, N соответственно. Болеепредпочтительным является вариант, когда элемент 2 самостоятельно включается вработу после поступления к нему соответствующего входного сигнала. В этомслучае непосредственная механическая связь между элементами 1 и 2 отсутствует,что положительным образом будет сказываться на надежности работы РС, еготочности и времени позиционирования около рабочего места текстильной машины.Элементы 3, …, N преобразуют эту энергию в движение исполнительных органов.
С целью построения функциональной структуры РС выявим максимальноеколичество элементов, которое может входить в данную техническую систему. Дляэффективной эксплуатации РС большое значение имеет время позиционирования околорабочего места и передвижения вдоль фронта текстильной машины, поэтому исходяиз условия отсутствия или наименьшего времени запаздывания сигнала передачикрутящего момента от одного элемента системы к другому имеем:
–         максимальноеколичество приводов рабочей секции равно двум;
–         максимальноеколичество исполнительных механизмов, приводимых в движение от привода рабочейсекции, равно двум;
–         максимальноеколичество исполнительных механизмов, имеющих движение от других исполнительныхмеханизмов, также равно двум.
На основании вышеизложенного разработана схема взаимосвязей междуэлементами системы РС, представленная на рис. 1.
/>
Рис. 1.Схема взаимосвязей между элементами системы «робототехническое средство»
Здесь: элемент 1 – привод ходовой секции РС; элементы 2, 7 – приводырабочих секций; элементы 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10 и 11 – исполнительные механизмы. Связьмежду элементами 1 и 7 обозначена пунктирной линией, т. к. она дублируетсвязь между элементами 1 и 2. Необходимо заметить, что при числе исполнительныхмеханизмов больше 4, но меньше 8 следует произвести перераспределение связей всистеме РС. По нашему мнению, наибольшее число исполнительных механизмов из РСтекстильных машин будет иметь автомат присучивания ленты на пневмопрядильныхмашинах.
Из функционального описания способа действия технической системыРС и схемы взаимосвязей между ее элементами следует, что определенные выходыэлемента 1 одновременно являются входами элемента 2; определенные выходыэлемента 2 являются входами элементов 3 и 4; определенные выходы элемента 3являются входами элемента 5 и определенные выходы элемента 4 являются входамиэлемента 6.
Отношения взаимозависимости между отдельными функциямирассматриваемых элементов относятся к категории связей. Рассмотрим выходныепараметры каждого элемента, при изменении которых в процессе эксплуатациидолжны учитываться требования, предъявляемые к надежности всей системы.
Выходными параметрами всей системы РС являются /> – точностьпозиционирования и /> – время позиционирования. Выходнымипараметрами элементов 1, 3, 4, 5 и 6 являются: /> –точность позиционирования, /> –кинематические характеристики и /> –прочностные характеристики. Выходными параметрами элемента 2 являются: /> – кинематическиехарактеристики и /> – прочностныехарактеристики. Следует заметить, что важным выходным параметром являются динамическиехарактеристики элементов, однако информация об этом уже заложена в ихкинематических и прочностных характеристиках.
При рассмотрении выходных параметров каждого элемента можноотметить то, что они могут по-разному влиять на формирование выходныхпараметров /> и />всей системы,определяющих ее надежность. Можно выделить три основных свойства этихпараметров:
–         /> – изменение параметравлияет на работоспособность лишь самого элемента, отказ данного элемента ведет,как правило, к отказу системы;
–         /> – параметр участвует в формированииодного или двух выходных параметров всей системы. Его изменения должныучитываться в совокупности с изменением параметров данной категории для другихэлементов. По отклонению от номинала только данного параметра нельзя судить об отказеэлемента;
–         /> – параметр влияет на работоспособностьдругих элементов, его изменение для остальных частей системы аналогично изменениювнешних условий работы.
Выходной параметр /> элементов 3, 4, 5 и 6обладает двумя свойствами: /> и />; выходной параметр /> первого элементаобладает следующими свойствами: /> и />. Выходной параметр /> всех элементов обладаетсвойствами /> и />, а этот же параметр элементов3, 4, 5 и 6 имеет еще свойство />. Выходной параметр /> всех элементов обладаетсвойствами /> и />; этот же параметр элементов1 и 2 имеет также свойство />. На основаниивышеизложенного разработана схема функциональной структуры РС, представленнаяна рис. 2.
Анализ этой схемы показывает, что при оценке надежности системы РСбольшую роль играют взаимосвязи, когда работоспособные элементы оказываютпобочные воздействия на другие элементы и могут вывести их из строя. Изменениеточности позиционирования элемента 1 влияет на нормальное функционированиеэлементов 3 и 4, а через них – на элементы 5 и 6; изменение кинематическихпараметров и прочностных характеристик элемента 1 влияет на время включения вработу элемента 2; изменение тех же параметров элемента 2 влияет насинхронизацию движений между элементами 3 и 4; изменение аналогичных параметровэлементов 3 и 4, а через них – на элементы 5 и 6; изменение кинематическихпараметров и прочностных характеристик элемента 1 влияет на время включения вработу элемента 2; изменение тех же параметров элемента 2 влияет насинхронизацию движений между элементами 3 и 4; изменение аналогичных параметровэлементов 3 и 4 влияет на время передачи крутящего момента элементам 5 и 6;изменение этих же параметров элементов 5 и 6 влияет на синхронизацию движений междуисполнительными органами РС.
На выходной параметр всей системы РС /> – точность позиционирования– влияют точность позиционирования и кинематические характеристики, являющиесявыходными параметрами элементов 1, 3, 4, 5 и 6, а также прочностныехарактеристики элемента 1. На выходной параметр всей системы РС /> – время позиционирования– влияют вышеназванные параметры тех же элементов, а также кинематическиехарактеристики элемента 2 и прочностные параметры элементов 1 и 2. Такойвыходной параметр всей системы РС, как /> – точностьпозиционирования, определяет нормальное функционирование системы «РС –текстильная машина», а именно: надежность работы рассматриваемой системы;выходной параметр /> – время позиционирования определяетэффективность работы данной системы.
С целью повышения надежности работы робототехнического средстварассмотрим возможность изменения его функциональной структуры. Очевидно, что извсех выходных параметров элементов РС можно уменьшить или устранить воздействиев функциональной структуре взаимосвязи параметров /> – точностипозиционирования отдельных элементов. Влияние параметров /> на работоспособностьвсей системы РС устраняется посредством введения жесткой механической фиксацииманипулятора относительно рабочего места текстильной машины, где производитсявспомогательная технологическая операция по ее обслуживанию. Для этой целиможно использовать зубчатую реечную передачу, храповые механизмы, различныевиды фиксаторов. Данные стопорные устройства монтируются на текстильной машинеи выставляются относительно ее рабочих мест. Влияние параметров />, />, /> и /> на работоспособность РСможно устранить посредством увеличения зоны перекрытия временных диапазонов позиционированияисполнительных механизмов РС при совместном выполнении ими технологическойоперации по обслуживанию текстильной машины. С этой целью лучше всего применятьв конструкции РС кулачковые механизмы. Для того чтобы при этом не увеличилосьобщее время позиционирования /> манипулятора, необходимоулучшить кинематические характеристики последнего.
/>
Рис. 2.Функциональная структура робототехнических средств текстильных машин

С учетом вышеизложенного на рис. 3 представлена схемаусовершенствованной функциональной структуры РС текстильных машин.
1.2 Моделирование структурных схем исполнительных механизмов робототехническихсредств
Технологическая цепочка прядильного производства состоит избольшого количества разнообразных по своему назначению и конструктивномуисполнению текстильных машин, поэтому с целью снижения затрат времени напроектирование робототехнических средств, имеющих, как правило, несколькоисполнительных органов и обслуживающих конкретные типы текстильных машин, имеетсмысл выявить общую методику моделирования структурных схем исполнительных механизмовРС.
Для частного случая, а именно для автосъемника бобин, осуществляющегосъем наработанных бобин на пневмомеханической прядильной машине и установкупустых патронов на их место, методика поиска новых технических решений егоисполнительных органов отражена в работах.
При решении задачи разработки общей методики моделированияструктурных схем исполнительных механизмов РС машин прядильного производства,прежде всего, следует определить основной критерий, который необходимо положитьв основу оценки получаемых технических решений. Очевидно, что этим основнымкритерием является надежность функционирования РС, т.к. она в себя включаетследующие требования, предъявляемые к работе исполнительных механизмов РС:
–         получениетребуемой траектории выходного звена исполнительного механизма РС исходя извыполняемой им вспомогательной технологической операции по обслуживаниютекстильной машины;
–         выполнениекинематических и динамических ограничений, налагаемых на работу выходногозвена;
–         получениенеобходимой точности позиционирования выходного звена на обслуживаемом имрабочем месте текстильной машины;
–         достижениесинхронизации движений между выходными звеньями исполнительных механизмов РС.
/>
Рис. 3.Усовершенствованная функциональная структура робототехнических средствтекстильных машин

В предыдущем пункте показано, что максимальное количество приводов РСтекстильных машин может быть равно трем, а максимальное количествоисполнительных механизмов равно восьми. При этом один из приводов осуществляетдвижение РС вдоль фронта текстильной машины, а два других приводят в движениеисполнительные механизмы. Учитывая эти условия, произведем оценку надежностиисполнительных механизмов РС текстильной машины, которая может быть осуществленана стадии проектирования и заключается в систематическом исследовании всехвариантов конструкции, втекающих из закономерностей строения совершенствуемогообъекта. При этом исследуются как известные, так и новые необычные варианты,которые при простом переборе могли быть упущены. Основные этапы оценкинадежности новых технических решений исполнительных механизмов РС текстильноймашины заключаются в следующем:
–         даетсяточная формулировка задачи, подлежащей решению;
–         раскрываютсявсе важные характеристики объекта, его параметры, от которых зависит решение проблемы;
–         раскрываютсявозможные варианты по каждой характеристике посредством составленияморфологической матрицы поиска новых технических решений на основе примененияметода Ф. Цвики и ее последующего решения;
–         определяетсяфункциональная ценность всех полученных решений посредством наложения граничныхусловий на взаимообусловленные характеристики объекта.
Согласно вышеизложенному, рассмотрим основные этапы решенияпроблемы «Увеличить надежность работы РС машины поточной линии прядильногопроизводства». Как было указано ранее, данное РС может состоять из одиннадцатиосновных элементов, а именно: привода ходовой секции, приводов рабочих секций иисполнительных механизмов, выполняющих технологические операции по обслуживаниютекстильной машины, входящей в состав поточной линии прядильного производства. Следовательно,согласно теории надежности для выполнения поставленной задачи надо решитьпроблему повышения надежности работы каждого элемента системы. Кроме того,надежность работы системы зависит от ее связей с окружением, в данном случае стекстильной машиной поточной линии прядильного производства. На основании этогоопределено поле поиска решений для проблемы «Увеличить надежность работы РСмашины поточной линии прядильного производства», представленное на рис. 4.Используя основные методы повышения надежности элементов, определены поляпоиска решения проблем «Увеличить надежность работы 3‑го элемента РСмашины поточной линии прядильного производства», а также «Уменьшить количествосвязей РС с машиной поточной линии прядильного производства». Следует заметитьпри этом, что элементы данного РС при решении проблемы повышения их надежностиработы разделены на две группы. Это обусловлено различиями в характере ихфункционирования.
Из анализа схем, приведенных на рис. 4–6, следует, что однимиз основных путей повышения надежности работы РС машины поточной линиипрядильного производства является изменение структурных схем его исполнительныхмеханизмов, в связи с чем необходимо разработать методику моделирования данныхструктурных схем таких РС.
Для этого раскроем возможные варианты по каждой характеристикеисполнительного механизма РС путем составления морфологической матрицы,отражающей закономерности строения усовершенствуемого объекта. Каждаяхарактеристика /> обладает определенным числом /> различных независимыхсвойств />, />, /> …/>. Например, параметрисполнительного механизма «движение» может иметь независимые свойства />, />, означающие перемещениев плоскости и пространстве. Эти матрицы-строки могут быть записаны в следующемвиде:

/>
Если в каждой строке матрицы зафиксировать один из элементов, тонабор из них будет представлять возможный вариант решения исходной задачи. Еслииспользовать приведенную выше систему матриц для построения р-мерногопространства, то получим морфологический ящик. Полное число /> решений в этом случаеравно:
/>.
В высшей степени существенно, что вплоть до данного момента недолжен ставиться вопрос о ценности того или иного решения. Такое преждевременноелюбопытство почти всегда наносит ущерб беспристрастному применениюморфологического метода. Однако, как только получены все решения, можносопоставить их с любой системой принятых критериев.
/> – движение механизма совершается:
а) в плоскости />;
б) пространстве />.
/> – наличие взаимодействия механизма сдругими
рабочими органами РС:
а) именно содним рабочим органом />;
б) именно сдвумя рабочими органами />;
в) именно стремя рабочими органами />;
г) не имеется/>.
/>
Рис. 4. Поле поиска решений проблемы «Увеличить надежность работыробототехнического средства машины поточной линии прядильного производства»
/>
Рис. 5. Поле поиска решений для проблемы «Уменьшитьколичество связей робототехнического средства с машиной поточной линиипрядильного производства»

/>
Рис. 6. Поле поиска решений для проблемы «Увеличитьнадежность работы 3‑го элемента робототехнического средства машиныпоточной линии прядильного производства»
/> – пересечение выходнымзвеном механизма траек-тории выходного звена другого рабочего органа РС:
а)обязательно />;
б)необязательно />;
в) ни в коемслучае />.
/> – наличие у механизмапринудительного движения от другого рабочего органа РС:
а)обязательно />;
б)необязательно />;
в) автономноедвижение />.
/> – совмещение выходным звеном механизмаразличных технологических операций:
а) имеется />;
б) не имеется/>.
/> – вид движения выходногозвена механизма:
а) возвратное/>;
б) замкнутое />.
/> – траектория выходногозвена механизма:
а) прямаялиния />;
б) дугаокружности />;
в) линия,проходящая через m характерных точек />;
г) линия, вопределенной своей части соответствующая требуемой траектории />;
д) шатуннаякривая />;
е)сателлитовая кривая />.
/> – траектория выходногозвена рабочего органа PC, функционально взаимодействующего с моделируемыммеханизмом:
а) прямаялиния />;
б) дуга окружности/>;
в) линия,проходящая через m характерных точек/>;
г) линия, вопределенной своей части соответствующая требуемой траектории />;
д) шатуннаякривая />;
е)сателлитовая кривая />.
/> – наличие выстоев придвижении выходного звена механизма:
а) не имеется/>;
б) имеетсяодин выстой />;
в) имеетсядва выстоя />;
г) имеется m‑е количествовыстоев />.
/> – выстой выходного звенамеханизма обусловлен:
а)конструкцией самого механизма />;
б)применением вспомогательного устройства />.
/> – механизмы, применяемыедля получения выстоя:
а) храповоймеханизм />;
б)мальтийский механизм />;
в) стержневоймеханизм />;
г) кулачковыймеханизм />;
д) зубчатыймеханизм />;
е) механизмавтоматического включения и выключения />.
/> – количество законовдвижения у выходного звена механизма:
а) один закон/>;
б) два закона/>;
в) три закона/>.
/> – тип механизма:
а)кривошипно-ползунный механизм />;
б) механизмшарнирного четырехзвенника />;
в) кулисныймеханизм />;
г) зубчатыймеханизм />;
д) кулачковыймеханизм />;
е)зубчато-рычажный механизм />.
/> – способ захватавыходным звеном механизма транспортируемого им технологического объекта:
а)механический />;
б)электромагнитный />;
в)пневматический />.
/> – формавыходного звена механизма:
а)прямолинейная />;
б) фигурная />.
Отметим, чтокак количество параметров, так и число их независимых свойств могут быть измененыв зависимости от конкретной задачи, которую ставит перед собой разработчик илизаказчик, но при этом общий принцип определения матриц-строк сохраняется.
Полученнаяморфологическая матрица имеет следующий вид:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Произведемоценку полного числа решений исполнительного механизма PC по формуле полученнойсистемы матриц:
/>
Проведемсокращение числа альтернативных вариантов в системе матриц посредствомисключения наименее эффективных и наименее перспективных технических решений.Следует заметить, что это еще не означает, что данные решения являютсянаихудшими, т. к. сокращение альтернативных вариантов в морфологическойматрице произведено на основании сравнительного анализа имеющихся патентов исуществующих конструкций PC, обслуживающих текстильные машины поточной линиипрядильного производства, а также практического конструкторского опыта авторовнастоящей работы. Кроме того, рассматриваются технические решения отдельногоисполнительного механизма, а не всего PC, включающие в себя также технические решения идругих исполнительных органов данного манипулятора и их функциональнуювзаимосвязь. Поэтому на основании вышеизложенного общий вид морфологическойматрицы сохраняем без изменений.
К сокращаемымальтернативным вариантам в отнесем следующие: />,/>, />, />, />, />, />, />, />, />.
Произведемоценку числа возможных вариантов, которые можно синтезировать на основеморфологической матрицы при наложении на нее граничных условий проектирования,а именно исключения вышеперечисленных вариантов:
/>
Для всего PC машины поточной линиипрядильного производства оценка полных решений может быть проведена последующей формуле:
/>,
где /> – количествоисполнительных механизмов в проектируемом робототехническом средстве (/>= 8).
Такой методмоделирования структурных схем исполнительных механизмов PC машин поточной линиипрядильного производства создает основу для мышления в категориях основныхпринципов и параметров, что и обеспечивает эффективность его применения. Онявляется упорядоченным способом, позволяющим добиться систематического обзоравсех возможных решений данной крупномасштабной проблемы. Метод структурируетмышление таким образом, что генерируется новая информация, касающаяся такихкомбинаций, которые при несистематической деятельности воображения ускользаютот внимания. Хотя данному образу мышления внутренне присуще убеждение, что всерешения могут быть реализованы, при этом, естественно, многие из нихоказываются сравнительно тривиальными.
1.3Алгоритм моделирования траектории выходного звена исполнительного органаробототехнического средства
Одной изосновных проблем, стоящих перед конструкторами, при проектированииробототехнических средств текстильных машин является получение сложнойтраектории выходного звена исполнительного органа для осуществления имтехнологической операции или перемещения рабочего тела.
Данныеустройства должны обладать компактностью, иметь несколько одновременноработающих исполнительных органов и быть «жестко» привязанными к текстильноймашине, поэтому применение PC общепромышленного назначения в текстильнойпромышленности нецелесообразно. В связи с этим встает задача разработки такогоисполнительного механизма, который при минимальном количестве приводов имеетмаксимальное количество степеней подвижности и позволяет получить любуютраекторию выходного звена. При этом должна иметься возможность повторениялюбой части траектории, что особенно важно для выполнения технологическихпроцессов в текстильной промышленности, т.к. продукт текстильного производства,над которым производится действие, не исключается из рабочей зоны текстильноймашины и технологического процесса. Кроме того, должно выполняться условиесинхронизации работы исполнительных органов PC текстильной машины.
С этой целью,а также для снижения трудозатрат на проектирование данных устройств разработаналгоритм моделирования траектории выходного звена исполнительного органа PC текстильной машины,содержащий пять этапов реализации.
На первомэтапе формируется массив текущих координат рабочего органа, закрепленного навыходном звене; предполагается выбор системы координат устройства относительнопринимаемой базовой системы координат и выявления характерных точек плоскостиперемещения рабочего органа, т.е. таких точек, через которые обязательно должныпройти рабочий орган и транспортируемое им тело при выполнении технологическойоперации. Далее выявляют или задают законы движения между характерными точками,предпочтительными являются:
/>– прямая линия;
/>– дуга окружности;
/>– кубический сплайн.
Следуетзаметить, что для прямой линии и дуги окружности достаточно наличия двухузловых точек, а для дуги окружности необходимо еще задаться радиусом кривизныдля вычисления других точек массива текущих координат через определенныйинтервал. Кубическим сплайном можно получить любые траектории рабочего органа стребуемой степенью точности, для этого необходимо задаться требуемымколичеством узловых точек.
Второй этаппредусматривает формирование матрицы текущих координат рабочего органа ивключает выявление последовательности прохождения им узловых точек с учетомприемов выполнения технологической операции. В результате получаем матрицу:
/> 
где перваястрока – последовательность изменения координат по оси X; вторая строка –последовательность изменения координат по оси Y; индекс усоответствующего значения изменения координаты означает порядок проходимойрабочим органом узловой точки.
Третий этапсодержит формирование матрицы скорости изменения текущих координат перемещениярабочего органа и предполагает определение времени /> всегоцикла выполнения технологической операции транспортирования рабочего тела идискретизации полученного значения либо на промежутки, соответствующиетребованиям заказчика. При этом должны выполняться следующие соотношения:

/>,
/>
где />, />, …, />, …, /> –значенияпромежутков времени, необходимых для перемещения рабочего органа между узловымиточками; />, />, …, />, …, /> – значение временипрохождения рабочим органом соответствующей узловой точки, отсчитываемое отначала времени цикла выполнения технологической операции.
В матрицу добавляемтретью строку со значениями />, />, …, />, …, /> и получим новую матрицу:
/>
На четвертомэтапе формируются матрицы законов движения входных звеньев исполнительногомеханизма, общие коды каждого сочетания, определяются массивы используемыхсочетаний, а также матрицы каждого сочетания.
Совокупностьсочетаний представлена в табл. 1, при этом каждому закону движения присвоенсвой код. В обозначении общего кода первая цифра относится к закону движенияпервого звена, вторая – к наличию или отсутствию у него дополнительного законадвижения, третья цифра – к наличию или отсутствию дополнительного законадвижения у данного звена.

Таблица 1. Совокупностьсочетаний законов движения входных звеньев исполнительного механизмаЗакон движения первого входного звена Закон движения второго входного звена Общий код
  Вращательный Вращательный
1310
1013 Возвратно-качательный
1320
1023 Возвратно-поступательный 1330 Возвратно-качательный Возвратно-качательный
2320
2023 Возвратно-поступательный 2330 /> /> /> /> /> />
Определимизменение углов поворота (/> или />) при вращательном законедвижения с постоянной угловой скоростью />.Имеем:
/>
Тогда />/> …,
/> …, />.
Определимизменение углов поворота (/> или />) при возвратно-качательномзаконе движения с постоянной угловой скоростью />:
/>, />
Тогда
/>, /> …,
/> …,/>,    

где G – максимальный уголразмаха звена.
Определимизменение подъема входного звена при возвратно-поступательном законе движения спостоянной линейной скоростью v. Имеем:
/>, />.
Тогда
/>, />,
/>, />,
где S – максимальная высотаподъема входного звена.
Привращательном и возвратно-качательном законах движения входного звена сменяющейся угловой скоростью /> углыповорота (/> или />) этого звена будутопределяться следующим образом:
/>, />, …,
/>, />,
где />, />, /> – функции изменения углаповорота входного звена с изменяющейся линейной скоростью v; изменение высотыподъема звена будет определяться следующим образом:
/>, />,
/>, />,

где />, />, /> – функции изменения высотыподъема входного звена.
На основаниивышесказанного произведем формирование массива матриц законов движения входныхзвеньев:
/>; />;
/>; />;
/>; />;
/>; />.
Обозначиммассив всех полученных матриц:
/>

При этомследует заметить, что законы движения выходных звеньев полученных матриц такжемогут представлять из себя сочетания по формулам ….
Пятый этаппредусматривает проверку входимости матрицы скорости изменения текущихкоординат перемещения рабочего органа во множество массива матриц.
/>.
Приреализации этого алгоритма возможно определение типов структурных схем исполнительныхорганов робототехнического средства текстильной машины. Осуществляться данныйпроцесс может следующим образом.
На лист чертежа наносятся изображения исполнительных механизмовтекстильной машины согласно их конструктивным размерам и взаимосвязей, а такжеположения рабочих тел, подлежащих транспортированию или какой-либо другойоперации над ними, и крайние положения взаимодействующих исполнительныхмеханизмов РС. Исходя из последовательности выполнения технологической операциипо обслуживанию данной текстильной машины выявляются характерные точки. Далеевыбирают базовую систему координат, относительно которой будут производитьсярасчеты, задаются траекторией транспортируемого тела и порядком ее прохождения.В данном случае выходное звено механизма сопла при своем движении должно пройтинесколько характерных точек, а именно: исходную точку, находясь в которой,сопло имеет возможность передвижения вдоль фронта машины; точку входа сопла взону обрезки и захвата нити; точку, определяющую продолжительность выстоя соплав зоне обрезки и захвата нити; крайнюю верхнюю точку сопряжения поверхностисопла с поверхностью рычага захвата и смены патронов при совместном движениимеханизма сопла с механизмом захвата и смены патронов; точку прохождения сопломоколо поверхности патрона, установленного в рычаги бобинодержателя, опускающегопатрон на мотальный вал; точку, находящуюся в зоне захвата нити между мотальнымвалом и установленным патроном; точку, совпадающую с исходной точкой.
Далее лист чертежа 1, с нанесенными на него узловыми точками 2,крепят на столе 3 координатной измерительной машины. В программно-управляющийпульт 4 машины вводят характеристики узловых точек траектории транспортируемоготела, последовательность их прохождения, временные характеристики узловыхточек, а также предполагаемые конструктивные и технологические параметрыустройства. Исходя из этого и ранее введенной программы сопряжения узловыхточек программно-управляющий пульт 4 перемещает измерительную головку 5 сосменным наконечником 6 с установленным в нем самописцем 7 с требуемой скоростьюот одной узловой точки к другой, вычерчивая при этом траекторию транспортируемогорабочего тела. При этом все промежуточные точки траектории вычисляются программно-управляющимпультом 4 и могут быть выведены на дисплей или принтер. Далеепрограммно-управляющий пульт 4 выводит на дисплей или принтер законы движениявходных звеньев и рекомендуемую структурную схему устройства их реализации.
Выявим универсальную структурную схему исполнительного механизма,которую можно применить для автоматизации практически любого технологическогопроцесса текстильной машины, в связи с чем повышается степень унификации всегоРС, а следовательно, повышается надежность его работы и снижается стоимостьизготовления.
Данный механизм для воспроизведения траектории транспортируемыхрабочих тел содержит входное звено 1, установленное на неподвижном звене 2. Назвене 1 зафиксирован ролик 3, находящийся во фрикционном контакте с кулачком 4,имеющем возможность поворота вокруг кулачкового вала, установленного нанеподвижном звене 5. На свободном конце звена 1 шарнирно закреплено выходноезвено 6 с установленным на нем рабочим органом 7. Выходное звено 6 посредствомшарнирно связанного с ним промежуточного звена 8 шарнирно соединено с осью 9,зафиксированной на втором входном звене – кривошипе 10, выполненномтелескопическим и установленном на неподвижном звене 5. На оси 9 кривошипа 10зафиксирован также ролик 11, находящийся во фрикционном контакте с кулачком 12,неподвижно установленным на раме 13 устройства. В другом варианте исполнениявходное звено 1 установлено в неподвижных направляющих 2.
/>
Рис. 7. Функциональная блок-схема алгоритма работы вычислительногоустройства

/>
Рис. 8. Механизм для воспроизведения траектории транспортируемыхрабочих тел
/>
Рис. 9. Вариант устройства по рис. 8
 
Работает устройство следующим образом. Посредством фрикционного контактаролика 3 и кулачка 4 вращательное движение от последнего вокруг кулачковоговала, установленного на неподвижном звене 5, передается входному звену 1,которое при этом получает возвратно-качательный закон движения относительнонеподвижного звена 2 и служит коромыслом. В результате этого выходному звену 6с установленным на нем рабочим органом 7 также сообщается этот закон движения.В то же время выходное звено 6, а следовательно, и рабочий орган 7 получают ещедва закона движения посредством шарнирно связанного с ним промежуточного звена8, шарнирно соединенного с осью 9, зафиксированной на втором входном звене –кривошипе 10, которому сообщается вращательное движение относительнонеподвижного звена 5. При этом ролик 11, установленный на оси 9, совершаетвозвратно-поступательное движение относительно звена 5 посредством фрикционногоконтакта с кулачком 12, неподвижно установленным на раме 13 устройства. Врезультате этого длина входного звена – кривошипа 10, выполненноготелескопическим, изменяется. При суммировании всех законов движения рабочийорган 7 воспроизводит заданную траекторию, необходимую для выполнения требуемойтехнологической операции по обслуживанию текстильной машины.
Работа варианта исполнения данного устройства отличается отвышеприведенной тем, что входное звено 1 выполняет функцию толкателя, получаяпри этом возвратно-поступательное движение относительно неподвижныхнаправляющих 2.
Сочетание различных законов движения входных звеньев данного устройствапозволяет получить широкий спектр всевозможных траекторий выходного звена, накотором установлен рабочий орган РС.
1.4 Выбор критериев оптимизации при проектировании робототехническихсредств
 
При проектировании робототехнических средств текстильных машиннеобходимо решить задачу многокритериальной оптимизации, определяемой наличиеммножества целевых функций, которые выявляются по следующим критериям:
–         определяетсямаксимальное число исполнительных механизмов РС в соответствии с выполняемымитехнологическими операциями по обслуживанию текстильной машины;
–         определяетсяминимальное число характерных точек траектории отдельного исполнительногомеханизма РС соответственно выполняемой им вспомогательной технологическойтекстильной операции;
–         выбираетсяпоследовательность обхода этих точек выходным звеном исполнительного механизмаРС в соответствии с выполняемой технологической текстильной операцией;
–         выбираетсятип траектории выходного звена исполнительного механизма РС в соответствии счислом характерных точек, последовательностью их обхода и выполняемойтехнологической текстильной операцией;
–         выбираетсяв соответствии с типом траектории необходимая структурная схема исполнительногомеханизма РС;
–         выявляютсяобщие характерные точки траекторий выходных звеньев исполнительных механизмовРС в пространстве и во времени, т.е. производится синхронизация работы РС иобслуживаемой им текстильной машины;
–         определяютсязаконы движения выходных звеньев исполнительных механизмов РС междухарактерными точками, которые соответствуют выполняемой технологическойтекстильной операции;
–         определяютсямаксимальные конструктивные размеры исполнительных механизмов РС по выявленнымзаконам движения;
–         определяютсяв соответствии с конструктивными размерами исполнительных механизмов РСкинематические и динамические параметры их выходных звеньев;
–         производитсяоценка допуска позиционирования, кинематических и динамических параметроввыходных звеньев исполнительных механизмов РС в соответствии с обслуживаемойтекстильной машиной;
–         производитсяоценка габаритных размеров РС по отношению к обслуживаемой им текстильноймашине.
В данной многокритериальной задаче встречаются все четыре типацелевых критерия: больше или равно; меньше или равно; равенство и диапазон. Всоответствии с вышеприведенными критериями запишем условия задачи:
Цель />;
Цель />;
Цель />;
Цель />;
Цель />;
Цель />;
Цель />;
Цель />;
Цель />;
Цель />;
Цель />;
при />,
где /> …/> – градиенты 1…11‑йцелевых функций; /> – значения 1…11‑гокритериев; /> – множество допустимыхзначений переменных.
В в фигурных скобках справа стоят те значения критериев />, которые должны бытьдостигнуты по отношению к заданным значениям /> целей.
Покажем определение предельных значений /> целевых функций по всемвышеперечисленным критериям.
Максимальное число исполнительных механизмов РС текстильной машины– />, где:
а) /> – дваисполнительных механизма;
б) /> – три ИМ;
в) /> – четыре ИМ;
г) /> – пять ИМ;
д) /> – шесть ИМ;
е) /> – семь ИМ;
ж) /> – восемь ИМ.
Минимальное число характерных точек траектории ИМ – />, где:
а) /> – одна точка;
б) /> – две точки;
в) /> – три точки;
г) /> – четыре точки;
д) /> – пять точек;
е) /> – шесть точек.
Последовательность обхода характерных точек выходным звеном ИМ – />, где:
а) /> – выборочно;
б) /> – в соответствиис последовательностью изменения значений их текущих координат.
Тип траектории выходного звена ИМ – />,где:
а) /> – прямая линия;
б) /> – дуга окружности;
в) /> – линия,проходящая через m характерных точек;
г) /> – линия, вопределенной своей части соответствующая требуемой траектории выходного звена;
д) /> – шатуннаякривая;
е) /> – сателлитоваякривая.
Структурная схема ИМ – />, где:
а) /> –кривошипно-ползунный механизм;
б) /> – шарнирныйчетырехзвенный механизм;
в) /> – кулисныймеханизм;
г) /> – зубчатыймеханизм;
д) /> – кулачковыймеханизм;
е) /> –зубчато-рычажный механизм.
Количество характерных точек траектории выходных звеньев исполнительныхмеханизмов РС текстильной машины – />, где:
а) /> – имеется однаобщая точка;
б) /> – две общихточки;
в) /> – три общихточки;
г) /> – четыре общихточки;
д) /> – пять общихточек;
е) /> – шесть общихточек;
ж) /> – семь общихточек.
Законы движения выходных звеньев ИМ между характерными точками – />, где:
а) /> – прямая линия;
б) /> – дугаокружности;
в) /> – кубическийсплайн.
Максимальные конструктивные размеры исполнительных механизмов РСтекстильной машины – />, где:
а) /> – нижний пределмаксимальных конструктивных размеров;
б) /> – верхний пределмаксимальных конструктивных размеров.
Кинематические и динамические параметры выходных звеньев исполнительныхмеханизмов РС текстильной машины – />, где:
а) /> – нижний пределкинематических и динамических параметров;
б) /> – верхний пределкинематических и динамических параметров.
Допуск позиционирования, кинематических и динамических параметроввыходных звеньев исполнительных механизмов РС текстильной машины – />, где:
а) /> – нижнееотклонение допусков;
б) /> – верхнееотклонение допусков.
Габаритные размеры РС текстильной машины – />, где:
а) /> – нижний пределразмеров;
б) /> – верхний пределразмеров.
С целью уменьшения затрат машинного времени ЭВМ и учета конкретныхтребований заказчика на проектируемое РС текстильной машины необходимо ввестиприоритет целей. Приоритетом первого уровня /> целейРС для существующих типов текстильных машин будут следующие критерии:
–         габаритныеразмеры РС текстильной машины;
–         типтраектории и число характерных точек выходных звеньев исполнительныхмеханизмов.
Схема выполнения приоритета целей РС для существующих типовтекстильных машин представлена на рис. 10.
Для решения данной задачи на ЭВМ требуется ввести шкалу экспертныхоценок для значений критериев, имеющих информативно-смысловой характер. Напримере некоторых типов механизмов покажем возможность введения шкалыэкспертных оценок.
Кулисный, кривошипно-ползунный и шарнирный четырехзвенныймеханизмы относятся к плоским рычажным механизмам, а плоские рычажные механизмы,звенья которых образуют вращательные или поступательные пары, получили широкоераспространение в современном машиностроении в связи с присущими имдостоинствами: высокой технологичностью изготовления, возможностью выполненияшарнирных соединений на подшипниках качения и небольшим износом соприкасающихсяповерхностей, долговечностью, надежностью в работе и ремонтопригодностью. Зубчатыемеханизмы относятся к механизмам, имеющим высшие кинематические пары. Такиемеханизмы обладают сравнительной сложностью изготовления, необходимостьювысокой культуры производства для среднескоростных и быстроходных зубчатыхпередач. Кроме того, для изготовления зубчатых передач требуется использованиеспециального оборудования и высококачественного инструмента для достижениянеобходимой точности и плавности работы механизма.

/>
Рис. 10. Схема выполнения приоритета целей дляробототехнического средства
При выборе шкалы экспертных оценок по показателям сложностиизготовления и надежности работы наивысший балл получают плоские рычажныемеханизмы. При изменении базового показателя экспертной шкалы может изменитьсяи оценка, которую получает механизм.
После выбора необходимых предельных значений /> целевых функций всехкритериев, введения приоритета целей и шкалы экспертных оценок задача решаетсяметодами целевого программирования.

1.5 Принципы разработки циклограммы робототехнического средства
С целью повышения надежности работы робототехнического средства текстильноймашины изучим проблему синхронизации движений его исполнительных механизмов, т.е.выявим принципы разработки циклограммы этой системы.
Данная проблема предполагает рассмотрение вопроса оценки быстродействияРС текстильных машин. Для рассматриваемых РС характерны:повторно-кратковременный режим работы, большая частота пусков, высокоебыстродействие при обслуживании рабочего места текстильной машины. С учетомэтих факторов оценку быстродействия РС исследуем с позиций запаздыванияпередачи крутящего момента /> отприводов манипулятора к его исполнительным органам. На основании кинематическихсхем существующих РС текстильных машин для поточных линий прядильногопроизводства выявлены наиболее распространенные виды механических передач длятаких РС. К ним относятся: кулачковые, червячные, зубчатые и цепные передачи.Последние три типа передач имеют боковой зазор />,который необходим для устранения возможного заклинивания при нагреве передачи,обеспечения условий протекания смазочного материала. Этот зазор также служитдля компенсации погрешностей изготовления и монтажа передачи.
Очевидно, чтопри почти мгновенной остановке ведущего звена таких передач в PC ведомое звено будетпродолжать свое движение вследствие воздействия на него инерциальных сил. Из-замгновенной остановки ведущего звена и малой величины бокового зазора междунерабочими профилями поверхностей сопряженных звеньев это движение будетпродолжаться до тех пор, пока последний не выберется. В результате чегопрерывается контакт рабочих профилей поверхностей сопрягаемых звеньев и междуними возникает боковой зазор. Отметим, что при наличии высоких рабочихскоростей ведущих звеньев между нерабочими профилями поверхностей сопряженныхзвеньев может возникнуть явление удара.
На основаниивышесказанного на быстродействие PC текстильных машин будет оказывать влияние времявыработки боковых зазоров таких передач, входящих в кинематические цепиисполнительных органов PC.
Определимсуммарное время выработки всех максимальных боковых зазоров /> кинематической цепиотдельного исполнительного органа PC, получаемых при наиболее неблагоприятныхсочетаниях отклонений составляющих размеров.
В />-й цилиндрической зубчатойпередаче имеем:
/>,
где /> – гарантированный боковойзазор />-й цилиндрической передачи;/>, /> – допуск на дополнительноесмещение исходного контура шестерни и колеса соответственно />-й цилиндрической передачи;/> – верхнее предельноеотклонение межосевого расстояния />-йцилиндрической передачи; /> – уголпрофиля зуба исходного контура в нормальном сечении />-йцилиндрической передачи />.
Посколькубоковой зазор определяют в сечении, перпендикулярном к направлению зубьев, вплоскости, касательной к основным цилиндрам, поэтому время /> выработки /> в />-й цилиндрической зубчатойпередаче определится как:
/>,

где /> – число оборотов ведущейшестерни />-й цилиндрической передачи;/> – диаметр основнойокружности ведущей шестерни />-й цилиндрическойпередачи.
Учитывая, что
/>
где /> – стандартный модульзубчатого зацепления />-й цилиндрическойпередачи; /> – число зубьев ведущейшестерни />-й цилиндрической передачи,получим
/>
Для определения /> взубчатой конической ортогональной передаче воспользуемся методом дополнительныхконусов, позволяющим рассматривать взаимодействие профилей зубьев не на сфере,а на поверхности соприкасающихся со сферой дополнительных конусов. При развертываниина плоскость дополнительных конусов рассматривают зубчатую цилиндрическуюпередачу, эквивалентную зубчатой конической ортогональной передаче.
В u‑й зубчатой конической ортогональной передаче имеем:
/>,
где /> –гарантированный боковой зазор u‑й конической передачи; /> – допуск на дополнительноесмещение исходного контура шестерни и колеса соответственно u‑й коническойпередачи; /> – верхнее предельноеотклонение осевого смещения зубчатого венца шестерни и колеса соответственно u‑й конической передачи; /> – угол профиля зубаисходного контура в нормальном сечении цилиндрической передачи, эквивалентной u‑й конической передаче />.
Время /> выборки /> в u‑й зубчатойконической ортогональной передаче определится, как:
/>,
где /> – число оборотовведущей шестерни u‑й конической передачи; /> –диаметр основной окружности ведущей шестерни цилиндрической передачи,эквивалентной u‑й конической передаче.
Учитывая, что:
/>,
где /> – стандартный модульзубчатого зацепления />-й коническойпередачи; /> – число зубьев ведущейшестерни />-й конической передачи; /> – угол, равный половинеугла раствора начального конуса ведущей шестерни />-йконической передачи, получим
/>.
В />-й червячной передачеимеем:

/>,
где /> – гарантированный боковойзазор />-й червячной передачи; />– допуск на дополнительноесмещение исходного контура червяка и червячного колеса соответственно />-й червячной передачи; /> – верхнее предельноеотклонение межосевого расстояния />-йчервячной передачи; /> – угол подъеманитки червяка />-й червячнойпередачи определяется как
/>,
где /> – поступательная скоростьчервяка />-й червячной передачи, равная
/>,
где /> – число оборотов червяка />-й червячной передачи; /> – шаг червяка />-й червячной передачи,равный
/>,
где /> – стандартный модульчервячного зацепления />-й червячной передачи.
С учетом получим:
/>.

В v‑й цепной передаче имеем:
/>      
где /> – верхнеепредельное отклонение шага цепи v‑й цепной передачи; /> – нижнее предельноеотклонение шага звездочки v‑й цепной передачи; /> – предельное отклонениедлины отрезка цепи v‑й цепной передачи; /> – число звеньев в v‑й цепной передаче.
Время /> выборки /> в v‑й цепной передачеопределяется как
/>,
где /> – число оборотовведущей звездочки v‑й цепной передачи; /> – диаметр делительнойокружности ведущей звездочки v‑й цепной передачи, равный
/>,
где /> – шаг цепи v‑й цепной передачи;/> – число зубьев ведущейзвездочки v‑й цепной передачи.
С учетом имеем:
/>.

Значения параметров, входящих в />,для всех видов рассматриваемых передач определяются по соответствующейлитературе и зависят от степени или класса точности исполнения сопряженныхзвеньев этих передач.
Обозначим время запаздывания передачи /> влюбом зубчатом механизме, как />, тогдапри /> имеем:
/>,
где />
/> – максимальный боковой зазор междувзаимодействующими зубьями рассматриваемого механизма; /> – число оборотов ведущегозвена рассматриваемого механизма; /> –стандартный модуль зубчатого зацепления рассматриваемого механизма.
Время запаздывания передачи /> влюбом цепном механизме обозначим />), тогдасуммарное время /> запаздыванияпередачи /> в кинематической цепилюбого исполнительного органа робототехнического средства определяется, как
/>,

где /> – число зубчатыхпередач в кинематической цепи исполнительного органа РС; /> – число зубчатых и цепныхпередач в кинематической цепи исполнительного органа РС.
В робототехническом средстве необходимо выявить исполнительныеорганы с максимальным /> и минимальным /> значениями временизапаздывания передачи крутящего момента в кинематических цепях исполнительныхмеханизмов.
Определим диапазон времени /> запаздыванияпередачи крутящего момента от привода РС к его исполнительным органам, которыйнеобходимо учитывать при разработке циклограммы манипулятора:
/>.
Величина /> будет влиять наточность позиционирования исполнительных органов РС, а следовательно, насинхронизацию их движений и надежность работы РС. С целью повышения надежностиработы РС необходимо стремиться к уменьшению значения />, при этом считаем, чтодолжно выполняться условие:
/>,
где /> – время цикларабочего органа РС, имеющего />; /> – требуемый уровеньнадежности системы РС.
Ошибка позиционирования рабочего органа, у которого суммарноевремя запаздывания передачи /> равно /> относительно рабочегооргана, взаимодействующего с ним в течение цикла работы РС d раз и имеющего />, определяется при первомвзаимодействии как:

/>,
где /> – ошибка позиционирования при первомвзаимодействии рабочих органов; /> – скорость перемещениярабочего органа.
Для надежногофункционирования PC при разработке циклограммы последнего требуется выполнитьусловие:
/>,
где /> – допуск позиционированиярабочего органа, определяемый условиями работы PC.
При последнемвзаимодействии рабочих органов ошибка их позиционирования /> относительно друг другаравна:
/>,
т.е. имеетместо накапливание ошибки позиционирования и снижение надежности работы PC. Для того чтобыуказанный фактор не оказывал влияния на нормальное функционирование PC, при разработкециклограммы последнего необходимо выполнить следующее условие:
/>.
Анализвыражений, показывает, что для соблюдения требования и повышения надежностиработы PC при разработке его циклограммы следует произвести либо одно изнижеперечисленных действий, либо сочетание из нескольких этих действий:
1)        уменьшениечисла d взаимодействий между двумя рабочими органами;
2)        уменьшениеошибки позиционирования /> припервом взаимодействии рабочих органов;
3)        уменьшениедиапазона времени /> запаздыванияпередачи /> от привода PC к его исполнительным органам;
4)        уменьшениескорости перемещения /> рабочего органа;
5)        исключениевзаимодействия рабочих органов с суммарным временем запаздывания />, равным /> и /> соответственно, либосведение этого взаимодействия к одному разу, либо уменьшение значения />, либо увеличение значения />;
6)        уменьшениечисла /> зубчатых и цепных передачв кинематической цепи исполнительного органа;
7)        уменьшениевеличин /> максимальных боковыхзазоров в передачах кинематической цепи исполнительного органа;
8)        увеличениечисел /> оборотов ведущих звеньев впередачах кинематической цепи исполнительного органа;
9)        увеличениестандартных модулей /> в зубчатыхпередачах кинематической цепи исполнительного органа;
10)     увеличениечисел />зубьев ведущих звеньев впередачах кинематической цепи исполнительного органа;
11)     уменьшениеуглов />, равных половинамсоответствующих углов раствора начальных конусов ведущих звеньев коническихортогональных зубчатых передач, входящих в кинематическую цепь исполнительногооргана;
12)     увеличениешагов цепей />в цепных передачах, входящихв кинематическую цепь исполнительного органа.
Изприведенного перечня следует исключить пп. 4, 9…12 по следующим причинам:
–         уменьшениепараметра /> противоречит п. 8;кроме того, для повышения эффективности работы PC необходимо уменьшитьвремя выполнения им рабочего цикла по обслуживанию текстильной машины;
–         увеличениепараметров /> или /> повлечет за собойувеличение габаритных размеров передач, следовательно, увеличитсяметаллоемкость и габаритные размеры всего PC;
–         увеличениеуглов /> исключаем потому, что всуществующих конструкциях PC они приняты равными />;
–         увеличениешагов цепей /> исключаем потому, что всуществующих конструкциях PC они приняты равными 12,7 мм.
Очевидно, чтокардинальным решением взаимосвязанных проблем повышения надежности работы PC, увеличения степени егобыстродействия и синхронизации движений его исполнительных органов являетсяприменение в его конструкции беззазорных зубчатых передач, что также позволитпри наличии высоких рабочих скоростей исполнительных органов исключитьпоявление удара при соприкосновении нерабочих поверхностей зубьев. Однако этотребует высокой культуры машиностроительного производства и примененияспециальных материалов при изготовлении зубчатых передач PC, что резко повыситсебестоимость последнего. Кроме того, наладка и эксплуатация такого PC вследствие условий текстильногопроизводства требует высокой герметичности зубчатых передач и наличиявысококвалифицированного обслуживающего персонала.
Болееприемлемым является вариант, когда при взаимодействии исполнительных органоводин из них, у которого суммарное время запаздывания /> равно />, в этот момент имеетвыстой, продолжительность которого /> определяетсякак:
/>,

где /> – время, необходимое длявыполнения совместной технологической операции взаимодействующих исполнительныхорганов.
Выражение означаетувеличение зоны перекрытия временных диапазонов позиционирования исполнительныхорганов при совместном выполнении ими технологической операции. Как намиотмечалось в п. 1.1, для этой цели лучше всего использовать кулачковыемеханизмы. Далее выходное звено исполнительного механизма необходимо выполнитьсамоустанавливающимся и саморегулируемым, что позволит повысить точностьпозиционирования. Применение в кинематической схеме PC плоских ипространственных зубчатых механизмов должно быть рациональным; цепные передачине должны иметь большое межосевое расстояние. Для получения равнозначнойвероятности безотказной работы всех исполнительных органов PC необходимо такжеучитывать надежность элементов системы и последовательность их соединений.
1.6 Контроль надежности робототехнического средства при испытаниях
С целью дальнейшего повышения надежности работы РС функционированиеданной системы рекомендуется на стадии отработки опытного образца исследоватьметодами технической диагностики, позволяющими произвести распознаваниесостояний системы и оценить полученную диагностическую информацию. Состояниямисистемы РС являются типовые состояния неисправности и нормальное состояние,определяющее наиболее важный показатель надежности, т.е. отсутствие отказов вовремя функционирования системы. Исследование отказов при эксплуатации системыявляется одним из факторов, используемых при разработке мероприятий поповышению надежности. Поскольку элементы системы РС находятся в сложнойфункциональной зависимости друг с другом, поэтому получение такого показателянадежности, как вероятность безотказной работы, обычным методом неприемлема, т. к.не дает возможности выявить «слабые» элементы системы, которые следует вдальнейшем подвергнуть конструктивной отработке. Анализ состояний прииспользовании методов технической диагностики производится в условияхэксплуатации, при которых получение информации крайне затруднено, поэтому непредставляется возможным по имеющейся информации сделать однозначноезаключение, вследствие чего используются статистические методы. Благодаря своейпростоте и эффективности среди этих методов технической диагностики наибольшеераспространение получил метод, основанный на обобщенной формуле Байеса, которыйпредлагается использовать для исследования РС текстильных машин. В качествепризнаков системы РС возможно использование легко наблюдаемых без разборкиманипулятора случаев нарушения нормального функционирования его элементов: /> – самопроизвольныеостановки в точках их позиционирования; /> –увеличение погрешности точности их позиционирования; /> – увеличение погрешностивремени их прохождения между характерными точками траектории. При наличиинизких рабочих скоростей исполнительных органов данные признаки могут бытьвыявлены визуально, при высоких скоростях наблюдать их позволяет применениекиносъемки.
Для анализа системы РС на основе применения формулы Байеса необходимыстатистические сведения о характеристике состояний системы, их количестве виспытании и количестве наблюдаемых признаков в испытании. На основаниистатистических сведений определяется вероятность состояния /> по формуле:
/>,

где /> – количествосостояний в испытании; /> – общее числоиспытаний.
Далее определяется /> вероятностьпоявления признака /> у системы ссостоянием /> согласно выражению:
/>,
где /> – количествопризнаков в испытании, имеющих состояние />.
Условная вероятность состояния /> длянекоторого состояния, при комплексе признаков к согласно формуле Байесаравна:
/>,
где комплекс признаков к рассматриваем состоящим изпризнаков />, />, />, которые предполагаемнезависимыми, тогда вероятность /> рассматриваемкак вероятность сложного события, равную произведению вероятностей простых событий:
/>,
Окончательно имеем:
/>.

При пользовании формулой отсутствие какого-либо признака, например/>, рассматривается какпротивоположное событие с вероятностью />.Состояния />, />, …, />, …, /> образуют полную группунесовместных событий.
Характеристика состояний РС, а именно: неисправность элементов поотдельности или в совокупности друг с другом, определяется визуальноотсутствием передвижения манипулятора вдоль фронта текстильной машины приподаче сигнала на включение его в работу, а также при отсутствии передачидвижения от привода ходовой секции и привода рабочей секции исполнительныморганам РС. Для создания оптимальных условий наблюдения за работой РС ограждения,закрывающие кинематические связи элементов между собой, снимаются, при этомнеобходимо соблюдать осторожность. Признаки при испытании РС наблюдаютсяследующим образом: признак /> – самопроизвольныеостановки в точках позиционирования, определяется исходя из того условия, чтокинематические связи между элементами системы задействованы, а исполнительныйорган останавливается в какой-либо точке своего позиционирования при отсутствиивыстоя в циклограмме его движения; признак /> –увеличение погрешности точности позиционирования, определяется исходя из тогоусловия, что наблюдается отсутствие четкого взаимодействия между элементамисистемы РС и текстильной машиной, следствием чего является нарушениетехнологического процесса функционирования РС; признак /> – увеличение погрешностивремени прохождения между характерными точками траектории, определяется исходяиз того условия, что наблюдается отсутствие четкого взаимодействия междуэлементами самой системы РС, следствием чего является нарушение синхронизациидвижений между исполнительными органами.
На основании проведенных наблюдений при испытаниях системы РСсоставляются сводные таблицы: качественных и количественных характеристиксостояний и признаков, наблюдаемых при испытании манипулятора; итогов обработкирезультатов испытаний манипулятора. По результатам последней таблицыопределяются наиболее характерные состояния и детерминирующие признаки,присущие РС, после чего производится его конструктивная доработка.
В п. 1 отмечалось, что процесс проектирования являетсяопределяющим по возможности обеспечения надежности систем. Однако системыпроектируются при наличии некоторой неопределенности относительно приспособленностиотдельных элементов системы и системы в целом к нормальному функционированию вреальных, но недостаточно известных при проектировании условиях.Спроектированные таким образом системы, как правило, не лишены некоторыхнедостатков и до внедрения в серийное производство требуют конструкторскойотработки. Основными задачами конструкторской отработки системы«робототехническое средство» являются: проверка правильности выбранныхконструктивно-технических и схемных решений системы; обоснование целесообразностипроведения, а также оценка эффективности доработок; определение количественныххарактеристик надежности сложной системы «робототехническое средство» иразработка рекомендаций по ее повышению; проверка выполнения количественныхтребований по надежности и обоснование решения о серийном производстве ипринятии в эксплуатацию системы данной модификации. Эти задачи являются общимипрактически для всех видов элементов системы «робототехническое средство», аметоды их решения во многом определяют качество конструкторской отработкисистемы. Так как стоимость изготовления системы «робототехническое средство»высока, то сначала проектируются и создаются несколько опытных образцов,которые затем подвергаются испытаниям. Если в процессе испытаний происходитотказ системы, то обработкой имеющейся информации делается попытка оценитьпричину, вызвавшую появление отказа. По результатам подобных исследованийпроводится доработка системы «робототехническое средство», направленная наустранение предполагаемых или установленных причин появления отказов. Еслипричины появления отказов установлены, то доработка повышает надежностьсистемы. Конструкторские испытания системы «робототехническое средство»рекомендуется проводить по способу отработки системы в целом без предварительнойотработки ее основных элементов, это обосновывается тем, что выполняемые исполнительнымиорганами РС технологические операции взаимообусловлены и требуют синхронизациидвижений элементов системы. При этих испытаниях каждый отказ системы несетдостаточное количество информации для установления причины его появления иразработки мероприятий по проведению соответствующих доработок.
Поскольку «робототехническое средство» относится к открытым исеквентивным системам, поэтому исследовать надежность такой системы следует всовокупности с текстильной машиной, при этом образуется новая система –«робототехническое средство – текстильная машина», в которой РС являетсяподсистемой.
Определим необходимое число отрабатываемых РС циклов по обслуживаниюим текстильных машин или необходимое количество рабочих мест на текстильноймашине, обслуживаемых РС, при конструкторской отработке системы «РС –текстильная машина». Необходимое число отрабатываемых циклов />определяется из условия:
/>
где /> и характеризуетсобой верхний предел возможных значений надежности; /> ихарактеризует требуемый уровень надежности системы; /> ихарактеризует надежность системы до доработки; /> ихарактеризует степень неопределенности установления конструктивных, недостатковсистемы после одного неуспешного испытания.
При этом следует заметить, что значение /> заимствовано изтехнических требований на проектирование РС, а значение /> как можно ближе должнодостигать уровня значения />;значения /> и /> взяты по одному из своихграничных значений с тем условием, что увеличивают значение необходимогоколичества отрабатываемых циклов для получения большего объема информации онадежности системы «РС – текстильная машина». После подстановки значений вформулу определяем />:
/>
В соответствии с принимаем необходимое количество отрабатываемыхциклов РС равным />. Далее,учитывая, что отрабатывается система «РС – текстильная машина», в которой число/> обслуживаемых рабочих местРС может превышать значение />,следует сделать вывод о том, что
/>,
где /> – коэффициентпропорциональности, равный целому числу.
При условии обслуживания РС группы из числа /> текстильных машин, каждаяиз которых имеет /> рабочих мест,значение /> определяется выражением:
/>.

Полученное значение /> позависимостям и не должно быть менее 179.
Следует отметить, что формула определяет верхнюю границутребуемого количества испытаний для достижения заданного уровня надежности системы.
Испытание системы «РС – группа текстильных машин» рекомендуетсяначинать примерно с числа /> текстильныхмашин. При получении достаточно высокого показателя надежности работы РС зонаобслуживаемых им текстильных машин расширяется, а при получении низкогозначения показателя надежности зона обслуживания снижается. Поскольку на /> текстильных машинахколичество рабочих мест равно />,поэтому при получении низкого показателя надежности и снижении зоныобслуживания РС текстильных машин в условиях дальнейших испытаний манипулятордолжен обойти также не менее /> рабочихмест, т.е. при обслуживании /> машинон производит рабочие циклы на одной из машин дважды, а при обслуживании однойтекстильной машины он производит рабочие циклы на ней /> раз. Соблюдение этого условиянеобходимо для равнозначности информации, полученной при различных видахиспытаний PC.
При получении достаточно высокого показателя надежности работы PC и увеличении зоныобслуживания им текстильных машин в условиях дальнейших испытаний манипулятордолжен обслужить все рабочие места на каждой машине. Следует заметить, что вовсех экспериментах должно участвовать одно и то же PC, т.е. необходимособлюдать «чистоту» эксперимента, т.к. одни и те же конструкции имеютиндивидуальные особенности, которые могут сказаться на результатах исследования.
/>


2. Новые технические решения робототехнических средств для машинпрядильного производства
Ранее в п. 1 отмечалось, что каждый этап разработанногометода проектирования робототехнических средств текстильных машин может бытьиспользован как самостоятельный способ проектирования.
С целью выявления новых технических решений PC для машин прядильногопроизводства приведем применение этапа моделирования структурных схемисполнительных органов PC разработанного метода как самостоятельного способапроектирования.
Произведем синтез структурных схем исполнительных механизмовробототехнических средств на основе разработанной морфологической матрицы. Пожеланию конструктора или требованию заказчика данная матрица может бытьуменьшена или расширена и более конкретизирована, т.е. «привязана» ктехническим требованиям на проектируемое робототехническое средство.
Покажем это на примере механизма сопла автосъемника бобин дляпневмомеханических прядильных машин.
Увеличим число независимых свойств в параметре /> и в введем еще тридополнительных параметра. Получим:
/> – форма выходного звена механизма сопла,совершающего захват обрезанной нити:
а) прямолинейная />;
б) Г-образная />;
в) C‑образная />;
г) Z‑образная />.
/> – тип выходного звена механизма сопла, совершающегообрезку нити:
а)электромагнитные ножницы />;
б) Г-образныйрезак />;
в)прямолинейный резак />;
г) резак поформе всасывающего отверстия сопла />;
д) резак,имеющий форму окружности />.
/> – место расположенияустройства отрезания нити механизма сопла:
а) околокаждого рабочего места на пневмопрядильной машине />;
б) наустройстве механизма сопла, совершающего захват отрезанной нити />.
/> – наличие устройствавторой обрезки нити у механизма сопла:
а) не имеется/>;
б) имеется />.
Преобразованнаяв соответствии с дополнительными условиям морфологическая матрица имеетследующий вид:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Согласно полноечисло решений по формуле как для отдельного исполнительного механизма, так идля всего РС по формуле увеличится.
Произведемсинтез технических решений механизма сопла автосъемника бобин путем выбораальтернативных вариантов в морфологической матрице.
В приведенных далее матрицах выделенные параметры относятся квыбранным техническим решениям проектируемых механизмов.
Составим описание выбранных технических решений.
Сущность технического решения морфологической матрицы механизмасопла автосъемника бобин, представленной на рис. 11, поясняется чертежами,где на рис. 12 изображена общая схема устройства; на рис. 13 – узелзахвата пряжи и переброски ее через устанавливаемый в паковкодержатель патрон;на рис. 14 – вид А по рис. 13.
Автосъемник бобин для пневмопрядильной машины содержит механизм 1захвата и установки в паковкодержатель 2 патрона 3, механизм 4 управления паковкодержателеми узел 5 захвата пряжи 6 и переброски ее через устанавливаемый впаковкодержатель патрон. Узел 5 имеет сопло 7 со средством для перерезания пряжив виде ножниц, размешенных на самом сопле 7. Сопло 7 установлено с возможностьюпринудительного поворота посредством привода, имеющего жестко связанную ссоплом шестерню 8, зубчатый сектор 9, закрепленный на приводном валу 10,связанном посредством звездочки и цепи 12 с механизмом 1 захвата и установкипатрона.
Привод имеет два входящих в зацепление одно с другим зубчатыхколеса, из которых ведущее колесо 13 установлено на валу 10 и через вал 10жестко связано с зубчатым сектором 9 и диском 14 фиксатора сопла в егонерабочем положении. Ведомое зубчатое колесо 15 с соосно закрепленным на немколесом 16, имеющим два зубчатых сектора, установлено на оси 17, размещенной нараме 18 устройства. Колесо 16 имеет возможность зацепления своими зубчатымисекторами с шестерней 8 сопла, на торце которой закреплен диск 19 фиксаторасопла, выполненный с выемкой на ободе.
Диск 14 выполнен с выступом 20 на ободе и установлен с возможностьюразмещения выступа 20 в выемке диска 19, а зубчатый сектор 9 имеет возможностьзацепления с шестерней 8 сопла с последующим выходом из него. На раме 18закреплены упоры 21 и 22 для ограничения рабочих положений сопла, имеющего />-образную форму.
Устройствоработает следующим образом.
Движущеесявдоль машины устройство при установлении завершения на ее определенномпрядильном месте формирования паковки останавливается и подает сигнал на сброспатрона с расположенной над машиной полки 23 на специальный желоб 24устройства. Механизм 1 захвата и установки патрона из исходного положенияначинает движение к желобу, захватывает из него патрон и перемещается с ним кместу его установки в рычаги паковкодержателя. Одновременно с механизмом 1начинает свой рабочий цикл и узел захвата пряжи и переброски ее через патрон.Движение от вала механизма 1 захвата и установки патрона посредством цепнойпередачи через звездочку 11 передается валу 10. Далее вал 10 приводит вовращение зубчатое колесо 13, зубчатый сектор 9 и диск 14 с выступом. В начале рабочегоцикла узла 5 диск 14 находится в зацеплении с диском 19, в результате чегопроисходит выстой сопла 7 в исходном положении. При выходе дисков из зацепленияодин с другим в зацепление входят шестерня 8 и колесо 16, закрепленное наведомом зубчатом колесе 15, следствие этого происходит перемещение сопла 7 всторону пряжи, выходящей из вытяжных валов 25 прядильной машины. Дойдя досвоего нижнего крайнего положения, сопло останавливается у упора 21,производятся перерезание пряжи ножницами, захват и удержание пряжи соплом. Вэто же время колесо 16 выходит из зацепления с шестерней 8 и в зацепление с последнейвходит зубчатый сектор 9, в результате этого сопло с захваченной им пряжейначинает движение в сторону механизма 1 захвата и установки патрона,находящегося в данный момент у желоба 24. Сопло с захваченной им пряжей доходитдо верхнего крайнего положения и останавливается у упора 22. В этот периодвремени зубчатый сектор 9 выходит из зацепления с шестерней 8, а механизм 1захвата и установки патрона со взятым им из желоба патроном пересекаеттраекторию пряжи, удерживаемой в данный момент соплом 7, в результате чегопроисходит перекидка пряжи через устанавливаемый патрон. Далее колесо 16 входитв зацепление с шестерней 8, вследствие чего сопло возвращается в свое исходноеположение, в котором оно четко зафиксировано при помощи находящихся в данныймомент в зацеплении посредством выступа и выемки дисков 14 и 19. Механизм 1 захватаи установки пустого патрона производит сбрасывание полной паковки на лентутранспортера и установку патрона с перекинутой через него нитью в рычагипаковкодержателя прядильной машины, которые к этому моменту находятся в верхнемкрайнем положении вследствие работы механизма 4 управления паковкодержателемпневмомеханической прядильной машины. Далее паковкодержатель возвращается внижнее крайнее положение, и начинается процесс наработки паковки.

/>
/>Рис. 11. Морфологическая матрицатехнического решения механизма сопла автосъемника бобин
Сущностьтехнического решения морфологической матрицы, представленной на рис. 15,поясняется чертежами, где на рис. 16 изображена общая схема устройства; нарис. 17 – узел захвата и переброски пряжи через устанавливаемый впаковкодержатель патрон, разрез; на рис. 18 – электрические контакты вразрезе; на рис. 19 – средство для перерезания пряжи; на рис. 20, 21– узел захвата и переброски пряжи в рабочем положении; на рис. 22 –средство для перерезания пряжи со связью силового элемента с электрическими контактами.
/>
Рис. 15.Морфологическая матрица технического решения механизма сопла автосъемника бобин

Автосъемникбобин для пневмопрядильной машины содержит смонтированную с возможностьюперемещения вдоль машины каретку 1 и установленные на ней механизм 2 захвата иустановки в паковкодержатель 3 патрона 4, механизм управления 5паковкодержателем и узел 6 захвата пряжи 7 и переброски ее черезустанавливаемый в паковкодержатель патрон.
На каретке 1на оси 8 посредством подшипников 9 установлен блок звездочек 10, кинематическисвязанный с приводом механизма 2 захвата и установки патрона. На блокезвездочек 10 установлен кривошип 11, связанный с кулисой 12 посредствомразмещенного в ее криволинейном пазу 13 пальца 14. На свободном конце кулисыпосредством подшипников установлены два пространственных кулачка 15, связанныхременными передачами 16 и 17 с блоком 18 шкива со звездочкой, получающимвращение через промежуточную звездочку 19 от блока звездочек 10. На кулисе 12на оси 20 консольно установлена />-образнаятрубка 21, на которой закреплен подпружиненный фрикционный ролик 22, имеющийвозможность вращения совместно с трубкой 21 на оси и продольного перемещениявдоль нее посредством кулачков 15. На торце ролика 22 закреплен сепаратор 23 сшариками 24, прижатыми пружиной 25 к кулачкам 15.
Фрикционныйролик 22 имеет фиксатор положения, выполненный в виде установленного на кулисеконечного выключателя 26 со стержнем 27, размещенным в выемке 28 фрикционногоролика с возможностью вывода из нее.
Фрикционныйролик 22 установлен с возможностью контактирования ободом с ободом приводногоупругого ролика 29 при повороте кулисы, установленного посредством подшипников30 на оси на каретке 1 и связанного со звездочкой 31, приводимой во вращениецепью от блока звездочек 10.
На концетрубки 21 установлено средство для перерезания пряжи, имеющее неподвижную 32 иповоротную 33 зажимные губки с размещенными на их свободном конце гибкиминаправляющими 34 и закрепленными на губках режущими элементами 35. Средство дляповорота губки 33 имеет подпружиненный силовой элемент в виде электромагнита36, размещенного в трубке и электрически связанного со скользящим электрическимконтактом в виде стержня 37. Стержень 37 размещен в изолирующей втулке 38 втрубке 21 и имеет на торце выемку, в которой размещен прижатый к нему пружиной39 завальцованный на конце стержня 40 второго скользящего электрическогоконтакта шарик 41. Стержень 40 размещен в электрически связанной с датчиком втулке42, закрепленной в изолирующей втулке 43, установленной в отверстии оси 20.
Устройствоработает следующим образом.
Призавершении формирования паковки на каком-либо прядильном месте машиныперемещающаяся вдоль нее каретка 1 останавливается у соответствующего места.Пустой патрон 4, находящийся на расположенной над прядильным местом машиныполке, сбрасывается в направляющий желоб. Механизм 2 захвата и установкипустого патрона из исходного положения начинает движение к желобу, захватываетиз него патрон 4 и перемещает его к месту установки в рычаги паковкодержателя.Одновременно движение от вала механизма захвата и установки патрона посредствомцепной передачи через блок звездочек 10 передается соединенному с ним кривошипу11, палец 14 которого поворачивает кулису, скользя по прямолинейному участку еепаза 13 и перемещая ее из нижнего положения. От блока звездочек 10 вращениепередается шкивам 44 и 45 кулачков 15, вращение которых вызывает осевоевозвратно-поступательное перемещение фрикционного ролика 22 вместе с трубкой21. В результате этого при подъеме кулисы 12 зажимные губки на конце трубкипопадают в зону веера раскладки пряжи и, пересекая траекторию пряжи, улавливаютее, при этом их гибкие направляющие контролируют веер раскладки пряжи. Посигналу датчика электрические контакты 41, 37 передают электрический сигналэлектромагниту 36, который поворачивает губку 33 в направлении к неподвижнойгубке 32, в результате чего пряжа перерезается и ее конец зажимается междугубками.
Выполнениеэлектрических контактов 41, 37 скользящими позволяет трубке 21 совершать вместес фрикционным роликом 22 возвратно-поступательные перемещения.
При подходекулисы 12 к своему крайнему верхнему положению конечный выключатель 26 выводитстержень 27 из выемки фрикционного ролика 22 и освобождает его от фиксации. Вэтот момент фрикционный ролик 22 входит своим ободом в контакт с ободомприводного ролика 29, получающего вращение от блока звездочек 10 с помощьюжестко связанной с роликом 29 звездочки 31. В результате этого фрикционныйролик 22 вместе с трубкой 21 приводится во вращение в направлении, противоположномнаправлению вращения блока звездочек 10, чем осуществляется наматываниезажатого между губками 32 и 33 конца пряжи на патрон. В этот момент палец 14кривошипа 11 находится в зоне криволинейного участка паза кулисы с радиусомкривизны, равным длине кривошипа. Поэтому кулиса находится в положении выстоя.При вращении фрикционного ролика 22 трубка 21 совершает вращательное ивозвратно-поступательное движение, чем обеспечивается раскладка наматываемойпряжи на патрон, удерживаемый механизмом 2 его захвата и установки в паковкодержатель,находящимся в данный момент в положении выстоя. При этом всегда сохраняетсязазор между патроном и свободным концом трубки с зажимными губками.
Далее кулиса12 начинает возвращаться в свое исходное основное положение, посредством чегопряжа затягивается на патроне. В результате прерывания датчиком электрическогосигнала поворотная губка 33 отводится пружиной 46 от неподвижной губки 32 иосвобождает конец пряжи. Затем конечный выключатель 26 возвращает стержень 27 висходное положение, в котором он располагается в выемке фрикционного ролика 22,фиксируя его и трубку 21 от поворота.
Механизм 2захвата и установки патрона возобновляет свое движение в сторону паковкодержателя,освобождает паковку из него, сбрасывает ее на отводной ленточный транспортер иустанавливает в паковкодержатель патрон с начальными витками пряжи на нем,после чего паковкодержатель зажимает патрон и перемещается в зону намотки пряжи.
Произведемсинтез технического решения устройства нахождения и отматывания конца пряжи набобине, предназначенного в основном для установки в автоприсучальщике пряжи дляпневмопрядильной машины путем выбора альтернативных вариантов в морфологическойматрице. При этом число параметров в данной матрице сокращается. Отметим, чтопри использовании максимально конкретизированной и расширенной матрицы многиеее параметры могут оказаться не востребованными.
Составимописание выбранного технического решения.
Сущностьтехнического решения морфологической матрицы проектируемого устройства,представленной на рис. 23, поясняется чертежами, где на рис. 24изображена общая схема устройства; на рис. 25 – вид А по рис. 24; нарис. 26 – механизм реверса; на рис. 27 – положение мостика механизмареверса относительно ведущей звездочки; на рис. 28 – валик механизмареверса для отматывания пряжи с бобины; на рис. 29 – вид Б по рис. 28;на рис. 30 – сечение В-В по рис. 29.
Устройствонахождения и отматывания конца пряжи на бобине текстильной машины содержитполый двуплечий рычаг 1, зафиксированный в неподвижной опоре 2, с установленнымна его глухом конце роликом 3, находящимся посредством пружины 4 во фрикционномконтакте с кулачком 5. В направляющем продольном пазу 6 рычага 1 установленролик 7, смонтированный на глухом конце подвижной направляющей 8 и находящийсяпосредством пружины 9, закрепленной на направляющей 8, во фрикционном контактес кулачком 10. Последний связан цепной передачей посредством ведущей звездочки11, размещенной в неподвижной опоре 2, с ведомыми звездочками 12 и 13,зафиксированными на его оси. Ведомая звездочка 13 связана цепной передачей сведомой звездочкой 14, установленной на оси кулачка 5.
/>
Рис. 23.Морфологическая матрица технического решения проектируемого устройства
/>

/>
Рис. 27.Положение мостика механизма реверса

На рычаге смонтированмеханизм реверса 15, содержащий ведущую звездочку 16, консольно установленную внеподвижной опоре 2. Вокруг звездочки 16 симметрично расположены направляющие17 и 18, определяющие положение цепи 19, связывающей направляющие звездочки 20и 21, натяжные звездочки 22 и 23, расположенные в подвижных опорах 24 и 25соответственно, с ведомой звездочкой 26. Подвижный шток 27 механизма реверса15, расположенный в глухом отверстии подвижной направляющей 8, снабжен />-образным рычагом 28, вкотором установлена ведомая звездочка 26, и компенсирующей пружиной 29. Взамкнутый контур цепи 19 введен мостик 30, представляющий собой звено с шагом,большим наружного диаметра ведущей звездочки 16.
В />-образном рычаге 28 сопорной поверхностью для гибкой оболочки, выполненной в виде дуги окружности,смонтирован валик 31 для отматывания конца пряжи с бобины, состоящий изсекторов 32, имеющих гибкую, эластичную перфорированную оболочку,соприкасающийся с бобиной 33. Радиальная поверхность секторов имеет формуканавки шкива, при этом толщина одной из торцовых стенок 34 валика 31, обращеннаяк машине, превышает толщину ее оболочки.
Для передачиконца пряжи следующему исполнительному органу валиком 31 для отматывания пряжис бобины 33 устройство снабжено направляющим лотком 35.
Устройствоработает следующим образом.
Полый двуплечий рычаг 1 из крайнего нижнего положения поворачиваетсявокруг неподвижной опоры 2 в крайнее верхнее положение посредством ролика 3,находящегося во фрикционном контакте за счет пружины 4 с кулачком 5. В то жевремя подвижная направляющая 8 выдвигается из рычага 1 посредством перемещенияролика 7, находящегося во фрикционном контакте за счет пружины 9 с кулачком 10,вдоль направляющего продольного паза 6. Кулачки 5 и 10 приводятся в движение посредствомцепных передач от ведущей звездочки 11 к ведомым звездочкам 12, 13, 14.Механизм реверса 15 получает движение от ведущей звездочки 16, консольноустановленной в неподвижной опоре 2. При выдвижении подвижной направляющей 8валик 31 отматывания пряжи с бобины 33 вступает с наработанной бобиной,предварительно приподнятой над поверхностью мотального вала, во фрикционныйконтакт. При этом поверхность сектора 32 за счет имеющийся возможностиперемещения подвижного штока 27 в глухом отверстии направляющей 8 при помощикомпенсирующей пружины 29 плотно прижимается к поверхности бобины. Валик 31получает вращение от ведущей звездочки 16 через направляющие звездочки 20 и 21и натяжные звездочки 22 и 23 посредством цепи 19, в замкнутый контур которойвведен мостик 30, передающий движение ведомой звездочке 26, установленной так же,как и валик 31 в С-образном рычаге 28. При этом гибкая оболочка сектора32 валика 31 за счет перфорации и компенсирующей пружины 29 подсасывает конецпряжи и заставляет бобину 33 вращаться в сторону, противоположную вращениювалика 31, происходит сматывание пряжи с бобины 33 и наматывание ее наповерхность валика 31. Поскольку сектор 32 имеет форму канавки шкива, гибкаяоболочка охватывает и торцовую поверхность бобины 33, улавливая с нее конец пряжи.Возникновению фрикционного контакта по всей соприкасающейся поверхности междуваликом 31 и бобиной 33 способствует то, что гибкая оболочка сектора 32зажимается между бобиной и опорной поверхностью С-образного рычага 28.При наматывании определенной длины пряжи на валик 31 последний изменяетнаправление своего вращения, потому что звездочка 16 «проскакивает» в мостик30, имеющий шаг больше ее наружного диаметра. Мостик 30 оказывается спротивоположной стороны звездочки 16, и направление движения цепи 19изменяется. Направляющие 17 и 18 служат для определения положения цепи 19 при«проскакивании» звездочки 16 в мостик 30, а подвижные опоры 24 и 25 – дляподдержания натяжения в цепи 19 при изменении ее длины в процессе выдвижения подвижногоштока 27. При изменении направления вращения валика 31 подвижная направляющая 8задвигается, при этом фрикционный контакт с бобиной 33 разрывается, и онаперестает вращаться. Пряжа сматывается с валика 31 и посредством возвращениярычага 1 в крайнее нижнее положение и направляющего лотка 35 передается следующемуисполнительному органу.
Сущность технического решения морфологической матрицы проектируемогомеханизма, представленной на рис. 31, поясняется чертежами, где на рис. 32изображен общий вид устройства; на рис. 33 – вариант исполнения ползунаустройства.
/>
/>Рис. 31. Морфологическая матрицапроектируемого механизма
Механизм для воспроизведения сложного профиля содержит основание1, установленные на нем два кулачка 2 и 3, взаимодействующие с ними толкатели иведущий кривошип 4. Последний установлен на основании 1 в подшипниках 5 исвязан с приводным элементом 6. Кулачки 2 и 3 зафиксированы. Один из толкателейвыполнен в виде ползуна 7, установленного на ведущем кривошипе 4 с возможностьювозвратно-поступательного перемещения, подпружиненного пружиной 8 относительнонего и имеющего две оси 9 и 10, перпендикулярные оси ведущего кривошипа 4. Наоси 9 с возможностью вращения установлен ролик 11, предназначенный для взаимодействияс кулачком 2. Второй толкатель выполнен в виде двуплечего рычага 12,установленного с возможностью вращения на оси 10 ползуна 7 и связывающегодвуплечий рычаг и кулачок 3, выполненный торцовым и имеющий направляющуюканавку. Для взаимодействия с последней на одном конце двуплечего рычага 12через пружину 13 и ось 14 установлен завальцованный шарик 15. Другой конецдвуплечего рычага предназначен для связи с рабочим органом.
С целью сокращения габаритов механизма ползун 7 может быть выполненв виде стакана и подпружинен двумя пружинами 8 и 16. Расположение пружины 16внутри пружины 8 позволяет увеличить жесткость последней, не изменяя еегабаритов.
Механизм работает следующим образом.
При вращении ведущего кривошипа 4 вокруг кулачка 2 ролик 11 иползун 7 перемещаются вдоль его оси. Вследствие этого изменяет свое положениедвуплечий рычаг 12. Одновременно последний совершает поворот вокруг своей оси,обусловленный взаимодействием, закрепленного на одном из его концов шарика снаправляющей канавкой, выполненной на торцовом кулачке 3. В результатеустановленный на другом конце двуплечего рычага рабочий орган совершает сложноедвижение. Согласование переменного радиуса кривизны поверхности кулачка 2 иформы линии направляющего торцового профиля кулачка 3 дает возможностьполучения разнообразных форм траекторий рабочего органа.
Отметим, что на основе разработанной морфологической матрицы быловыявлено еще несколько технических решений автосъемника бобин дляпневмомеханических прядильных машин.
/> 


3. Проектирование усовершенствованного автосъемника бобин АС‑120для пневмомеханической прядильной машины ППМ‑120
Практика эксплуатации пневмомеханических и роторных прядильных,прядильно-крутильных машин, установленных в поточных линиях, показывает, что внастоящее время на международном текстильном рынке сформировалась потребность ввысокоскоростном прядильном оборудовании. В связи с этим все острее встаетпроблема разработки надежных специальных роботизированных средств длявыполнения вспомогательных операций на данных текстильных машинах. Одной изтаких вспомогательных операций является съем наработанной бобины и замена еепустым патроном на текстильной машине.
Существующий отечественный автосъемник бобин АС‑120 производитвышеназванную технологическую операцию на пневмомеханической прядильной машинеППМ‑120 недостаточно надежно, что отрицательным образом сказывается наКПВ оборудования, производительности труда, снижении себестоимости продукции иоблегчении физического труда съемщиц. Поэтому возникла необходимость созданияновой более надежной конструкции автосъемника бобин.
3.1 Анализ структурных схем основных рабочих органов существующегоавтосъемника бобин АС‑120
С целью уменьшения трудозатрат на проектирование и изготовлениеусовершенствованного механизма автосъемника бобин следует использовать возможностьмодернизации существующей конструкции. Для этого по конструкторскойдокументации были составлены структурные схемы основных исполнительных органовробототехнического средства АС‑120, который выполняет следующие операции:
–         обнаруживаеттребуемый диаметр наработанной бобины;
–         останавливаетсяоколо рабочего места прядильной машины, где обнаружена бобина с требуемымнаработанным диаметром;
–         производитсброс в накопитель патрона, предварительно уложенного на полку, расположеннуювдоль фронта прядильной машины;
–         производитзахват патрона из накопителя и установку его в рычаги бобинодержателяпрядильной машины;
–         производитобрезку и захват нити в зоне между вытяжными валами и направляющим брусомпрядильной машины;
–         производитподъем-опускание, разжим-зажим рычагов бобинодержателя прядильной машины,выталкивание наработанной бобины;
–         производитперекидывание обрезанной нити через устанавливаемый патрон;
–         движетсявдоль фронта прядильной машины.
Основными исполнительными механизмами данного автосъемника бобинявляются механизм захвата и смены патронов, механизм сопла и механизмуправления рычагами бобинодержателя пневмопрядильной машины.
Механизм захвата и смены патронов существующего автосъемникапредставляет из себя шарнирный четырехзвенный механизм с переменной длиной /> шатуна 2, имеющего паз, вкотором установлен палец, закрепленный на коромысле 3. Данный исполнительныйорган имеет две степени свободы и осуществляет захват патрона из накопителя,передачу движения рычагу механизма сопла для перебрасывания нити, захваченнойпоследним, через транспортируемый патрон, выталкивание бобины из рычаговбобинодержателей прядильной машины на ленту транспортера и установку патрона врычаги бобинодержателей. При вращении ведущего звена – кривошипа 1 – рычаг 3захвата и смены патронов, функционирующий как коромысло, имеет фазы работы примаксимальной и минимальной длине шатуна 2, т.е. при выборке его паза, в остальныхслучаях имеют место фазы выстоя, обусловленные наличием пружины 4, определяющейначальный угол /> фиксации рычагазахвата и смены патронов.
С целью определения оптимальных параметров наладки данного механизмадля синхронизации его движения с функционально-взаимодействующим с ниммеханизмом сопла автосъемника бобин исследовать циклы установившегося движенияв зависимости от регулировки начальной длины /> шатуна2, при неизменной длине /> ирасположении паза, и начального угла /> фиксациирычага захвата и смены патронов 3. Аналитические зависимости между параметрамимеханизма захвата и смены патронов определялись методом замкнутых векторных контуров.
Результаты расчетов зависимости цикла установившегося движениямеханизма захвата и смены патронов существующего автосъемника и регулировкидлины /> представлены в табл. 2.
Анализ полученных результатов показал, что при максимальной длинешатуна, равной 232,7 мм, суммарная фаза работы рычага захвата и сменыпатронов минимальна, кроме того, не имеется второй фазы подхода этого звена кбобине, вследствие чего не произойдет выталкивания последней из рычаговбобинодержателя пневмопрядильной машины и установки в них пустого патрона; максимальнаясуммарная фаза работы рычага 3 захвата и смены патронов наблюдается приустановке минимальной длины /> шатуна2 и равна 210 град. Суммарная фаза выстоя рычага 3 захвата и смены патронов,необходимая для взаимодействия с механизмом сопла и механизмом рычаговбобинодержателя, минимальна.
Таблица 2. Фазы циклограммы механизма захвата и смены патронов
в зависимости от регулировки начальной длины /> шатунаНаименование фазы Граничные значения фазы
при />=221,3 мм
при />=227 мм
при />=232,7 мм 1. Выстой 0–38 0–50 0–58
2. Работа: в т.ч.
к накопителю;
к бобине
38–109
38–82
82–109
50–96
50–77
77–96
58–84
58–75
75–84 3. Выстой 109–184 96–180 84–331
4. Работа: в т.ч.
к бобине;
к накопителю
184–323
184–260
260–323
180–327
180–262
262–327
331–335
–
331–335 5. Выстой 323–360 327–360 335–360
При изменении начального угла фиксации рычага захвата и сменыпатронов наилучшие результаты работы данного звена достигаются при егозначении, равном 50 град., причем они почти идентичны значениям, полученным придлине шатуна, равной 221,3 мм, и также синхронизируются с движениеммеханизма сопла.
На основании анализа при учете угла размаха коромысла, ограниченноготраекторией рычагов бобинодержателей, в которые устанавливается патрон, былиокончательно выбраны рациональные параметры наладки: />= 221,3 мм; />=57°. При этом установленанеэффективность работы механизма захвата и смены патронов вследствие наличиядлительных нерабочих выстоев в циклограмме его движения, что говорит о нецелесообразностиприменяемой структурной схемы в данном механизме.
Механизм сопла существующего автосъемника бобин предназначен длязахвата нити в зоне между вытяжными валами и направляющим брусом пневмопрядильноймашины ППМ‑120, обрезки ее и переброски через вновь устанавливаемыйпатрон посредством получения принудительного движения от рычага захвата и сменыпатронов. Механизм сопла содержит пространственный фигурный рычаг 1, которыйустановлен на неподвижной оси и имеет возможность свободно вращатьсяотносительно ее. На конце этого рычага непосредственно шарнирно закрепленосопло 2, производящее захват нити при помощи всасывающей воздушной струи, атакже механизм ножниц, производящий отрезку нити в процессе работы данногоустройства посредством электромагнита, закрепленного также на фигурном рычаге.Пространственный фигурный рычаг 1 получает движение от вращающегося кулачка 3,который имеет радиальный и торцовый меняющиеся профили, в результате чего рычаг1 совместно с соплом 2 совершает движение во взаимно перпендикулярныхплоскостях – вертикальной и горизонтальной.
При определении аналитических зависимостей между параметрамимеханизма сопла работа пространственного фигурного рычага была сведена крассмотрению работы двух плоских коромысловых кулачковых механизмов, а именно:движению коромысла /> в плоскости /> от радиального профилякулачка и движению коромысла /> вплоскости /> от торцового профиля кулачка.При этом следует заметить, что для этого необходимо точку /> спроектировать наплоскость />, а точку /> – на плоскость />.
В результате произведенных расчетов механизма сопла автосъемника бобинбыло установлено: при работе радиального профиля кулачка и движении коромысласовместно с соплом в вертикальной плоскости наблюдается явление скачкообразногоизменения углового ускорения ведомого звена; при работе торцового профилякулачка и движении коромысла совместно с соплом в горизонтальной плоскостинаблюдается явление скачкообразного изменения угловой скорости ведомого звена. Данныезаконы движения выходного звена неблагоприятно сказываются на работе механизмасопла и автосъемника бобин в целом, а именно: не обеспечивается надежностьзахвата соплом нити, идет быстрый износ роликов коромысловых кулачковыхмеханизмов, нарушается процесс перебрасывания нити через устанавливаемыйпатрон. В целях устранения явлений мягкого и жесткого ударов рекомендованоперепрофилировать радиальный и торцовый профили кулачка таким образом, чтобы переходс одной сопрягаемой поверхности на другую происходил плавно, т. к. при расчетебыло выявлено отсутствие данного условия.
По данным произведенных расчетов были также определены фазыциклограммы механизма сопла, представленные в табл. 4, из анализа которойследует, что в механизме сопла имеет место одновременная работа радиального иторцового профиля кулачка при 235о. Этот фактор приводит к«заклиниванию» рычага захвата и смены патронов при передаче им принудительногодвижения соплу в определенный период работы автосъемника бобин и нарушениюпроцесса перекидывания нити через устанавливаемый патрон, что говорит онедостаточной надежности применяемой структурной схемы.
Таблица 4. Фазы циклограммы механизма соплаНаименование фазы Граничные значения фазы Радиальный профиль кулачка 1. Подход к нити 0–135 2. Выстой в зоне нити 135–225 3. Отход от нити 225–360 Торцовый профиль кулачка 1. Выстой 0–172 2. Отход к рычагу захвата и смены патронов 172–207 3. Выстой 207–222 4. Уход от рычага захвата и смены патронов 222–235 5. Запрядка 235 6. Выстой 235–360
При модернизации механизма сопла наиболее рациональным вариантомявляется отказ от пространственной структурной схемы данного механизма и применениеконструкции, работающей только в вертикальной плоскости.
Более подробно анализ функционирования механизма захвата и сменыпатронов и механизма сопла существующего автосъемника бобин отражен в работе.
Механизм управления рычагами бобинодержателя прядильной машины состоитиз ведущего кулачка 1, имеющего радиальный и торцовый профили, и двухзвенногорычага 2. Радиальный профиль, воздействуя на ролик 3, поворачивает весь рычаг 2относительно горизонтальной оси, что обеспечивает при соприкосновении ролика наконце рычага 2 с подвижным плечом бобинодержателя прядильной машины подъем последнегои отрыв бобины от мотального вала. Торцовый профиль обеспечивает поворот звенарычага 2 в направлении отклонения подвижного плеча бобинодержателя для егораскрытия и освобождения бобины из зажимов тарелок. Профили кулачка 1 выполненытак, что после выталкивания бобины и совмещения оси тарелок с осью патронабобинодержатель освобождается от воздействия рычага 2, зажимает тарелкамипатрон и опускается вместе с ним на мотальный вал.
Механизм управления рычагами бобинодержателя прядильной машиныимеет возможность переналадки в процессе эксплуатации, т.е. его движение можносогласовать с движениями остальных исполнительных органов автосъемника бобин ипо данным производственных испытаний, проведенных сотрудниками ПензНИЭКИПМаша,работает достаточно надежно.
Следует отметить, что согласно кинематическому расчету для рассматриваемойконструкции АС‑120 угловые скорости ведущих звеньев всех вышеупомянутыхисполнительных механизмов одинаковы и равны 1,4 с-1.
Поскольку механизм сопла в определенном цикле своей работы получаетпринудительное движение от механизма захвата и смены патронов, т.е. ихнормальное функционирование взаимосвязано, к тому же выходное звено механизмасопла имеет сложную траекторию и выявлены недостатки в структурных схемахданных рабочих органов, поэтому наиболее целесообразным представляется обратитьвнимание на модернизацию механизма захвата и смены патронов и механизма сопла.

3.2 Определение конструктивных требований к функциональновзаимодействующим структурным схемам рабочих органов автосъемника бобин
 
Главным условием нормального протекания технологического процессасъема наработанных бобин и установки на их место пустых патронов на пневмомеханическойпрядильной машине является четкое согласование работы основных исполнительныхмеханизмов автосъемника бобин. С целью выявления взаимодействия рабочих органовавтосъемника бобин был проведен анализ процесса замены наработанной бобиныпустым патроном в вышеупомянутых источниках, а также на существующем автосъемникебобин.
Данный анализ показывает, что при работе исполнительных механизмовавтосъемника бобин должны выполняться следующие основные граничные условия,определяющие конструктивные требования к функционально-взаимодействующимструктурным схемам рабочих органов:
-         висходном положении исполнительные органы основных механизмов не препятствуютпродвижению автосъемника бобин вдоль фронта пневмомеханической прядильноймашины;
-         присвоей работе исполнительные органы основных механизмов
автосъемника бобин не препятствуют выполнению друг другом технологическихопераций;
-         выталкиваниенаработанной бобины из рычагов бобинодержателя пневмомеханической прядильноймашины происходит после того, как механизм сопла произведет обрезку и захватнити;
-         обрезкуи захват нити соплом можно производить как в зоне между вытяжными валами инаправляющим брусом, так и в зоне между направляющим брусом и мотальным валомпрядильной машины, но нить легче обрезать в зоне между направляющим брусом имотальным валом прядильной машины, т. к. там она имеет большее натяжениенежели в другой зоне;
-         подъемрычагов бобинодержателя прядильной машины механизмом управления их движениемпроисходит после того, как будет обрезана и захвачена нить, но до того момента,когда бобина будет вытолкнута;
-         механизмсопла в зоне захвата и обрезки нити должен иметь достаточный выстой дляпроведения данной технологической операции;
-         взависимости от номера вырабатываемой пряжи выстой механизма сопла в зонезахвата и обрезки нити имеет различное значение;
-         вовремя процесса перекидки обрезанной нити через устанавливаемый патрон,происходящего посредством передачи принудительного движения соплу механизмомзахвата и смены патронов, сопло должно постоянно находиться в контакте ссопрягаемой поверхностью механизма захвата и смены патронов;
-         возвращениерычагов бобинодержателя прядильной машины в исходное положение происходит послетого, как обрезанная нить будет перекинута через патрон, установленный в рычагибобинодержателя;
-         привозвращении в исходное положение механизм сопла не должен находиться в зонезахвата и обрезки нити;
-         привозвращении в исходное положение механизм сопла должен пройти зону междуустановленным патроном и мотальным валом после того, как они войдут вофрикционный контакт друг с другом, чтобы обрезанная нить была захвачена междупатроном и мотальным валом;
-         длятого чтобы повысить эффективность работы автосъемника бобин, т.е. снизить времяего рабочего выстоя около рабочего места прядильной машины, требуется наличиемеханизма второй обрезки нити, т.к. в противном случае необходимо дожидатьсяпока вся длина захваченной соплом нити не будет выбрана из него;
-         скоростьвсасывания соплом нити не должна быть меньше скорости выпуска пряжи;
-         длялучшего согласования движений исполнительных органов
автосъемника бобин необходимо иметь для выполнения каждой технологическойоперации в процессе съема наработанной бобины и установки на ее место пустогопатрона свой отдельный рабочий орган;
-         возвращениев исходное положение механизма сопла и механизма захвата и смены патроновпроисходит после того, как установленный патрон войдет в контакт с мотальнымвалом прядильной машины.
На основании этих граничных условий можно определить требования к траекториямфункционально-взаимодействующих рабочих органов автосъемника бобин. Онизаключаются в следующем:
-         рабочийорган механизма выталкивания наработанной бобины может совершатьвозвратно-поступательное или возвратно-вращательное движение, следовательно, впервом случае его траекторией является прямая линия, в другом – дуга окружности;
-         механизмуправления рычагами бобинодержателя прядильной машины должен обеспечиватьдвижение в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: для подъема и разжатиярычагов, в обеих плоскостях движение может совершаться как по прямой линии, таки по дуге окружности;
-         рабочийорган механизма захвата и смены патронов может совершать движение как по прямойлинии, так и по дуге окружности;
-         рабочийорган механизма сопла имеет сложную траекторию в виде замкнутой кривой линии,проходящей через характерные точки движения с выстоем.
В связи с вышеизложенным структурными схемами исполнительных органовавтосъемника бобин могут являться:
а) при движении по дуге окружности:
-         кривошипно-коромысловыймеханизм;
-         кулачковыйкоромысловый механизм;
-         кулисныймеханизм;
-         зубчатыймеханизм;
б) при движении по прямой линии:
-         кривошипно-ползунныймеханизм;
-         кулачковыймеханизм с толкателем;
-         зубчато-реечныймеханизм;
-         кулисныймеханизм;
в) при движении по замкнутой кривой линии, проходящей через характерныеточки:
-         плоскийчетырехзвенный рычажный механизм;
-         плоскийзубчато-рычажный механизм;
-         кулачковыймеханизм;
-         синтездвух механизмов, задающих два закона движения выходному звену.
Кривошипно-коромысловый, кулисный, кривошипно-ползунный механизмыотносятся к плоским рычажным механизмам, которые получили широкоераспространение в современном машиностроении.
Зубчатый и зубчато-реечный механизмы относятся к механизмам,имеющим высшие кинематические пары и обладают сравнительной сложностьюизготовления. Зубчатые колеса, как правило, подвергаются термической обработкедля увеличения твердости поверхности зубьев. Требования к точности изготовлениязубчатых колес выше, нежели к плоским рычажным механизмам, поэтому они ивыделены в технологии машиностроения в отдельный раздел «Зубонарезание».
Кулачковый коромысловый механизм и кулачковый механизм с толкателемотносятся также к механизмам, имеющим высшие кинематические пары. Длясопряжения пары кулачок-коромысло и кулачок-толкатель характерны переменныеусловия контакта. Для такого сопряжения основную роль в распределении износа наповерхности трения играет изменение внешних факторов по отношению к каждомуучастку поверхности. Неравномерный износ профиля кулачка приводит к нарушениюпередаваемого закона движения, что способствует отклонению исполнительногооргана от заданной траектории.
Кроме того, неравномерный износ профиля кулачка приводит к возникновениюдополнительных динамических нагрузок и нередко является основной причинойотказа всего механизма. На показатель долговечности и надежности кулачковогомеханизма также непосредственное и существенное влияние оказывает технологическийпроцесс изготовления кулачка. Ошибки в изготовлении профиля кулачков набольшинстве заводов, применяющих для этой цели координатный или кинематическийспособ, оказывают значительно большее влияние на динамические качества механизмов,чем выбор того или иного закона движения. Неточность изготовления сводит на нетэтот выбор, и поэтому технология или точность обработки и сборки имеют большеезначение для надежной работы механизма, продолжительности его службы, чемназначение более удачного закона движения ведомого звена. Кроме того,проектирование кулачковых передач более трудоемко, нежели зубчатых передач иплоских рычажных механизмов, а технологически изготовить кулачок гораздосложнее, чем зубчатое колесо, что в свою очередь влияет на себестоимость.
Применение однотипных передач рабочих органов будет способствоватьповышению степени унификации изделия, что благоприятно сказывается на общемуровне технологического процесса и на себестоимости автосъемника бобин в целом.
Кривошипно-ползунный механизм, кулачковый механизм с толкателем,зубчато-реечный механизм требуют наличия направляющей достаточной длины свысокой точностью обработки поверхности, что усложняет технологический процессизготовления самого механизма, увеличивает его габаритные размеры, повышаетсебестоимость изготовления.
На основании вышеизложенного приходим к выводу, что рациональнымиструктурными схемами исполнительных органов автосъемника бобин являютсяследующие:
-         длямеханизма выталкивания наработанной бобины из рычагов бобинодержателя имеханизма захвата и смены патронов – кривошипно-коромысловый механизм имеханизм с качающейся кулисой;
-         длямеханизма сопла – кулачковый механизм и синтез двух механизмов, задающих двазакона движения выходному звену;
-         длямеханизма управления рычагами бобинодержателя прядильной машины – кулачковыймеханизм.
В связи с тем, что на проектирование исполнительных органовавтосъемника бобин наложены жесткие граничные условия, принимаем следующиеструктурные схемы исполнительных органов – механизм выталкивания полной бобинысовмещаем с механизмом захвата и смены патронов – кривошипно-коромысловыймеханизм; механизм сопла – кулачковый механизм, выходное звено которого имеет вопределенном цикле работы автосъемника бобин принудительное движение от рычагазахвата и смены патронов; механизм управления рычагами бобинодержателяпрядильной машины – оставляем существующий кулачковый механизм, т.к. он имеетвозможность переналадки в процессе эксплуатации.
3.3 Новые технические решения основных исполнительных органовавтосъемника бобин АС‑120 с учетом граничных условий проектирования
 
Учитывая тот факт, что необходимо повысить надежность процесса автоматизированногосъема наработанных бобин и установки на их место пустых патронов напневмопрядильных машинах ППМ‑120 с наименьшими затратами материальныхресурсов, следует испытать возможность модернизации существующего автосъемникабобин АС‑120, улучшив при этом структурные схемы его наименее надежныхисполнительных органов, а именно: механизма сопла и механизма захвата и сменыпатронов. При этом новые технические решения основных исполнительных органовавтосъемника бобин АС‑120 должны приниматься с учетом граничных условийпроектирования, таких как:
-         недопустимоизменять точку /> вращениякривошипа механизма захвата и смены патронов относительно плоскости />;
-         недопустимоизменять точку /> вращения кулачкамеханизма сопла и рычага захвата и смены патронов относительно плоскости />;
-         недопустимоизменять точку /> подвеса коромысламеханизма сопла относительно плоскости />;
-         недопустимоизменять направление вращения приводных валов вокруг центров /> и />;
-         недопустимоизменять передаточное отношение между валами с центрами /> и />;
-         изменениеразмеров звеньев механизмов исполнительных органов возможно в пределахгабаритных размеров автосъемника бобин АС‑120;
-         недопустимоизменять способ захвата нити механизмом сопла;
-         необходимоустранить заклинивание механизма сопла и механизма захвата и смены патронов приконтакте поверхностей их исполнительных звеньев;
-         необходимоустранить смещение центра патрона от центра тарелочек бобинодержателейпневмопрядильной машины при установке патрона в них;
-         необходимосопло выполнить самоустанавливающимся и саморегулируемым, а также свозможностью переналадки в процессе эксплуатации;
-         недопустимоизменять конструкцию пневмопрядильной машины ППМ‑120;
-         недопустимоизменять месторасположение направляющих металлоконструкций, по которымпроисходит передвижение автосъемника бобин вдоль фронта пневмопрядильной машиныППМ‑120.
Сущность технических решений морфологических матриц изменяемыхмеханизмов, представленных на рис. 37 и 38, с учетом граничных условийпроектирования поясняется чертежами, где на рис. 39 изображен автосъемникбобин в момент обрезки и захвата нити соплом; в этот момент фрикционный контактбобины с мотальным валом прерван посредством механизма управления рычагамибобинодержателя; 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; нарис. 47 – вариант исполнения всасывающего патрубка сопла; на рис. 48– вид Г по рис. 47; на рис. 49 – структурная схема механизма захватаи смены патронов; на рис. 50 – исполнение шатуна механизма захвата и сменыпатронов; на рис. 51 – рычаг устройства захвата патронов; на рис. 52– момент выталкивания бобин диаметром 180 и 250 мм; на рис. 53 – видД по рис. 52.
Автосъемник бобин содержит следующие рабочие органы: механизм 1управления рычагами бобинодержателя прядильной машины, механизм 2 сопла имеханизм 3 захвата и смены патронов. Механизм 2 сопла содержит коромысло 4,установленное на неподвижной оси 5, на котором зафиксирован ролик 6, находящийсяво фрикционном контакте с кулачком 7, име-ющим возможность поворота вокруг оси8 своей установки. На свободном конце коромысла 4 установлен ограничительповорота сопла 9, а также шарнирно закреплено сопло 10. Ограничитель поворотасопла 9 имеет регулировочные пазы 11 и упорную поверхность 12. Сопло 10содержит направляющую фигурную поверхность 13, имеющую на своем свободном концерегулировочные пазы 14 и закрепленную посредством шарнира 15 на свободном концекоромысла 4. На направляющей фигурной поверхности 13 через пазы 14 закрепленаопора 16, на которой установлена направляющая втулка 17, находящаяся в контактес кулисой 18 сопла 10, внутри которой установлен всасывающий патрубок 19, наконце которого закреплен резак 20. Кулиса 18 сопла 10 посредством пружины 21,установленной на ней, и направляющей 22 опоры 16 имеет возможность сменыположения при упоре ролика 23, зафиксированного на кулисе 18 сопла 10, впрепятствие. К направляющей втулке 17 подсоединен гибкий шланг 24, принимающийформу направляющей фигурной поверхности 13. Всасывающий патрубок 19 может бытьвыполнен разъемным с возможностью смены длины, при этом он снабжен направляющей25, фиксирующей положение всасывающего отверстия относительно кулисы 18 сопла10; в этом случае при регулировании даны сопла 10; всасывающий патрубок 19выдвигается на необходимую длину из кулисы 18 сопла 10. На конце всасывающегопатрубка 19 может быть закреплен резак 26, установленный над всасывающимотверстием. Механизм 3 захвата и смены патронов содержит кривошип 27, установленныйна приводном валу 28, кинематически связанном с приводом автосъемника бобин.
Кривошип 27шарнирно соединен с шатуном 29, который, в свою очередь, шарнирно соединен свыходным звеном-коромыслом, устройством 30 захвата патронов, установленным нанеподвижной оси 31. Шатун 29 состоит из двух элементов 32 и 33, соединенныхжестко между собой посредством пазов 34, которые обусловливают возможностьрегулировки длины шатуна 29. Устройство 30 захвата патронов содержит рычаг 35,на котором установлены фигурный кронштейн 36, часть которого, сопряженная споверхностью рычага 35, охватывающей патрон, имеет форму дуги окружности,выталкиватель бобины 37, выполненный в виде фигурной пластины, свободный конецкоторой имеет форму дуги окружности, конечный выключатель 38 и фигурнуюпластину 39, закрепленную на шарнире 40.
Работает автосъемник бобин следующим образом. Данное устройстводвижется вдоль фронта пневмомеханической прядильной машины. При обнаружениинаработанной бобины с требуемым диаметром автосъемник останавливается околоданного рабочего места, происходит сброс патрона, предварительно уложенного наполку, расположенную вдоль фронта пневмопрядильной машины, в накопитель, затемначинают работу все исполнительные механизмы 1, 2 и 3 автосъемника. Движение отприводного вала 28 передается оси 8, а от – нее кулачку 17. Кулачок 7посредством фрикционного контакта с роликом 6 передает движение коромыслу 4, наконце которого установлено сопло 10. Предварительно угол наклона /> сопла 10 регулируетсяограничителем поворота сопла 9 посредством регулировочных пазов 11, черезкоторые он неподвижно крепится к коромыслу 4, при этом меняется угол наклонаупорной поверхности 12. Длина сопла 10 предварительно также регулируетсяпосредством смещения опоры 16 относительно направляющей фигурной поверхности 13через пазы 14, после чего опора 16 неподвижно крепится к направляющей фигурной поверхности13. Предварительно длина сопла 10 может быть отрегулирована выдвижениемвсасывающего патрубка 19 из кулисы 18 сопла 10 посредством направляющей 25 нанеобходимую длину. При движении коромысла 4, а следовательно, и сопла 10 всторону пневмопрядильной машины происходит контакт ролика 23 с направляющимбрусом, при этом ролик 23 и кулиса 18 сопла 10 вместе с всасывающим патрубком19 посредством пружины 21 и направляющей 22 меняют свое положение относительнонаправляющей фигурной поверхности 13, т.е. «вылет» сопла 10 уменьшается, приэтом кулиса 18 сопла 10 задвигается внутрь направляющей втулки 17. Придальнейшем движении коромысла 4 в сторону пневмопрядильной машины происходит«вкатывание» ролика 23 на направляющий брус, при этом сопло 10 самоустанавливаетсяна направляющем брусе относительно пряжи, наматываемой на бобину; причем приэтом процессе угол наклона /> сопла10 либо остается прежним, либо увеличивается, т.е. в данном случае угол наклонасопла 10 не зависит от ограничителя поворота сопла 9. После самоустановки сопла10 на направляющем брусе происходит обрезка пряжи резаком 20 за счет большогонатяжения пряжи в этой зоне и засасывание конца обрезанной пряжи всасывающимпатрубком 19. Механизм 1 управления рычагами бобинодержателя прядильной машиныв это время поднимает вышеупомянутые рычаги, прерывая тем самым фрикционныйконтакт наработанной бобины с мотальным валом. К этому времени механизмом 3 захватаи смены патронов произведен захват патрона из накопителя, при этом кривошип 27получает вращение от приводного вала 28 и передает движение шатуну 29, которыйв свою очередь передает это движение устройству 30 захвата патронов, котороепроизводит захват патрона из накопителя посредством отжима-зажима фигурнойпластины 39, вращающейся вокруг своего шарнира 40 при взаимодействии с конечнымвыключателем 38. Далее устройство 30 захвата патронов движется в сторонупневмопрядильной машины, транспортируя при этом патрон к месту его установки врычаги бобинодержателей. При этом движении фигурный кронштейн 36 вступает вконтакт с направляющей фигурной поверхностью 13 механизма 2 сопла, посредствомчего 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 сторонупневмопрядильной машины выталкиватель бобины 37 вступает в контакт снаработанной бобиной либо верхней своей частью, либо нижней, в зависимости отдиаметра бобины, при этом происходит выталкивание бобины на ленту транспортера.В рычаги бобинодержателей устанавливается патрон с перекинутой через негопряжей, при этом патрон освобождается из рычага 35 посредством взаимодействияконечного выключателя 38 и фигурной пластины 39. Для того чтобы патрон точно спозиционироватьпри его установке в рычаги бобинодержателей, имеется возможность изменить уголразмаха устройства 30 захвата патронов при помощи изменения длины шатуна 29посредством смещения относительно друг друга элементов 32 и 33 и их жесткойпоследующей фиксации через пазы 34. Кроме того, применение конечноговыключателя 38 позволяет устранить смещение центра патрона от центра тарелочекбобинодержателей при установке патрона в них. Далее механизм 1 управлениярычагами бобинодержателей опускает последние в исходное положение. Механизм 3захвата и смены патронов движется при этом в сторону накопителя. Сопло 10плавно опускается вниз вокруг шарнира 15 посредством контакта направляющейфигурной поверхности 13 с фигурным кронштейном 36, а коромысло 4 начинает движениев сторону исходного положения. Сопло 10 проходит достаточно близко к зоне,ограниченной поверхностями установленного патрона, мотального вала исопрягающей их диаметры поверхностью, в результате чего происходит захват нитимежду патроном и мотальным валом, т.е. начинается процесс наработки бобины. Всерабочие органы автосъемника возвращаются в исходное положение, а устройстводвижется к следующему рабочему месту пневмопрядильной машины.
Учитывая тот факт, что передача устанавливаемого патрона новыммеханизмом 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°. Домодернизации данный механизм имел следующие конструктивные параметры: />=85 мм; />= 221,3…232,7 мм; />= 53 мм; />= 80 мм; />=50…57°. При этом неизменялись: длина рычага захвата и смены патронов (/>=253 мм); угловая скорость входного звена-кривошипа.
С целью определения оптимальных параметров наладки данного механизмадля синхронизации его движения с функционально-взаимодействующим с ним новыммеханизмом сопла автосъемника бобин исследовались циклы установившегосядвижения в зависимости от регулировки начальной длины />шатуна и начального угла /> фиксации рычага захвата исмены патронов, диапазоны изменения значений которых определены из техническойдокументации на автосъемник бобин и условий монтажа последнего напневмопрядильную машину соответственно.
Результаты расчетов зависимости цикла установившегося движениянового механизма захвата и смены патронов автосъемника бобин от регулировкиначального угла фиксации /> представленыв табл. 5, анализ результатов которой показывает, что при увеличении значенияначального угла фиксации /> уменьшаетсяначальная фаза движения в сторону накопителя, суммарная фаза движения в сторонубобины остается постоянной и равной 186о, а фаза движения в сторонуувеличивается.
Таблица 5. Фазы циклограммы механизма захвата и смены патронов взависимости 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 движениянового механизма захвата и смены патронов автосъемника бобин от регулировкиначальной длины /> шатунапредставлены в табл. 6.

Таблица 6. Фазы циклограммы механизма захвата и смены патронов взависимости 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 увеличениизначения начальной длины /> шатунауменьшается начальная фаза движения в сторону накопителя, фаза движения всторону бобины увеличивается, конечная фаза движения в сторону накопителя такжеувеличивается.
Учитывая тот факт, что мотальный механизм пневмопрядильной машиныППМ‑120 и механизм управления рычагами бобинодержателя автосъемника бобинне подвергались в данном случае модернизации, следует признать оптимальнымипараметрами наладки нового механизма захвата и смены патронов следующие: />=45,65°; />=183,3 мм. При этом рабочаяфаза движения механизма составляет 264о при минимальной длинешатуна.
Из приведенных данных следует, что эффективность работы усовершенствованногомеханизма захвата и смены патронов увеличилась, а его металлоемкостьуменьшилась вследствие уменьшения габаритных размеров звеньев и уменьшениячисла элементов, входящих в структурную схему рассматриваемого механизма.Последний фактор положительным образом отразится на надежности работы какмеханизма захвата и смены патронов, так и автосъемника бобин в целом.

3.4 Определение траектории выходного звена механизма сопла
Модернизированный механизм сопла автосъемника бобин представляет собойплоский кулачковый коромысловый механизм.
Очевидно, что для профилирования кулачка данного механизма необходимоопределить: траекторию выходного звена механизма сопла и конструктивные параметрыкоромысла.
Выходное звено механизма сопла при своем движении должно пройтинесколько 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, определяющаяпродолжительность выстоя сопла в зоне обрезки и захвата нити; 4 – крайняяверхняя точка сопряжения поверхности сопла с поверхностью рычага захвата исмены патронов при совместном движении механизма сопла с механизмом захвата исмены патронов; 5 – точка прохождения сопла около поверхности патрона, установленногов 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 характернымиточками 1 и 2 траектория определяется дугой окружности; между характернымиточками 2 и 3 траектория определяется прямой линией; между характерными точками3 и 4 траектория определяется дугой окружности; между характерными точками 4 и5, 5 и 6, 6 и 7 траектории определяются кубическими сплайнами. Траекториявыходного звена механизма сопла представлена на рис. 56 и определяетсяследующими уравнениями:
участок 1–2: />,

где /> – координатыточки подвеса коромысла; /> –максимальное расстояние от точки подвеса коромысла до крайней точки звена, равное:
/>,
где /> – общая длинакоромысла; /> – длина сопла; /> – угол наклона сопла;
участок 2–3: />,
где k и b – параметры прямой, определяемой конструктивным расположениемнаправляющего бруса;
участок 3–4: />,
где />, /> – координаты крайнегоправого положения шарнира, установленного на конце коромысла;
участок 4–5: />,
где />, />, />, /> – коэффициентыкубического сплайна;
участок 5–6: />,
где />, />, />, /> – коэффициентыкубического сплайна;
участок 6–7: />,

где />, />, />, /> – коэффициентыкубического сплайна.
Дляопределения коэффициентов />, />, />, /> на всех n элементарных отрезкахнеобходимо получить /> уравнений. Частьиз них вытекает из условий прохождения графика функции /> через заданные точки, т.е./>. Этиусловия можно записать в виде:
/>,
/>
Вычислимпроизводные кубического сплайна:
/>
Приравнивая вкаждом внутреннем узле /> значения этихпроизводных, вычисленные в левом и правом от узла интервалах, получаем /> уравнений:
/>,
/>.
Недостающиедва соотношения получаются из условий закрепления концов сплайна.
В частности,при свободном закреплении концов можно приравнять нулю кривизну линии в этихточках. Такая функция, называемая свободным кубическим сплайном, обладаетсвойством минимальной кривизны, т.е. она самая гладкая среди всехинтерполяционных функций данного класса. Из условий нулевой кривизны на концахследуют равенства нулю вторых производных в этих точках:
/>, />.
Уравнения …составляют систему линейных алгебраических уравнений для определения /> коэффициентов />, />, />, />. Эту систему решаемметодом Гаусса, изложенным в курсе программирования и имеющимся в банкестандартных программ, введенных в память ЭВМ.
3.5 Оптимизация конструктивных параметров коромысла нового механизмасопла
 
Вторая задача, а именно определение конструктивных параметровкоромысла механизма сопла, заключается в выявлении общей длины /> коромысла, длины /> сопла и угла наклона /> сопла.
Очевидно, что поставленная задача требует оптимизации вышеназванныхпараметров коромысла механизма сопла, которую необходимо провести с цельювыбора наилучшего варианта. Выбор оптимального решения или сравнение двухальтернативных решений проведем с помощью некоторой целевой функции,определяемой проектными параметрами. В процессе решения задачи оптимизациидолжны быть найдены значения проектных параметров, при которых целевая функцияимеет экстремум.
Целевую функцию оптимизации проектных параметров коромысла механизмасопла можно записать в виде:
/>,
где /> – наименьшийугол 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 длянаглядности выбора принимаемого решения будем строить график каждой переменнойотдельно в виде кривой на плоскости. Задача оптимизации конструктивныхпараметров механизма сопла относится к задачам с ограничениями, т.е. имеетсязависимость между проектными параметрами, которые должны учитываться принахождении решения. Этой зависимостью является соотношение.
Таблица 7. Координаты точек траектории выходного звена механизмасопла 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 механизмасопла на участке 5–6
/>
/>; />; />; />
Порядковый номер точки
траектории
Абсцисса xточки
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, определяющийминимальный угол отклонения коромысла. Кроме того, задана точка, определяющаяцентр положения патрона /> при верхнемкрайнем 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 координатынекоторой вершины многогранника допустимых решений и найдем все ребра,выходящие из этой вершины, двигаясь вдоль того ребра, по которому линейнаяцелевая функция убывает, приходим в новую вершину. Находим все выходящие из нееребра, 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 вершиныпринимаются в качестве оптимальных значений рассматриваемых проектныхпараметров. Поскольку в нашем случае параметры /> зависятот угла наклона касательной к окружности, поэтому за многогранник допустимыхрешений примем треугольник ABD, вершины которого заданы координатами: />, />, />. Определим уравнениепрямых, 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 механизмасопла 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 срадиусом />. При этом известна точкавращения 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 шарниракоромысла, на котором установлено сопло.
Тогда />,
/>,
/>.
8. Выводим напечать />.
9. Идем вдольстороны AD, при этом значение x будет в пределах от /> до/>, шаг />, вычисляем значение />.
10. Вызываемподпрограмму KOR.
11. Доходимдо вершины D, идем вдоль стороны BD, при этом значение x будет в пределах от /> до />, вычисляем значение />.
12. Доходимдо вершины B, идем вдоль стороны AB, при этом значение /> будетв пределах от /> до />, вычисляем значение />.
Значениявыходных параметров в точках A, B и D будут вычислены дважды.
Подпрограмма KORрешает задачу нахождениякоординат общей точки касательной и окружности, к которой она проведена.
Алгоритмрешения данной задачи также представим словесно-формульным описанием:
1. Задаетсяточка /> с координатами /> и />, из которой проводитсякасательная к окружности с радиусом />, центркоторой задан координатами /> и />.
2. Решаемсистему уравнений двух окружностей:
/>,
где /> и />; /> – расстояние между точками/> и />; /> – расстояние от точки /> до точки касания прямой сокружностью; /> и /> – координаты точкикасания.
Послепреобразований получим:
/>.
Пусть />,
/>, />.
Тогда />             или       />,
где />, />.
Послепреобразований получим:
/>,
где />,
/>,
/>.
3. Из двухзначений y выбираем максимальное согласно конструктивным особенностяммеханизма сопла.
4. Находимуравнение прямой, проходящей через две точки, а именно точку /> и точку касания.
Пусть />, />, тогда
/> и />,
где k и b – параметры прямой суравнением />
Блок-схемасимплекс-метода представлена на рис. 59. Результаты расчетов представленыв табл. 10, на основании которых построены графики, из которых выбранооптимальное решение целевой функции />. Приэтом для выявления минимума целевой функции вычислялись параметры /> и /> по следующим зависимостям:

/>,
/>.
Поминимальному значению /> определеныследующие оптимальные параметры коромысла механизма сопла: />, /> и />.
Таблица 10. Значенияпараметров для расчета целевой функцииПорядковые 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. 11представлена характеристика состояний работоспособности механизма сопла приразличных сочетаниях конструктивных параметров. При этом следует заметить, чтозона 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 механизмасопла.
В табл. 12представлены способы устранения неработоспособных характерных состояниймеханизма сопла.
Таблица 11. Характеристикасостояний работоспособности механизма соплаПорядковые 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. Способыустранения состояний неработоспособности механизма соплаХарактеристика 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
Согласновыявленным параметрам коромысла произведено профилирование кулачка механизмасопла по дугам окружностей, что позволило:
-         уменьшитьугол размаха коромысла;
-         уменьшитьдлину коромысла;
-         уменьшитьдлину сопла;
-         уменьшитьгабаритные размеры конструкции механизма сопла;
-         уменьшитьметаллоемкость конструкции механизма сопла;
-         устранитьявление мягкого и жесткого ударов и повысить надежность работы как механизмасопла, так и всего автосъемника бобин.
Отметим, чтопрофилирование кулачка механизма сопла с учетом синхронизации движенийисполнительных механизмов автосъемника бобин подробно изложено в работе. Приэтом его габаритные размеры остались примерно такими же.
Проведенныепроизводственные испытания усовершенствованного автосъемника бобин доказали,что надежность его работы повысилась и достигла величины 0,968. Дальнейшееувеличение надежности автосъемника бобин данной конструкции связано сразработкой отдельного механизма для выталкивания наработанной бобины или сразработкой механизма для определения диаметра бобины. Производственныеиспытания автосъемника бобин подтвердили также вывод о том, что егоэкономическая эффективность зависит от номера вырабатываемой пряжи, т.е. чемвыше ее номер, тем эффективнее работа данного устройства.
Применениеразработанной методики проектирования автосъемника бобин позволило получитьэкономический эффект.

Выводы
Одним из основных направлений развития текстильной промышленностиявляется освоение автоматизированного поточного способа производства пряжи,связанного с обязательным использованием робототехнических средств. Активноеиспользование РС в данных поточных линиях осложняется необходимостьюсамостоятельного изготовления предприятиями их составных элементов ипериферийного оборудования, поэтому целесообразно сотрудничество с использованиеммеждународного разделения труда, а также различных форм международнойкооперации. В качестве последнего России в сфере создания РС для текстильной промышленностив условиях современной экономической ситуации рекомендуется выбратьпроектирование данных устройств по требованиям заказчика. Для ускорениявнедрения РС в текстильную промышленность необходимо также существенно повыситьих надежность и снизить себестоимость.
С целью снижения затрат на создание РС разработан метод ихпроектирования, который позволяет выявить различные технические решения данныхустройств по требованию потребителя независимо от конструктивных особенностейтекстильной машины, а также произвести оценку надежности механизмовисполнительных органов и всего РС на стадии проектирования и конструкторскойотработки опытного образца. Данный метод включает в себя шесть этапов: разработкуфункциональной структуры РС; моделирование структурных схем исполнительныхорганов РС; алгоритм моделирования траектории выходного звена исполнительногооргана РС; выбор критериев оптимизации р проектировании РС; выявлениепринципов разработки циклограммы РС и контроль надежности РС при испытаниях.Каждый этап разработанного метода может быть использован как самостоятельныйспособ проектирования РС.
Определено максимальное количество исполнительных механизмов робототехническогосредства текстильной машины, на основании чего разработана схема взаимосвязеймежду элементами РС, с учетом которой выявлена функциональная структурапоследнего. Анализ и улучшение выявленной функциональной структуры позволяютповысить надежность работы РС.
На основе применения метода Ф. Цвики разработана морфологическаяматрица моделирования структурных схем исполнительных механизмов РС машинпоточной линии прядильного производства, позволяющая выявить все возможныеварианты технических решений исполнительных механизмов.
Для РС текстильной машины разработан алгоритм моделированиятраектории выходного звена исполнительного органа по характерным точкампоследнего с учетом повторения участков траектории и синхронизации работы всехисполнительных механизмов. При реализации разработанного алгоритма выявленауниверсальная структурная схема исполнительного механизма РС, позволяющаяполучить широкий спектр всевозможных траекторий выходного звена исполнительногооргана.
С целью выбора критериев оптимизации при проектировании робототехническихсредств текстильных машин определены целевые функции и их значения. Дляуменьшения затрат машинного времени ЭВМ и учета конкретных требований заказчикана проектируемое РС введен приоритет целей. Для РС существующих текстильныхмашин в качестве приоритетов первого уровня целей целесообразно принятьгабаритные размеры РС, тип траектории и число характерных точек выходныхзвеньев исполнительных механизмов. Для критериев, имеющих информативно-смысловойхарактер, предложено ввести шкалу экспертных оценок. Выявлены принципыразработки циклограммы РС с учетом оценки быстродействия, синхронизации инадежности работы его исполнительных органов.
С целью дальнейшего повышения надежности работы РС текстильноймашины рекомендовано функционирование данной системы на стадии отработкиопытного образца исследовать методами технической диагностики на основеприменения обобщенной формулы Байеса, что позволяет выявить «слабые» элементысистемы. В качестве признаков системы РС предложено использовать следующиеслучаи нарушения нормального функционирования ее элементов: самопроизвольныеостановки в точках их позиционирования; увеличение погрешности точности ихпозиционирования; увеличение погрешности времени их прохождения между характернымиточками траектории.
С целью выявления новых технических решений РС для машинпрядильного производства показано применение этапа моделирования структурныхсхем исполнительных органов РС как самостоятельного способа проектирования. Приэтом определено: 10 новых технических решений исполнительных органов автосъемникабобин для пневмопрядильной машины; техническое решение устройства нахождения иотматывания конца пряжи на бобине текстильной машины, предназначенное в основномдля установки в автоприсучальщике пряжи; техническое решение механизма длявоспроизведения сложного профиля, предназначенное для перемещения рабочихорганов по сложным плоскостным траекториям.
Приведен пример методики проектирования робототехническогосредства – автосъемника бобин для пневмопрядильной машины ППМ‑120. С этойцелью составлены и проанализированы структурные схемы основных рабочих органовсуществующего автосъемника бобин АС‑120, к которым относятся: механизмзахвата и смены патронов; механизм сопла и механизм управления рычагамибобинодержателя пневмопрядильной машины. Определены рациональные параметрыналадки механизма захвата и смены патронов, при этом установлена неэффективностьработы данного узла. Выявлена недостаточная надежность работы механизма сопла.Определены структурные схемы механизмов, которые могут быть применены вконструкции манипулятора данного назначения.
На основе разработанной морфологической матрицы моделированияструктурных схем исполнительных механизмов РС машин поточной линии прядильногопроизводства и с учетом граничных условий проектирования усовершенствованаконструкция существующего автосъемника бобин АС‑120 с целью повышениянадежности его работы. При этом изменены структурные схемы механизма захвата исмены патронов и механизма сопла.
Показано увеличение эффективности работы усовершенствованного механизмазахвата и смены патронов. Определена траектория выходного звена механизмасопла. Проведена оптимизация конструктивных параметров коромыслаусовершенствованного механизма сопла, что позволило после профилированиякулачка данного узла уменьшить угол размаха коромысла, длины коромысла и сопла,габаритные размеры и металлоемкость конструкции механизма сопла, а такжеповысить надежность работы данного узла и всего автосъемника бобин.
/> 


Библиографический список
1.        Использованиеробототехнических средств в прядильном производстве. Обзорная информация.Хлопчатобумажная промышленность / ЦНИИТЭИлегпром. – М.: ЦНИИТЭИлегпром, 2009. –40 с.
2.        Хавкин,В.П. Автоматизация оборудования и технологических процессов на баземикропроцессорной техники / В.П. Хавкин, И.В. Горн //Текстильная промышленность. – 2008. – №11.
3.        Расчеткинематических 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.        Теориясистем 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.        Приводымашин: справочник. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 2007. – 248 с.
9.        Ушакова,Н.Л. Разработка функциональной структуры робототехнических средствтекстильных машин / Н.Л. Ушакова // Изв. вузов. Технологиятекстильной 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 паковокна прядильной машине / А.К. Расторгуев, В.И. Власов // Новыеисследования по разработке и применению робототехнических систем в текстильнойи легкой промышленности: межвуз. сб. науч.-техн. тр. – Л., 2007. – С. 111–120.
12.      Ушакова,Н.Л. Повышение эффективности и надежности работы автосъемника бобин дляпрядильных пневмомеханических машин / Н.Л. Ушакова // Разработка исовершенствование технологических процессов и художественного оформленияизделий в текстильной и легкой промышленности: межвуз. сб. науч. тр. – М.,2008. – С. 65–67.
13.      Методыпоиска 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 машинпрядильного производства / Н.Л. Ушакова // Теория и практика перспективныхспособов 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.