Обоснование и разработка возможных подходов для создания управляемых механизмов прецизионного машиностроения

УДК 621.01

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВОЗМОЖНЫХ ПОДХОДОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРЕЦИЗИОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

К.А. Каримов

Приводятся результаты научных исследований по обоснованию перспектив разработки теоретических основ и конструкций механизмов с управляемыми связями в зоне контакта высших и низших кинематических пар для точного машиностроения с широким использованием принципов прецизионной вибромеханики.

Ключевые слова: упругие колебания, внешние физические поля, прецизионное приборостроение, амплитуда, частота, микроудары, вибромеханика, волновые процессы, «бегущая волна», «стоячая волна».

В настоящее время одним из важнейших задач является разработка научно обоснованных, высокопроизводительных, конкурентоспособных, импортозамещающих и экспортоориентированных инновационных технологий и проектов, машин и механизмов, приборов по мировым стандартам для различных отраслей промышленности. В решениях Международной Федерации по теории механизмов и машин (ШТоММ) подчеркивается, что одним из основных актуальных научных направлений является необходимость активизации научных исследований по управляемым механизмам и механическим системам. Актуальность проблемы обусловлена в связи с совершенствованием технологических процессов и технологического оборудования в механизмах точного машиностроения, в робототехнике и приборостроении, где требуются компактность и высокая точность.

Применение принципов прецизионной вибромеханики позволяют создать оригинальные устройства с высокими техническими показателями. Одним из принципов прецизионной вибромеханики является возбуждение в твердом деформируемом теле организованных волновых процессов частотой от десятков килогерц до нескольких мегагерц и согласовании их с резонансными колебаниями. Упругие колебания тела, преобразованные в микроудары или в трение в зоне контакта, используются в качестве движителя механического устройства. Амплитудой, частотой и скоростью распространения волн в диапазоне применяемых в устройствах частот легко управлять. Кроме того, это дает возможность осуществить управляемое движение по нескольким координатам (в частности, двухкоординатное прецизионное позиционирующее устройство) без промежуточных передаточных звеньев с наименьшим износом поверхностей. Используя высокочастотные микровибрации можно добиться синхронности вращения фрик-ционно-сопряженных колес и управлять фазовым углом между ними. Это обуславливает высокую точность создаваемых механизмов [1-2].

Следует подчеркнуть, что в силах трения могут быть изменены нормальные составляющие упругими колебаниями типа «бегущая волна», а также возбуждением высокочастотных упругих колебаний типа «стоячая волна» в зоне контакта. Разработана и аналитически реализована следующая математическая модель управляемого поступательного движения позиционирующего устройства, основанный на изменение силы трения между фрикционно сопряженными звеньями механизма:

2 Л (М + т)х = тг(й соъШ-/Р

í

-2 -2 xz+yz

2 У

(М + т)у = шгсо sin coi — jP

í

2 •2 xz+yz

где M и т - массы соответственно корпуса подвижного элемента и деба-ланса; г - величина эксцентриситета; / - коэффициент сухого трения скольжения; Р - сила давления подвижного элемента на основание.

Проведены качественные исследования нелинейных дифференциальных уравнений четвертого порядка с целью определения основных характеристик управляемого движения [3-4].

Рассмотрена также задача об управлении вращением фрикционно-сопряженных колес силой сухого трения и составлена математическая модель. Уравнение вращения ведомого колеса при наличии проскальзывания (/jco - Г2Ф Ф 0) может быть представлено в виде

^Ф = r2fp{t)sign(i\a - г2ф) - М .

При этом будем полагать, что управляющая функция изменяется по гармоническому закону

P(t) = Р()- APsin coi.

Причем для наличия постоянного контакта между колесами необходимо, выполнение неравенства АР < Pq . Тогда исходное уравнение может быть переписано в виде

—wX — -/(Pq ~ APsin(út)signx - —. r<2 r2

В дальнейшем определено неравенство существования стационарного, равномерного в среднем, вращения ведомого колеса 0 < а < 1. Получено следующее выражение для средней угловой скорости ведомого колеса

2тс/

СО

™ср=— J<M'>

Z71 0

а также определена величина, характеризующая уменьшения средней угловой скорости ведомого колеса вследствие наличия проскальзывания.

Дальнейшим развитием вышеуказанного управляемого позиционирующего механизма является конструкция оптического сканирующего устройства для отклонения зеркала, в зависимости от технологических требований. При возбуждении высокочастотных упругих колебаний сферического вибропреобразователя зеркало поворачивается вокруг оси, проходящей через начало координат под действием силы, возбуждаемой динамическим дебалансом. Продолжительность возбуждения колебаний и фаза возбуждения относительно положения вектора момента определяют положение мгновенной оси поворота в пространстве и угловую скорость зеркала, т.е. вектор угловой скорости зеркала определяется системой управления при постоянной угловой скорости. Таким образом, изменяя силу трения между пьезокерамическим преобразователем и сферическим держателем, можно будет получать желаемое положение зеркала в пространстве. В целом, виброуправляемые механизмы и механические системы могут быть успешно использованы при разработке конструкции дефлекторов и сканирующих устройств для мощных лазерных излучений и управляемых фазовращателей.

С использованием этих принципов можно также разработать новые конструкции шаговых механизмов с расширенными функциональными возможностями. Эти устройства перемещают объекты медленными скоростями, микро шагами и точно устанавливают их на заданной координате. Шаговые механизмы и двигатели широко используются в механизмах металлообрабатывающих станков и прессов, конвейеров, транспортеров, промышленных роботов, в устройствах текстильной и полиграфической промышленности. Механизмы такого класса находят применение также в механизмах точного позиционирования, реализующих перемещения по заданной программе.

При разработке теоретических основ и конструкций механизмов и машин с управляемыми параметрами перспективным является также другое направление прецизионной вибромеханики — использование различных внешних физических полей, в частности, магнитных, акустических, электрических и др. Посредством этих полей представляется возможным управлять, контролировать и регулировать параметры механических систем, в зависимости от технологических требований, в широких пределах [5-6]. Рассмотрена задача поступательного движения подвижного элемента, основанная на электрореологическом эффекте. Получено следующее дифференциальное уравнение движения подвижного элемента:

тх = Ь (ш- х),

где т - масса вала вместе с электрореологической жидкостью.

Исследуемую механическую систему можно рассматривать как преобразователь вращательного движения в поступательное перемещение при существенном уменьшении износа поверхностей фрикционно-сопряженных кинематических пар низшего и высшего классов, а также как новый класс управляемого вибродвигателя.

Теоретические исследования и новые конструкции этих механизмов могут быть использованы в прецизионном машиностроении, приборостроении, робототехнике, вычислительной технике, медицине, космической и специальной технике и др.

Список литературы

1. Клюев В.В. Прецизионная вибромеханика и вибротехника. Научная школа К.М. Рагульскиса. М.: Издательский дом «Спектр», 2012. 192 с.

2. Вибрации в технике: справочник в 6 т. / под ред. акад. К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 1978-1981. Т. 1-6.

3. Development and analytical realization of the mathematical model of controlled motion of a positioning mechanism. Part 1. / K. Karimov, A. Ahme-dov [ett all] // European Applied Sciences. V. 3. 2015. P. 61-63.

4. Development and analytical realization of the mathematical model of controlled motion of a positioning mechanism. Part 2. / K. Karimov, A. Ahme-dov [ett all] // European Applied Sciences. V. 4. 2015. P. 63-66.

5. Шульман З.П., Кордонский В.И. Магнитореологический эффект. М.: Наука и техника, 1982. 184 с.

6. Электрореологический эффект / под ред. А.Лыкова. М.: Наука и техника, 1972. 176 с.

Каримов Камалхон Аббасович, д-р техн. наук, проф., kamolxon. karmov@gmail. com, Республика Узбекистан, Ташкент, Ташкентский государственный технический университет им. Абу Райхана Беруни

SUBSTANTIATION AND WORKING OUT OF POSSIBLE APPROACHES FOR CREATION OF OPERATED MECHANISMS OF PRECISION MECHANICAL ENGINEERING

K.A. Karimov

Results of scientific researches on a substantiation of prospects of working out of theoretical bases and designs of mechanisms with operated communications in a zone of contact of the higher and lowest kinematic pairs for exact mechanical engineering with wide use of principles precision vibro-mechanics are resulted.

Key words: elastic fluctuations, external physical fields, precision devices, amplitude, frequency, microblows, vibro-mechanics, wave processes, «running wave», «standing wave».

Karimov Kamalhon Abbasovich, doctor of technical science, professor, kamolxon. karmov@gmail.com, Republic Uzbekistan, Tashkent, The Abu Rayhan Beruni Tashkent State Technical University