Оптимизация параметров рычажных механизмов станочных приспособлений

УДК 681.5

А.М. Щекин, Е.А.Куликова, А.Н. Кочин

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ СТАНОЧНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Приведен сравнительный анализ методов расчета рычажных механизмов станочных приспособлений. Дано описание программы для оптимизации параметров механизма закрепления. Рассмотрено влияние изменений конструкций рычажных механизмов на характеристики привода приспособлений.

Ключевые слова: рычажный механизм, силы закрепления, методы расчета, оптимизация параметров

Использование в большинстве конструкций станочных приспособлений в качестве зажимных устройств рычагов позволяет при относительной простоте получить выигрыш в силе, обеспечить постоянство усилия зажима, осуществлять закрепление в труднодоступных местах.

Применительно к технологической оснастке одной из задач является обеспечение минимальных габаритов приспособления, а это вызывает необходимость поиска такой конструкции рычажного механизма, которая может быть использована в требуемой схеме закрепления и при которой уравновешивающая сила будет минимальной. Все это требует больших пересчетов параметров, характеризующих рычаг как звено цепи тех элементов, из которых состоит приспособление

Исходными данными для проектирования зажимного механизма является схема зажима и требуемая сила закрепления детали.

Для определения усилия, которое обеспечивает требуемую силу закрепления, можно воспользоваться тремя методами.

Геометрический метод определения исходного усилия заключается в продлении линий действий сил, до точки их пересечения, с параллельным переносом в соответствующем масштабе для построения треугольника сил (рис. 1).

Рис. 1. Геометрический метод:

© Щекин А.М., Куликова Е.А., Кочин А.Н., 2014.

а - силы, действующие на рычаг; б - построение в масштабе реакции Лд;

в - треугольник сил

Математический метод заключается в составлении уравнений прямых с целью нахождения координаты точки пересечения линий действия сил, для определения углов, характеризующих соотношение между силами, действующими на рычажный механизм.

Первые два метода основаны на том, что все силы, действующие на механизм, находящийся в состоянии покоя, сходятся в одну точку: мгновенный центр сил, действующих на деталь, образуя замкнутый многоугольник сил, который можно свести к треугольнику сил.

Однако данные методы нельзя использовать при многократном пересчете, так как они завязаны с определенной схемой механизма и определенными размерными параметрами. В случае изменения размеров, что часто случается в процессе проектирования, перерасчет приходится проводить заново.

Отличительной особенностью расчета рычажного механизма физическим способом является более точное описание воздействий и, как следствие, всех реакций, действующих на рычажный механизм (что при традиционных расчетах не делается), возможность производить перерасчет искомых величин, изменяя параметры и конструкцию рычажного механизма.

На рис. 3 - 11, 12, 13, 14, 15, ф - параметры, характеризующие геометрию рычага (15-аналогично 11, перпендикулярно плечу 13); 01,02,03,04,05 и С-координаты центров масс всех составляющих рычажный

механизм элементов и центр масс всей конструкции соответственно; Q, Л, Ж-реакции, возникающие в рычажном механизме.

Конструкция рычажного механизма, представленная на рис. 1, может изменять свой вид, путем добавления или вычитания плеч 11, 15, 14.

Рис. 2. Математический метод

Рис. 3. Физический метод

В процессе эксплуатации станочных приспособлений нередко используются и усложненные углом наклона плеч рычажные механизмы.

Схемы сил, действующих на рычаги, расположенные под углом, показаны на рис. 4 и

рис. 5.

Рис. 4. Введение угла а2

Рис. 5. Введение угла а3

Искомыми величинами в случае многократного перерасчета изменяемых параметров рычажного механизма, которыми являются 11, 12, 13, 14, 15, а2, а3, будут являться: исходное усилие Ж, необходимое для обеспечения требуемой силы закрепления детали усилие Q; нагрузка, действующая на ось рычага минимальный диаметр оси, выдерживающий нагрузку приблизительная масса рычага М; минимальное поперечное сечение рычага, при котором он способен выдержать, действующую на него нагрузку; минимальный диметр штока, передающего рычагу нагрузку от пневмоцилиндра; необходимый диаметр пневмоци-линдра, для обеспечения требуемого исходного усилия, который и будет выбран за критерий оптимальности, влияющий на габариты приспособления.

Изменение параметров рычажного механизма влечет за собой целую цепочку перерасчетов это занимает много времени и является весьма трудоемким процессом.

Для облегчения поиска оптимальной конструкции и геометрии рычажного механизма была разработана программа КМ-4, на языке С++.

Данная программа дополнена информацией по выбору коэффициента трения, расчетом силы закрепления детали типа тела вращения рычажным механизмом, расчетом коэффициента запаса.

Расчет можно вести как с конкретными значениями, так и в диапазоне значений одного из параметров, задав пределы его изменения.

Параметры Номер

***РАСЧЕТ РЫЧАЖНОГО МЕХАНИЗМА***

11

-1-

12 13 14 15 (НЕТ) Инструкция

-2--3--4--5- -Ш- -6-

Введите номер изменяемого параметра:

г

Введите начальное значение 12,(мм) 100

Введите конечное значение 12,(мм) 200

Введите в миллиметрах 11, 13 ,14 ,15

10

100

D

Введите градусы ALF2 ,ALF3

23 5

Сила закрепления Q(H) = В ООО

Коэффициент трения

0.2

U,(Н>-Исходное усилие М,(кг)-Масса рычага Ь,(мм)—Поперечное сечение рычага 50,(Н)-Нагрузка на ось D0,(MM)-min диаметр оси DsJi, (мм)-тз_п диаметр штока

0

12,(мм) U,(H) М,(кг) Ь,(мм) S0,(H) DO,(мм) Dsh,(мм) D,(мм) D(1

100 7658 1.81 19 15658 15 7 163 103

110 8848 2.05 20 16848 16 8 175 111

120 10038 2.3 21 18038 16 8 187 118

130 11229 2.55 22 19229 17 8 197 125

140 12420 2.8 22 20420 18 9 207 131

150 13611 3.05 23 21611 18 9 217 138

160 14802 3.31 24 22802 18 10 226 143

170 15993 3.58 24 23993 19 10 235 149

180 17184 3.85 25 25184 19 10 244 154

190 18376 4.12 26 26376 20 11 252 160

200 19567 4.4 26 27567 20 11 260 165

Рис. 6. Результаты расчета искомых величин

Из рис. 6 видно, как с изменением одного из параметров рычажного механизма диаметр пневмоцилиндра меняется в габаритах: от 260 до 103 мм в диаметре.

Графики изменения искомых параметров в зависимости от величины угла а3 представлены на рис. 7 и рис. 8. Полученные данные приведены при изменении угла а3 от О0 до 600.

3x10

4

2.5x10>

W6(l1, 12,13, x) 2x10

4

1.5x10r

1x10

350 300

D6(11, 12, 13, x)250 200 150

20 40

x

60

0

20 40

x

60

Рис. 7. График изменения силы W(Н) при угле наклона плеча 3 от 0 до 60 о

Рис. 8. График изменения .О(мм), при угле наклона плеча 3 от 0 до 60 о

0

Выводы

В статье рассмотрены методы расчета рычажного механизма, которыми можно воспользоваться при определении усилия, необходимого для обеспечения требуемой силы закрепления. Анализ данных методов показал, что наиболее подходящим, позволяющим производить перерасчет всех необходимых при проектировании величин при изменении параметров и конструкции рычажного механизма, является физический метод. Разработанная с использованием данного метода программа позволяет проводить анализ влияния различных конструкций рычагов на характеристики и параметры станочных приспособлений и выбирать оптимальный по размерам вариант привода.

1. Вардашкин, Б.Н. Станочные приспособления: справочник. В 2-х т. Т. 1. / Б.Н. Вардашкин, В.В. Данилевский. - М.: Машиностроение, 1984. - 656 с.

Дата поступления в редакцию 11.12.2014

A. M. Schyekin, E. A. Kulikova, A. N. Kochin

OPTIMIZATION OF PARAMETERS OF LEVER MECHANISMS OF MACHINE RETAINING DEVICES

Nizhny Novgorod state technical university n. a. R. E. Alexeev

A comparative analysis of calculation method of lever mechanisms for machine retaining devices engineering is supplied. A description of the programme for fixing mechanism parameters optimization is given. The effect of a modification of lever mechanisms construction on the drive properties of the retaining devices is studied.

Key words: lever mechanism, retaining pressure, engineering design methods, optimization of parameters.