3.2. Кинетостатика исполнительных механизмов кузнечо-штамповочных маши

При проектировании различного рода двигающихся устройств и механизмов кузнечно-штамповочных машин часто возникает задача проверки их работоспособности и расчета кинетостатических параметров рабочего звена.

Выполнить такие расчеты позволяют в настоящее время множество продуктов, например система COSMOSMotion фирмы Structural Research & Analysis Corp., которая выполнена как программа-надстройка над SolidWorks. Работает рассматриваемая программа в документе сборка, а запустить ее можно вызовом команды Инструменты -> Добавления… (рис. 96).

Рис. 96. Диалог добавления приложения

По выполнению этой команды в дереве конструирования добавиться кнопка, позволяющая конструктору получить доступ к командам и возможностям системы (рис. 97).

Рис. 97. Вид дерева конструирования после добавления приложения

Далее рассмотрим компоненты интерфейса пользователя CAE COSMOSMotion, который состоит из следующих основных частей: меню COSMOSMotion и проводник IntelliMotion.

Меню COSMOSMotion. COSMOSMotion добавляет в главное меню SolidWorks новое меню (рис. 98) для документов сборки. Меню COSMOSMotion содержит все инструменты, необходимые для построения, моделирования и анимирования сборок SolidWorks.

Проводник IntelliMotion. Когда пользователь активирует COSMOSMotion, то появится новое функциональное дерево (рис. 99), называемое проводником IntelliMotion, который появляется в левой части экрана. Этот проводник обеспечит графический иерархический вид модели механизма и поможет осуществить подготовку исходных данных с применением функций drag and drop.

Рис. 98. Меню COSMOSMotion

Рис. 99. Дерево проводника IntelliMotion

В общем виде процесс моделирования механизмов с применением инструментов COSMOSMotion состоит из следующих основных шагов.

Первым шагом при моделировании механизма является определение движения его составляющих частей. Пользователей определяет их движение установкой ограничений. Ограничения определяют, как закреплены твердые тела и как они двигаются относительно друг друга.

Соединения в COSMOSMotion идеализируют их бесконечную упругость, они не имеют масс, и не учитывают любые зазоры или “смазку”. В CAE COSMOSMotion имеется три вида соединений:

1. соединение, использующее сопряжения относительно движения пары упругих тел посредством их физического соединения;

2. первичные соединения, использующие вынужденные стандартные геометрические сопряжения;

3. моделируемые сопряжения используют моделирование контакта между точкой и поверхностью или между двумя поверхностями.

К сопряжениям прикладываются нагрузки, которые ассоциируются с геометрией, и используются определенные ими в следующем контексте: если начало контакта определено как конечная точка границы и если конечная точка двигается под воздействием изменения геометрии, то соединение будет передвигаться вместе с этой конечной точкой.

Соединения, сдерживающие относительные перемещения пары упругих тел их физического соединения. Упругие тела действуют и двигаются как элементарные единицы. Компоненты SolidWorks автоматически становятся упругими телами COSMOSMotion. Следующая Табл. показывает поддерживаемые COSMOSMotion соединения (см. таблицу 10).

Процедура создания модели механизма является вторым шагом при подготовке исходных данных для выполнения расчета. Процесс создания моделей механизмов предусматривает следующий простой алгоритм:

1. необходимо указать, какие компоненты сборки SolidWorks будут принимать участие, в движении модели используя функции проводника IntelliMotion;

2. определить любые дополнительные соединения в проектируемой механической системе путем выделением подходящих зон соединения, используя меню Соединения, открыв диалоговое окно вставки Соединений и выбрать компоненты, которые необходимо закрепить;

Таблица 10

Соединения	Перемещение	Вращение	Суммарное в конструкции
Поворотные рычаг	3	2	5
Линейное	2	3	5
Цилиндрическое	2	2	4
Сферическое	3	0	3
Универсальный	3	1	4
Винтовое	5	5	1
Планетарный	1	2	3
Неподвижный	3	3	6

3. определить вид движения приводных точек механической системы. Не всем соединениям необходимо назначать движение;

4. добавить гравитационные силы, задать пружины, демпферы или другие оказывающие воздействие на проектируемый механизм факторы;

5. запустить моделирование механизма. Щелчком мыши пользователь осуществляет запуск решателя MSC.ADAMS, предназначенного для решения получившихся в результате выполнения вышеуказанных действий системы уравнений.

6. просмотреть получившиеся результаты. Пользователю предлагается просмотреть анимацию выполненного процесса.

Помимо этого COSMOSMotion позволяет получить численные результаты моделирования для лучшего анализа рассчитанных характеристик проектируемого механизма. Например, COSMOSMotion позволяет получить, например, численные значения нагрузки на каждом соединении и при их движении. Для анализа кинето-статических параметров в общем случае нет необходимости строить сложную модель главного исполнительного механизма со всеми подробностями, которые иногда во время проектирования и вовсе бывают неизвестными. Быстрый анализ позволяет выполнить предлагаемая в этой лабораторной работе методика Построение схем механизмов необходимо начать с подготовки твердотельных моделей тел, входящих в анализируемый механизм. В общем виде схему любого механизма можно получить из следующей совокупности тел, описание которых приведено в таблице 11.

Таблица 11

Функциональное назначение и описание тел

№	Изображение	Описание
1		Представляет собой элемент, закрепленный от перемещения по всем трем плоскостям
2		Звено является элементом, которое закрепляется в одной или двух точках и может совершать вращательное движение
3		Ползун представляет собой элемент, который закрепляется в верхней точке и может совершать поступательное перемещение по одной из осей

На примере создания кривошипно-ползунного механизма рассмотрим методику быстрого создания главных исполнительных механизмов кузнечно-штамповочных машин на основе описанных выше тел.

Для начала построения в системе SolidWorks необходимо открыть документ Сборка (рис. 100).

Вставка компонентов начинается по выполнении команды Вставка -> Компонент -> Из файла…, которая открывает окно проводника Вставить компонент… (рис. 101).

Щелкая по кнопке Обзор… в открывшемся диалоге выберете соответствующую модели деталей (рис. 102).

При вставке модели COSMOSMotion выдаст запрос о добавлении нового компонента в соответствующую категорию дерева проводника IntelliMotion (рис. 103).

Рис. 100. Вид документ окна Сборки

Рис. 101. Диалог проводника Вставить компонент

Рис. 102. Окно проводника

Рис. 103. Диалог COSMOSMotion при вставке модели

в документ сборки SolidWorks

При положительном ответе на этот запрос ссылка на модель будет помещена в соответствующую категорию проводника IntelliMotion. При отрицательном ответе ссылка попадет в категорию Компоненты Сборки, из которой конструктор сможет поместить импортируемый компонент в соответствующую категорию. Вставляя первый компонент необходимо помнить о том, что SolidWorks автоматически переведет его в состояние «Зафиксированный», которое, однако можно убрать, выбрав компонент в Дереве проекта, щелкнув правой кнопкой мыши и выполнить команду «Освободить».

Выполнив команду «Освободить» необходимо зафиксировать опору самостоятельно, назначив сопряжения по трем плоскостям (рис. 104).

Рис. 104. Вставка модели опоры

После вставки опоры к ней необходимо подставить второе звено, длина которого будет равна длине радиуса кривошипа (см. рис. 105).

Для построения схемы рассматриваемого механизма необходимо добавить еще одну модель звена. Но при этом следует учесть, что добавление модели звена лучше всего выполнять не копированием имеющейся модели, а созданием еще одного файла с моделью такого же вида.

Добавление новой модели осуществляется точно так же, как и всех предыдущих (см. рис. 106).

Рис. 105. Установка сопряжений двух компонентов

Рис. 106. Добавление еще одного звена

И к настоящему моменту построенная схема имеет следующий вид (рис. 107). Для завершения построения схемы кривошипно-ползунного механизма осталось вставить модель ползуна, который должен совершать вертикальные поступательные перемещения. Это осуществляется по алгоритму, показанному на рис. 108.

Рис. 107. Общий вид схемы механизма

Рис. 108. Установка сопряжений модели ползуна

Подобным образом можно построить любую из существующих схем главных исполнительных механизмов кузнечно-штамповочных машин. Размеры звеньев могут меняться благодаря параметрически заданным моделям SolidWorks перед непосредственным выполнением расчета.

Двойным щелчком по любой из модели открывается группа характеризующих ее размеров. Для изменения размера необходимо выбрать нужный, и дважды щелкнув по нему вызвать диалог изменить (рис. 109).

Рис. 109. Диалог редактирования размеров Изменить

Все необходимые для работы с рассматриваемой программой инструменты располагаются на панели COSMOSMotion (рис. 110).

Перед запуском модели на расчет необходимо настроить опции конструктора IntelliMotion, диалог которого вызывается щелчком по кнопке Конструктор IntelliMotion , расположенной на рассматриваемой панели (рис. 110).

Рис. 110. Панель инструментов COSMOSMotion

Этот диалог состоит из набора закладок Units (Единицы), Gravity (Гравитация), Parts (Детали), Joints (Соединения), Springs (Пружины), Motion (Движение), Simulation (Моделирование), Animation (Анимация), Interferences (Интерференция) и VRML. К части этих закладок доступ имеется непосредственно из дерева проводника IntelliMotion, но некоторые настройки программы нуждаются в небольшом пояснении.

Закладка Units (Единицы) предлагает конструктору выбрать единицы измерения сил и времени.

Закладка Gravity (Гравитация) предлагает установить гравитационные параметры, к которым относится ускорение свободного падения и направление осей системы координат.

Закладка Parts (Детали) отображает структуру модели COSMOSMotion по двум категориям Moving Parts и Ground Parts.

Закладка Joints (Соединения) отображает имеющиеся в модели COSMOSMotion соединения по следующим категориям: Fixed (Фиксированный), Revolute (Вращение), а также стандартных сопряжений SolidWorks, определяемых при создании модели сборки.

Закладка Springs (Пружины) отображает все соединения с учетом всех наложенных ограничений.

Закладка Motion (Движение) определяет вид передаваемого движения в имеющихся соединениях.

Рис. 111. Диалог инструмента «Конструктор IntelliMotion»

Закладка Simulation (Моделирование) задает параметры решателя, такие, как приращение шага и число записей, а также возможность установки моделирования движения во время расчета и использования массовых свойств, хранящихся в моделях используемых деталей.

Закладка Animation (Анимация) определяет параметры записи AVI-файла, который позволяет создать этом же диалоге.

Закладка Interferences (Интерференция) позволяет выполнить проверку различного рода пересечений в схеме механизма.

Закладка VRML позволяет экспортировать результаты расчета в WRL-файл.

Помимо настройки соответствующих значений в этих закладках, для осуществления движения механизма необходимо выбрать ведущее звено, определить скорость и направление его вращения. Для этого в дереве проводника IntelliMotion необходимо в закладке Constraints (Конструкция) выбрать пункт Motion (Движение) и щелкнув правой кнопкой мыши выбрав пункт Add Motion on Part (Добавить движение на детали) открыть соответствующий диалог (рис. 112).

Рис. 112. Диалог Insert Motion (Вставить Движение)

В первой закладке Definition (Определения), показанной на рис. 114, в полях Selected 1-st Component (Выбрать 1-ый компонент) и Selected 2-st Component (Выбрать 2-ой компонент) необходимо указать соединение, для которого будет назначен вид движения.

Рис. 113. Задание привода путем выбора двух тел

И для настройки необходимого конструктору вида движения механизма необходимо открыть диалог закладки Motion (Движение), показанный на рис. 114.

В рассматриваемом случае, т.к. ведущее звено должно совершать вращательное движение в оборот, равный 360⁰, то в закладке Motion on (Движение по) выбрать пункт Rotate (Вращай) и соответствующую ось, относительно которой будет выполняться движение. В закладке Motion Type (Тип движения) выбрать пункт Velocity (Скорость), показанный на рис. 115.

Рис. 114. Диалог закладки Motion (Движение)

Рис. 115. Задание закона движения ведущего звена

Для завершения диалога достаточно щелкнуть кнопку Apply (Принять).

Теперь полностью подготовленную модель можно запустить на расчет, что выполняется щелчком по кнопке Simulate (Моделирование) , после которого, если все сопряжения деталей были подобраны верно, программа COSMOSMotion отобразит полное движение механизма.

Расчет COSMOSMotion выполняет практически мгновенно, что позволяет выполнить многовариантный анализ конструкции за небольшой промежуток времени.

Анализ результатов моделирования можно выполнять сразу же после завершения расчета.

И все доступные значения сводятся в закладку дерева проводника IntelliMotion Results (Результаты), которая включает в себя следующие пункты:

1. Trace Path (Траектория пути);

2. Linear Disp (Текущий Путь);

3. Angular Disp (Угловое Перемещение);

4. Velocity (Скорость);

5. Acceleration (Ускорение);

6. Reaction Force (Реактивные Силы);

7. XY Plots (Графики XY).

Для конструктора, как правило, достаточно получить графики зависимости перемещений ползуна в функции от угла поворота кривошипного вала или по времени.

Графики по времени COSMOSMotion позволяет получить автоматически. Для этого необходимо в дереве проводника IntelliMotion выбрать объект, для которого необходимо выполнить построение графиков (например ползун), как показано на рис. 116.

Построенный график также, как и сам процесс моделирования, отобразиться мгновенно в следующем виде (рис. 117).

Рис. 116. Диалог анализа результатов моделирования

а) путь ползуна	б) скорость ползуна
в) ускорение ползуна

Рис. 117. Пример построения графика зависимости функций

движения ползуна в функции времени