Введение
В настоящее время для моделирования работы автотракторных кранов-манипуляторов преимущественно используются аналитические методы, такие как «ручное» составление и решение уравнений Лагранжа II рода, либо еще более простые оценочные расчеты, основанные лишь на базовых понятиях теоретической меха-ники. Однако автотракторные агрегаты состоят из множества деталей, находящихся в сложном поступательном и вращательном движении, контактном взаимодействии друг с другом. Если такие сложные системы моделировать указан-ными аналитическими методами, приходится вводить целый ряд допущений, которые сильно упрощают математическую модель, и уровень ее адекватности оказывается крайне низким [1, 2].
В последнее время за рубежом часто используют численные методы моделирования механизмов, которые реализуются через языки программирования, путём детального описания изучаемого процесса. Также применяют совре-менные системы автоматизированного проекти-рования, в которых численные методы встроены на уровне ядра программы и требуют от ученого задания основных геометрических, динамических и кинематических параметров механизма и окру-жающей среды, после чего позволяют рассчитать параметры функционирования исследуемого объекта [2, 3, 4].
Цель исследования
Последовательность создания имитацион-ной модели манипулятора ЛВ-210-02 (рис. 2, а) с применением САПР SolidWorks.
Материал и методы исследования
На первой стадии создаются отдельные элементы конструкции и задаются материалы, из которых они изготовлены. Это позволяет определить массовые характеристики 3D-моделей. Затем полученные детали компонуются в сборочном чертеже посредством задания характера сопряжения отдельных элементов. Полученная 3D-сборка полностью воспроизводит кинематику реального объекта и может использоваться для кинематических исследо-ваний и анимации рабочего процесса (рис. 1).
Вторая стадия – это непосредственное создание имитационной модели. Для этого используются САЕ-приложения, способные не только имитировать движение, но и получать данные о различных кинематических, динами-ческих и силовых характеристиках процесса. Нами была использована программа Motion интегрированная в САПР SolidWorks и обладающая требуемым функционалом.
На рис. 2 представлена имитационная модель манипулятора (б) и стационарная лабора-торная установка (а), предназначенная для проведения лабораторных исследований дистан-ционного управления манипулятором [1].
В общем виде процесс создания имитацион-ной модели включает следующие этапы: создание 3D-модели полностью воспроизводящей кинема-тику и массовые характеристики реального мани-пулятора; приложение к штокам гидроцилиндров линейных двигателей; приложение к механизму поворота колонны углового двигателя; создание на временной шкале ключевых точек, обеспечива-ющих включение и выключение двигателей, изменение их скоростей; установка датчиков, фиксирующих требуемые физические параметры процесса (например, силы, возникающие на приложенных двигателях, потребляемая ими мощность, скорости движения звеньев и т.п.).
На рис. 3 приводится скриншот рабочего окна программы SOLIDWORKS Motion во время моделирования рабочего процесса. Для отслеживания изменений в реальном времени выведены некоторые ключевые характеристики.
Новизна исследования
Новизна предлагаемого подхода к модели-рованию манипуляторных установок заключается в комплексном применении параметрического
3D-моделирования.
Это позволяет создать не только конструкторскую документацию, но и произвести исследования рабочего процесса с применением САЕ-приложений.
Результаты исследования
Рассмотренная имитационная модель дает возможность изучить работу манипулятора при различных рабочих режимах и выбрать оптималь-ные траектории его движения, позволяющие обеспечить максимальную производительность и безопасность рабочего процесса.
Для проверки работоспособности и адекватности предлагаемой имитационной модели был проведен виртуальный эксперимент. В эксперименте моделировалось движение мани-пулятора по сложной траектории, задачей которого был выход в определенную точку. Для этого осуществлялось параллельное включение двига-телей подъема стрелы (0…7,33 с), поворота стрелы (3,65…12 с) и выдвижения стрелы (6…12). Таким образом обеспечивалось совмещение до 3 операций (временной участок 6…7,33 с) (рис. 4).
Как видно из графиков, представленных на рис. 4, использование имитационной модели позволяет в режиме реального времени произ-водить оценку динамической нагруженности манипулятора.
Дальнейшим развитием имитационной моде-ли будет установка манипулятора на различные базовые машины и исследование устойчивости агрегата в разнообразных рабочих режимах (работа без аутригиров, с установленными аутригирами и т.п.), в том числе с учетом свойств опорных поверхностей. Также возможно моделирование процесса перемещения грузов разной простран-ственной конфигурации с использованием различ-ных схем крепления.
Отдельно стоит отметить возможность исследования оптимальных траекторий движения манипулятора на их допустимость с точки зрения динамических нагрузок на элементы конструкции манипулятора, устойчивость агрегата и раскачивание груза.
Заключение
Таким образом, имитационная модель манипулятора способная полностью воспроизводить кинематику реального манипулятора дает возможность исследования как отдельных операций (подъем стрелы, выдвижение стрелы, поворот колонны), так и их различных комбинаций. Также важным преимуществом имитационной модели является возможность визуального контроля в реальном времени и наличие функций создания анимации рабочего процесса. Это позволяет оценить правильность работы имитационной модели и проработать оптимальные траектории движения манипулятора.
