Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Статья посвящена проблемам имитационного моделирования рабочего процесса автомобильного крана-манипулятора с применением современных систем автоматизированного проектирования и приложений для инженерных расчетов. В настоящее время для моделирования работы манипуляторной техники 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 механики. Однако подобные объекты состоят из множества деталей, находящихся в сложном поступательном и вращательном движении, контактном взаимодействии друг с другом. Если такие сложные системы моделировать указанными аналитическими методами, приходится вводить целый ряд допущений, которые сильно упрощают математическую модель, и уровень ее адекватности оказывается невысоким. Также в последнее время за рубежом часто используют численные методы моделирования механизмов, которые реализуются через языки программирования, путём детального описания изучаемого процесса. Альтернативой данным методам является использование систем автоматизированного проектирования, в которых численные методы встроены на уровне ядра программы и требуют задания основных геометрических, динамических и кинематических параметров механизма и окружающей среды, после чего позволяют рассчитать параметры функционирования исследуемого объекта. Рассмотрен процесс создания имитационный модели автомобильного крана-манипулятора являющейся аналогом существующей лабораторной установки. Для этого разработана 3D-модель манипулятора в среде САПР SolidWorks. На ее базе создана имитационная модель манипулятора и испытательного стенда, реализованного в CAE-приложении SOLIDWORKS Motion. Описана методика создания и основные возможности полученной имитационной модели
автомобильный кран-манипулятор, имитационное моделирование, САПР, приложения для инженерных расчетов
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.
1. Посметьев, В. И. Повышение эффективности лесовозного автомобиля с помощью рекуперативного гидропривода / В. И. Посметьев, В. О Никонов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2017. - № 131. - С. 100-113. - URL: http://ej.kubagro.ru/2017/131/pdf/54.pdf.
2. Оптимизация параметров грузоподъемных механизмов автомобильных гидроманипуляторов / Д. Н. Родионов, П. И. Попиков, И. В. Четверикова, С. С. Веневитина // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования: сб. науч. трудов по материалам ежегодных конференций / отв. ред. А. И. Новиков. - Воронеж, 2016. - Т. 3, вып. 2 (5). - С. 278-282.
3. Шеленков, А. Н. Использование 3D моделирования для расчета гидроманипуляторов / А. Н. Шеленков, П. Г. Колесников. // Современные наукоемкие технологии. - 2010. - № 3. - С. 56-57.
4. Математическое моделирование процессов в системе гидропривода лесных манипуляторов / П. И. Попиков, П. И. Титов, А. А. Сидоров, С. В. Долженко [и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2011. - № 69. - С. 96-106. - URL: http://ej.kubagro.ru/2011/69/pdf/28.pdf.
5. Колесников, П. Г. Применение аппарата трёхмерного твердотельного моделирования в САПР "SolidWorks" при расчёте элементов гидроманипуляторов / П. Г. Колесников, Г. Д. Моисеев // Новые материалы и технологии в машиностроении. - 2013. - № 18. - С. 148-150.
6. Посметьев, В. И. Компьютерное моделирование рекуперативного тягово-сцепного устройства лесовозного автомобиля с прицепом / В. И. Посметьев, В. О. Никонов, В. В. Посметьев // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2019. - № 4 (370). - С. 108-123.
7. Попиков, П. И. Эффективность применения рекуперативного привода на лесных машинах / П. И. Попиков, Д. В. Обоянцев, К. А. Меняйлов // Лесотехнический журнал. - 2012. - № 3 (7) - С. 95-98.
8. Смирнов, М. Ю. Результаты экспериментальных исследований продолжительности погрузки и выгрузки лесоматериалов навесными гидроманипуляторами / М. Ю. Смирнов, И. Р. Бакулина // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2008. - № 4. - С. 43-47.
9. Ермалицкий, А. А. Математическое моделирование процессов погрузки пачек сортиментов и хлыстов колесным лесопогрузчиком с гидроманипулятором / А. А. Ермалицкий, Д. В. Клоков, М. Т. Насковец // Актуальные проблемы лесного комплекса. - 2005. - № 11. - С. 8-12.
10. Анализ динамики телескопических гидроманипуляторов лесных машин / В. Ф. Полетайкин, П. Г. Колесников, А. Г. Савельев, Г. Д. Моисеев // Механизация строительства. - 2016. - Т. 77. - № 12. - С. 41-44.
11. Оценка путей модернизации лесовозного автопоезда, оснащенного гидроманипулятором / И. Р. Шегельман, В. И. Скрыпник, А. В. Кузнецов, А. С. Васильев // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 12-4. - С. 789-794.
12. Сергеев, А. А. Применение гидроманипулятора на грузовом транспортном средстве / А. А. Сергеев // Наука, техника и образование. - 2017. - № 1 (31). - С. 55-57.
13. Гольштейн, Г. Ю. Зависимость производительности гидроманипулятора ЛЗМ от изменения параметров гидросистемы / Г. Ю. Гольштейн // Актуальные проблемы лесного комплекса. - 2008. - № 21-3. - С. 188-190.
14. Energy saving of hydraulic drives of machines due to increase of effectiveness of hydraulic cylinders cuffs according to the results of simulation modeling / V. I. Posmetev, I. M. Bartenev, M. A. Malyukova, S. V. Malyukov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering The I International Scientific Practical Conference "Breakthrough Technologies and Communications in Industry". 2019.
