5.2.8. Компонування об'єкта
Початковими даними для виконання етапу є принципова схема об'єкта й набір конструктивних рішень окремих формальних засобів - креслень конструктивних елементів у тривимірному виді. Результатом є компонування конструкції об'єкта.
Для виконання компонування тривимірні зображення конструктивних елементів орієнтують стосовно обраної системи відліку з обліком: зв'язків у принциповій схемі; напрямку дії елементів; вимог до габаритних і приєднувальних розмірів.
Далі, зорієнтовані зображення елементів, які не мають рухливих частин, поєднують тілом корпусної деталі. Подвижнье елементи, які перебувають і безпосередньому контакті, також можуть бути об'єднані в одну деталь При цьому враховують вимоги можливості й зручності виготовлення деталей, а також збирання об'єкта В результаті одержують компонування елементів у конструкції об'єкта (мал.5.81).
Таким чином, нами розглянуті етапи проектування об'єктів механотроники. Ми побачили, яким образом початкові дані приводять до вибору принципу дії об'єкта, як визначають структуру, вибирають формальні засоби й формують властивості об'єкта. Ми також довідалися, як і за допомогою чого забезпечують об'єкту плановані характеристики, як трансформують формальні засоби в конструктивні рішення і як їх компонують у конструкцію об'єкта.
Ми готові до застосування знань і інструментів для рішення завдань. Розглянемо приклад проектування конкретного об'єкта - запобіжного клапана.
5.2.5. Проектуємо запобіжний клапан
Постановка завдання. Як приклад розглянемо проектування кнапана тиску [18]. У процесі роботи механотронной системи, що містить гідравлічні компоненти, через збільшення навантаження спостерігаються різкі зміни тиску рідини. Перевищення робочого тиску й тривалість його дії на систему більше 0,15 секунд приводить до її руйнування. Завдання ставиться в такий спосіб: спроектувати набудовується клапан, що, функцією якого є захист системи від перевищення тиску. Спрацьовування клапана приводить до гасіння імпульсів тиску за час не більше 0,15 с. Параметри насосного агрегату: Qmax=3 л/хв; рmax=9.0 Мпа. Функції клапана зберігаються для тисків настроювання в межах 2.0...6.0 Мпа.
Виконання етапів проектування. Етап перший: вибір принципу роботи пристрою. На цьому етапі вибираємо принцип, що може бути покладений основу функціонування запобіжного клапана: захист гідравлічної частини системи у випадку перевищення тиску настроювання забезпечується шляхом скидання частини рідини в бак. На такому принципі працює клапан прямої дії (мал. 5.82).
Етап другої: побудова процесу роботи об'єкта в середовищі експлуатації. На цьому етапі одержуємо структуру процесу функціонування клапана в середовищі експлуатації. Побудова процесу функціонування клапана виконуємо в такий спосіб.
Визначаємо мінімально необхідний набір дій і черговість виконання.
Забезпечуємо виконання вимоги можливості повторення результату при кожному циклі процесу.
Ураховуємо взаємодію пристрою із середовищем експлуатації.
Мінімальний перелік дій клапана, які дозволяють захистити систему від перевищення тиску, що випливають: скидання рідини, відкриття клапана. Захист системи забезпечується, якщо зазначені дії виконувати в наступній черговості: відкриття клапана, скидання рідини. Можливість багаторазового одержання результату забезпечуємо: а - введенням у процес і виконанням що компенсують (взаємно протилежних) дій, б - виконанням всіх дій у потрібній черговості, в - замиканням структури процесу. дією, Що Компенсує, для «скидання рідини» є «припинення скидання рідини», а для дії - «відкриття клапана», що компенсує є дія «закриття клапана». Черговість виконання дій, що приводить до планованого результату й подготавливающая можливість повторного одержання результату наступна: відкриття клапана, скидання рідини, закриття клапана, припинення скидання рідини. Кожну дію зображуємо графічним символом - стрілкою. Кожна дія пари (прям і зворотне) позначаємо однаковым цифровим символом. Зворотні дії додатково позначаємо верхньою рисою. Будуємо структуру процесу, з'єднуючи графічно позначення дій у необхідній черговості. Можливість повторного одержання результату забезпечуємо замиканням структури процесу шляхом з'єднання кінця останньої дії «припинення скидання рідини» з початком першої дії - «відкриття клапана». Можливість повторення результату й облік взаємодії із середовищем експлуатації, який є гідравлічна система, забезпечує схема процесу дії (мал. 5.83). Збільшення тиску в системі ініціює початок роботи пристрою. Виконання дій у зазначеній черговості дозволяє скинути частину рідини в бак і одержати планований результат - захистити систему від перевантаження.
Етап третій: поділ процесу на функціональні модулі й розподіл вимог до них. Перехід від схеми процесу дії до модулів зручно виконувати через подання процесу у формі функціональної схеми. Для цього взаємно зворотні пари дій (відкриття клапана - закриття клапана; скидання рідини припинення скидання рідини) поєднуємо у функціональні модулі.
Модуль 1 забезпечує виконання функції керування відкриттям - закриттям клапана, тобто формуванням команд. Модуль 2 реалізує функцію скидання - припинення скидання рідини. Модуль 3 імітує зміни тиску в гідравлічній частині системи.
Позначивши модулі й з'єднавши їх у відповідності зі схемою процесу дії, одержуємо функціональну схему, що відбиває функції об'єкта в системі й зв'язку між ними (мал. 5.84). Доповнюємо її циклограмою, що показує черговість виконання функцій (мал.5.84). Функціональна схема дозволила виявити ще один модуль. Модуль 4 забезпечує розгалуження-злиття потоків рідини. Таким чином, у клапані тиску визначені наступні функціональні модулі: формування команд; пропуск-відсічення рідини; розгалуження-злиття потоків рідини; імітація гідравлічної частини системи.
Розглянемо вимоги до модулів, виходячи з вимог до об'єкта. Гасіння імпульсу тиску за час не більше 0,15з у клапані тиску виконується скиданням рідини через модуль пропуску-відсічення рідини (мал.5.85а). За зазначений час модуль пропускає всю рідину (3 л/хв), що надходить від насосного агрегату в бак. Максимальний розрахунковий пік тиску приймаємо 9.0 Мпа. Проектування модуля дозволить визначити необхідну площу перетину дроселя, форму щілини й максимальну величину відкриття (h).
Для формувача команд зміна вихідного стану ініціюється зміною тиску на його вході, а результатом його роботи є зміна положення вихідного елемента (мал. 5.856). Вимога до формувача команд складається в забезпеченні функції при наступній умові: тиск на вході у формувач команд наростає, а потім зменшується. Збільшення тиску на вході приводить до висування вихідного елемента на необхідну величину відкриття h (0.2...025м) за час не більше 0,15 с. Зниження тиску до рівня меншого тиску настроювання приводить до повернення вихідного елемента в початкове положення за час не більше 0,2 с.
Функцією модуля розгалуження-злиття потоку рідини є розгалуження або злиття потоків. Вимогою є забезпечення нерозривності потоку (мал. 5.85в).
Функцією модуля імітації системи є формування закону зміни тиску в системі при заданій витраті. Вимогою є збільшення тиску до величини вище настроювання, а потім його зменшення (мал. 5.85р.).
Етап четвертий: розкриття процесів у функціональних модулях. Розкриття процесу формування команди методологічно виконуємо також як і при визначенні процесу дії клапана. У цьому функціональному модулі виявляємо мінімальне число дій, скоординоване виконання яких дозволяє одержати запланований результат. Команда є результатом виконання зазначеної послідовності наступних дій: включення-формувача команд - формування команди - вимикання формувача команд - відновлення вихідного стану формувача (мал. 5.86).
Деталізуємо цей процес для частин модуля, що відповідають діям одержанню команди й відновлення стану формувача (мал. 5.87). Одержання команди досягається виконанням дій: перетворення тиску в положення-перевірка зміну-багатство-зміна зміну-становище-зміна стану перевірки. Відновлення стану досягається виконанням дій: перетворення положення в тиск-перевірка зміну-багатство-зміна зміну-становище-зміна стану перевірки.
Проведена деталізація процесу розкриває його зміст, однак ступінь деталізації не є достатньою через відсутність бібліотечних засобів виконання необхідних перетворень. Проводимо подальшу деталізацію процесу. Перетворення тиску в положення містить послідовний ланцюжок перетворень: перетворення витрати рідини в тиск - тиску в силу - сили в положення рухливого елемента. У свою чергу перетворення положення в тиск у формувачі команд відбувається аналогічно, але у зворотній послідовності: перетворення положення в силу - сили в тиск - тиску у витрату рідини.
Аналогічним образом розкриваємо процеси в інших модулях. У модулі пропуску-відсічення рідини процес містить дії: відкриття отвору - пропуск рідини - закриття отвору - відсічення рідини. У модулі імітації системи процес має наступний зміст: включення імпульсу - заброс тиску - відключення імпульсу - падіння тиску. Модуль розгалуження-злиття потоку рідини: включення розгалуження потоків - розгалуження потоків - включення злиття потоків - злиття потоків.
Етап п'ятий: вибір засобів виконання перетворень, побудова принципових схем. Для виконання перетворень вибираємо відповідні формальні засоби. При цьому враховуємо вид носія енергії (рідина, тверде тіло, газ і т.д.) і два режими роботи кожного засобу: прямій і зворотний. Вибираємо засобу виконання дій для модуля формування команд. Для виконання операцій включення-відключення потоку рідини застосовуємо «гідравлічний дросель» (мал.5.88).
У такому елементі дії включення відповідає пропуск рідини, що активізується, якщо перепад тисків на ньому не дорівнює нулю. Дія відключення активізується, якщо перепад на дроселі дорівнює кулю. Це приводить до припинення струму рідини через дросель. Як перетворювач витрати рідини в тиск вибираємо «ємність». Перетворення витрати рідини в тиск є прямим.
Його виконання забезпечується ємністю в умовах, коли в неї подається рідина (мал. 5.89а.). Цей перетворювач дозволяє виконувати також і зворотне перетворення - тиску у витрату рідини. Виконується таке перетворення в умовах, коли рідина, що перебуває під тиском і ємності, випливає з її через отвір (мал. 5.896.).
Дія по перевірці стану ініціює початок виконання чергового перетворення, або припинення вже виконуваного. Перевірку на можливість початку дії реалізуємо шляхом порівняння активної сили на рухливому елементі із сумарною силою опору, обумовленої силами тертя й попереднього стиску пружини. Якщо перша перевищуємо сумарну силу, то рух починається, у противному випадку - немає. Перевірку на необхідність припинення руху реалізуємо шляхом порівняння активної сили з поточним значенням сили стиску пружини. У випадку перевищення активною силою сили стиску пружини, рух триває, а у випадку їхньої рівності відбувається зупинка рухливого елемента. Для перетворень тиску в силу, і сили в тиск вибираємо гідромеханічний елемент. Для перетворень сили в положення й положення в силу вибираємо пружину.
Аналогічним образом вибираємо засобу для інших модулів. Для модуля пропуску відсічення рідини - керований гідравлічний дросель, а для модуля розгалуження-злиття потоків - гідравлічний трійник. Робота модуля імітації системи передбачається тільки у віртуальному виді, тому вибирати формальні засоби немає необхідності.
Поєднуємо обрані формальні засоби відповідно до черговості їхньої активізації в процесі роботи кожного модуля в принципові схеми. Схему модуля формування команд для зручності настроювання представляємо у двох видах: без обліку й з урахуванням можливості установки попереднього стиску пружини.
Етап шостої: імітація роботи й настроювання модулів. На цьому етапі виконуємо перехід від принципових рішень до значень функціональних параметрів. Ці значення вибираємо виходячи з вимог. Для цього проводимо моделювання роботи окремих елементів і модулів. Імітацію роботи модулів і їхнє настроювання виконуємо за допомогою інструментального засобу «Vtx». Моделі модулів, складених з моделей окремих перетворювачів, поміщаємо в середовище моделювання, задаємо значення параметрів, сигнал керування, умови, установлюємо контрольні крапки й змінні. Запускаємо процес і контролюємо зміни змінних у часі.
Моделюючи роботу модуля пропуску-відсічення рідини, визначаємо необхідну величину відкриття дроселя для забезпечення пропуску потрібної витрати за заданий час. Для цього на вхід модуля подаємо постійний тиск р від джерела гідравлічної енергії, вихід модуля зв'язуємо з баком, а на регульований вхід подаємо сигнал, що відповідає величині відкриття або закриття дроселя h. Для настроювання роботи модуля задаємо закон зміни h, що відповідає зміщеної на величину амплітуди синусоїді. Частоту синусоїдального сигналу вибираємо виходячи із заданого часу пропуску рідини. Результат роботи модуля показує, що тиск на вході в модуль має виражені зміни, які відповідають зміні величини відкриття дроселя. Характер зміни витрати через дросель, загалом, повторює характер зміни величини відкриття дроселя (мал. 5.90). Задаючи коефіцієнт збільшення витрати й необхідна максимальна витрата через дросель, визначаємо максимальну величину відкриття дроселя.
У результаті моделювання й настроювання взаємодії перетворювачів у формувачі команд одержуємо необхідні час і величину зсуву рухливого елемента (мал. 5.91).
У ході імітації роботи функціонального модуля в цілому (з урахуванням можливості установки попереднього стиску пружини) визначаємо величину тиску стягивагивания вихідного елемента (мал. 5.92). Перевіряємо його роботу в режимах наповнення прямих і зворотних перетворень.
Аналогічно набудовуємо разветвитель-з'єднувач потоків рідини й імітатор роботи гідравлічної системи.
Після одержання планованих характеристик окремих функціональних модулів переходимо до настроювання моделі об'єкта.
Етап сьомої: об'єднання моделей модулів у модель об'єкта і її настроювання. У відповідності зі структурою об'єкта зв'язуємо входи й виходи взаємодіючих моделей окремих модулів у модель об'єкта. Проводимо моделювання процесу роботи клапана при подачі на його вхід сигналу, що відповідає заданому забросу тиску. Точним настроюванням функціональних параметрів моделей окремих модулів проводимо роботу моделі клапана у відповідність до планованого результату (мал. 5.93). Становимо перелік значень функціональних параметрів, які забезпечують відповідність поводження моделі клапана стосовно планованого результату для заданих умов і режимів. Переходимо до наступного етапу - конструюванню.
Етап восьмої: вибір конструктивних рішень елементів. На етапі конструювання для кожного формального засобу вибираємо конструктивне виконання. Після цього задаємо значення конструктивних параметрів, що забезпечують їхня відповідність отриманим раніше значенням функціональних параметрів (мал. 5.94). Наприклад, для пружини вибираємо такі значення діаметра дроту, діаметра навивки, довжини й типу матеріалу, які забезпечують значення твердості, отримане в процесі моделювання. Діаметр поршня гідромеханічного перетворювача задаємо таким чином, що площа ефективної поверхні, на яку діє тиск, дорівнює значенню площі, прийнятої в моделі, і т.д. Після вибору конструктивних виконань для всіх засобів і завдання значень параметрів виконуємо компонування конструкції.
Етап дев'ятий: компонування конструкції клапана. У поле вікна креслення інструментального засобу поміщаємо тривимірні графічні зображення конструктивних елементів. З'єднуємо графічні подання конструктивних елементів один з одним відповідно до принципової схеми клапана. Розташовуємо їх з урахуванням вимог: працездатності, напрямку дії, до габаритних і приєднувальних розмірів. Для цього вісь руху поршня гідромеханічного перетворювача сполучаємо з віссю руху золотника дроселя, віссю пружини й віссю настроечного гвинта. Задаємо розташування каналу керування з боку підведення рідини, каналу скидання рідини - з боку відводу рідини (мал. 5.95).
Фіксуємо графічні подання елементів стосовно загального базового елемента - корпусу. Для цього виконуємо наступне. 1. У тривимірному кресленні корпуса виконуємо циліндричний отвір з різними діаметрами: для поршня гідромеханічного перетворювача, золотника й пружини. Діаметри отвору задаємо відповідно діаметрам поршня, золотника й пружини. 2. Поєднуємо поршень і золотник в одну деталь. 3. Утворимо в корпусі канали керування й скидання рідини за допомогою циліндричних отворів. 4. Постійний дросель у каналі керування утворимо шляхом установки циліндричної втулки. 5. Виконуємо технологічні отвори й заглушки для можливості й зручності виготовлення, а також допоміжні конструктивні елементи: поділ корпуса на деталі, ущільнювальні вузли й т.д.
Отримане складання являє собою конструктивне рішення клапана (мал. 5.96). Виготовлений по проектній документації, зібраний і настроєний клапан тиску являє собою готовий до використання механотронный модуль (мал.5.97).
Розглянутий приклад проектування об'єкта механотронной системи з гідравлічними компонентами виконаний відповідно до циклично функціонального підходу.