О ИЗГОТОВЛЕНИИ МОДЕЛЕЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ

Аннотация. При изучении вопросов синтеза, исследования геометрических особенностей, кинематики и динамики, возникает необходимость проектирования и создания моделей механизмов. В данной статье рассматриваются методы проектирования и разработки лабораторных моделей в программе SolidWorks и 3D принтере Zenit. На основании рассмотренных методов были разработаны более 50 моделей, 5 лабораторных моделей и 2 экспериментальные установки.

Ключевые слова. Проектирование механизмов, лабораторная модель, пространственный механизм, экспериментальная установка.

При изучении вопросов синтеза, исследования геометрических особенностей, кинематики и динамики, сталкиваемся с необходимости проектирования и создания моделей механизмов. Методом использования моделей механизмов можно проверить собираемость, работоспособность и проворачиваемость звеньев. Особенно необходимы модели при структурном анализе пространственных механизмов, а также при исследовании движения звеньев, совершающих пространственное движение [1].

Попытка применения моделей при изучении пространственных шарнирных механизмов была сделана французским ученым P. Брикаром и американским ученым М. Гольдбергом. Эти же ученые использовали либо бумажные модели, либо модели, конструкция которых не позволяет достоверно воспроизвести кинематическую схему механизма. Поэтому возможности таких моделей весьма ограничены. Также, на полезность применения моделей пространственных механизмов указывал и академик Н.Г. Бруевич, однако он отмечал, что изготовление моделей является сложной и трудоемкой операцией.

Новая технология изготовления моделей пространственных механизмов была разработана профессором Б. В. Шитиковым и использована учеными Казанской школы механиков. Эта технология, основанная на использовании унифицированных деталей, является довольно простой мало трудоемкой, а модели получаются достаточно прочными и жесткими, с хорошей поворачиваемостью звеньев. По указанной технологии было изготовлено свыше 60 моделей пространственных механизмов. Данная технология была нами модифицирована учитывая возможности компьютерного моделирования и печати на 3D принтере, на основании которого получены следующие модели [2].

Конструкция модели механизма (рис. 1) включает в себя: звенья 1, стойку 2 и основание 3. Каждое звено (рис. 2) состоит из шарнирных головок А и В, соединяемые стержнем квадратного или круглого сечения 1. В шарнирные головки запрессованы подшипники качения 3, в подшипники запрессованы оси 2. Это дает возможность при образовании шарнирного соединения свободно вращаться шарнирным звеньям друг относительно друга [3].

Материал осей – сталь, шарнирные головки и стержень изготавливаются из акрилонитрилбутадиенстирола (ABS-пластик) на 3D-принтере. В качестве смазки применяется консистентная смазка. После сборки производится приработка шарниров. Предварительная сборка шарнирных звеньев выполняется на компьютере в программе SolidWorks где выполняется симуляция движений механизма. Таким способом можно изготовить звено, геометрическая ось которого совпадает с кратчайшим расстояние между геометрическими осями шарниров. Но при изготовлении моделей оказывается необходимым связывать между собой звенья так, чтобы концы их кратчайших расстояний совпадали. В этом случае одно из звеньев должно быть расположено в стороне от кратчайшего расстояния. Тогда необходимо сначала изготовить звено способом, описанным выше, и уже по этому звену собрать второе звено так, чтобы оба эти звена одевались на одни и те же оси [4].

Готовые 3D модели звеньев механизма в программе SolidWorks необходимо сохранить в формате STL, для того чтобы программа Repetier-Host, являющаяся программой для получения G-кода по умолчанию к принтеру 3D Zenit, смогла открыть модели. При печати относительно небольших моделей были использовании настройки скорости, представленные на рисунке 4.

Рисунок 4. Настройки скорости 3D принтера Zenit

При размещении звена в программе Repetier-Host необходимо учитывать, какие нагрузки должен будет выдерживать звено. По технических требованиям звенья лабораторных моделей должны быть легкими и в то же время надежными [5]. Проведенные нами исследования показали, что при размещении звена так, чтобы наибольший край лежал горизонтально (рис. 5) расчетное время печати: 7 ч 26 мин при этом израсходуется 18914 мм прутка. Однако в этом случае наименьшее сечение в звене равна 225 мм² [6]. На рисунке 6 звено размещено под 45 градусов при этом значение наименьшего сечения повышается на 41,4 % при этом расчетное время печати увеличивается только на 9 минут, а длина расходуемого прутка уменьшается на 8 %, за счет уменьшения поддержек вертикального шарнира [7].

На основании данной методики были изготовлены звенья 3 лабораторных моделей и 2 экспериментальных установки.

Рисунок 7. Лаборатные модели изготовленные в 3D принтера Zenit

Подводя итоги результатов проектирования звеньев, сборки механизмов в программе Solid Works и печати звеньев пространственного механизма в 3D принтера Zenit можно сделать следующие выводы:

1. при печати звена под 45 градусом, относительно наибольшей стороны значение наименьшего сечения звена можно увеличить до 42 %;
2. при печати валов с диаметром 5 мм, под подшипники №6800, необходимо уменьшить диметр вала в 3D модели на 0,2 мм;
3. плотность заполнения звеньев механизма при длине звена более 100 мм необходимо устанавливать более 15 %.

Список литературы:

1. Хабибуллин Ф.Ф. Кинематика двухподвижного дезинтегратора с приводом на базе пространственных 4к-механизмов / Хабибуллин Ф.Ф., Яруллин М.Г. // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2015. - Т. 71. - № 1. - С. 108-111.
2. Мудров П. Г. Пространственные механизмы с вращательными парами / Мудров П. Г. // Казань: Казанский сельскохозяйственный институт им. М. Горького, 1976. - 265 с.
3. Мудров А.П. Исследование движения сферического тренажера / Мудров А.П., Фаизов М.Р. // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 1. С. 182-191.
4. Хабибуллин Ф.Ф. Кинематика ведомого кривошипа параллелограмма Беннетта / Хабибуллин Ф.Ф., Яруллин М.Г. // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2017. - Т. 73. - № 3. С. - 105-111.
5. Фаизов М.Р. Кинематика сферического кривошипно-шатунного механизма / Фаизов М.Р., Яруллин М.Г., Мудров А.П. // Теория механизмов и машин. 2018. Т. 16. № 2 (38). С. 66-73.
6. Хабибуллин Ф.Ф. Конструктивные особенности ненулевых звеньев механизма Беннетта / Хабибуллин Ф.Ф., Яруллин М.Г. // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2018. - Т. 74. - № 1. - С. 113-118.
7. Хабибуллин Ф.Ф. Исследование методов синтеза модификаций механизма Беннетта / Хабибуллин Ф.Ф., Фаизов М.Р., Баканов В.В. // Техника и технология транспорта. 2018. № 3 (8). С. 1.