МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ ПРИ РАЗРАБОТКЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЛЕКЦИЯ №1. ПРОЦЕДУРЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ НЕСМИЯНОВ Иван Алексеевич, д.т.н., профессор кафедры «Механика» Методы решения инженерных задач при разработке новых технологий ■ Лекции – 16 час. ■ Практические – 32 часа. ■ Экзамен. ■ Цель: Знакомство с существующими методами и подходами решения инженерных задач, методами оптимизации в технике, методами анализа и оценки результатов инженерных решений. Термин «Инженерия» Совет американских инженеров по профессиональному развитию (American Engineers‘ Council for Professional Development — ECPD) дал следующее определение термину «инженерия»: «Творческое применение научных принципов для проектирования структур, машин, аппаратуры, производственных процессов, а также работа по использованию их отдельно или в комбинации; конструирование или управление тем же самым с полным знанием их дизайна; предсказание их поведения в определенных эксплуатационных режимах. Люди, которые постоянно и профессионально практикуют инженерию, называются инженерами». Инженерная задача - это задача преобразования или перехода объекта из исходного состояния в требуемое конечное при наличии объективных ограничений: технических, технологических, энергетических, информационных, по материальным ресурсам и т.д. Процедуры инженерной деятельности, связанные с описанием технических систем ■ Предпроектный анализ (формулировка инженерной задачи, составление ТЗ и ТЭО) ■ Принятие решений на различной стадии разработки, производства, эксплуатации, ремонта, утилизации. ■ Предъявление результатов на каждой стадии. Убеждение в правильности принятого решения. Процедуры инженерной деятельности ■ Поиск технических решений (фонды НТИ, ТУ, ГОСТ) ■ Изобретательство (процедура выявления существующих изобретений, или получения таковых по заказу, либо сформулированных: «надо то-то, а нельзя по тому-то») ■ Алгоритм изобретения (АРИЗ, ТРИЗ). Выявление технического (физического) противоречия и его решение. Пример Процедуры инженерной деятельности ■ Вепольный анализ (выявление дефектности технической системы по её модели и достройка модели системы) ■ Инженерное прогнозирование (получение картины ожидаемого результата) ■ Способы элиминации факторов (способы исключения неизвестных величин из технической системы). Процедуры инженерной деятельности ■ Проектирование Процедуры инженерной деятельности ■ Автоматизация проектирования (САПР основаны на формализации модели технической системы) ■ Синтез технических систем (чаще всего является подсистемой САПР) Процедуры инженерной деятельности ■ Инженерные исследования заключаются в построении модели будущей и существующей ТС и её исследовании расчетным или опытным путем. Методы решения инженерных задач Методы решения инженерных задач y=x+1; x= -y -1 Методы решения инженерных задач 𝒙𝟐 + 𝒚𝟐 = 𝟏 ПРИМЕР. Задача позиционирования схвата манипулятора Минимизируемая функция Ф( y A , z A ) C1 (l1k l10 ) 2 C4 (l4 k l40 ) 2 с ограничением в виде равенства f ( y A , z A ) z A2 ( y B y A ) 2 O1 A 2 0 l1min≤l1≤l1max, l4min≤l4≤l4max xM2 ( yM y A ) 2 ( z M z A ) 2 l1 max 0 l1 min xM2 ( yM y A ) 2 ( z M z A ) 2 0 y A2 ( z A z D ) 2 l4 max 0 l4 max y A2 ( z A z D ) 2 0 В соответствии с теоремой Куна-Такера для задач нелинейного программирования целевая функция имеет вид Ф * C1 (l1k l10 ) 2 C 4 (l 4 k l 40 ) 2 λ1 f ( y A , z A ) λ 2 f ( y A min y A ) λ 3 f ( y A y A max ) yAmin-yA≤0 yA-yAmax≤0 Достижение оптимального решения обеспечивается необходимыми условиями стационарности функции Ф* (l1k l10 ) 2 (l 4k l 40 ) 2 0, если y A y A min f ( y A , z A ) * С1 C4 1 2 3 0 2 y A y A y A y A 0, если y A y A min (l1k l10 ) 2 (l 4k l 40 ) 2 f ( y A , z A ) * С1 C4 0 z A z A z A z A 0, если y A y A max 0, если y A y A max 3 Графические методы решения инженерных задач Методы решения инженерных задач Геометрический синтез ОГРАНИЧЕНИЯ - угол сектора зоны действия в горизонтальной плоскости Θ; - сторона основания пирамиды, образованная исполнительными механизмами манипулятора ограничивается габаритами платформы a< [a]; - нижняя точка зоны действия схвата относительно поверхности zMmin<[z]; -максимальный вылет схвата от передней кромки робота lmax>[l]; - коэффициент удлинения исполнительного звена k= L2/ h =1,3…2; - коэффициент запаса собственной устойчивости KУ=MG/MB≤ [KУ] =1,15. • Согласно схемы из уравнения векторного контура получено выражение: (k 1)2 h2 4l2 • min После определения h из уравнения (1) находится максимальное удлинение цилиндра l3 и длину стойки a l3max k h a l22min (l3 min • sin( ) (k 1) cos([ ] )h 4l22min sin 2 ( ) l32min 0 2 2 2 h) 2 2l2 min (l3 min h) sin[ ] Угол поворота цилиндра α находится в зависимости от угла сектора зоны действия захвата Θ как: [ ] / 6 2 2 При условии симметричности конструкции трипода, т.е. когда l1min=l2min=l3min и li max=kli min получены выражения: a lmin 1 k 2 sin[ ] L23 a 2 4 ( H пл zM min ) Методы решения инженерных задач Методы решения инженерных задач Методы решения инженерных задач Cинтез манипуляторов с дополнительными ограничениями области существования (задача условной оптимизации) Итерационный синтез манипуляторов с ограничением границ поиска рациональных структурных схем •Задаётся требуемая степень подвижности механизма W. •Определяется число независимых контуров Гохмана k из условия (2). •Задаются ограничения q=0 и η=0, обеспечивающие получение механизма без избыточных связей и лишних подвижностей. •Задаются ограничения по подвижностям кинематических пар в виде p5>0, p4=0, p3=0. •Решается задача линейного программирования, формулируемая системой линейных уравнений W 6n 5 p 5 4 p 4 3 p 3 k p n p p5 p 4 p3 f p5 2 p 4 3 p3 и f W 6k неравенства •Проверка полученных вариантов решений на целочисленность. •Полученные варианты анализируются и из них выбираются работоспособные и рациональные. Методы решения инженерных задач
