Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\ARCHIWUM-lata-78-71\MTS71_t9z1_4\mts71_t9z1.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA 1  STOSOWANA 1,  9 (1971) RED U KCJA  STOP N I SWOBOD Y  U KŁAD ÓW  D YSKRETN YCH JAN U SZ  B A R A N ,  KRZYSZTOF   M A R C H E L E K  (SZCZECIN ) Przy  modelowaniu  maszyn  za  pomocą   ukł adów  dyskretnych  bardzo  waż ną   rolę   od- grywa  dobór  liczby  stopni  swobody  modelu.  Zwykle  model  charakteryzuje  się   znaczną liczbą   stopni  swobody,  co  utrudnia  analizę   i  obliczenia,  a  także  może  wpł ywać  na  do- kł adność  obliczeń.  Stą d  dą ż ność  do  modelowania  maszyn  za  pomocą   ukł adów  dyskret- nych  o  moż liwie  mał ej  liczbie  stopni  swobody.  N ależy  jednakże  pamię tać  o  tym,  aby model  opisywał   zasadnicze  cechy  ukł adu rzeczywistego.  Redukcja  stopni  swobody  musi być  naukowo  uzasadniona, nie moż na jej  dokonywać  w  sposób  dowolny. - ) fk Rys.  1. Typowe  ukł ady  czę ś ciowe Jedną   z metod redukcji  stopni swobody  ukł adów dyskretnych  opracował  i  przedstawił R I WI N   w  pracy  [I].  M etoda  Riwina  polega  na  redukcji  ukł adów  czę ś ciowych,  charak- teryzują cych  się   duż ymi  czę stotliwoś ciami  drgań  wł asnych.  W  wię kszoś ci  praktycznych przypadków,  zakres  czę stotliwoś ci  sił   wymuszają cych  jest  taki,  że  nie  wymaga  się   zna- jomoś ci  wyż szych  czę stotliwoś ci  wł asnych  ukł adu.  R I WI N   wyznaczył   wzory  redukcyjne dla  dwóch  podstawowych  parametrów  ukł adu, mianowicie  masy  i  współ czynnika  sztyw- noś ci. Przy  obliczeniach  charakterystyk  dynamicznych  modelu  na  maszynie matematycz- nej  konieczna jest  znajomość  wartoś ci  współ czynników  tł umienia, aby  współ rzę dne  tych charakterystyk  przyjmował y  wartoś ci  skoń czone.  W  pracy  przedstawiono  modyfikację metody  Riwina,  dają cą   moż liwość  wyznaczania  wzorów  redukcyjnych  dla  współ czyn- ników tł umienia. Każ dy  ukł ad dyskretny  moż na rozbić  na  dwa  typowe  ukł ady  czę ś ciowe  (rys.  ł ) . Jeś li wprowadzić  poję cie  zespolonego  współ czynnika  sztywnoś ci (1) =  —- +iwh,, 202 J.  BAR AN ,  K .  M AR C H E LE K gdzie: kj  —  współ czynnik  sztywnoś ci, ej  — współ czynnik podatnoś ci, hj  — współ czynnik  tł umienia, wówczas  równania  równowagi  ukł adu czę ś ciowego  pokazanego  na rys.  la  przyjmą   postać K k (j  —  2106~ Z  oszacowania  (16)  wynika,  że  dla  a>  <  103  rad/ sek  drugi  skł adnik  we  wzorze  (15) moż na  bez  szkody  dla  dokł adnoś ci wyniku  pominą ć. Wówczas  czę stotliwość  drgań wł a- snych ukł adu b bę dzie moż na wyznaczyć  ze wzoru (17) 204  J.  BARAN ,  K .  M ARCH ELEK U kł ady  czę ś ciowe  a  i  b  bę dą   sobie  wówczas  równoważ ne,  gdy co 0a  s=  co ob . Aby ukł ad typu  a mógł  być  zastą piony  ukł adem typu b parametry ukł adu b muszą   speł niać równania: 1 A -   1  Ki   x n ,1  x • "• k-1  J^ k k~1 • +• P o  podstawieniu  zwią zków  (18), (19), (20) do ukł adu równań  (12) uzyska  się  równania ruchu  ukł adu zamienionego (21) Porównują c  ukł ad  równań  (21)  z ukł adem równań  (5)  ł atwo  zauważ yć  iż róż nią  się /   2  \ one mię dzy  sobą   o skł adn ikfl  j -   . Jeż eli speł niona jest nierówność ca2  06/ Jeś li  speł niona jest nierówność co2 lb, wówczas  moż na uznać, że oba ukł ady równ ań są  sobie  równoważ ne. Ogólnie  moż na napisać, że (25)  co^- L, RED U KCJA  STOPN I  SWOBODY  U KŁ AD ÓW  DYSKRETN YCH   205 przy  czym dla ukł adu  typu a (26)  J — J k ;  e =  ~ — , zaś  dla  ukł adu typu b  ' (27)  7 * Przy  redukowaniu  liczby  stopni  swobody  należy  w  pierwszej  kolejnoś ci  redukować ukł ady  czę ś ciowe  charakteryzują ce  się mał ym iloczynem  Je. W równaniach zamiany  (18)- (20) i (22)- (24) wystę puje  zespolony  współ czynnik sztyw- noś ci K. Podstawiając  wyraż enie  (1) do kolejnych  równań zamiany, moż na ustalić w  jakim zakresie  czę stotliwoś ci  skł adnik zawierają cy  współ czynnik  tł umienia może być  pominię ty. Podstawiając  do  wzoru  (18)  zależ ność  (1) i dokonując  prostych  przekształ ceń  uzyska się kl D la co <  103 rad/ sek  czę ść urojoną  wyraż enia  (28) moż na pominą ć; uzyska  się  wówczas Po  podstawieniu  wyraż enia  (1)  do  wzoru  (20)  i  dokonaniu  prostych  przekształ ceń uzyska  się Ą ia)h?e£  ek- i- UoW L i<^ lO6 rad/ sek  wyraż enie  1 +  (co/jj- ej)2  as  1 i  wówczas  zależ ność  (30)  moż na napisać w postaci (31)  el Postę pując  analogicznie wyznaczyć  moż na równanie zamiany  dla masy  7c+ l (32)  ^ Z  porównania  czę ś ci  rzeczywistej  i  urojonej  lewej i prawej  strony  równania  (31)  wy- nikają  zwią zki (33)  4^ 4- i+4, (34)  h k   - 206 J .  BARAN ,  K.  M ARCH ELEK W  przypadku  zamiany  ukł adu b  ukł adem a  równania  zmiany, po  dokonaniu podsta- wienia  zwią zku  (1) do wyraż eń  (23)- (24) uzyska  się  odpowiednio dla co  <  103 rad/ sek. (35) Jb - el, (36) (37) (38) - el jb  I  el  V „u P r z y k ł a d :  Przedstawioną   metodę   redukcji  stopni  swobody  zastosowano  przy obliczeniach  charakterystyk  amplitudowo- fazowych  napę du gł ównego obrabiarki. N apę d  gł ówny frezarki  F u la moż na zastą pić  modelem o oś miu stopniach swobody  [2]. Postać  analityczna  charakterystyki  amplitudowo- fazowej  dla  ką ta  skrę cenia  mierzonego na  wrzecionie  jest  skomplikowana.  Zł oż oność  charakterystyki  amplitudowo- fazowej pogł ę bia  się   ze  wzrostem  liczby  stopni swobody.  D latego też przy  obliczeniach praktycz- nych  (projektowych)  dą ży  się   do  zastosowania  moż liwie  najmniej  skomplikowanego modelu,  a wię c  o moż liwie  najmniejszej  liczbie  stopni  swobody. D okon an o  redukcji  ukł adu o oś miu  stopniach swobody  do  ukł adu o pię ciu stopniach swobody.  P arametry ukł adu wyjś ciowego  podano w tablicy  1. Tablica  1.  Wartoś ci  parametrów  okreś lają cych  wł aś ciwoś ci  dynamiczne  napę du frezarki  F u la J L p . 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 7 ; k G m s e k 2 25, 7- 10-3 1,25- 10-3 0, 284- 10-3 0,769 - 10-3 1,45- 1O-3 6, 50- 10-3 96,00-   10- 3 99, 44- 10-3 n  =   180  obr/ m in li; kG m sek 0,18 0,042 0,019 0,037 0,0975 0,187 0,72 13,00 kjkG ra/ rad. 7,53 •  103 3,79 - 103 0,839- 103 1,372- 103 4, 01- 103 2, 80- 103 5,25- 103 1,192- 103 W  rozpatrywanym  przykł adzie zastę pować  się   bę dzie ukł ady typu  a ukł adami typu  b. W  tym  celu  najwygodniej  jest  posł ugiwać  się   metodą   tablicową .  W  tablicy  2  podano schemat  modelu  dyskretnego  opisany  wartoś ciami  parametrów  / ,- , hj,  ej  oraz  obliczone wartoś ci param etrów ukł adów czę ś ciowych  wedł ug wzorów  (26) i  (27). Z tablicy 2 wynika, że  najmniejszą   wartość  iloczynu Jj- ej  ma ukł ad czę ś ciowy  typu  a  o masie J 3 .  U kł ad ten zamieniono  ukł adem typu  b o parametrach / *, / * *, e%  i h%  (rys. 2). RED U KCJA  STOPNI  SWOBODY  UKŁADÓW  DYSKRETNYCH 207 Tablica  2 25,7- ilf3  1.25- 10"3  0.284- 10"3  0,769- ID3  1,45 g6 , Q0 1 0 3  99,40- 103 [O,I33- 1O3^ 7 h i 0,18 ha 1,19- ID3 0,726- itf3 D,2S- 1D3 e h5 o,35a- to"3 o, io- i5 3 ha 0,019  0,037  0,0975  0,187  0,7Z  13,00. 1 i 1,2- 10'3 I 1 0 , 5 1 0 3  i  1,18- tf3  6,D7- 1Ó3!  50.2- 103  | >- t- J- ek 0 , 1 6 - 1 0 " 6 i0 , 0 6 H0 " e i i  .  i e= ; 0,0885- 10"3  [  0,ZI5- 1Ó3 1 0 , 1 8 6 - #   10,M8- 10"3  10,fZ4- TCf3 I  0,16 - 10'3 Jk- e 0,11- ID" 6  10,061- 10' 0,27- 106  j  0,96- 108 11, 9- 10°} 15.9- 106 Parametry  ukł adu obliczono  na podstawie  wzorów  (29),  (30), (33)  i (34). 73*  =   — ^ —  J 3  =   0,233 •  10- 3  [kG msek2], / * • =• J 3   =   0,051 •  10- 3  [kG msek2], e* =   e 2 +e 3   =   1,454-  1O- 3 [rad/ kG m], .„   h 2 e\ Ą - h 3 el  0,042- 0,2642+ 0,019.1,192 et2 I,454 2 =   0,014  [kG msek]. ^ h, o,oa Rys.  2.  Schemat zamiany  ukł adu typu  a  ukł adem typu  b przy  redukcji  ukł adu o  oś miu  stopniach  swobody Momenty  bezwł adnoś ci  J 2   i  J | !  oraz  / **  i  / 4  sumuje  się , uzyskują c  ukł ad  czę ś ciowy o  momentach bezwł adnoś ci  J' 2   i J' 3   (rys.  2) j ^  =   / 2 + J *  =   1,483- 10- 3  [kG msek2], Ą   =   / * * + J 4  =   0,820- 10- 3  [kG msek2]. W  wyniku  zamiany  ukł adu  czę ś ciowego  typu  a  ukł adem typu  b  zredukowano  liczbę stopni  swobody  modelu  napę du  gł ównego  frezarki  F u la  o jeden,  uzyskują c  model  o  sie- dmiu  stopniach  swobody. 208 J.  BARAN ,  K.  MARCH ELEK Przy  dalszej  redukcji  stopni  swobody  postę puje  się  podobnie.  W  tablicy  3 podano schemat  modelu  o  siedmiu  stopniach swobody, jego  parametry  oraz parametry ukł adów czę ś ciowych.  N ajmniejszą  wartość  iloczynu  J£ej  ma ukł ad czę ś ciowy  typu  a  o  masie  J2. Tablica 3 2 5 , 9 ' ilf  1.483- 103  0,82- tO5  1 , 4 5 #   B.50- 105  9 6 , 0 D #   9 9 , 4 0 # J i  J2   J3   JĄ  J5   06   J7 e, Ny hi 1 1A54- W3 e 2 O.7Z6- I03 e 3 1 0, 55# N y Ny hj _ Q, 1 9 tD3 e B he e 7 0,18  0,014  0,037  0,0975 J~Jl,+J J- ek e=7 i  1 U - t O'  I  0.53- 103 i  D,52'103 I 1 - O.raB- IO"8  I  0,77- 10"s  iO,37e- )0"e I  ,   I 1.18- 10"3 0,72  13,00 "T 6.07- 1D3  I  50,2- I0tf I I  I 2,W- 106l  g,55- 10°  | 0J22- 10"3 10,186- 10" 3!  0.148- 103 0,18H06 I , 0,Z7# j  0,96# j  I1.9- 106 O,I6€3 15,9-ifl6 1483-W'3 0,133-W'3 0,18 t,454-!0 J, j; o, on Rys.  3. Schemat Zamiany ukł adu typu  a ukł adem typu b przy redukcji  ukł adu o siedmiu stopniach  swobody Tablica  4 27,06- iff1  0,943- 1(Ja  1 , « € 3 6,50-If 3 96,00-1O3 93,40-iff l~]i,5SMi?f~|o,726-i53p^ O , B - # f " l n 3 5 B - i 8 3 r i ( M 9 ' " ' 3 '~ hi  ""•  hi ha MK bs 0,013 0,037 0,0975 0,187 0,72 13,00 3~-'k+Jk+1 J-ek e=l^ 0,915-10"' 1,45-ffl6 1,18-iS3 0,Z95-iOa| Z,17-1ff6 50,2-103 9,55-10°! O,5­11J3 0,47-iff8 0,27-1IJ61 O,96-1O8I 1 O,124-1B3I 0,16-103| 11,9'iff6] 15,g-1IJ6j RED U KCJA  STOPN I  SWOBODY  UKŁADÓW  D YSKRETN YCH 209 U kł ad  ten  zamieniono ukł adem typu  b.  Schemat zamiany  pokazano  na  rys.  3.  U zyskano model  o sześ ciu  stopniach  swobody.  W  tablicy  4 podan o  schemat modelu  o  sześ ciu  stop- niach  swobody,  jego  parametry  oraz  parametry  ukł adów  czę ś ciowych.  N ajmniejszą   war- tość iloczynu  J- ^ i ma ukł ad czę ś ciowy  typu  a o masie  Ą .  U kł ad ten zamieniono  ukł adem J.45- 10' 3 1   0,25- W 3 JUMfTjJ 0,037 0,0975 Rys.  4.  Schemat zamiany  ukł adu typu  a ukł adem typu  b przy  redukcji  ukł adu o sześ ciu  stopn iach  swobody 27,08- 10'' 1M- W ~ J   7,S8- W ' 3  9B.00- W ' 3   99,10- W 3 '  ^ S710- ^ 0ff7S/ 0' 3 ^ S5S!ff- J ^ 0/ S/ ff- J   ^  0,84- 10i m 0,0/ 30  0,0266  0J37  0,72  13~00 Rys.  5.  M odel ukł adu o pię ciu  stopniach  swobody Tablica  5.  Parametry  modelu  o  5  stopniach  swobody Lp. 1. 2. 3. 4. 5. n  =   180  obr/ min / jkG m sek2 27,06- 10-3 1,314- 10-3 7,58  - 10-3 96,00- 10"3 99,40 - 10-3 AjkG msek 0,013 0,0266 0,187 0,720 13,00 fcjkG m/ rad 0,63- 103 1,020- 103 2,80- 10e 5,25- 103 1,192- 103 Tablica  6.  Czę stotliwoś ci  drgań  wł asnych  napę du  gł ównego  frezarki  F u - la  przy  prę dkoś ci  obrotowe n  =   180  obr/ min M OD EL 8 masowy 5 masowy foi 10,6 10,6 Czę stotliwoś ci 19,8 19,7 53,2 53,2 drgań  wł asnych  w  H z / o * 102,6 102,6 fos 227,2 187,2 / o6 346,6 387,6 14  M ech an ika  teoretyczn a a - II - 3- I  - 0   _ 100 200 fwfHz} 500 Rys.  7.  Charakterystyka  amplitudowo- czestotliwos'ciowa  modelu  o  oś miu  stopniach  swobody  napę du gł ównego frezarki  F u - la przy  prę dkoś ci  obrotowej  n =   180 obr/ min m 500 fw[ Hz] 6  - ?n — Rys.  8.  Charakterystyka  fazowo- czę stotliwoś ciowa  modela  o  oś miu  stopniach  swobody  n apę du  gł ównego frezarki  F u- la przy  prę dkoś ci  obrotowej  n  — 180 obr/ min 14* [211] 212 J.  BARAN ,  K,  MARCH ELEK typu  b.  Schemat zamiany  pokazano  n a  rys.  4.  U zyskano  w  ten  sposób  model  o  pię ciu stopniach  swobody  (rys.  5), którego parametry podano  w tablicy  5. W  tablicy  6 podan o wartoś ci  czę stotliwoś ci  drgań wł asnych modelu o oś miu  oraz mo- delu  o  pię ciu  stopniach  swobody,  obliczone  metodą   HOLZERA  [3] na  maszynie matema- tycznej. Ulu)- 1D 3 [ra4/ k6m] 2 0 13 iW u)- W 3 [rad/ kGm] ~o,ooi  Ulo)- 10 3 [rad/ kBm] R ys.  9.  C harakterystyka  amplitudowo- fazowa  modelu  o  pię ciu  stopniach  swobody  napę du  gł ównego frezarki  F u - la przy  prę dkoś ci  obrotowej  n =  180 obr/ min N a  rys.  6,  7  i  8  pokazano  wykresy  charakterystyki  amplitudowo- fazowej,  charakte- rystyki  amplitudowo- czę stotliwoś ciowej  i  charakterystyki  fazowo- czę stotliwoś ciowej  mo- delu  o  oś miu  stopniach  swobody,  natomiast na rys.  9,  10 i  11 pokazano te  same charak- terystyki  dla  modelu  o pię ciu stopniach swobody.  Charakterystyki  obliczono na maszynie matematycznej. 13  - 11  - fwfHz) wo 200 300 Rys.  10.  Charakterystyka  amplitudowo- czę stotliwoś ciowa  modelu  o pię ciu stopniach  swobody  n apę du gł ównego  frezarki  F u - la przy prę dkoś ci  obrotowej  n —  180 obr/ min 100 200 300 400 500 fw[Hz] 3  - • Jl  — 3,1 3,2 V Rys.  11. Charakterystyka  fazowo- czę stotliwoś ciowa  modelu  o pię ciu  stopniach swobody  n apę du  gł ównego frezarki  F u - la przy  prę dkoś ci  obrotowej  n  => 180 obr/ min [213] 214  J.  BARAN,  K.  MARCHELEK W n i o s k i 1. Z porównania uzyskanych  wyników dla redukcji  ukł adu o oś miu stopniach swobody (tablica  6 oraz  rys. 6- 11) wynika,  że proponowana metoda daje  dobre wyniki  dla celów praktycznych w zakresie czę stotliwoś ci  co <  103 rad/ sek. W zakresie czę stotliwoś ci  co  > 103 rad/ sek  wystę pują   rozbież noś ci  zarówno  w  przypadku  czę stotliwoś ci  drgań  wł asnych (tablica  6), jak  w  przypadku  charakterystyk  fazowo- czę stotliwoś ciowych.  Wynika  stą d, że  dla czę stotliwoś ci  co >  103 rad/ sek  nie moż na pomijać  czł onów urojonych we wzorach redukcyjnych. 2. Róż nice  w  wartoś ciach  rzę dnych  charakterystyk  amplitudowo- czę stotliwoś ciowych (rys. 7 i  10) rosną  ze wzrostem czę stotliwoś ci/! Wynika  to z powodu maleją cej dokł adnoś ci obliczeń  na maszynie  matematycznej. Zastosowanie  dokł adniejszej  maszyny matematycz- nej  powinno  dać wyniki  praktycznie  zgodne,  szczególnie  w  zakresie  co <  103  rad/ sek. 3.  Przyję cie  w  proponowanej  metodzie  idei  kolejnej  redukcji  ukł adów  czę ś ciowych o  najwyż szych  czę stotliwoś ciach  drgań  wł asnych jest  uzasadnione, ponieważ  amplitudy drgań  w  rezonansach  o  duż ych  czę stotliwoś ciach  są   wielokrotnie  (nawet  kilkaset  razy) mniejsze  od  amplitud  drgań  w  rezonansie  podstawowym,  który  wystę puje  zwykle  przy jednej  z  niż szych  czę stotliwoś ci  drgań  wł asnych. 4. Wyznaczenie  wzorów  opisują cych  współ czynniki  tł umienia  zastę pczego  ukł adu czę ś ciowego  m a duże  znaczenie  praktyczne,  ponieważ  umoż liwia  zastosowanie  maszyn matematycznych  do  obliczeń  charakterystyk  dynamicznych. Literatura  cytowana  w  tekś cie 1.  E .  H .  P H B H H J  Memod  yMenbiuenun  cmeneneu  ceoóodbi e  paciemnux  cxeMax  i/ ennux  u  pa3aemeAeuuux cucme/ iiax,  M auiH H OcrpoeH n e  N °  S,  1966. 2.  K .  M AR C H E L E K ,  T eoretyczne  podstawy  dynamicznych  obliczeń  napę dów  gł ównych  frezarek,  Z eszyty  N a - ukowe  P olitechniki  Szczeciń skiej  n r  103, P race  Monograficzne  n r  49,  Szczecin  1968. 3.  J. P .  D E N   H AR T O G , Mechanical Vibrations, N ew  York- Toron to- Lon don,  M cG raw- H ill Book  Company, 1956. P  e 3  M   M e nP H BEflEH H E  CTEIIEH EPl  CBOEQUBI  .HHCKPETHLIX  CHCTEM B  p a 5 o i e  coflep>KHTCH   BHflo3MeHeHHbiH   M ewm  3 .  H .  P r a i i n a  npHBefleHHH   cTeneH eft  cBo6oflbi CHCTeM.  I I p H   BBefleHHH   noHHTHH  KOMnJieKCHoro KO3(J)HiiHeHTa HcecTKOcm  n o n yqeH bi n pH BC fleim a  KoatpiJamiieH TOB  3aTyxaHHH.  ITpeflCTaBJieHHbift  M eiofl  npH Be^eH H H  creneH eft  C BO - n pH M en err  gnu  p a c ^ e i a  aMnjiH Ty«H 0- cpa30Bwx  xapaKTepiicTH K  rjiaBH oro  npH BOfla  c r a m o  F u - l a. H a  ocH OBe  n on iraeH K bix  pe3yjn.TaT0B  Haiin,eHOj  MTO  n pe^n araeM BiH   MeioA  o a e i  xo po n iH e  p,nn  n p a u - B  flaana30H e  ca <  1 0 3 RED U KCJA  STOPNI  SWOBODY  UKŁADÓW  DYSKRETNYCH   215 S u m m a r y RED U CTION   O F   TH E  N U M BER  OF   D EG REES O F   F R E E D OM  I N   D I SC R E TE  SYSTEM S The paper presents  a modification  of  Rivin's  method of  reduction of  the number of  degrees  of  freedom of  discrete  systems.  By  introducing  the notion of  a complex  rigidity  coefficient  th e reduction formulae  for the damping coefficients  are obtained. The method is then applied t o the calculation of th e amplitude- phase characteristics  of  the  main  drive  of  the  F u- la  milling  machine. Th e  results  of  these  calculations  indicate that  the proposed  method is  practically  accurate and applicable  in  the frequency  range  of  a>  <  103  sec- 1. POLITECHNIKA  SZCZECIŃ SKA Praca został a zł oż ona w Redakcji dnia 20 kwietnia  1970 r.