Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Пневматические позиционные системы приводов исполнительных движений механизм и машин. Состояние вопроса 14
1.1. Рациональные области применения пневматических приводов в механизмах технологического оборудования 14
1.2. Основные направления повышения производительности технологического оборудования 23
1.3. Особенности функционирования различных исполнительных движений приводов 26
1.4. Анализ исследований автоматизированных пневматических приводов 31
1.5. Позиционные пневмоприводы с тормозными устройствами, обоснование задач и направления исследований 41
1.6. Выводы 45
ГЛАВА 2. Схемотехнический поиск систем позиционного пневматического привода с улучшенными характеристиками 47
2.1. Обоснование структруры и техники позиционного пневмопривода повышенного быстродействия и точности 47
2.2. Разработка пневмокинематической схемы автоматизированного позиционного привода 53
2.3. Разработка пневмомеханического контура управления
2.3.1. Многопараметрический пневмомеханический датчик (МПМД) 56
2.3.2. Пневмомеханическое тормозное и фиксирующое устройство 61
2.4. Идентификация характеристик многопараметрического пневмомеханического датчика 63
2.4.1. Геометрическая характрестика проточной части датчика 63
2.4.2. Методика и стенд для исследования пневматических характеристик датчика 66
2.4.3. Раходно-перепадные характеристики датчика
2.5. Формирование математической модели тормозного устройства с пневматическим управлением 75
2.6. Обоснование материалов и параметров процесса пары трения тормоза 79
2.7. Разработка блока автоматического управления пневмоприводом 81
2.8. Выводы 85
ГЛАВА 3. Теоретические исследования процесса позиционирования пневмопривода с пневмомеханическим контуром управления 86
3.1. Формирование обобщенной математической модели пневмомеханической системы привода 86
3.2. Исследование переходных процессов динамической системы привода 99
3.3. Исследование влияния пневмомеханических (силовых и кинематических) характеристик привода на быстродействие и точность позиционирования 107
3.4. Выводы 113
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования автоматизированного позиционного пневмопривода 115
4.1. Цели и задачи экспериментальных исследований. Методология построения и выполнения эксперимента 115
4.2 Специальное стендовое оборудование 117
3.3. Методика, планирование и результаты исследований влияния пневмомеханичесих факторов системы привода на прцесс позиционирования 122
4.4. Методика, постановки, проведения и результаты многофакторного эскперимента, устанавливающего взаимное влияние силовых факторов привода на быстродействия и точность исполнения позиционных циклов 127
4.5. Выводы 140
ГЛАВА 5. Методика инженерного расчета рекомендации к проектированию апп. апробация и внедрение результатов диссертационного исследования 142
5.1. Методология и алгоритм расчета автоматизированного пневмопривода с внешним тормозным устройством 143
5.2. Методика расчета основных парамеров АПП
5.2.1. Анализ технического задания на проектирования привода, формирование исходных данных для расчета силовых подсистем привода 147
5.2.2. Кинематический и грузочный расчет 150
5.2.3. Расчет параметров и выбор типоразмера пневматического цилиндра 151
5.2.4. Расчет параметров и выбор пневматических аппаратов 155
5.2.5. Расчет параметров и выбор пневматических трубопроводов 156
5.2.6. Расчет рабочей температуры газа в пневмосистеме
5.3. Разработка управляющей подсистемы АПП 158
5.4. Внедрение результатов научно-исследовательской работы в образовательный процесс ВУЗа, промышленная апробация 159
5.5. Выводы 160
Заключение 161
- Анализ исследований автоматизированных пневматических приводов
- Идентификация характеристик многопараметрического пневмомеханического датчика
- Исследование переходных процессов динамической системы привода
- Методика, постановки, проведения и результаты многофакторного эскперимента, устанавливающего взаимное влияние силовых факторов привода на быстродействия и точность исполнения позиционных циклов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Уровень развития современной техники во многом определяется эффективностью систем приводов, обеспечивающих движения целевых механизмов в технологическом оборудовании и, как следствие, требуемые производительность обработки и качество рабочих процессов. Поэтому совершенствование действующих и создание новых машин и механизмов неразрывно связано с развитием приводостроения и созданием новых систем приводов, способных конкурировать с известными схемотехническими решениями.
В этих условиях создание автоматизированных позиционных приводов является важной научно-технической задачей, особенно для установочных и вспомогательных движений, составляющих до 30% времени технологических и рабочих процессов. Обладая известными преимуществами (простота передачи энергии, высокое быстродействие, хорошие массогабаритные характеристики, возможность бесступенчатого регулирования скорости и др.), пневмоприводы являются перспективным направлением решения этой задачи. Они широко применяются в позиционирующих механизмах, особенно в комбинированных пневмомеханических и пневмоэлектрических системах приводов, которые при определённых условиях образуют мехатронные системы. Это позволяет расширить возможности структурного и параметрического синтеза программной и аппаратной реализаций алгоритмов оптимального управления движением.
Обоснование и поиск путей повышения быстродействия и точности позиционирования систем пневматических приводов стали предметом научного исследования и схемотехнического поиска, выполненных автором.
Степень разработанности темы исследования. Современные позиционные пневматические приводы в общепромышленном исполнении обеспечивают при скоростях перемещения до 30 мм/с точность позиционирования ~1% от величины перемещения (в специальном исполнении при скоростях до 100 мм/с точность позиционирования до 0,4%). Возможности известных позиционных пневматических приводов в повышении точности ограничиваются тем, что траектория движения формируется управлением потоками сжатого воздуха в напорной или сливной магистралях и полостях пневмодвигателя. Сжимаемость и сложные термодинамические процессы в потоках воздуха являются основной причиной такого ограничения. В этих условия применение внешних тормозных устройств является реальным направлением поиска решения задачи.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности исполнительных движений механизмов и машин путем создания автоматизированного позиционного пневмопривода повышенного быстродействия и точности.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
-
Обоснование структуры и технических средств построения автоматизированного позиционного пневмопривода повышенного быстродействия и точности.
-
Выполнение схемотехнического поиска электропневматического контура управления траекториями оптимальных позиционных циклов. Идентифицирование регулировочных характеристик его элементов.
-
Разработка обобщенной динамической математической модели пневмомеханической системы предлагаемого привода, способной описывать различные позиционные циклы в реальном времени и пространстве.
-
Моделирование типовых позиционных циклов, установление влияния кинематических и силовых параметров привода на быстродействие и точность выполнения исполнительных координатных перемещений.
-
Экспериментальные исследования на стенде-модели привода для идентификации реальных характеристик позиционного пневмопривода, установление зависимости длительности и точности позиционных циклов от перемещаемых масс, кинематических и силовых характеристик привода.
-
Разработка методики инженерного расчёта предлагаемого привода.
-
Апробация и внедрение результатов исследования, рекомендации для эксплуатации и обслуживании автоматизированного позиционного привода.
Научная новизна:
-
Обоснование структуры и средств построения автоматизированного позиционного пневмопривода с пневмомеханическим контуром управления, обеспечивающих максимальное быстродействие привода при заданной точности и надежную фиксацию положения механизма после останова.
-
В создании обобщенной математической модели динамической системы привода с пневмомеханическим контуром автоматического управления движением, позволяющей адекватно описывать траектории и динамику позиционных перемещений.
-
Введением булевых параметров в системе нелинейных дифференциальных уравнений единой модели исследованы реализации процесса позиционирования, например, с различными управляющими и тормозными устройствами.
-
В выявлении зависимости длительности и точности позиционных перемещений от перемещаемых масс, кинематических и силовых характеристик механизмов позиционирования, формирующих зоны «устойчивого позиционирования».
Теоретическая и практическая значимость.
Теоретическая значимость выполненного исследования:
-
Предложено аналитическое описание сложной пневмомеханической позиционной системы пневмопривода с учетом термодинамики потока сжатого воздуха и подмодели контура управляемого пневмомеханического контура.
-
Полнофакторным вычислительным экспериментом получены эмпирические модели, раскрывающие взаимное влияние основных факторов (перемещаемых масс, кинематических, силовых и управляющих воздействий) на качество процесса позиционирования.
-
На основе математических моделей созданы алгоритмы, управляющие компьютерные программы, поддерживающие оптимальные траектории движения привода с максимальным быстродействием при заданной точности позиционирования.
-
Введением в систему дифференциальных уравнений, описывающих механическую, пневматическую и управляющую подсистемы привода, вектора булевых параметров, создана единая обобщенная математическая модель привода, описывающая различные структурные и параметрические вариации привода при меньшем объеме вычислений и большей надёжности результатов.
Практическая значимость исследования:
-
Реализованы схемотехнические решения АПП. Идентифицированы реальные кинематические и силовые характеристики предлагаемого привода с оригинальным пневмомеханическим контуром управления алгоритмами позиционных перемещений.
-
Разработана и внедрена программная поддержка в виде компьютерной управляющей программы привода, организующей оптимальный позиционный цикл.
-
На основе уточненной модели трения в пневмомеханическом тормозе обосновано применение в парах трения новых фрикционно-износных отечественных композиционных материалов УФКМ (Арголон-ТХ, carbenix-4000), обеспечивающих интенсивное торможение и надежную фиксацию механизма после останова.
-
Реализованы разработки всех подсистем, необходимых для изготовления комплексного АПП на модульном принципе, произведён его опытный образец и адаптирован к учебному процессу в ВУЗе.
-
Пневмомеханический контур управления позволяет обеспечить исполнение заданных позиционных циклов, мониторинг их кинематических, силовых и энергических текущих характеристик, что позволяет диагностировать состояние привода, формировать корректирующие управляющие воздействия для поддержания оптимальных траекторий движения.
6. Предложена апробация и внедрена в практику проектирования методика инженерного расчета позиционного пневмопривода с пневмомеханическим контуром управления позиционными циклами.
Методология и методы исследования.
-
Комплексный подход к решению поставленной научно-технической задачи на основе анализа, схемотехнического поиска, исследования, синтеза полученных знаний для создания содержательной научной и методологической основы построения АПП для механизмов позиционирования машин (на примере промышленного робота).
-
Применены методы эмпирического поискового конструирования; идентификации регулировочных характеристик устройств и подсистем привода на специальном стендовом оборудовании; мониторинга параметров текущего состояния с осциллографированием и последующей статистической обработкой, оценкой и визуализацией результатов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Структура и техническое исполнение АПП с контуром пневмомеханического управления, реализуемым многопараметрическим пневмомеханическим датчиком и внешним тормозным устройством в виде управляемого пневмомеханического тормоза, повышающие быстродействие и точность установочных движений.
-
Обобщенная динамическая математическая модель пневмомеханической системы привода, описывающая ее поведение при различных алгоритмах управления позиционными циклами.
-
Зависимости длительности и точности позиционных циклов от внешних и внутренних воздействий на механизм позиционирования.
-
Методика инженерного расчета при проектировании АПП с внешними тормозными устройствами, рекомендации по наладке, мониторингу функционального и параметрического состояния и эксплуатации реальных приводов.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследования обеспечивалась идентификацией реальных параметрических оценок на специальном стенде-модели привода, построенном на принципах подобия пневмомеханических процессов с допустимыми ограничениями. При этом уточнялись значения коэффициентов и показателей, участвующих в математических моделях.
Приемлемая достоверность полученных массивов измерений и их синтеза подтверждается удовлетворительным совпадением результатов вычислительного и натурного экспериментов, построенными на их основе графиками и эмпирическими зависимостями. При этом подтверждается и адекватность обобщенной математической модели, описывающей реальные позиционные процессы.
Основные результаты работы докладывались на международных научно-технических конференциях: «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства», г. Ростов–на–Дону, 2014 г.; «Динамика и виброакустика машин, СГАУ», г. Самара, 2012 г., 2014 г.; «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика, МЭИ», Москва, 2015 г.; юбилейной конференции студентов и молодых ученых, посвященной 85-летию ДГТУ, г. Ростов–на–Дону, 2015 г.; «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика, МГТУ им. Баумана», Москва, 2014 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, три из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по главам, общих выводов, библиографического списка из 121 наименований, 23 приложений, 59 рисунков, 8 таблиц и изложена на 206 страницах машинописного текста.
Анализ исследований автоматизированных пневматических приводов
Эффективность общественного производства во многом определятся уровнем развития машиностроения- основной отрасли промышленности. Оно обеспечивает экономику орудиями труда и средствами производства, создавая надежный фундамент развития промышленности, сельсхого хозяйства социальной сферы.
В этих условия постоянно актуализируется проблема совершенствования действующей и создания новой техники с эффективными целевыми механизмами, обеспечивающими интенсификацию их рабочих и технологических процессов и как следствие – повышение производительности и качества обработки различных материалов и изделий.
Обладая известными преимуществами пневматические приводы традиционно широко применяются в тех отраслях, где необходимо обеспечить пожаро- и взры-вобезопасность, высокие требования по безопасности воздействия на окружающую среду. К этим отраслям относятся химическая промышленность, а также пищевая, машиностроительная, деревообрабатывающая и некоторые специальные отрасли, где требуется обеспечить надёжную работу в условиях вибраций, ударов, электромагнитных и радиационных воздействий [54, 56]. Автоматические пневмоприводы, обладая известными преимуществами, такими как высокая скорость перемещения выходного звена, пожаровзрывобезопасность, экологическая чистота, надежность, гибкость компановки в ограниченном пространстве, позволяют эффективно осу-щесвлять автоматизацию технологических процессов и оборудования. Значительное количество современного промышленного оборудования оснащается автоматическими пневматическими приводами (АПП). К этому оборудованию относятся упаковочные, сварочные, литейные машины; манипуляторы, роботы и робототех-нические комплексы; КПО; деревообрабатывающее оборудование; оборудование для пищевой промышленности.
В металлообрабатывающих станках широко применяют АПП для выполнения вспомогательных операций (зажим-разжим, фиксация, ориентирование, транспортирование, в сборочных и контрольно-измерительных приспособлениях). Это позволяет полностью или частично исключить участие оператора в тяжелых и монотонных работах, увеличить производительность оборудования в 1,5 – 4 раза [31, 73, 93].
Рациональные области применения пневматических систем приводов в машиностроении поясняют рисунки 1.1 – 1.6, где представлены характерные для этой отрасли исполнительные механизмы и машины с автоматизированными пневмоприводами.
На рисунке 1.1 представлена пневматическая универсальная силовая головка [8, 32], которая используется в различных металлорежущих станках в качестве привода. Особенность данной головки заключается в использовании рычага специальной формы, который позволяет формировать усилие в двух направлениях: вверх-вниз или вперед-назад. Головка может использоваться и серийном, и в штучном
Универсальная пневматическая силовая головка производствах. Пневматическая силовая головка содержит две выпуклые диафрагмы 5, встроенные в корпус 7, между которыми установлен шток 6. Рычаг 4 качается вокруг оси 3. Один конец рычага 4, качающегося вокруг оси 3, закреплён с помощью ролика в окне штока 6. Другие два конца рычага (также оснащённые роликами 1, посаженными на оси 2) используются для воздействия на приспособления, установленные на станке. Подача воздуха в полости головки осуществляется распределителем 9 с ручным управлением (с помощью рукоятки 8), установленным непосредственно на корпусе силовой головки. Переключением распределителя воздух подаётся в верхнюю или нижнюю полость головки, при этом вторая полость сообщается с атмосферой. Под действием давления сжатого воздуха происходит перемещение штока, соответственно поворачивается рычаг, действующий на зажимное устройство приспособления.
На рисунке 1.2 представлена пневмогидравлическая силовая головка фирмы «Рипаблик Тул» (США) [8, 64]. Головка содержит три пневмогидравлических цилиндра: основной 3 и два
вспомогательных 4, 5. Поршнем основного цилиндра является пиноль 2, внутри которой на подшипниках установлен шпиндель 1. Вспомогательные цилиндры расположены на одной оси и разделены между собой перегородкой 6. Левые полости вспомогательных цилиндров цилиндров соединены между собой и подключены к левому порту пневмораспределителя 7 с электроуправлением. Левая полость основного цилиндра подключена к правому порту распределителя. Правые полости всех цилиндров соединены между собой и заполнены рабочей жидкостью (маслом). Вращение от вала электромотора 8 передаётся шпинделю через втулку 9. При подаче сжатого воздуха из правого порта распределителя в левую полость цилиндра 3 происходит выдвижение пиноли вместе со шпинделем вправо.
При движении птноли 2 вправо рабочая жидкость вытесняется из правой полости цилиндра 3 сначала в правую полость цилиндра 4, вызывая перемещение его поршня 10 влево. При этом пиноль движется со скоростью быстрой подачи до тех пор, пока поршень 10 не упрётся в регулируемый упор 11. После этого масло поступает в правую полость цилиндра 5 через регулируемый дроссель 12. С помощью дросселя настраивается скорость рабочей подачи. При достижении пинолью 2 упора 14, давление в правой полости цилиндра 3 возрастает и воздействует на поршень 13, который перемещаясь, замыкает электрический контакт. Сигнал, проходящий через контакт, используется для переключения распределителя 7. При этом сжатый воздух подаётся в левые полости вспомогательных цилиндров 4 и 5, а левая полость цилиндра 3 подключается к атмосфере. Поршни вспомогательных цилиндров перемещаются вправо, при этом масло вытесняется в правую полость цилиндра 3, происходит движение пиноли в исходную позицию со скоростью быстрой подачи (масло, вытесняемое из правой полости цилиндра 5, проходит через обратный клапан 16). В конце обратного хода пиноль 2 воздействует на плунжер 17 электровыключателя 18, сигнализируя об окончании цикла работы.
Идентификация характеристик многопараметрического пневмомеханического датчика
Многообразие конструкций, компоновок, достаточно обширный научный потенциал выполненных разными авторами исследований, многообразие отдельных частных случаев требуют единого подхода к созданию механизмов позиционирования автоматизированного производства, научного анализа, синтеза и управления такими механизмами [8, 42, 73]. Преимущества имеют механизмы позиционирования с оптимальным (по заданному критерию) управлением позиционными циклами на основе мехатронных модулей. В этих условиях следует обратить особое внимание на быстроходные механизмы позиционирования, выполняющие как отдельные движения, так и сложные позиционные циклы, длительность которых определяется не только временем движения Тц, но процессом формирования команд на переключение управляющих аппаратов ZТу, передачи управления на последующие элементы рабочего цикла (фиксация рабочего органа Тф, зажим заготовки Тз и др.). В этом случае Тц = 1Т i, что характеризует быстродействие механизма. При этом необходимо учитывать ограничения по точности перемещения AL AL max [29, 35, 73, 94].
Пневматические системы управления (ПСУ) являются достаточно эффективными средствами автоматизации и механизации производственных процессов. В наиболее развитых промышленных странах до 40% автоматизированного оборудования оснащено ПСУ [93]. Многообразие схемотехнических решений обусловило необходимость обобщения структуры пневмомеханических позиционных устройств (ПМПУ) и описания ее поведения единой математической моделью для решения задачи структурно-параметрической оптимизации по основным критериям качества и эффективности [38, 41]. Для исследования таких моделей необходимы универсальные компьютерные программы для математического моделирования.
Характерной особенностью развития автоматизированных пневматических приводов (АПП) является применение пневматических устройств не только для решения силовых задач, но и задач контроля и управления рабочими процессами машин и агрегатов. Использование единого энергоносителя – сжатого воздуха – в силовом и управляющем каналах АПП приближает его к электрическим приводам по быстродействию и расширяет возможности применения.
Основным направлением поиска решений являются программные позиционные пневмоприводы, наиболее полно отвечающие поставленной задаче. Также важна и техника исполнения предлагаемых решений. Применение модульного принципа построения более сложных решений на базе простейших из ограниченного количества элементов позволит создать автоматизированные ПМПУ с изменяемой структурой, адаптируемые к штатным структурам технологических и транспортных машин, существенно повышающие их производительность. Рассмотрим стратегию поиска и реализации схемотехнического решения рационального АПП применительно к реальному объекту, в качестве которого предлагается промышленный робот [36]. Робототехника традиционно использует передовые достижения в промышленных стационырных и мобильных установках. Поставленная цель достигается решением задачи синтеза в несколько этапов [73-74].
В настоящее время автоматизированные пневмоприводы исполнительных движений машин и агрегатов создаются с учетом возрастающих требований к уровню их автоматизации, точности и качеству исполнения, быстродействию [86]. Достижение задаваемого уровня невозможно без автоматизированных систем управления приводами. Эти системы должны выполнять не только функции регулирования их характеристик, но и логические и вычислительные операции, что необходимо для организации рабочих циклов привода по заданным алгоритмам. При этом становится заметным смещение акцентов при проектировании АПП от силового контура к информационному. Рассматривая замкнутные дискретные рабочие циклы целевых механизмов машин, необходимо использовать принципы построения машин-автоматов. Широкое применение АПП в различных отраслях машиностроения объясняется эффективным решением ими силовых и транспортных задач.
Автоматизированное технологическое оборудование имеет замкнутые рабочие циклы, формируемые в общем случае следующими движениями: быстрый подвод, замедление, останов c позиционированием, быстрый отвод. Эффективность работы приводов определяется точностью позиционирования и быстродействием координатных перемещений в реальном времени при выполнении однопозиционных или многопозиционных циклов. Обобщенные траектории одно- и многопозиционных исполнительных движений целевых механизмов представлены на рисунке 2.1.
Точки Оi показывают конечные положения выходного звена объекта управления. В зависимости от резерва мощности привода возможны различные траектории: «ступенчатая» Оi-1AiВiCiDiОi; «колокол» Оi-1ВiOi. Последняя обеспечивает минимальное время перемещения и называется оптимальной (Оi-1Bi – разгон, ВiOi – торможение). Она получена решением задачи обеспечения оптимального быстродействия. Движение исполнительных двигателей можно остановить в первой точке О1, потом вернуться в исходное положение О0 или продолжить выполнять несколько последовательных циклов (рисунок 2.1). Графики исполнительных движений характеризуются следующими элементами: a) точка О0 – исходное положение «Стоп» с фиксацией выходного звена привода (V0=0, L=0); b) участок ОiАi+1 – разгон до скорости быстрого подвода Vбпi по траектории Lр; c) участок АiВi – установившееся движение со скоростью быстрого подвода Vбпi по траектории Lуi; d) в точке Вi – переключение управления u1 на замедление привода; e) участок вiсi – замедление до скорости позиционирования Vдрi привода;
Исследование переходных процессов динамической системы привода
Работоспособность пары трения зависит от физико-химичческих процессов, происходящих на поверхностях трения, которые в современных достаточно интенсивных режимах эксплуатации машин носят довольно сложный характер [108]. Таким образом, выбор фрикционного материала для пары трения зависит от его физико-химических свойств; задач, решаемых технологическим оборудованием; режимов и условий его эксплуатации. Для того, чтобы фрикционный материал обеспечивал требуемое качество эксплуатации машины, он должен обладать соответствующей фрикционной теплостойкостью; иметь необходимые и стабильные в заданном диапазоне температур и нагрузок значения коэффициента трения; обладать хорошей прирабаты-ваемостью к контрэлементу, не схватываться с ним; обладать высокой износо- и кор-розионностойкостью, быть негорючим, технологичным, иметь соответствующие теп-лофизические и механические свойства и т. д. [109-110]. На основе уточненной модели трения обосновано применение во внешних пневмомеханических тормозных устройствах новых фрикционно-износных характеристик отечественных углеродных фрикционных композиционных материалов (УФКМ), исследованных в лабаротории «Узлов трения для экстремальных условий» под руковоством доктора технических наук Албагачиев Али Юсупович в ИМАШ РАН.
Для определения фрикционных характеристик различных УФКМ с целью их материала, виду армирования, сопоставления с результатами стендовых испытаний и последующей выработки требований к материалу, а также для оценки технологических возможностей управления фрикционными свойствами, провведены испытания, используя термоимпульсный метод [103, 107, 110]. Результаты испытаний приведены в таблице 2.1 [6]. Carbenix-4000 0,40-0,45 0,80-0,92 2,3-5,5 Они свидетельствуют о заметной чувствительности фрикционных характеристик, определяемых термоимпульсным методом, к структуре углеродного природе матрицы и армирующего волокна. Значения всех показателей (см. таблицу 2.1) колеблются в весьма широких пределах.
Сравнительная оценка полученных характеристик различных материалов позволила принять в конструкции пневмомеханического тормоза фрикционный материал Carbenix- 4000 и Арголон – ТХ.
Определим стратегию поиска и реализации схемотехнического решения рационального АПП применительно к реальному объекту, в качестве которого предлагается промышленный робот. Робототехника традиционно использует передовые разработки машиностроительной техники, которые успешно тиражируются в промышленных стационарных и мобильных установках.
АПП является совокупностью силовой, механической и управляющей подсистем, осуществляющих преобразование энергии потока сжатого газа в механическое движение объекта управления по заданному рабочему циклу, обеспечивающему автоматизированный технологической процесс [93].
Обобщённая структурная схема пневматического привода представлена на рисунке 2.17. По виду реыализуемых траекторий движения объекта управления различают цикловые, позиционные, следящие пневмоприводы.
Подробно рассмотрим позиционные приводы, которые характеризуются тем, что ОУ может быть остановлен в любой координате своего диапазона перемещения с заданной точностью. В позиционном приводе датчики могут быть как дискретными (цифровыми), так и аналоговыми, формирующими сигнал, пропорциональный положению ОУ. Устройство управления на основе анализа сигналов датчиков осуществляет включение или выключение ПД, или изменяет направление его движения.
Электрическая функциональная схема позиционного пневмопривода с внешним тормозным устройством представлена на рисунке 2.18. Электрическая схема включает два блока питания, преобразующих переменное напряжение сети (220 В) в постоянное напряжение 24 В. Один блок питания предназначен для питания электромагнитов распределителей, второй – ПЛК и модуля расширения. Пневматический сигнал от МПМД поступает на датчик давления, который преобразует его в электрический сигнал. Модуль расширения преобразует аналоговый сигнал в цифровой код и передаёт его в ПЛК. ПЛК определяет текущее значение перемещения, сравнивает его с заданными значениями и формирует команды на замедление и останов привода. Входы АЦП рассчитаны на максимальное измеряемое напряжение 3 В, поэтому к его входам подключены резистивные делители (см. рисунок 2.18) [43].
Методика, постановки, проведения и результаты многофакторного эскперимента, устанавливающего взаимное влияние силовых факторов привода на быстродействия и точность исполнения позиционных циклов
Исследование модели системы нелинейных дифференциальных уравнений (3.37) выполнено с использованием системы компьютерного моделирования matlab-simulink численными методами Рунге-Кутта. Исследование выполнено для типового рабочего цикла пневматических роботов: в исходном положении на выходе блока подготовки воздуха присутствует давление питания (6 бар); при подаче команды на начало рабочего цикла осуществляется быстрый подвод (выдвижение) штока до заданного расстояния L1, замедление выдвижения штока до скорости позиционирования при использовании регулируемого дросселя (рисунок 3.1), остановка при помощи внешнего торможения.
Программа моделирования переходных процессов позиционного пневмомеханического привода в системе компьютерного моделирования Matlab R2015a (приложение Г). Решение системы сложных нелинейных уравнений (3.37) проводилось при следующих основных исходных данных:
Типовые осциллограммы вычислительного эксперимента для позиционного пневмопривода представлены на рисунках 3.3 - 3.6. Осциллограммы показывают изменение основных параметров АПП: L, V, а, Ру, ху, на участках разгона tр, замедления движения ізм и останова tо и время перемещения золотника пневмораспределителя V Как видно из графиков, после останова в окрестностях координаты позиционирования наблюдается период успокоения. Многократное осциллографирование процесса позиционирования АПП показывает удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных траекторий движения АПП (см. гл. 4).
При моделировании более подробно исследовались участки позиционирования (перехода с Vбп до остановки АПП). Результаты представлены на рисунке 3.7. Моделирование процесса замедления движения АПП проводилось с постоянной установленной скоростью Vбп при различных перемещаемых массах mпр, скоростях позиционирования Vпр (м/с), координатах позиционирования Li (м) и давлениях в тормозных цилиндрах. Точность позиционирования оценивалась по разности между заданной координатой позиционирования и определённой после остановки привода.
Команда на замедления подается в координате Lпб. Команда на остановку подается в координате Li (м). При этом максимальное ускорение торможения достигало 7,2 м/с2 и не превышало допустимого ускорения на удар ( 8 м/с2). Длину участка позиционирования Lпз определяли величиной перемещения АПП от координаты, в которой подаётся команда управления на замедление, до координаты остановки.
На рисунке 3.7,а представлены результаты исследования влияния перемещаемой массы АПП на переходные процессы на участке позиционирования, а соответственно, на точность и время позиционирования [42]. Установлено её существенное влияние на время и точность позиционирования.
На рисунке 3.7,б представлены результаты исследования влияния скорости позиционирования на участке позиционирования на время и точность позиционирования [40]. Установлено её существенное влияние на время и точность позиционирования.
На рисунке 3.7,в представлены результаты исследования влияния заданной координаты позиционирования на точность позиционирования при одинаковом участке торможения. Установлено её существенное влияние на точность позиционирования.
На рисунке 3.7,г представлены результаты исследования влияния давления в тормозных цилиндрах на точность позиционирования [40]. Установлено его существенное влияние на время остановки и точность позиционирования.
Осциллографирование натурного эксперимента проводилось c использованием программной поддержки PowerGraph к плате ЦАП/АЦП (E20-10D). Вычислительный эксперимент проводили в программе Matlab R2015a различными численными методами интегрирования (Эйлера и Рунге-Кутта) [48, 78]. При этом получены близкие результаты, что позволяет сделать предположение об адекватности математической модели. Результаты натурного и вычислительного исследований представлены на рисунке 3.8.
Вычислительное и экспериментальное исследование выполнялось для типового рабочего цикла, характерного для горизонтального перемещения промышленного робота: после подачи команды на начало рабочего цикла осуществляется быстрый подвод движения, замедление до скорости позиционирования, останов в конце.