Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования 7
Глава 2. Исследование технологического процесса пакетирования грузов 22
2.1 Особенности технологического процесса пакетирования грузов 22
2.2 Исследование различных вариантов осуществления укладки грузов 26
Глава 3. Робототехническии комплекс для пакетирования грузов 39
3.1 Анализ энергетических затрат в технологическом оборудовании 39
3.2 Структурная схема энергетически эффективного РТК для пакетирования грузов 41
3.3. Построение технологического процесса укладки грузов 46
3.4 Расчет уравновешивающей пружины 51
3.5 Система управления манипулятором 55
Глава 4. Разработка и исследование грузовых платформ с рекуператорами энергии 69
4.1 Платформа с рекуператором энергии на базе пружинно-пневматического аккумулятора 74
4.2 Грузовая платформа с рекуператором энергии на базе пневматического аккумулятора 84
4.4. Сравнение свойств рекуператоров на базе пружинно-пневматического и пружинного аккумуляторов 99
Глава.5. Экспериментальные исследования 102
5.1. Макет для экспериментального исследования свойств системы управления приводом каретки 102
5.2 Измерение скорости каретки 104
5.3. Измерение выбега каретки 109
Основные результаты работы и выводы 115
Приложение 117
Список литературы 124
- Особенности технологического процесса пакетирования грузов
- Структурная схема энергетически эффективного РТК для пакетирования грузов
- Платформа с рекуператором энергии на базе пружинно-пневматического аккумулятора
- Измерение скорости каретки
Введение к работе
Актуальность темы. Разработка энергосберегающих технологий является одним из приоритетных направлений развития промышленного комплекса на ближайшие десятилетия. Известно, что предприятия этого комплекса являются одними из основных потребителей энергии. Если их продукция представляет собой штучные грузы, то ее перевозка, как правило, производится в пакетах, установленных па стандартные поддоны. Учитывая существующие стандарты ГОСТ 11320-65, ISO 3676 и другие, все пакеты с грузами имеют ограниченный ряд размеров, определяемый стандартизованным размерным рядом тары. Поэтому операция формирования пакетов на стандартном поддоне - пакетирование, является массовой и типовой для большинства видов грузов.
На современных промышленных предприятиях до 80% погрузочно-разгрузочных операций осуществляется с применением ручного труда. Применение средств автоматизации при пакетировании сдерживается их высокой стоимостью и существенным энергопотреблением. Анализ применения промышленных роботов для осуществления операций по пакетированию грузов показывает, что в общей доле областей использования она составляет не более 5 %
В настоящее время на рынке представлено большое количество универсальных роботов, которые могут быть использованы, в частности, для осуществления операции пакетирования. Однако универсальность этих роботов предъявляет к ним завышенные требования по точности и жесткости конструкции, увеличивая при этом массу подвижных частей, усложняя систему управлении и значительно увеличивая их стоимость. Увеличение массы подвижных частей робота приводит к излишнему энергопотреблению, которое в масштабах всего комплекса промышленных предприятий приводит к существенным экономическим потерям. Все это является причиной того,
I 3
что промышленные роботы (ПР) редко используются для осуществления такой массовой технологической операции как пакетирование.
Перечисленные выше соображения показывают, что для операции
пакетирования целесообразна разработка специализированных
робототехпических комплексов (РТК) с одновременным решением задачи снижения энергопотребления. Однако их развитие и внедрение сдерживается недостатком исследований в этой области, позволяющим перейти к их разработке.
Материал данной диссертации объединен задачей снижения энергопотребления в РТК, предназначенных для пакетирования грузов, посредством системного подхода при их проектировании. В силу всего сказанного выше тема данной диссертации представляется актуальной.
Цель работы. Целью диссертации является разработка методик проектирования, исследования и расчета энергетически эффективных РТК для пакетирования грузов, а также вспомогательного оборудования к ним.
Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие основные задачи исследования:
-
Анализ типовых технологических процессов пакетирования грузов и оценка их параметров, в том числе энергетических; разработка критериев энергетической эффективности процесса пакетирования; исследование путей минимизации энергозатрат при пакетировании.
-
Анализ распределения энергетических затрат в технологическом оборудовании для пакетирования грузов; разработка основных рекомендаций по повышению энергетической эффективности РТК для пакетирования; разработка новых принципов построения и работы РТК с использованием предложенных рекомендаций.
-
Разработка системы управления региональными перемещениями ПР, отвечающей требованиям к технологическому процессу пакетирования, а также рекомендациям по снижению энергозатрат в
РТК.
-
Разработка методики построения грузовых платформ на базе пневматического и пружинно-пневматического аккумуляторов путем построения и исследования их математических моделей.
-
Экспериментальное исследование макета манипулятора для осуществления предложенного технологического процесса пакетирования и сопоставление результатов исследования с теоретическими результатами.
Методы исследований: при разработке математических моделей и проведении расчетов использовались методы теоретической механики, теории механизмов и машин, а также вычислительной математики.
Научная новизна работы состоит в следующем:
показано, что существенное снижение энергозатрат при пакетировании грузов может быть достигнуто путем рационального построения технологического процесса пакетирования;
предложены новые принципы построения и схемные решения энергетически эффективных РТК для пакетирования грузов;
предложены новые принципы рекуперации энергии в грузовых платформах, являющихся частью РТК;
разработана методика проектирования грузовых платформ оснащенных рекуператорами энергии на базе пружинно-пневматического и пневматического аккумуляторов;
Основные положения, выносимые на защиту:
снижение энергопотребления в РТК для пакетирования грузов достигается за счет оптимального построения технологического процесса, определяющего выбор, как структурной схемы робота, так и вспомогательного оборудования;
специализация робототехнических комплексов на процессе пакетирования грузов с учетом конкретных особенностей операции пакетирования позволяет существенным образом снизить
энергозатраты по сравнению с энергозатратами универсального
оборудования.
Практическая ценность работы. Разработан новый технологический процесс пакетирования грузов, позволяющий существенно снизить затраты энергии в технологическом оборудовании. Предложен новый инженерный подход к построению РТК для пакетирования. Разработаны новые схемы РТК для пакетирования, позволяющие минимизировать затраты энергии. Предложены новые схемы грузовых платформ с рекуператорами энергии, пригодные к применению в РТК для пакетирования грузов, а также в пакетоформирующих машинах. Разработана методика проектирования этих платформ. Разработана система управления промышленным роботом осуществляющим пакетирование грузов, которая решает задачу плотной укладки грузов, а также задачу энергосбережения.
Публикации. По материалу диссертации опубликованы 4 печатные работы. Из них одна в издании, входящем в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук»
Апробация работы. Результаты работы докладывались в Санкт-Петербургском государственном Политехническом университете на XXXVII международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбГПУ».
Структура и объем работы. Материалы диссертации изложены на 144 страницах, включая 54 рисунка, 7 таблиц и состоят из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 93 наименования.
Особенности технологического процесса пакетирования грузов
Операция пакетирования грузов используется на большинстве промышленных предприятий, выпускающих штучную продукцию. Это объясняется тем, что пакетные перевозки грузов позволяют в значительной степени сократить транспортные расходы. По данным РОССТАТ [88] в 2007 году суммарный объем перевозок в РФ водным, железнодорожным и автомобильным транспортом составил приблизительно 8400 млрд. т. Из них приблизительно 40% составили контейнерные перевозки. Поскольку в большинстве случаев перевозка грузов в контейнерах предполагает предварительное укрупнение грузовых единиц в пакеты, можно заключить, что объем пакетных перевозок в РФ составляет не менее 1680 млрд. т. в год. Это показывает, что операция пакетирования является массовой.
Пакетирование грузов на современных промышленных предприятиях осуществляется как вручную, так и с использованием технологического оборудования. Независимо от типа технологического оборудования для пакетирования груза, на его вход поступают грузы и пустые поддоны, а на выход поступает сформированный пакет грузов. Под пакетом грузов понимается поддон, заполненный заданным количеством плотно примыкающих друг к другу штучных грузов пригодный к дальнейшей перевозке.
Размеры поддонов регламентированы в стандартах ГОСТ 9078-84 и ISO 6780:2003. Согласно этим стандартам поддоны выпускаются с, размерами 1200x800мм или 1200x1000мм.
Грузы, подлежащие операции пакетирования, могут быть предварительно упакованы в транспортную тару. Размеры и требования к транспортной таре определены ГОСТ 21140-88 и привязаны к размерам поддонов. Этот же стандарт регламентирует размещение рядов транспортной тары прямоугольного и круглого сечения на поддонах. Общие положения ГОСТ 21140-88 приведены ниже:
1. Размеры транспортной и потребительской тары должны быть увязаны между собой и с размерами средств пакетирования, транспортного, складского оборудования.
2. Размеры тары, производимые от модуля 600x400 мм и обеспечивающие полное заполнение площади поддонов 1200x800 мм, является предпочтительным.
3. При выборе высоты транспортной тары следует исходить из основных принципов: минимального расхода тарного материала и с учетом пакетных перевозок грузов (высота пакета).
4. Масса груза в единице транспортной тары определяется в зависимости от требований потребителя, способов проведения манипуляций с транспортной тарой, требований к сохранности продукции и других факторов. Если при погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работах предусмотрен ручной труд, то необходимо учитывать ограничения по нормам переноски грузов, установленным государственными документами.
Также в ГОСТ 21140-88 даны рекомендации по размещению прямоугольной и круглой транспортной тары на стандартном поддоне. На рис.2.1. представлено несколько возможных вариантов размещения прямоугольной транспортной тары на поддонах, регламентированных в стандарте.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что операция пакетирования для большинства видов грузов осуществляется по аналогичному технологическому процессу.
Независимо от того, каким способом производится или упаковывается штучная продукция, как правило, это происходит на высоте 800-1000мм от уровня пола. Это связано с эргономическими особенностями человека.
Соответственно на вход оборудования для пакетирования грузов продукция также поступает, находясь на указанной высоте.
Для удобства расчета частных задач, иллюстрирующих результаты, в работе выберем следующие размеры транспортной тары: высота 200мм, длина 300 мм, ширина 200 мм, и следующие параметры пакета: шесть слоев грузов по шестнадцать грузов в каждом слое и четыре пакета в ряде, вариант размещения на поддоне представлен на рис.2.3.
Исходя из вышесказанного, операция пакетирования имеет следующие основные особенности:
— является массовой, поскольку большинство штучных грузов перевозятся в пакетах;
— пакеты формируются на стандартных поддонах с размерами 1200x800 или 800x1000мм;
— высота пакета может превышать высоту 1200мм, только если масса пакета составляет не более 1200кг;
— размеры потребительской тары увязаны с размером средств пакетирования, допуски на размеры потребительской и транспортной тары колеблются в пределах от 2 до 15 мм;
— обязательным требованием является обеспечение плотности пакета, под которой понимается отсутствие зазоров между грузами;
— соударения грузов допустимы только при известных ограничениях, определяемых типом грузов;
— граф рабочих операций чаще всего представляет собой отрезки прямых линий;.
— производимая автоматическим оборудованием продукция, как правило, поступает в транспортную систему, расположенную на высоте более 800мм.
Структурная схема энергетически эффективного РТК для пакетирования грузов
Разработанные схемные решения РТК для пакетирования грузов предназначены для укладки штучных грузов на стандартный поддон размером 800мм х 1200мм. На вход РТК поступают два потока: поток 1 представляет собой штучные грузы, поток 2 представляет собой пустые поддоны (рис.3.2). На выходе комплекса получаем сформированный пакет.
Далее для удобства расчетов и изображения будем считать, что размер транспортной тары одного груза и сформированный пакет имеют те же размеры, которые были использованы в главе 2 (рис.2.4). Однако будем учитывать, что на самом деле адаптивность разработанного РТК позволяет формировать любой пакет в рамках существующих стандартов.
Как уже было отмечено, наиболее рациональной с точки зрения снижения энергозатрат структурной схемой манипулятора для технологического процесса пакетирования грузов является структурная схема, состоящая из трех поступательных пар (111111), в которой каждая поступательная пара обеспечивает движение одного технологического перехода. На рис. 3.3. представлено две структурных схемы манипуляторов построенных с использованием поступательных пар. Поступательная пара Пг обеспечивает поднятие и опускание схвата с грузом или без него, поступательная пара Пх обеспечивает движение схвата с грузом или без него параллельно оси X. Поступательная пара Пу обеспечивает перемещение схвата с грузом или без него параллельно оси Y. При таком подходе нагрузки на приводы системы определяются однозначно. Схема а) используется в существующем робототехническом комплексе Oli-Pal, рассмотренном в первой главе. Однако использование такой схемы приводит к существенному увеличению массы звена ИУ, обеспечивающего перемещение вдоль оси У, поскольку оно образует консоль. Схема б) позволяет существенным образом снизить массу исполнительного устройства.
В качестве двигателей ПР могут использоваться любые виды приводов для позиционирования, однако при наличии в структурной схеме- робота поступательных пар1 наиболее рациональным является использование в качестве привода пневматического цилиндра. В частности-, отметим, что при одинаковой выходной мощности, пневматический привод имеет минимальную массу по сравнению со всеми другими видами приводов; и соответственно, это сокращает затраты энергии на перенос масс звеньев. робота и преодаление- инерционных сил. Однако применение структурных схем представленных на рис.3.3". существенно увеличивает габариты манипулятора вдоль оси Y, а соответственно ход пневматического цилиндра отвечающего за перемещение вдоль данной оси. Поэтому при построении структурной схемы манипулятора была принята модифицированная схема ППП, в которой прямолинейное движение параллельно оси X, заменено движением по дуге окружности. В этом случае используется пневматический цилиндр с небольшим ходом, который вписывается в проекцию сформированного пакета на плоскости ZX (рис 3.5) Однако применение качающейся рамы требует увеличения хода Sz пневмоцилиндра, обеспечивающего подъем и опускания груза. При указанных на рис 3.4 геометрических параметрах, увеличение хода пневмоцилиндра составляет SZ=125MM.
Схемные решения РТК для пакетирования груза представлены на рис.3.5. Схема, представленная на рис 3.5.а) включает манипулятор 1 построенный по схеме ГШП, а схема, представленная на рис.3.5.б) включает манипулятор 7, построенный по схеме МППП. Для частичного уравновешивания рамы манипулятора 7 в крайних положениях и снижения нагрузки на привод используется пружина 8. В параграфе 3.4. предложена методика расчета и выбора таких пружин. Для стабилизации положения захвата в схеме с манипулятором МППП относительно плоскости OXY используется трособлочное устройство. В обеих схемах могут быть применены различные типы захватов, например, вакуумное захватное устройство. В данной работе захватные устройства не рассматриваются.
В обеих схемах для вертикального перемещения грузов применена грузовая платформа 5 с рекуператором энергии, перемещающаяся по направляющим 6.
Отметим также, что оба схемных решения реализуют технологический процесс, предложенный в главе 2. Конкретные схемы реализации этого технологического процесса разработаны и представлены в параграфе 3.3.
Платформа с рекуператором энергии на базе пружинно-пневматического аккумулятора
Платформа 1, на которую устанавливаются грузы 2, перемещается в вертикальном направлении вниз вдоль направляющих 3. Платформа соединена с пружинами 4, а также штоком пневматического цилиндра 5. Бесштоковая полость пневмоцилиндра 5 соединена с ресивером 6 через пневмораспределители 7.1 и 7.2. Пневматический цилиндр оснащен фиксатором 8, а также датчиками положения 9.
В начальный момент формирования пакета платформа, находится в крайнем верхнем положении (рис.4.4а). Шток пневматического цилиндра зафиксирован. Распределители 7.1 и 7.2 находятся в положении 1. После завершения укладки первого слоя грузов платформа снимается с фиксаторов и происходит ее вертикальное перемещение вниз на высоту одного слоя грузов. Далее аналогичным образом происходит укладка второго (рис.4.4б), третьего, четвертого и пятого слоев груза. Шестой слой укладывается без перемещения платформы (рис.4.4.в). После завершения процесса формирования пакета происходит удаление сформированного пакета с платформы. Распределитель 7.1 переходит в положение 2 и бесштоковая полость пневмоцилиндра 5 соединяется с ресивером 6. Пневматический цилиндр снимается с фиксатора и под действием силы упругости пружин платформа начинает перемещаться вверх (рис.4.4г). При этом сжимаемый воздух из бесштоковой полости пневматического цилиндра 5 поступает в ресивер 6. После окончания перемещения платформы в исходное положение распределитель 7.1 переходит, в положение 3, а распределитель 7.2. в положение 2. Воздух из ресивера 6 перетекает в ресивер 10, соединенный с пневмосетью РТК. После выравнивания давлений распределитель 7.2. переводится в положение 1, а пневмораспределитель 7.1. в положение 1. Далее процесс формирования пакета повторяется.
Варианты реализации перемещения платформы под действием веса грузов могут быть различны:
1. Перемещение платформы происходит при укладке каждого отдельного груза. В начальный момент времени грузов на платформе нет. Начальное положение платформы определяется ее массой.
На рис.4.5 представлен график зависимости перемещения платформы от времени при массе груза тгр=20кг и массе платформы тт=100кг. Видно, что время затухания колебаний составляет приблизительно ґз=2,5с. Такое время затухания не приведет к потере производительности, так как цикл работы манипулятора составляет около шести секунд [].
Отметим, что устанавливающий грузы на платформу манипулятор, разработанный в Главе 3, работает при переносе груза до столкновения с опорной поверхностью или соседним грузом (рисЗ.Х). При описанной выше последовательности опускания платформы такая реализация технологического процесса укладки грузов манипулятором затруднительна поскольку при укладке последних грузов слой уже опустится на достаточную высоту, и площадь столкновения будет недостаточна для правильной работы.
2. Перемещение платформы происходит при укладке каждого слоя грузов. При установке на платформу слоя грузов платформа переместится вниз на величину
Первый слой грузов манипулятор устанавливает на первом уровне укладки. После окончания установки первого слоя грузов происходит первое перемещение платформы. При этом захват платформы происходит в момент времени, когда центр масс платформы переместится на высоту двух слоев груза, где ее скорость минимальна (рис.4.5 точка В). Второй слой груза манипулятор устанавливает на втором уровне укладки. После завершения укладки второго слоя перемещения платформы не происходит. Третий слой грузов манипулятор устанавливает на первом уровне укладки. После завершения укладки третьего слоя платформа снова снимается с фиксаторов и перемещается вниз. Ее захват осуществляется при опускании платформы на высоту двух слоев груза, когда скорость платформы минимальна. Далее происходит установка третьего и четвертого слоев грузов на втором и первом уровнях укладки соответственно. После окончания укладки этих слоев платформа снова перемещается на высоту двух слоев груза. Последние пятый и шестой слой устанавливаются на втором и первом уровне укладки соответственно, без вертикального перемещения платформы.
Если мы имеем дело с нечетным количеством слоев, то первый слой груза, можно переместить сначала на высоту только одного слоя и улавливать платформу при максимальной скорости (платформа с одним слоем грузов обладает минимальной массой).
Схема процесса перехода энергии за один цикл работы рекуператора на базе пружинно-пневматического аккумулятора представлена на рис.4.10.
На схеме показано, что потенциальная энергия грузов переходит сначала в потенциальную энергию растянутой пружины. При этом переходе непременно возникают потери энергии, обусловленные наличием диссипативных сил. Далее в процессе подъема платформы потенциальная энергия пружины затрачивается на работу по сжатию газа в пневматическом цилиндре, работу на подъем пустой платформы, а также работу по преодолению диссипативных сил. При закачивании сжатого воздуха из пневматического цилиндра в ресивер также происходит частичная потеря запасенной энергии. Таким образом, при использовании пружинно-пневматического аккумулятора возникают потери энергии при многократном ее переходе из одного вида в другой. В связи с этим предложено использование рекуператора энергии, где энергия груза переходила бы в энергию сжатого воздуха, минуя промежуточные элементы.
Измерение скорости каретки
Вследствие инерционности звеньев кинематической цепи скорость каретки на всем пути ее перемещения вдоль направляющих неравномерна, соответственно, для исследования выбега каретки недостаточно знать только среднюю скорость каретки за цикл работы. Поэтому перед измерением длины выбега производились измерения скорости каретки и тележки вблизи точки программного отключения привода. Под точкой программного отключения привода понимается металлическая головка, при прохождении датчиком которой, устройство управления переключает распределитель пневмоцилиндра в нейтральное положение. Измерение было проведено посредством видеокамеры марки EVS-535 позволяющей делать кадры с интервалом времени 0,04с. Схема измерения скорости представлена на рис 5.3.
На расстоянии 400мм от оси датчика 1 закрепленного на каретке 2, перемещающейся вдоль направляющих 3 была установлена камера 4. Объектив камеры был настроен таким образом, чтобы с максимально возможным разрешением, позволяющим различить на полученном изображении риски измерительной линейки 5 провести покадровую съемку перемещения каретки на отрезке длинной 200мм, отсчитываемом от точки программного отключения привода 6.
Перед началом проведения точных измерений скорости проводились предварительные измерения средней скорости каретки и тележки на всем пути ее следования. Для этого использовалась линейка 5 и секундомер. На основе полученных при предварительных измерениях значениях скорости она регулировалась в большую или меньшую сторону посредством дросселя в соответствии с требованиями эксперимента. После этого проводились основные измерения скорости вблизи точки программного отключения привода.
Для этого камера включалась в режиме записи видео. Затем установка запускалась, и проводилось шесть-десять циклов работы. Полученная видеозапись была разбита на кадры с шагом в 0,04с при помощи программы Windows Movie Maker. На каждом из кадров определялась текущая координата головки датчика
На рис 5.4. представлен пример покадрового воспроизведения перемещения каретки. В верхнем левом углу каждого кадра представлено текущее время эксперимента, ниже указана текущая координата условной точки. За условную точку была выбрана проекция крайней левой образующей магнитного датчика.
На рис. 5.5 представлен график зависимости перемещения каретки от времени построенный на основании точек полученных в таб.5.1 аппроксимированных линейной зависимостью.
Уравнение, соответствующее полученной кривой, представлено в верхнем левом углу графика. Оно получено в программе MS Excel. Скорость каретки соответствует тангенсу угла наклона графика или коэффициенту перед tr в уравнении аппроксимации и составляет о = 424.47 мм/с или и = 0.424 м/с.
В таблице 5.1 также приведены значения sr и tr, полученные для пяти остальных циклов работы установки.
В таблице 5.2. приведены значения измеренной скорости, полученные в результате повторных измерений для последующих циклов работы системы, а также результат обработки. Аналогичным образом были проведены измерения скорости вблизи всех точек программного отключения приводов, для которых был исследован выбег.
Похожие диссертации на Разработка и исследование энергетически эффективного робототехнического комплекса для пакетирования грузов
