Содержание к диссертации
Введение ;..- I. Состояние вопроса и задачи исследования.
Г.І. Описание и область применения сбалансированных манипуляторов РМ, основные требования.
Г.2. Описание и характеристика способов уравновешивания груза в РМ,
С.З. Обзор работ по исследованию РМ.
С.4. Задачи исследования.
2. Исследование статического уравновешивания стрелы и груза
1.1. Задача статического уравновешивания стрелы как идеального механизма с тяжелыми звеньями с одной и двумя степенями подвижности
:.2. Исследование точности некоторых механизмов уравновешивания стрелы и оптимизация их параметров
.3. Исследование влияния функциональной неточности ' механизма уравновешивания груза, упругого деформирования, точности изготовления и монтажа элементов конструкции РМ на условия равновесия стрелы с грузом
.4. Разработка метода определения сил статического сопротивления при управлении РМ с учетом трения в подвижных соединениях
.5. Выводы
3. Создание и теоретическое исследование РМ с новым способом уравновешивания груза.
I. Синтез пружинных механизмов с постоянной отрицательной жесткостью
2. Синтез пружинных механизмов с нулевой дифференциальной жесткостью и исследование возможности их применения для уравновешивания груза в РМ 83
3. Сравнигельная оценка динамических нагружений стрелы и стойки РМ без механизма уравновешивания груза и с механизмом уравновешивания груза при жестком кинематическом воздействии привода для случая подъема и опускания груза на весу 87
4. Описание некоторых возможных областей применения пружинных механизмов с нулевой дифференциальной жесткостью
5. Выводы 99
4. Постановка и решение задачи .определения основных конструктивных параметров стрелы РМ 103
1. Постановка задачи параметрической оптимизации стрелы ЮЗ
2. Вывод аналитических зависимостей для критериев качества от варьируемых параметров . 108
3. Метод решения задачи параметрической оптимизации стрелы ^ щ
4. Выводы - т-гд
... 5. Экспериментальные исследования натурных образ цов РМ. 115
1. Описание РМ грузоподъемностью 100 ,'250,; 320кг конструкции НПО "ВИТсгройдормаш" черт. 61.26.00.000; 61.20.00.000; 61.22.00.000 115
2. Экспериментальное определение сил статического сопротивления РМ грузоподъемностью 25ДОГ. Сравнение экспериментальных данных с теоретическими. 120
5.3. Экспериментальное определение сил статического сопротивления РМ грузоподъемностью IOQkr. Сравнение экспериментальных данных с георегическими, 126
5.4. Экспериментальное определение динамических нагрузок РМ грузоподъемностью 100ке\. Сравнение результатов эксперимента с георегическими данными 133
5.5. Выводы 134
6. Экономическая эффективность применения РМ 136
Заключение , І40
Список литературы І48
Гриложения 158
Введение к работе
Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятые на ХШ съезде КПСС, предусматривают существенное увеличение производства машин и оборудования, автоматических манипуляторов с программным управлением, позволяющих исключить применение ручного, малоквалифицированного и монотонного труда, ускоренное развитие мощностей по изготовлению средств механизации и автоматизации подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских работ. Эти решения направлены в первую очередь на экономию человеческого груда, являющуюся, как отметил академик Г.И.Марчук, i) , одной из важнейших современных тенденций в развитии научно-технического прогресса.
В настоящее время в качестве средств механизации тяжелого ручного груда, например, при загрузке деталями технологического оборудования, часто применяются консольно-поворогные краны, монорельсы, кран-балки и другие традиционные подъемно-транспортные машины. Эти машины имеют существенные недостатки, которые отмечаются многими авторами: Мишкиндом СИ. в работах [2, ЗІ, Иоффе Ф.С. 4,5J, Бенуа Э.Ф. [6І, Пегуховым П. 3.[7І, Х.Фриц [8 , Галановым С.А., Дячуным В.К. [9] и др. Главные из них это; гибкий подвес груза, чго позволяет транспортировать груз только в подвешенном сосгоянии, грудная управляемость, так как требуется занятость обеих рук рабочего, большая физическая нагрузка при строповке и рассгроповке груза, малая производительность. Поэтому нередко рабочие не применяют эти средства механизации и транспортируют грузы массой до 20...40 кг вручную с суммарным грузопотоком до 5000 кг в смену на одного рабочего, чго, как показано в работах Г6,10І,вредно для здоровья. В го же время традиционные средства механизации имеют малую стоимость, просты по конструкции, не требуют высокой квалификации при обслуживании и ремонте.
Новым видом подъемно-транспортной техники, предназначенной для механизации тяжелого ручного труда, являются гак называемые сбалансированные манипуляторы [і], для широкого внедрения в производство которым отводится важная роль в постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР об увеличении производства и внедрении в народное хозяйство автоматических манипуляторов с программным управлением в І98І-І985 годах. В настоящее время в литературе используются и другие названия подобных устройств, например, балансиры-манипуляторы, уравновешенные манипуляторы, грузовые манипуляторы, стреловые краны-манипуляторы, манипуляторы с ручным управлением (РМ) и др. Основными отличительными особенностями сбалансированных манипуляторов, в дальнейшем РМ, определяющих перспективу их широкого внедрения в производство, являются универсальность, высокая производительность и легкая управляемость человеком. Эти преимущества РМ по сравнению с другими лодъемно-гранспоргными машинами, во многом определяются выполнением несущей стрелы в виде рычажного механизма пантографа, что позволяет при наличии только одного привода управлять перемещением грузов, по крайней мере, по четырем степеням подвижности, при этом обеспечивается жесткий подвес груза з возможностью кантования и выноса на консоль, совмещение места положения ручки управления и грузозахвага. Эти и др. преимущества позволяют уменьшить вспомогательное время, например, при загрузке зганков примерно в два раза [б]. Кроме этого, из-за более удобной заботы с манипулятором снижается физическая нагрузка на рабочего. Іри неустановившихся и малых грузопотоках такие манипуляторы оказываются экономически выгоднее авгооперагоров и промышленных робо гов. Статистика показывает [з 1 что доля РМ в общем выпуске промышленных роботов и манипуляторов всех видов возрастает и уже в 1978 году составила 15$. В то же время доля РМ в стоимостном выражении падает, что свидегельсгвуег об относительном (по отношению к среднему промышленному роботу) и абсолютном удешевлении РМ и является важнейшим стимулом к их распространению. Как отмечено Мишкиндом СИ. 3],в настоящее время число организаций в стране, разрабатывающих РМ, превысило 10, а число сконструированных и опробованных ими моделей и типоразмеров РМ превысило 20 ед.За рубежом число фирм, выпускающих РМ, составляет более 25, а число выпускаемых ими моделей и типоразмеров РМ превысило 50. Это подтверждает растущую, потребность предприятий во внедрении РМ. Вертикальная балансировка (уравновешивание) грузов, применяемая в этих РМ для легкого управления, осуществляется двумя способами: пневмоприводом за зчег регулирования давления воздуха, элекгроприводом с помощью тиристорного управления скоростью и движущим моментом ротора. Такие зпособы балансировки увеличивают стоимость РМ, требуют более высокой квалификации обслуживающего персонала, увеличения энергозатрат. Хроме того, до настоящего времени не разработаны научно обоснованнее рекомендации по инженерной методике расчета РМ, что препягсгву-эг повышению технического уровня РМ, в первую очередь уменьшению зил, требуемых для управления, снижению магериалоемкосги, повышению грузоподъемноеги РМ.
В качестве нового вида подъемно-гранспоргной техники, предназначенной для механизации тяжелого ручного груда, успешно применяются сбалансированные манипуляторы с новым способом уравно-їешивания груза, разработанные в НПО "ВИТсгройдормапГ на основе созданного автором совместно сТ.Г.Сынчей изобретения fill и плано-юй темы 04-80 (Госрегисграционный номер 80075420). Новые РМ отличаются экономичностью, высокой производительностью, плавностью работы, легкостью управления, простотой конструкции и эксплуатации , благодаря разработке и применению в РМ пружинного механизма, осуществляющего уравновешивание грузов переменной массы, применению в качестве привода настройки механизма уравновешивания груза простого корогкозамкнугого асинхронного электродвигателя, разработке и применению при проектировании научно-обоснованных рекомендаций по инженерной методике расчета РМ.
Целью работы является: создание, исследование и внедрение в производство сбалансированных манипуляторов пантографического типа с разработкой нового способа уравновешивания груза, основанного на разработке и применении пружинных механизмов с нулевой дифференциальной жесткостью и регулируемой силой упругости; разработка научно обоснованных рекомендаций по инженерной методике расчета, учитывающей особенности достижения легкости управления, снижения материалоемкости; создание, исследование и внедрение в производство РМ без балансировки груза повышенной грузоподъемности с просгым асинхронншл приводом.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработан метод определения сил статического сопротивления при управлении РМ, учитывающий статическую неуравновешенность тяжелых звеньев стрелы, их упругость и точность изготовления, а также трение в подвижных соединениях;
- установлена взаимосвязь между структурой, параметрами шнемагических схем наиболее часто применяемых механизмов уравновешивания стрелы и показателями ее статической неуравновешенности, юзволяющая определить и максимально уменышгь величины этих показателей;
- установлено, что упругость звеньев, шарниров стрелы и других элеменгов конструкции, а также погрешность исполнения некоторых геометрических размеров звеньев существенно увеличивает неуравно:ве-шенность стрелы под действием рабочей нагрузки, особенно у РМ повы-щенной грузоподъемности, а сама неуравновешенность проявляется в виде увода конца стрелы в ее плоскости от заданного положения с некоторой силой;
- установлена количественная взаимосвязь между характеристиками упругости элеменгов конструкции, погрешностями геометрических разменов звеньев, положением груза в рабочей зоне РМ с одной стороны и зилой увода стрелы с другой;
- установлено, что трение в подвижных соединениях приводит к образованию зоны нечувствительности конца стрелы к управляющим сипам в ее плоскости;
- зона нечувствительности, в силу кинематических свойств згрелы, имеет форму выпуклого десятиугольника, имеющего центральную зиммегрию и параллельные противолежащие стороны; количество пар тараллельных сторон этого выпуклого многоугольника равно числу независимых взаимных подвижносгей звеньев стрелы и ее опор;
- установлена взаимосвязь между параметрами подвижных соедине-шй, положением, величиной груза в рабочей зоне с одной стороны и сонфигурацией, размерами зоны нечувствительности с другой, позволяющая определить сопротивление трения при перемещении конца стрелы в !азличных направлениях;
- установлено, что многоугольная форма зоны нечувствительности [ значительные силы неуравновешенности стрелы приводят, во-первых,
; несовпадению, в общем случае, направления управляющей силы и вызы- $аемого ею перемещения, во-вгорых, управляющие силы, необходимые [ля квазисгагического перемещения конца стрелы в различных направле- [иях, имеют различную величину. Эго должно учитываться при управлении »М;
- установлено, что более экономичным, по сравнению с известными, является новый способ уравновешивания груза в РМ, основанный на разработке и применении пружинных механизмов с нулевой дифференциальной жесткостью и регулируемой силой упругости;
- разработан метод синтеза таких механизмов;
- установлено, что нулевая дифференциальная жесткость может быть получена путем сложения характеристик линейно-упругой пружины и синтезированного пружинного механизма с постоянной отрицательной жесткостью, а регулирование силы упругости - за счет изменения натяжения линейно-упругой пружины;
- произведена оценка точности характеристики пружинного механизма с постоянной отрицательной жесткостью, позволяющая рационально выбрать его структуру и рабочий диапазон;
- для сравнительной оценки динамической нагруженности РМ с нерегулируемым асинхронным приводом, оснащенным механизмом уравновешивания груза и без механизма, разработана приближенная динамическая .модель РМ;
- установлено, что малая жесткость конструкции РМ и возникающее из-за этого интенсивные;,колебания при переходных режимах приво-да не позволяют реализовать большие скорости подъема груза при отсутствии механизма уравновешивания; при наличии же этого механизма динамические явления в несущих конструкциях (стреле, стойке и др.) практически отсутствуют, а возможная скорость движения груза может быть значительно увеличена;
- указаны некоторые области возможного эффективного применения пружинных механизмов с нулевой дифференциальной и постоянной отрицательной жесткостью;
- разработан и применен при проектировании метод оптимизации эсновных конструктивных параметров стрелы (координат рабочей зоны относительно места крепления стрелы, длин и размеров поперечных сечений звеньев)-из условия минимизации сил управления РМ и материалоемкости стрелы.
На защиту выносятся:
- метод определения сил статического сопротивления при перемещении грузов сбалансированным манипулятором пангографического типа, позволяющий из условия ограничения этих сил установить требования к функциональной точности механизмов уравновешивания стрелы и груза, к жесткости несущих конструкций манипулятора, к точности изготовления и монтажа его элементов, к совершенству подвижных соединений;
- новый способ вертикальной балансировки груза в сбалансированном манипуляторе и пружинные механизмы для его осуществления, обеспечивающие экономию энергии, повышение скорости манипулирования грузами, значительное снижение динамических нагрузок, предохранение от перегрузок несущих конструкций, упрощение конструкции и эксплуатации манипулятора;
- метод определения основных конструктивных параметров стрелы, построенный из условий максимального снижения массы стрелы и сил статического сопротивления, максимального увеличения жесткости стрелы.
