Разработка и исследование пружинных шаговых приводов с рекуперацией энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат наук Пелупесси Данни Самуел

• Пелупесси Данни Самуел
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Пелупесси Данни Самуел

Введение...........................................................................................................................3

Глава 1. Обзор научно-технической и патентной литературы...................................9

Глава 2. Пружинные аккумуляторы для шаговых рекуперативных приводов.......21

2.1. Характеристики пружинных аккумуляторов......................................................21

2.2. Диссипативные свойства пружинного аккумулятора........................................40

Глава 3. Нереверсивные шаговые пружинные приводы с рекуперацией энергии. 45

3.1. Техническая идеология проектирования нереверсивных шаговых пружинных приводов с рекуперацией энергии...............................................................................45

3.2. Исследование пневматического привода для компенсации диссипативных потерь..............................................................................................................................57

3.3. Режим зарядки пружинного аккумулятора.........................................................64

3.4. Расчёт параметров пневматического цилиндра для компенсации диссипативных потерь..................................................................................................68

3.5. Экспериментальный образец нереверсивного пружинного шагового привода с

рекуперацией энергии ................................................................................................... 70

Глава 4. Реверсивный пружинный привод с рекуперацией энергии для шаговых перемещений..................................................................................................................74

4.1. Конструкция реверсивного пружинного привода..............................................74

4.2. Зарядка реверсивного пружинного привода.......................................................81

4.3. Экспериментальный образец реверсивного пружинного шагового привода с

рекуперацией энергии...................................................................................................84

Основные результаты работы и выводы по диссертации.........................................87

Литература.....................................................................................................................88

Приложение 1 ................................................................................................................ 96

Приложение 2................................................................................................................97

Приложение 3 ................................................................................................................ 98

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование пружинных шаговых приводов с рекуперацией энергии»

Актуальность работы.

Актуальность данной работы определяется необходимостью повышения производительности машин циклического действия, снижения энергозатрат и уменьшения массогабаритных параметров приводов.

Уменьшение затрат энергии в различных отраслях промышленности является важнейшей экономической и экологической задачей. Технологическое оборудование является одним из основных потребителей энергии в промышленности. Автоматизация производств в различных отраслях промышленности и на конкретных производственных участках часто имеет существенную специфику и это требуется учитывать как при проектировании основного оборудования, так и при использовании вспомогательных устройств. Нередко особую важность приобретают ограничения по мощности приводов при сохранении высоких требований к быстродействию. Традиционные механизмы с электромеханическими приводами, обеспечивающие высокое быстродействие при сокращении интервалов времени перемещения, требуют больших пиковых мощностей двигателей при разгоне подвижных частей механизмов. В условиях ограниченности потребляемой мощности высокую эффективность проявляют средства рекуперации энергии, в первую очередь, механической потенциальной энергии, однако для реализации подобных средств требуется усложнение конструкций.

Общая идея данной работы заключается в использовании пружинных аккумуляторов с цилиндрическими пружинами растяжения или сжатия, на базе которых создаются пружинные приводы для поворотных столов различного технологического оборудования. Такой шаговый привод строится, как единая система приводов, состоящая из пружинного аккумулятора и приводов для зарядки и компенсации диссипативных потерь и электромагнитных приводов распределителей, объединенной единой автоматической системой управления. В пружинных приводах с рекуперацией энергии при разгоне осуществляется преобразование накопленной потенциальной энергии в кинетическую, а при

торможении происходит накопление потенциальной энергии в пружине, а роль вспомогательного двигателя сводится к восполнению неизбежных диссипативных потерь. В циклических режимах реализуются периодические режимы, а указанный прием позволяет значительно снижать не только пиковые, но также и средние мощности.

Разработанные методы анализа и синтеза технических устройств с рекуператорами энергии могут быть положены в основу разрабатываемой в настоящее время САПР технологического оборудования, обеспечивающих значительное энергосбережение и снижение потребной мощности приводов.

Вопросы энергосбережения и рекуперации в механизмах различного назначения затрагивались в монографической и учебной литературе [45,53,54]. Особо следует отметить труды ученых А.И.Корендясева, Б.Л.Саламандры, Л.И.Тывеса, В.С.Семеноженкова, С.Н.Сысоева, В.И.Бабицкого и др. [6,49,53,54,55]. Было предложено большое число способов и устройств, часть из которых запатентована в РФ и за рубежом [1-7,71-73].

При рассмотрении жизненного цикла технологического оборудования и инфраструктуры, обеспечивающей его функционирование, очевидно, что основными характеристиками, определяющими энергопотребление, являются: масса оборудования, масса подвижных элементов, массогабаритные параметры, система приводов и установочная мощность.

При сравнительном анализе различных видов технологического оборудования одного функционального назначения все вышеперечисленные характеристики, отнесенные к единице продукции, могут быть критериями оценки энергетической эффективности.

Затраты энергии, потребляемой технологическим оборудованием, определяются следующими составляющими:

• работой, затрачиваемой на выполнение технологических операций;

• работой, связанной с диссипативными силами;

• работой, обусловленной силами инерции;

• работой, затрачиваемой на преодоление сил тяжести;

• затратами энергии на работу устройств системы управления.

В современном оборудовании применяется несколько различных источников энергии и системы приводов состоят из электродвигателей, пневмодвигателей, гидродвигателей, пружинных двигателей и различных передаточных механизмов.

Развитие микропроцессорной и современных измерительно -информационных систем позволило во многих случаях принципиально поменять подход к проектированию исполнительных механизмов технологического оборудования, при этом можно выделить два принципиально разных подхода:

Первый подход заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к электронным (компьютерным и информационным) компонентам, которые можно легко перепрограммировать под новые задачи и при этом они являются относительно дешёвыми. Использование данного метода интеграции позволяет упростить и минимизировать механическую сложность технологического оборудования [81,82] и, в принципе, это современный аналог алгоритмического проектирования.

Второй подход заключается в применении интуитивного проектирования, когда на первом месте стоит анализ рабочей операции, построение физических и математических моделей, поиск характерных особенностей и т.д. [42,45].

В шаговых приводах для снижения энергозатрат целесообразно использовать пружинные приводы с рекуперацией механической энергии. При этом пружинные приводы позволяют упростить конструкцию и уменьшить массогабаритные характеристики. В данной работе рассмотрены нереверсивные и реверсивные шаговые приводы с рекуперацией энергии на базе пружинных аккумуляторов с выходным поворотным звеном, которые можно использовать в качестве основного двигателя поворотных столов технологического оборудования. Пружинные аккумуляторы можно создавать на базе пружин растяжения и сжатия. В отношении плавности поворота пружинные аккумуляторы с выходным поворотным звеном и углом поворота 2п являются идеальными. Пружинные аккумуляторы с выходным поворотным звеном можно использовать как в приводах с компенсацией диссипативных потерь в процессе движения, так и в

приводах с их предварительной компенсацией.

Существует большое количество патентов, связанных с пружинными приводами с рекуперацией энергии, но несмотря на это, практически применение пружинных приводов не доводилось до реальных конструкторских разработок. Серьезных работ, посвященных шаговому приводу, в которых используются пружинные аккумуляторы, практически нет. Анализа характеристик пружинных аккумуляторов также почти нет, хотя были попытки анализа таких характеристик, для систем уравновешивания [53]. Однако практическая реализация пружинных приводов с рекуперацией энергии для шаговых перемещений отсутствовала. Это объясняется не проработанностью научного подхода к проектированию таких систем.

Вопросы по проектированию таких систем были сделаны для возвратно-поступательного движения [43,45,46,62], возвратно-качательного движения [37, 47,48,84,85].

Цель работы заключается в разработке новых, научно обоснованных методик расчета и проектирования новых конструкций пружинных приводов с рекуперацией энергии для технологического оборудования с шаговыми перемещениями.

Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ алгоритмов, структуры и условий функционирования приводов класса машин циклического действия с целью выявления возможности повышения их эксплуатационных характеристик и совершенствования конструкции приводов.

2. Разработать структурные схемы приводов с пружинным аккумулятором, в том числе при дополнительном использовании гибкого элемента, связывающего выходное поворотное звено и пружину.

3. Разработать методику оптимизации конструктивных параметров рекуперативных приводов и провести анализ влияния геометрических параметров пружинных аккумуляторов с выходным поворотным звеном на

базе пружин растяжения и сжатия на их силовые и динамические характеристики.

4. Исследовать свойства пружинных приводов с рекуперацией энергии и пневматических приводов для компенсации диссипативных потерь.

5. Решить вопросы фиксации приводов в позиции технологического выстоя и автоматического накопления потенциальной энергии в пружинных аккумуляторах после первичной сборки.

6. Разработать экспериментальные образцы нереверсивного и реверсивного пружинных приводов с рекуперацией энергии и пневматических систем для компенсации диссипативных потерь.

Объект исследования - шаговые приводы машин на базе цилиндрических пружин растяжения и сжатия для приводов с устройствами рекуперации энергии.

Предмет исследования - геометрические, силовые и динамические характеристики пружинных аккумуляторов.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теоретической механики, теории колебаний, дифференциальных уравнений, теории механизмов, роботов и мехатронных систем и математического компьютерного моделирования динамических систем с использованием Mathcad.

Научная новизна.

1. В соответствии с общей концепцией рекуперации предложены новые структурные схемы пружинных приводов с гибким элементом, обеспечивающих как нереверсивное и реверсивное движение и фиксацию в заданных неустойчивых положениях.

2. Разработаны математические модели и научно обоснованные методики определения параметров пружинных приводов с рекуперацией энергии, в которых для компенсации диссипативных потерь используется пневматический двигатель.

3. Исследовано влияние характеристик и параметров пружинных аккумуляторов с цилиндрическими пружинами растяжения и сжатия на динамику шаговых поворотных устройств.

Практическая ценность.

Предложены новые схемы пружинных приводов с рекуперацией энергии для шаговых перемещений на базе пружинных аккумуляторов с выходными поворотными звеньями технологического и вспомогательного оборудования машиностроительных предприятий. Результаты работы могут являться основой для конструкторских разработок.

Достоверность результатов исследования в части методик расчетов подтверждена правильным и корректным применением положений теоретической механики, теории механизмов и машин.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование и разработка принципа построения для различного оборудования шаговых приводов с подсистемой рекуперацией энергии, обеспечивающей снижение энергопотребления, как единой системы, включающей пружинный аккумулятор, приводы для компенсации потерь и распределители с единой системой автоматического управления.

2. Математические модели указанных подсистем, использование которых позволит решать задачи параметрической оптимизации систем указанного типа при ограничениях на энергопотребление.

Апробация работы. Результаты работы докладывались в СПбПУ на кафедре «Машиноведение и основы конструирование» и на кафедре «Автоматы», на международной конференции «V Междунар. науч.-практ. конференции «Современное машиностроение. Наука и образование», на международном конгрессе XIIIth International Congress «Machines. Technologies. Materials'16» (Болгария), а также на XLV международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбПУ».

Глава 1. Обзор научно-технической и патентной литературы

Приводы цикловых механизмов, предназначенные для воспроизведения шаговых перемещений (шаговой подачи), представляют собой системы, состоящие из двигателя, передаточного механизма и системы управления.

В различных отраслях машиностроения для выполнения загрузочных операций, межоперационной транспортирования заготовок и их выгрузки используются транспортно-накопительные системы, поворотные столы, работающие в шаговом режиме, конвейерные системы и карусельные машины с шаговым приводом. Большое количество патентов посвящено совершенствованию таких систем [7-29].

Наибольшее распространение для шаговой подачи в технологическом оборудовании получили [51]:

• мальтийские механизмы (рисунок 1.1);

• цевочно-винтовые механизмы (рисунок 1.2);

• храповые механизмы (рисунок 1.3);

• кулачковые пространственные механизмы (рисунок 1.4).

Их особенностью является значительная нагрузка на привод, обусловленная динамическими явлениями, которые вызваны инерционными нагрузками, что и обуславливает их соответствующую энергоемкость.

Рисунок 1.1. Мальтийский механизм

Рисунок 1.2. Цевочно-винтовой механизм

Рисунок 1.3. Храповой механизм: 1 - храповое колесо; 2 - собачка

Рисунок 1.4. Шаговый механизм с глобоидным кулаком

Рассмотрим задачу обеспечения шаговых перемещений поворотных столов. При работе технологического оборудования поворотный стол необходимо повернуть на заданный угол, зафиксировать его и обеспечить заданное время выстоя. В некоторых случаях могут быть введены ограничения на ускорение. Для поворотного стола в качестве шагового привода может использоваться мальтийский механизм, сервопривод (рисунок 1.5) или пружинный привод (рисунок 1.6).

Рисунок 1.5. Поворотный стол с сервоприводом: 1 - поворотный стол; 2 -

передача; 3 - серводвигатель

Рисунок 1.6. Схема шагового рекуперативного привода

При рассмотрении структур и конструктивных схем этих трёх приводов можно отметить, что основным и общим элементом для всех рассматриваемых

устройств является поворотный стол с опорой, имеющий вполне определенные массогабаритные и динамические характеристики.

Для шагового привода с мальтийским механизмом и серводвигателем применяются чаще всего электрические, иногда гидравлические двигатели. Между двигателем и поворотным столом установлены передаточные механизмы. В первом случае мальтийский механизм с переменной передаточной функцией, во втором - с постоянной передаточной функцией.

В приводах с рекуперацией энергии в качестве основного двигателя используется пружинный двигатель, а пневмодвигатель служит для компенсации диссипативных потерь. Фиксация поворотного стола в мальтийском механизме обеспечивается конструктивными особенностями. Удержание поворотного стола в требуемом положении в сервоприводе обеспечивается системой управления с обратной связью. В приводе поворотного стола с пружинным приводом фиксация обеспечивается с помощью фиксаторов различного конструктивного исполнения. В сервоприводе и в пружинном приводе используется система управления, которая, в частности, может обеспечить практически любой промежуток времени для обеспечения заданного времени выстоя. В мальтийском механизме установкой датчика на угле выстоя можно также увеличивать это время.

При эксплуатации современного технологического оборудования энергосбережение обеспечивается за счет применения менее энергоемких технологий, анализа режимов работы с целью выявления возможности использования различного вида приводов с рекуперацией энергии, снижением массы подвижных элементов и моментов инерции вращающихся деталей. Также изменился подход к выбору вида двигателей. Область применения того или иного привода определяется с учетом достоинств и недостатков, присущих каждому из них [66].

В настоящее время задачи снижения энергопотребления выдвинулись на первый план. Уменьшения энергозатрат можно добиться использованием принципов рекуперации энергии.

Применение пружинных аккумуляторов в системах уравновешивания звеньев различных механизмов позволяет существенно снизить энергопотребление, связанное с преодолением сил тяжести. Наиболее эффективным с точки зрения снижения энергопотребления является использование пружинных приводов с рекуперацией энергии в промышленных роботах для уравновешивания звеньев и в технологическом оборудовании. Еще одним из вариантов применения является использование пружинного аккумулятора для уравновешивания трапов в автомобилях большой грузоподъемности. Такое решение позволяет отказаться от гидравлического привода и опускать и поднимать трапы вручную.

В цикловых механизмах основные затраты энергии для рабочих операций, связанных с возвратно-поступательными или шаговыми перемещениями, определяются режимами разгона и торможения, причем с увеличением производительности возрастают затраты энергии, а при использовании электропривода и установочная мощность. Цикловые механизмы в технологическом оборудовании, как правило, осуществляют различные перемещения рабочих органов, не связанные непосредственно с выполнением рабочего процесса, то есть работают без технологической нагрузки. Затраты энергии в этих механизмах в основном идут на то, чтобы переместить некоторую массу на заданное расстояние с заданной точностью за минимальное время.

Все шаговые приводы можно разделить на следующие группы:

1. Приводы с программным управлением, обеспечивающие практически любые законы движения;

2. Цикловые приводы с торможением за счет рассеивания энергии при трении;

3. Цикловые приводы с торможением путем аккумулирования энергии, например, в пружинных аккумуляторах;

4. Цикловые приводы на базе рычажных исполнительных механизмов;

5. Цикловые приводы на базе пространственных кулачковых механизмов;

6. Шаговый пневмопривод с поворотом на 45о.

При выборе и расчете шагового привода основными техническими характеристиками являются:

• угол поворота - определяемый технологическим процессом (количество рабочих переходов);

• время поворота - определяется требуемой производительностью;

• допускаемое ускорение для поворотных столов - определяется недопустимостью выплескивания продукции из тары (перенос продукта в потребительской таре от позиции дозатора к позиции установки крышки);

• допускаемая максимальная скорость перед остановкой.

• наличие или отсутствие управляемого выстоя.

Режимы пошагового перемещения и управляемого выстоя связаны с большими энергозатратами, вызванными необходимостью периодического разгона и торможения инерционных масс звеньев, рабочих органов и объектов обработки, причем с увеличением производительности происходит резкое повышение энергозатрат [48].

Наиболее перспективным путем развития автоматизации вышеуказанных операций является разработка конструкций на базе пружинных приводов с рекуперацией энергии.

Уменьшения затрат энергии можно добиться при использовании принципов рекуперации энергии:

1. Накопление кинетической энергии в маховиках с последующим её использованием в период разгона;

2. Запас энергии в пружинных аккумуляторах и ее последующее использование;

3. Электрическая рекуперация энергии.

Применение пружинных приводов обусловлено тремя важными обстоятельствами:

• способностью пружин аккумулировать потенциальную энергию;

• высокой надежностью и долговечностью пружин;

• отработанной технологией изготовления пружин с заданными характеристиками.

Наибольшее применение пружинные механизмы получили в робототехнических системах, в рекуперативных приводах и в системах уравновешивания [1-6,53].

В основу построения пружинных приводов с рекуперацией энергии положено использование свойств колебательных систем, когда энергия, затраченная на разгон инерционной массы, из кинетической переходит в потенциальную и наоборот. Такой привод должен быть оснащен аккумуляторами механической энергии и управляемыми фиксаторами. [1-5,71].

Создание таких приводов вызвано, главным образом, необходимостью повышения быстродействия, возможностью снижения энергопотребления по сравнению с традиционными приводами, а также простотой их конструкций и возможностью использования большого количества покупных изделий. Главным достоинством таких приводов является существенное снижение энергетических затрат [45,91].

В рекуперативных приводах обеспечивается выполнение таких важных выходных характеристик, как плавность разгона и торможения и выход в точку позиционирования практически с нулевой скоростью, что устраняет необходимость в демпферах и требует только установки фиксаторов.

Промышленные роботы, пружинный привод которых построен с использованием средств рекуперации энергии [30, 33, 45] имеют при одинаковом быстродействии существенно меньшую мощность двигателя, используемого для компенсации диссипативных потерь. В работах [45,47,48,86] приводятся описания и основы построения рекуперативного привода цикловых промышленных роботов с электродвигателями для компенсации диссипативных потерь. Методика расчета описанного пружинного привода с рекуперацией энергии приведена в работе [45,71].

Таким образом, быстродействие системы определяется собственными динамическими свойствами колебательного контура, и теоретически при

известном моменте инерции системы всегда можно подобрать жесткость пружины с так, чтобы обеспечить требуемое быстродействие.

Совершенствованию конструктивного исполнения, а также расширению функциональных возможностей пружинных приводов с электродвигателем посвящены работы [5,30,46,84]

Кроме пружинных приводов с электродвигателями для компенсации диссипативных потерь получили распространение приводы с использованием пневматического двигателя [31]. В настоящей работе, как и в работах [43,44,45, 46,47,48,91] будем придерживаться единого названия - пружинные приводы с рекуперацией энергии и компенсацией диссипативных потерь с помощью пневмоприводов.

В некоторых пружинных приводах с рекуперацией энергии, оснащенных пневмодвигателем, в качестве аккумулятора используется пневматический упругий элемент. Это возможно благодаря особенности пневматического привода, за счет образования в пневмоцилиндре, в конце хода замкнутой камеры со сжатым воздухом, за счет упругости при сжатии которого сохраняется энергия во время выстоя. Управление приводом с таким аккумулятором осуществляется двухконтурным способом впуска и выпуска воздуха в пневматическом цилиндре [31]. Анализ конструкций пружинных приводов с рекуперацией энергии с пневмодвигателем указывает на необходимость их оснащения управляемыми фиксаторами. От этого недостатка свободны пружинные приводы с рекуперацией энергии с гидродвигателями. Свойства, которыми обладает гидравлический привод, при использовании его в качестве двигателя в пружинных приводах с рекуперацией энергии, позволяют исключить управляемые фиксаторы, так как фиксацию исполнительного устройства (ИУ) можно осуществлять гидродвигателем [47,48].

Пружинный привод по структуре построения близок к модели часовых балансирных механизмов [32]. В данной работе проводится исследование влияния параметров часовых механизмов на стабильность периода, на точность. Установлено влияние параметров системы часов, обладающих собственным

периодом на стабильность периода. Построение систем компенсации диссипативных потерь в пружинных аккумуляторах осуществляется в соответствии с теоремой Эри [32]: при подаче компенсационно-силового импульса в начале периода время перемещения на заданное расстояние уменьшается, в конце периода увеличивается, а при подаче импульса в промежуток времени, симметричный относительно точки устойчивого равновесия, время определяется полупериодом колебательной системы. Точно так же полупериод колебательной системы сохранится, если будут даны два идентичных импульса в начале и в конце периода. Графически иллюстрация к теореме Эри показана на рисунке 1.7.

В работе [6] для позиционирования рабочих органов машин предложена конструкция на базе пружины и двух кривошипов. Схема такого привода представлена на рисунке 1.8. Целью изобретения является уменьшение габаритов и снижения энергозатрат за счет уменьшения вращающихся масс. Наиболее эффективно снижение потребляемой энергии двигателем проявляется благодаря более интенсивному возрастанию крутящего момента под действием пружины растяжения в начальный момент движения из положения неустойчивого равновесия. Поскольку в момент страгивания КПД электродвигателя мал, то пружина позволяет снизить уровень пиковых мощностей при пуске.

Б

1. Импульс в начале хода

ход

Б

2. Импульс в конце хода

ход

в начале и конце хода

3. Импульс

ход

Рисунок 1.7. Графическое изображение теоремы Эри

I 4 ^ 5 1Ш 3

V I 1,7

«Г1

Рисунок 1.8. Резонансный привод: 1 - вал электродвигателя с шестерней;

2 - поворотный стол; 3, 4 - кривошипы; 5, 6 - шарнирные соединения пружины с кривошипами; 7 - пружина

Общеизвестна точка зрения, что электропривод имеет более высокий КПД, чем пневматический привод. Однако область применения пневматического привода постоянно расширяется. Для многих рабочих операций циклического действия применение пневматического привода позволяет соединять рабочие органы непосредственно с пневмодвигателем. Благодаря этому укорачиваются кинематические цепи, уменьшается количество кинематических пар и соответственно масса подвижных элементов.

В работах [45,47,48] предложены и обоснованы новые принципиальные и схемные решения исполнительных устройств робототехнических систем, позволяющие осуществлять различные операции грузопереработки, в которых целесообразно использование пружинных механизмов со специально подобранными характеристиками. Были разработаны научные основы проектирования исполнительных устройств робототехнических систем на базе пружинных механизмов, обеспечивающих энергосбережение и значительное снижение потребных мощностей двигателей. Было проведено исследование влияния геометрических и динамических параметров на динамику

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пелупесси Данни Самуел, 2017 год

// У у же

к йуГ Г ________ ------- ________ ------- г ________ ------- ________ -------- ________ -------- ________ ------- ________ ------- ________ --------

________ -------1 XV \

03 06 0 9 I I 0 120 150 18 V 0 210 240 270 30 Й 0 330 36

■4 м

/

•Л ч\ ш

ч X,.

1

50 д, град

а'' = 1.75 ■а" = 5

.....а'' = 2

---а'' = 10

---а'' = 3

Рисунок 3.11. Графики изменения геометрической первой передаточной функции

при различных значениях коэффициента а'

Для пружинного аккумулятора с выходным поворотным звеном и синусной моментной характеристикой угловая скорость выходного звена д определяется из уравнения

а = I- • 2г Бт-

4 1 2

(3.9)

Как было показано в главе 2, моментная характеристика отличается от синусной не более чем на 10% при 1 < а' < 1,2.

Примем, что моментная характеристика пружинного аккумулятора близка к синусной.

Тогда, подставив в уравнение (3.6) значение д, получим выражение для скорости пневматического цилиндра

=

агг sin

а1+г2-2аг cos

с . а - • 51П-

(3.10)

Так как время перемещения определяем интегральным уравнением (2.11), то формула для определения времени примет вид

¡с ¡-2П йц Тч

йс Ц л/Г-'О

] ■'О

(3.11)

Так как при проектировании привода заданными величинами являются время ? и момент инерции 3„ то из уравнения (3.11) получим

ф 2Ъг

Подставив значения (3.12) в уравнение (3.11), получим

т алг sinq•2r . а

Ш ' 2, 2 ~ 2Ьг 2

22

(3.12)

а2+г2-2а1cos д

ал г

а2+г2-2а1гcosд

■ Ч

Б1Па • 51П-

2

(3.13)

С учетом коэффициента коэффициент а" = —, выражение (3.13) примет вид

/ _ 1ч_4 2

ьш =

а''2+1-2а" cos д

(3.14)

к,

или при = 1, выражение (3.14) примет следующий вид

. * Бто-Бт-

I =_-_—

иш =

а''2+1-2 a''cos д

(3.15)

График изменения скорости штока пневматического цилиндра в зависимости от угла поворота поворотного рычага при различных значениях а'' показан на рисунке 3.12.

с

с

• *

— • • а" = 4 ---а" = 5 ........а" = 10

Рисунок 3.12. График изменения скорости штока пневматического цилиндра в

зависимости от угла поворота поворотного рычага при различных значениях а

Для определения величины угла д* из уравнения (3.6) получим выражение для определения угловой скорости выходного звена в зависимости от скорости штока пневматического цилиндра

Ч =

_ ¿ш Л

а'2+г2-2а1гcosд*

г а1Б\пц*

(3.16)

или в безразмерном виде

ь

а''2+1-2а'' собц*

Ъ = ^ „ н (3.17)

а'' бш^*

Определим угловую скорость выходного звена кривошипно-кулисного механизма с пружиной и гибким элементом. Удлинение пружины равно:

АЬпр = ^r2 + а2 + 2ar cos q0. (3.18)

Тогда начальная потенциальная энергия VH равна

а

vn= -С (г2 + a2 + 2arcosq0) (3.19)

Потенциальная энергия пружинного аккумулятора в момент прохождения

*

угла q определяется из выражения:

а

Vq* =-с (г2 + а2 + 2ar cos(q0 + q*)) (3.20)

Уравнение полной механической энергии привода при прохождении угла q имеет вид

]q2n*

или

2

— с (г2 + а2 + 2ar cos q0) --с (г2 + а2 + 2ar cos(q0 + q*)) = (3.21)

Из уравнения (3.21) получим выражение для определения угловой скорости

*

при прохождении угла q

qq* = J2arj ^cos q0 — cos(q0 + q*) (3.22)

Тогда с учетом уравнения (3.6) получим следующее выражение для

*

определения угла q : Ln

a2+r2-2a1rcosq*

a1r sin q* V J

или

= I2ar- ^cos q0 — cos(q0 + q*) (3.23)

Lm U _ lcosqo-cos(qo+q*)^^* (3 24)

a1r^2ar ai с -J a'2+r2-2a1r cos q*

Решение уравнения (3.24) позволяет определить значения угла q* для определения границы использования пневматического цилиндра для компенсации диссипативных потерь с учётом ограничения максимальной скорости штока цилиндра.

В таблице 3.1 показаны значения угла q* в зависимости от скорости штока пневматического цилиндра при заданных размерах экспериментального образца.

Таблица 3.1. Параметры изменения угла д*в зависимости от скорости штока

¿>», м/с 0,5 1 1,5 2

* Ч ,град 10,6 27,6 42,5 54,0

При достижении максимальной угловой скорости выходного звена необходимо отключить подачу сжатого воздуха в бесштоковую полость пневматического цилиндра и соединить обе полости цилиндра с атмосферой.

Дальнейшее движение происходит только под действием пружинного аккумулятора. В диапазоне угла поворота от 0° до 180° происходит постоянное увеличение скорости. Если пневматический цилиндр не отключить, он будет тормозить систему.

Схема компоновки нереверсивного привода, обеспечивающая минимальные габаритные размеры представлена на рисунке 3.13. Уменьшение габаритных размеров обеспечивается тем, что оси шарнирных соединений пружины расположены с одной стороны от положения устойчивого равновесия.

Рисунок 3.13. Схема компоновки нереверсивного привода для обеспечения

минимальных габаритов привода

3.3. Режим зарядки пружинного аккумулятора

Рассмотрим режим зарядки пружинного аккумулятора для нереверсивного шагового привода. На рисунке 3.14 изображён пружинный привод после первой сборки, когда выходное звено находится в положении устойчивого равновесия и потенциальная энергия пружинного аккумулятора равна нулю.

Первоначальная конфигурация в этом случае определяется положением пружинного аккумулятора в положении устойчивого равновесия: в этом случае точки О, 01 и О2 лежат на одной прямой.

Необходимо определить требуемое усилие пневматического цилиндра Рц , которое обеспечит перевод выходного звена привода из положения устойчивого равновесия в исходное рабочее положение.

Первое необходимое условие - максимальная потенциальная энергия пружинного аккумулятора должна быть меньше работы, совершаемой пневматическим цилиндром при втягивании штока.

Второе условие - моментная характеристика кривошипно-кулисного механизма с пневматическим цилиндром должна быть на первом этапе выше моментной характеристики пружинного аккумулятора (рисунок 3.15).

7

6

Рисунок 3.14. Начальная конфигурация привода перед зарядкой пружинного

аккумулятора

Выведем формулу для построения моментной характеристики кривошипно-кулисного механизма с пневматическим цилиндром. На рисунке 3.15 изображена упрощенная схема кривошипно-кулисного механизма.

Рисунок 3.15. Упрощенная схема кривошипно-кулисного механизма

Момент кривошипно-кулисного механизма с пневматическим цилиндром, действующий на выходное звено при подаче давления в бесштоковую полость будет равен:

Мц = Р*^Ц , (3.16)

где РЦ - усилие пневматического цилиндра, отличающееся для штоковой и бесштоковой полости. Для цилиндров по стандарту ISO 6432 отношение усилия бесштоковой полости к усилию штоковой полости лежит в пределах 1,2-1,3.

Из треугольника ООО3,в соответствии с рисунком 3.10:

кц =

а±г • smq

+ г2 — 2а±

г cos q

где h-ц - нормаль из точки О к линии О3О4.

Примем усилие со стороны бесштоковой полости пневматического цилиндра величиной постоянной и равной 1, тогда величина момента будет равна

а±г • sin q

Мц =

Значение момента кривошипно-кулисного механизма с пневматическим цилиндром в зависимости от угла д равно первой передаточной функции.

На рисунке 3.16 схематично показаны графики изменения момента пружинного аккумулятора и кривошипно-кулисного механизма с пневматическим цилиндром в процессе зарядки.

Рисунок 3.16. Графики изменения момента пружинного аккумулятора и кривошипно-кулисного механизма с пневматическим цилиндром в процессе зарядки: 1 - момент пневматического цилиндра; 2 - момент пружинного

аккумулятора

Циклограмма работы нереверсивного пружинного привода в режиме зарядки показана на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17. Циклограмма работы нереверсивного пружинного привода в

режиме зарядки

3.4. Расчёт параметров пневматического цилиндра для компенсации

диссипативных потерь

Рабочий ход штока пневматического цилиндра равен 2г. Рабочее усилие Рц, создаваемое штоковой полостью цилиндра, определяется из условия: работа цилиндра, затраченная на зарядку аккумулятора равна сумме его максимальной потенциальной Утах и работы, затраченной на преодоление диссипативных потерь при угле поворота равным 180° и определяется из следующего выражения

Кпах(1 + Ф)

0,9Ри =-—

Ц 2г

С другой стороны рабочий ход штока пневматического цилиндра, обеспечивающий компенсацию диссипативных потерь, определяется из следующего условия:

0,9Рц • Мш = фУтах ,

где 0,9 - коэффициент, учитывающий потери на трение.

Тогда

Рц • Мш = фУтах + Адис

АЬш - ход штока пневматического цилиндра, обеспечивающий компенсацию диссипативных потерь.

Величина хода штока цилиндра, обеспечивающая компенсацию диссипативных потерь, определяется из выражения

Рц • Мш = фУтах

В первом приближении определяем размер АЬш без учета аэродинамического сопротивления

м _ фУтах _ ф2сг2

ш = Р = Р

Гц Гц

Усилие пневматического цилиндра можно назначить из условия задания размера АЬш.

Тогда минимальное усилие можно назначить из условия:

Прежде всего Рц должно быть больше 2-3 bar, исходя из характеристик пневмораспределителей с пилотным управлением.

Кроме того, максимальное усилие пневматического цилиндра может назначаться из условия, что усилие Рц должно обеспечивать автоматическую зарядку пружинного аккумулятора и принимать это усилие за рабочее.

На рисунке 3.18 представлена схема расположения, например, индуктивных датчиков, расположенных по окружности, описываемой точкой Oi или расположенных на радиальных прямых, выходящих из центра О.

Если не учитывать быстродействие пневматических распределителей, то датчики можно ставить в точке О4 (положение устойчивого равновесия), в точке D3(полностью вытянутый шток) и в точке О^полностью втянутый шток).

С учетом времени срабатывания распределителей, датчик D2 необходимо сместить против часовой стрелки от точки О4 на время прохождения угла смещения. В точке О4 максимальная угловая скорость.

Датчику D3 не требуется смещение, так как в данном положении полость пневмоцилиндра открыта и связана с атмосферой.

В настоящей главе рассмотрены различные варианты систем компенсации затрат энергии на преодоление диссипативных сил в мехатронных рекуперативных приводах.

О

3

о

Рисунок 3.18. Схема расположения датчиков

Непременным требованием при построении систем компенсации диссипативных сил для мехатронного рекуперативного привода является выполнение следующего условия:

Работа привода, устанавливаемого для компенсации диссипативных сил пружинного аккумулятора, должна быть равна или незначительно превышать работу, которую затрачивает пружинный аккумулятор на преодоление диссипативных сил: Ац > Атс.

Системы компенсации диссипативных потерь в соответствии с теоремой Эри делятся на три группы:

1. Компенсация диссипативных потерь в начале рабочего хода.

2. Компенсация диссипативных потерь в конце рабочего хода.

3. Компенсация диссипативных потерь в начале и в конце рабочего хода.

В данной главе рассматривается компенсация диссипативных потерь в начале рабочего хода и компенсация диссипативных потерь в начале и в конце рабочего хода.

3.5. Экспериментальный образец нереверсивного пружинного шагового

привода с рекуперацией энергии

В рамках работы над диссертацией был разработан экспериментальный образец нереверсивного пружинного шагового привода с рекуперацией энергии. На рисунке 3.19 представлена его фотография. При его создании был использован готовый модуль поворотного стола для автоматов по фасованию вязких пищевых продуктов производства машиностроительного завода «Таурас-Феникс», Санкт-Петербург. Привод к модулю поворотного стола построен на использовании легко доступных элементах привода газораспределительных механизмов современных автомобилей: зубчатый ремень и два зубчатых шкива с числом зубьев 21 и 42. Параметры зубчатой ремённой передачи позволили обеспечить шаговый режим с технологическим выстоем и с угловым шагом в 180°. Для компенсации диссипативных потерь и для фиксации выходного звена в положении неустойчивого равновесия использован пневматический цилиндр с

пневмоприводным фиксатором фирмы «Festo», Германия. В приводе использованы также пневматические распределители итальянской фирмы «Рпеитах». Для системы управления использован контроллер японской фирмы «АШюп^», имеющий 8 входов и 8 выходов. Из анализа перечня используемых элементов и, учитывая возможность использования стандартных пружин можно сделать вывод, что предлагаемые приводы можно собирать из набора элементов, предлагаемых на рынках. Ведомость покупных изделий преведена в приложении 1. Параметры нереверсивного пружинного привода преведены в таблице 3.2.

Рисунок 3.19. Экспериментальный образец нереверсивного пружинного шагового привода с рекуперацией энергии

Таблица 3.2. Параметры экспериментального образца нереверсивного пружинного привода

№ Параметры

1. Радиус поворотного звена, г 75 мм

2. Жесткость пружины, с 600 Н/м

3. Потенциальная энергия пружинного аккумулятора, Утах 6,75 Дж

4. Межосевое расстояние, а 340 мм

5. Расстояние между точками крепления поворотного звена к основанию и осью крепления пневмоцилиндра к основанию, аг 370 мм

6. Диаметр поршня пневматического цилиндра, В 16 мм

7. Максимальный ход штока, Ьцтах 150 мм

8. Давление сжатого воздуха, р 4 бара

9. Усилие на штоке со стороны бесштоковой полости 71 Н

10. Усилие на штоке со стороны штоковой полости 61 Н

11. Диаметр осей шарнирных соединений пружины, 6 мм

12. Диаметр оси шарнирного соединения поворотного рычага с основанием, й 20 мм

13. Коэффициент потерь пружинного привода с учётом потерь в поворотном столе, ф 0,2

14. Расчётное время поворота пружинного аккумулятора, ? 1,43 с

15. Приведённый момент инерции привода к выходному звену пружинного аккумулятора, / 0,07 кг*м2

16. Угол поворота стола 180°

Проведем сравнительный анализ энергозатрат разработанного экспериментального образца со стандартным идеальным приводом с разгоном по закону постоянного ускорения (рисунок 3.20).

Рисунок 3.20. Законы изменения скорости и ускорения

В соответствии с работой [45] А = Аразг + Лторм = ]ц2

Так как время поворота образца поворотного стола на один шаг составляет t = 1,43 с, тогда максимальная скорость

4п 4п 1

^тах = Т= 143 = 8,57 ~С Тогда общие затраты составят А = 0,07 • (8,57)2 = 5,4Дж Затраты энергии на диссипативные потери составляют 0,2 • Утах = 0,2 • 6,75 = 1,35Дж

Таким образом можно сделать вывод о том, что затраты энергии на компенсацию диссипативных сил в 4 раза меньше затрат энергии в идеальном приводе.

Выводы по главе 3:

1. При фиксации поворотного звена в точке неустойчивого равновесия пружинные приводы применимы как для нереверсивного, так и для реверсивного движения.

2. При необходимости обеспечения направленного движения точку фиксации следует смещать на малый угол в сторону направления движения, что обеспечивает создание момента, требуемого для осуществления начала движения.

Глава 4. Реверсивный пружинный привод с рекуперацией энергии для

шаговых перемещений

4.1. Конструкция реверсивного пружинного привода

На рисунке 4.1 представлена кинематическая схема реверсивного пружинного привода с рекуперацией энергии для поворотного стола и двумя пневматическими цилиндрами.

Рисунок 4.1. Кинематическая схема реверсивного пружинного привода в исходном рабочем положении: 1, 2 - пневматические цилиндры; 3,4 - распределители; 5 - поворотное звено; 6 - пружина; 7 - ведущий шкив зубчатой ременной передачи; 8 - зубчатый ремень; 9 - ведомый шкив зубчатой

ременной передачи; 10 - поворотный стол

В данном случае пневматические цилиндры обеспечивают:

1. Компенсацию диссипативных потерь;

2. Возможность реверсивного движения;

3. Фиксацию привода в положении неустойчивого равновесия на время технологического выстоя;

4. Первичную зарядку пружинного аккумулятора.

На рисунке 4.2 показана конфигурация пружинного привода в положении неустойчивого равновесия во время выстоя.

Рисунок 4.2. Конфигурация реверсивного пружинного привода в положении неустойчивого равновесия пружинного аккумулятора на время выстоя

Рассмотрим конфигурацию привода в положении неустойчивого равновесия пружинного аккумулятора. Пружинный аккумулятор образован поворотным рычагом 5 и пружиной растяжения 6. На ось шарнирного соединения пружины и поворотного рычага установлены шарниры штоков пневматических цилиндров 1 и 2. Цилиндр 1 снабжён датчиком Э3, а цилиндр 2 датчиком Э4. На корпусе цилиндров установлены датчики D1 и Э2, которые срабатывает при конфигурации, соответствующей нахождению пружинного аккумулятора в неустойчивом положении. Положение датчиков D1 и Э2 определяется при первичной сборке, когда ось шарнирного соединения пневматических цилиндров и поворотного рычага находится в точке неустойчивого равновесия и до установки пружины.

Все перечисленные датчики соединены с системой автоматического управления 7, а полости пневматических цилиндров соединены с

пневматическими распределителями 3 и 4 и в их нейтральном положении полости цилиндров соединяются с атмосферой. Выходы системы управления 7 соединены с электрическими приводами У1, У2, У3 и У4 пневматических распределителей.

Применение двух стандартных пневматических цилиндров с магнитами в поршнях позволяет обеспечить вращение выходного звена в любом направлении, фиксацию в положении неустойчивого равновесия во время технологического выстоя и зарядку пружинного аккумулятора после первой сборки, перед запуском в работу технологического оборудования или после аварийной остановки.

На рисунке 4.3 представлена пневматическая схема реверсивного пружинного привода.

Рисунок 4.3. Пневматическая схема реверсивного пружинного привода

Рассмотрим работу привода при повороте по часовой стрелке. При поступлении из системы управления сигнала на поворот электрические приводы У2 и У4 выключаются, и одновременно включается электрический привод У1. Распределитель 4 переводится в среднее положение и полость цилиндра 2 соединяется с атмосферой. Сжатый воздух поступает в бесштоковую полость цилиндра 1 и начинается поворот по часовой стрелке. При повороте выходного звена 5 на угол, когда срабатывает датчик Э3, система управления обесточивает электрический привод У1 и дальнейшее движение происходит под действием

момента от пружины. После прохождения точки устойчивого равновесия продолжается поворот под действием инерционных сил и начинается зарядка пружинного аккумулятора, так как кинетическая энергия привода переходит в потенциальную энергию пружины. При повороте на угол 360°, с датчика поступает сигнал в систему управления, которая включает электрические приводы У2 и У4, и сжатый воздух поступает в штоковые полости пневматических цилиндров 1 и 2. Происходит фиксация выходного звена в положении неустойчивого равновесия. В рассмотренном случае компенсация диссипативных потерь происходит в соответствии с теоремой Эри в начале движения. При работе против движения часовой стрелки работает цилиндр 2, а при повороте по часовой стрелке работает цилиндр 1.

Рисунок 4.4. Конфигурация реверсивного пружинного привода в текущем

положении

На рисунке 4.5. представлена циклограмма работы реверсивного привода с компенсацией диссипативных потерь в начале движения.

Рисунок 4.5. Циклограмма работы реверсивного привода с компенсацией диссипативных потерь в начале движения

Рассмотренный выше алгоритм работы реверсивного привода, в соответствии с теоремой Эри, обеспечивает компенсацию диссипативных потерь в начале движения. В этом случае время поворота на 360° меньше расчётного времени поворота пружинного аккумулятора без учёта диссипативных потерь.

Определим максимальное значение угла #*, при котором отключаются все электромагнитные приводы пневматических распределителей, и дальнейший закон движения определяется пружинным аккумулятором.

На рисунке 4.6. представлены моментные характеристики пружинного аккумулятора и пневматического цилиндра. В реверсивном приводе поворот начинается, например, по часовой стрелке при включении бесштоковой полости пневматического цилиндра 1.

м.

пр

а)

1

3

ч

д=2к

б)

1

д=2л

Ч

Рисунок 4.6. Моментные характеристики для пружинного аккумулятора (а) и пневматического цилиндра (б) для реверсивного привода: 1, 3 - точки неустойчивого равновесия

Найдём границы использования пневматического цилиндра для компенсации диссипативных потерь с учётом ограничения максимальной скорости штока. Первая геометрическая передаточная функция кривошипно-кулисного механизма с пневматическим цилиндром примет вид

а1г sin(q0+q*)

ПШ( ч) =^ = ~

q 1а2+г2-2а1г cos(q0 + q*)

где ч0 - угол между прямыми О02 и 00' (рисунок 4.7)

(4.1.)

Рисунок 4.7. Упрощенная схема реверсивного пружинного привода Угловая скорость выходного звена Ч в этом случае определяется следующим уравнением, которое запишем в виде

Ч =

_ Л

а2+г2-2а1г cos(q0+q*)

а1 sm(q0+q*)

(4.2)

Угловая скорость кривошипно-кулисного механизма с пружиной растяжения определяется уравнением

(4.3)

Совместное решение уравнений (4.2) и (4.3) позволяет определить угол ч*, то есть найти пределы включения пневматического цилиндра для компенсации диссипативных потерь при проектировании.

г

2

4.2. Зарядка реверсивного пружинного привода

Конфигурация реверсивного пружинного привода в положении устойчивого равновесия пружинного аккумулятора представлена на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8. Конфигурация реверсивного пружинного привода в положении устойчивого равновесия пружинного аккумулятора

В исходном положении после первой сборки или после выключения оборудования потенциальная энергия пружинного аккумулятора равна нулю, так как его механизм находится в положении устойчивого равновесия. Штоки пневматических цилиндров выдвинуты, а распределители находятся в нейтральном положении, и все полости цилиндров соединены с атмосферой. Ввиду симметричной конфигурации зарядка пружинного аккумулятора может производиться в любом направлении, и выбор направления зависит от разработчика управляющей программы.

Допустим, зарядка производится по направлению движения часовой стрелки. В этом случае из системы управления поступает сигнал на электрический привод У1 пневматического распределителя 3 и в штоковую полость цилиндра 1 подаётся сжатый воздух. Начинается движение по направлению движения часовой стрелки.

При повороте на угол 90° от точки устойчивого равновесия цилиндр 1 выключается, при этом начинает свою работу цилиндр 2, пока не дойдет до упора. При повороте на угол 180°, по сигналу датчиков и Э2 система управления включает электрические приводы У1 и У3, в штоковые полости пневматических цилиндров подаётся сжатый воздух, и происходит фиксация выходного звена в положении неустойчивого равновесия, до подачи следующего управляющего сигнала.

Зарядку пружинного аккумулятора реверсивного привода можно производить или используя включение одного или двух пневматических цилиндров. В данной работе зарядку пружинного аккумулятора рекомендуется выполнять для варианта с использованием двух пневматических цилиндров. В этом случае пневматический цилиндр 2, при зарядке против движения часовой стрелки, работает на участке поворота от положения устойчивого равновесия до конфигурации, когда поршень пневматического цилиндра 1 займёт положение, при котором сработает датчик Э4, и по команде из системы управления электропривод пневматического распределителя будет выключен, золотник распределителя займёт нейтральное положение и полости пневматического цилиндра 1 будут соединены с атмосферой. Одновременно система управления подаст сигнал на вход У3 пневматического распределителя пневматического цилиндра 2, сжатый воздух будет подан в его штоковую полость, и дальнейшее движение будет происходить под действием пневматического цилиндра 2. При повороте звена на 180° срабатывают датчики и Э2, подается напряжение на входы пневматического распределителя У2 и У4 цилиндров 1 и 2, соответственно, и в их штоковую полость подаётся давление и происходит фиксация выходного звена привода.

Один из датчиков Э4 устанавливается на корпусе цилиндра, поршень снабжен магнитом. Второй датчик Э2 установлен на основании.

Если использовать датчики Э5 и Э6, установленные на корпусах цилиндров, то можно реализовать алгоритм работы с компенсацией диссипативных потерь в начале и конце движения. Пневматическая схема реверсивного пружинного

привода при компенсации диссипативных потерь в начале и в конце хода представлена на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9. Пневматическая схема реверсивного пружинного привода

Величина диссипативных потерь определяется двумя составляющими:

1. Диссипативные потери самого пружинного аккумулятора, которые были рассмотрены во второй главе.

2. Диссипативные потери, связанные с пневматическими цилиндрами во время холостого хода.

Диссипативные потери в пневматических цилиндрах определяются:

-силами трения поршня, штока и в шарнирных соединениях

-аэродинамическими сопротивлениями.

С целью уменьшения аэродинамических потерь целесообразно использовать клапаны быстрого выхлопа.

Для предварительных расчётов принимаем, что потери в пневматических цилиндрах составляют 10% от максимальной работы, совершаемой пневматическим цилиндром.

В экспериментальных исследованиях необходимо исследовать аэродинамические потери в пневматических цилиндрах: влияние клапанов быстрого выхлопа, диаметров трубопроводов и их длины.

Для зарядки пружинного аккумулятора используется два пневматических цилиндра. Один из датчиков Э3 устанавливается на корпусе цилиндра, поршень снабжен магнитом. Второй датчик установлен на основании.

Зарядку пружинного аккумулятора можно осуществлять как при движении против часовой стрелки, так и по часовой стрелке.

4.3. Экспериментальный образец реверсивного пружинного шагового

привода с рекуперацией энергии.

В рамках работы над диссертацией был разработан экспериментальный образец реверсивного пружинного шагового привода с рекуперацией энергии. На рисунке 4.10 представлена его фотография. При его создании был использован готовый модуль поворотного стола для автоматов по фасованию вязких пищевых продуктов производства машиностроительного завода «Таурас-Феникс», Санкт-Петербург. Привод к модулю поворотного стола построен на использовании легко доступных элементов привода газораспределительных механизмов современных автомобилей: зубчатый ремень и два зубчатых шкива с числом зубьев 21 и 42. Параметры зубчатой ремённой передачи позволили обеспечить шаговый режим с технологическим выстоем и с угловым шагом в 180°. Для компенсации диссипативных потерь и для фиксации выходного звена в положении неустойчивого равновесия использованы два пневматических цилиндра и четыре датчика фирмы «Festo», Германия. В приводе использованы также пневматические распределители итальянской фирмы «Рпеитах».

Для системы управления использован контроллер японской фирмы «АШюп^», имеющий 8 входов и 8 выходов. Из анализа перечня используемых элементов и, учитывая возможность использования стандартных пружин, можно сделать вывод, что предлагаемые приводы можно собирать из набора элементов,

предлагаемых на рынках. Ведомость покупных изделий преведена в приложении 2. Параметры реверсивного пружинного привода преведены в таблице 4.1.

Рисунок 4.1 0. Экспериментальный образец реверсивного пружинного шагового привода с рекуперацией энергии

Таблица 4.1. Параметры экспериментального образца реверсивного пружинного привода

№ Параметры

1. Радиус поворотного звена, г 75 мм

2. Жесткость пружины, с 600 Н/м

3. Потенциальная энергия пружинного аккумулятора, Утах 6,75 Дж

4. Межосевое расстояние, а 340 мм

5. Расстояние между точками крепления поворотного звена к основанию и осью крепления пневмоцилиндра к основанию, аг 370 мм

6. Диаметр поршня пневматического цилиндра, В 16 мм

7. Максимальный ход штока, Ьцтах 150 мм

8. Давление сжатого воздуха, р 4 бара

9. Усилие на штоке со стороны бесштоковой полости 71 Н

10. Усилие на штоке со стороны штоковой полости 61 Н

11. Диаметр осей шарнирных соединений пружины, 6 мм

12. Диаметр оси шарнирного соединения поворотного рычага с основанием, й 20 мм

13. Коэффициент потерь пружинного привода с учётом потерь в поворотном столе, ^ 0,25*

14. Расчётное время поворота пружинного аккумулятора, ? 1,43 с

15. Приведённый момент инерции привода к выходному звену пружинного аккумулятора, / 0,07 кг*м2

16. Угол поворота стола 180°

*- с учетом второго пневматического цилиндра

Выводы по главе 4:

1. Пружинный привод, созданный на базе пружинного аккумулятора и двух пневматических цилиндров позволяет реализовать возможность реверсивного движения;

2. Пневматический привод, одновременно решает задачи фиксации в положении неустойчивого равновесия, автоматической зарядки пружинных приводов в случае аварийной остановки, перед пуском или после первичной сборки.

Основные результаты работы и выводы по диссертации

Разработанные методики анализа и синтеза технических устройств с рекуператорами энергии могут быть положены в основу САПР технологического оборудования, обеспечивающих значительное энергосбережение и снижение потребной мощности приводов. Проведенные испытания продемонстрировали работоспособность привода и правильность проектных решений.

1. В результате анализа структурных схем приводов машин циклического действия установлена возможность и целесообразность повышения их эксплуатационных характеристик и совершенствования конструкции включением гибкого элемента в схему привода;

2. Определены базовые структуры наиболее перспективных пружинных аккумуляторов с гибким элементом, позволяющие осуществлять различные компоновочные решения;

3. Проведен анализ влияния геометрических параметров пружинных аккумуляторов на его основные характеристики и даны и обоснованы рекомендации по проектированию пружинных приводов в зависимости от технологического назначения поворотных столов;

4. Разработаны научные основы проектирования исполнительных устройств в технологическом оборудовании на базе пружинных аккумуляторов, обеспечивающих энергосбережение и значительное снижение потребных мощностей двигателей;

5. Определены первые передаточные функции кривошипно -кулисных механизмов с пружинами и пневматическими цилиндрами, обеспечивающие целенаправленное проектирование пружинных приводов с рекуперацией энергии;

6. Показано, что наиболее эффективным средством для компенсации диссипативных потерь является пневматический привод, одновременно решающий задачи фиксации в положении неустойчивого равновесия, автоматической зарядки пружинных приводов в случае аварийной остановки, перед пуском или после первичной сборки.

7. Работоспособность пружинных приводов, сконструированных на основе разработанной методики, подтверждена испытанием экспериментальных образцов шаговых приводов нереверсивного и реверсивного движения.

1. А.с.1006208 (СССР). Механическая рука/Л.М. Болотин, А.И. Корендясев, Б.Л.Саламандра, Л.И. Тывес// БИ. -1983. -№ 11, 2 с.

2. А.с.1110623 (СССР). Механическая рука/Л.М. Болотин, А.И. Корендясев, Б.Л.Саламандра, Л.И. Тывес// БИ. -1984. -№ 32, 2 с.

3. А.с.1283083 (СССР). Привод перемещения звеньев/Г.Г. Ежов, В.Л. Жавнер, Н.А. Феоктистова // БИ. -1987. -№ 2, 5 с.

4. А.с.1303399 (СССР). Привод робота/Т.С. Акинфиев // БИ. -1987. -№ 8, 4 с.

5. А.с.1323378 (СССР). Механическая рука/Л.М. Болотин, А.И. Корендясев, Б.Л.Саламандра, Л.И. Тывес// БИ. -1987. -№ 26, 4 с.

6. А.с.1544550 (СССР). Резонансный привод / В.И. Бабицкий, А.А. Котлячков, Б.Л. Саламандра, В.А. Чечуров, А.В. Шипилов, В.Н. Панин // Бюл. - 1990. — № 7, 5 с.

7. А.с.1715578 (СССР). Модуль промышленного робота/В.С. Семеноженков // Бюл. - 1992. № 8, 5 с.

8. А.с.1722809 (СССР). Модуль робота/В.С. Семеноженков // Бюл. - 1992. № 12, 4 с.

9. А.с.1611730 (СССР). Модуль резонансного манипулятора/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1990. № 45, 3 с.

10. А.с.1583283 (СССР). Модуль резонансного манипулятора/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1990. № 29, 3 с.

11. А.с.1585143 (СССР). Модуль резонансного манипулятора/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1990. № 30, 3 с.

12. А.с.1593945 (СССР). Привод перемещения исполнительного органа робота/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1990. № 35, 3 с.

13. А.с.1343149 (СССР). Привод прерывистого вращения/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1987. № 37, 3 с.

14. А.с.1618957 (СССР). Привод прерывистого вращения/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1991. № 1, 3 с.

15. А.с. 1610154 (СССР). Привод прерывистого вращения/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1990. № 44, 4 с.

16. А.с. 1518606 (СССР). Привод прерывистого вращения/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1989. № 40, 3 с.

17. А.с. 1703896 (СССР). Устройство прерывистого вращения/В.С. Семеноженков, А.Г. Орлов, С.А. Перегудов // Бюл. - 1992. № 1, 5 с.

18. А.с. 1663282 (СССР). Привод прерывистого вращения/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1991. № 26, 4 с.

19. А.с. 1810683 (СССР). Поворотное устройство/В.С. Семеноженков // Бюл. -1993. № 15, 3 с.

20. А.с. 1402746 (СССР). Привод прерывистого движения конвейера/В.С. Семеноженков // Бюл. - 1988. № 22, 3 с.

21. А.с. 1694449 (СССР). Устройства для прерывистого движения конвейера /В.С. Семеноженков // Бюл. - 1991. № 44, 3 с.

22. А.с. 1583331 (СССР). Устройства прерывистого движения замкнутого рабочего органа конвейера /В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1990. № 29, 3 с.

23. А.с. 1682266 (СССР). Устройства для шагового перемещения конвейера /В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1987. № 37, 3 с.

24. А.с. 1488223 (СССР). Привод прерывистого движения конвейера/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин // Бюл. - 1989. № 23, 3 с.

25. А.с. 1495771 (СССР). Устройства периодического поворота/В.С. Семеноженков, С.А. Перегудов // Бюл. - 1989. № 27, 2 с.

26. А.с. 1421623 (СССР). Исполнительный механизм устройства для упаковывания/В.С. Семеноженков // Бюл. - 1988. № 33, 3 с.

27. А.с. 1527440 (СССР). Устройства периодического поворота/В.С. Семеноженков, М.М. Духанин, С.А. Перегудов, Л.Н. Нумеров // Бюл. - 1989. № 45, 3 с.

28. А.с. 1353692 (СССР). Привод прерывистого движения роторов и конвейера /В.С. Семеноженков, А.Г. Радьков // Бюл. - 1987. № 43. 3 с.

29. А.с. 1366445 (СССР). Привод прерывистого движения роторов упаковочных машин /В.С. Семеноженков, С.А. Перегудов // Бюл. - 1988. № 2, 3 с.

30. Акинфиев Т.С. Резонансные манипуляционные системы с электроприводом. -М.: Машиноведение. -1983. -№6. С.18-23, 3 с.

31. Акинфиев Т.С. Динамические свойства резонансной манипуляционной системы, с односторонним пневмоприводом. -М.: Машиноведение. -1985. №2. С.24-30.

32. Баутин Н.Н. Динамическая теория часов: Стабилизация периода в колебательных системах с двумя степенями свободы. - М.: Наука, 1986. -192 с.

33.Болотин Л.М., Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Цикловые роботы с аккумуляторами механической энергии: Основы построения привода. -М.: Станки и инструмент. -1984. - №4. - С.7-10.

34. Волощенко А.П., Алексюк М.М., Гришко В.Г. и др. Испытательная техника для исследования механических свойств материалов; под ред. Г.С. Писаренко. -Киев: Наукова думка, 1984. -318 с.

35. Вульфсон И.И. Динамика цикловых машин. -СПб.: Политехника, 2013. - 425 с.

36. Вульфсон И.И. Колебания в машинах: учебное пособие для ВТУЗов. 2-е изд., доп. -СПб.: СПбГУТД, 2006. - 260 с.

37. Глушков А.А. Исследование и разработка быстродействующих поворотных цикловых приводов колебательного типа: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.02 / Глушков Андрей Алексеевич. Владимир, 2006. -148 с.

38. ГОСТ 13766-86. Пружины цилиндрические. Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения I класса, разряда 1 из стали круглого сечения. -М.: Изд-во стандартов, 1988. -21 с.

39. ГОСТ 13775-86. Пружины цилиндрические. Пружины винтовые цилиндрические сжатия III класса, разряда 2 из стали круглого сечения. -М.: Изд-во стандартов, 1988. - 8 с.

40. ГОСТ 13776-86. Пружины цилиндрические. Пружины винтовые цилиндрические сжатия III класса, разряда 3 из стали круглого сечения. -М.: Изд-во стандартов, 1988. - 4 с.

41. Дроздов В.Н. Математическая модель мехатронного поворотного стола. -М.: Электричество, 1997. №2. - С.42-47.

42. Жавнер В.Л., Смирнов А.Б. Мехатронные принципы проектирования технологического оборудования. -СПб.: Конструктор-машиностроитель, 2008. №23.

43. Жавнер В.Л., Жавнер М.В., Мацко О.Н. Мехатронный рекуперативный привод для возвратно-поступательных перемещений. -СПб.: Современное машиностроение. Наука и образование, 2012, № 2. С.304-310.

44. Жавнер В.Л., Мацко О.Н. Рекуперативные приводы для цикловых перемещений с пневматическим компенсатором диссипативных сил. -СПб.: Современное машиностроение. Наука и образование, 2014, № 4. С.513-521.

45. Жавнер В.Л., Мацко О.Н., Жавнер М.В. Рекуперативные приводы для цикловых перемещений. Deutschland, Saarbrucken, Palmarium Academic Publishing, 2014. -90 с.

46. Жавнер В.Л., Мацко О.Н. Пружинные приводы для возвратно-поступательных перемещений. -М.: Проблемы машиностроения и надежности машин, 2016. № 1. С.3-7.

47. Жавнер М.В. Методы расчета и проектирования исполнительных устройств робототехнических систем на базе пружинных механизмов: автореф. дис. .канд. тех. наук: 05.02.05 / Жавнер Милана Викторовна. -СПб., 2003. -18 с.

48. Жавнер М.В. Методы расчета и проектирования исполнительных устройств робототехнических систем на базе пружинных механизмов: дис. ... канд. тех. наук: 05.02.05 / Жавнер Милана Викторовна. -СПб., 2003. -133 с.

49. Зайцев В.В. Промышленный робот. / А.И Корендясев, А.П. Литовченко, Б.Л. Саламандра, Л.И. Тывес, В.С. Шишков, Л.Б. Сачков. Заявл.21.01.88. 15.10.92. Бюл. №38. Патент № 1768381SU.

50. Качан В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движений. -М.: Энергия, 1975. -240 с.

51. Кожевников С.Н., Есипенко Я.М., Раскин Я.М. Механизмы: Справочник; под ред. С.Н. Кожевникова. -М.: Машиностроение, -1976. -784 с.

52. Колчин Н. И. Механика машин. Т. 2. Машиностроение, 1972. -456 с.

53. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И., Владов И.Л., Данилевский

B.Н., Жавнер В.Л., Колискор А.Ш., Петров Л.Н., Серков Н.А., Модестов М.Б., Ушаков В.И., Тихомиров В.Г., Ковалев В.Е. Манипуляционные системы роботов. - М.: Машиностроение. -1989. -С.279-286.

54. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Теоретические основы робототехники. В 2 кн. - М.: Наука, 2006. -376 с.

55. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Цикловые роботы с аккумуляторами механической энергии. Многопозиционные системы с одной и несколькими степенями подвижности // Станки и инструмент. 1984. № 6. -

C.4-8.

56. Крупенин В.Л., Крупенин В.Л., Акинфеев Т.С., Бабицкий В.И. Манипуляционные системы резонансного типа // Машиноведение. -1982. -№ 1. -С.2-8.

57. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. В 10 т. Т.1: Механика. -М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. -216 с.

58. Левин А.И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков. -М.: Машиностроение, 1978. -184 с.

59. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики: учебное пособие для вузов. Том 2. -М.: Наука, 1983. -621 с.