CC BY
4УДК 629.114.2+629.083
Павлов Леонид Александрович,
к.т.н., доцент, заместитель директора по научной и учебной работе, Гуманитарный национальный исследовательский институт, «НАЦРАЗВИТИЕ», г. Санкт-Петербург Pavlov Leonid Alexandrovich, Humanities national research institut
«NATSRAZVITIE», Saint Petersburg
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ ДЛЯ МЕХАНИЗАЦИИ СБОРКИ ШАРНИРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛЕСНЫХ МАШИН
НА МАСТЕРСКОМ УЧАСТКЕ EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF BALANCED PNEUMATIC MANIPULATORS FOR ASSEMBLY MECHANIZATION OF FOREST MACHINES ARTICULATED JOINTS AT THE WORKSHOP
Аннотация: в статье представлено описание экспериментальной установки, позволяющей получить переходные характеристики сбалансированных манипуляторов при изменяемых, в соответствии с планом эксперимента, конструктивных параметрах, нагрузках и масштабах входного воздействия, а также оценить точностные характеристики сбаланси -рованных манипуляторов в температурном диапазоне от -25 до +200 С.
Abstract: the article presents a description of an experimental setup that allows to obtain the transient characteristics of balanced manipulators with the main design parameters, loads and scales of input exposure being changed in accordance with the experimental plan, as well as to evaluate the accuracy characteristics of balanced manipulators in the temperature range from -25 to +200 C.
Ключевые слова: экспериментальная установка, сбалансированный манипулятор, позиционное управление, астатическое управление, комбинированное управление, математическая модель, аналитические зависимости.
Keywords: experimental setup, balanced manipulator, positional control, astatic control, combined control, mathematical model, analytical dependencies.
Целью экспериментальных исследований характеристик пневматических СМ является качественная и количественная проверка разработанных обобщенных математических моделей и полученных аналитических зависимостей, а также оценка точностных характеристик СМ при различных способах управления при температуре от -25 до +200С.
Переходная характеристика системы представляет собой реакцию на выходе системы, вызванную подачей на ее вход единичного ступенчатого воздействия. Поэтому для достижения поставленной цели необходимо разработать установку, позволяющую получить экспериментальные переходные характеристики при изменяемых, в соответствии с планом эксперимента, основных конструктивных параметрах, нагрузках и масштабах входного воздействия, а также оценить точностные характеристики СМ в температурном диапазоне от -25 до +200 С.
Сравнение статистически обработанных результатов эксперимента с результатами расчетов позволит оценить степень достоверности обобщенных математических моделей и аналитических зависимостей. При оценке точностных характеристик СМ воспользуемся типовой методикой исследования манипуляционных оргастических систем [1] и методом определения погрешности позиционирования манипуляторов [3]. Для проведения экспериментальных исследований пневматических СМ в режиме астатического управления в соответствии с поставленными целями разработана экспериментальная установка, принципиальная схема которой приведена на рис.1. Экспериментальная установка создана на основе пневматического СМ МПУ-100 и включает манипулятор со стрелой 1; устройство комбинированного управления (УКУ) 30; силовой пневмоцилиндр 4; пневмодроссель 29; измерительную и регистрирующую часть. УКУ состоит из задающего устройства 30, и
редукционного клапана с пропорциональным пневматическим управлением 18. Задающее устройство 30 включает рукоятку управления 5. Ось рукоятки управления 5 может фиксироваться с помощью мембранного пневматического тормоза 9 по сигналу от распределителя 10. В измерительную часть входят блок согласования с комплектом датчиков давления 26 и ускорения 35, датчик скорости (тахогенератор ТПГ-3) 25. Регистрация сигналов с датчиков производилась с помощью светолучевого осциллографа 28. Питание установки осуществлялось от компрессора с ресивером, обеспечивающего избыточное давление на выходе 1,2 МПа. Кроме того, для измерения суммарного значения приведенных к рабочему органу сил трения и погрешности настройки ПУУ использовалось устройство УИТП, состоящее из стойки 34, консоли с двумя роликами 31, тросика 33, один из концов которого связан с рабочим органом СМ, а второй - с чашкой для гирь 32.
Рисунок 1 - Принципиальная схема экспериментальной установки
Для измерения погрешностей позиционирования применялась стойка с укрепленным индикатором часового типа ИЧ. Значения основных конструктивных параметров экспериментальной установки: диаметр поршня и штока пневмоцилиндра 4 соответственно БП=0.1м, БШ=0,030м; ход поршня Б=0,40 м; диаметр трубопроводов ёТр=10мм; длины звеньев манипулятора: 15=1.042м; 16=0,65м; 18=1,25м; 19=0,21м; массы звеньев манипулятора М5=10,2кг; М51= 10,2кг; М6=8,1кг; МС=11,1 ; МЗА=4,5кг ; МП= 2,8кг.; начальные объёмы рабочей и выхлопной полостей: У01=2,8^10-4м3; У02=3,4^10-4м3, уплотнения силового цилиндра-фторопластовые манжеты.
При экспериментальном исследовании СМ с комбинированным управлением проведены две серии опытов.
Цель первой серии - количественная и качественная проверка разработанной обобщенной математической модели СМ и полученных аналитических выражений. Для этого при температурах -25; -10; 0; +20 0С изучена реакция СМ на скачкообразное приложение управляющего воздействия при астатическом режиме работы УУ.
Эксперименты проводились по следующей схеме. С помощью дросселей 29 устанавливалась величина площади Г э2. В захватное устройство помещался груз. Оператор с помощью пневмораспределителя 10 растормаживал рукоятку 5 и рывком перемещал ее вверх до упора. В результате, рабочий орган СМ с грузом приходил в движение. При этом
25
оператор продолжал перемещать рукоятку вверх таким образом, чтобы она все время упиралась в верхний упор. В окрестности точки позиционирования оператор останавливал конец рукоятки 5, стрела манипулятора некоторое время двигалась вверх, и после завершения переходных процессов останавливалась. При этом рукоятка управления автоматически устанавливалась в положение, при котором формировался сигнал управления обеспечивающий статическое уравновешивание веса ИУ СМ и груза.
С помощью пневмораспределителя 10 оператор фиксировал положение рукоятки и тем самым переключал УУ на позиционный режим работы. Процессы, происходящие в системе, фиксировались на осциллограмму. С помощью УИТП измерялось суммарное значение приведенных к рабочему органу сил трения и погрешности настройки ПУУ. План эксперимента был следующим. При массе груза, изменяемой с дискретностью 10 кг в пределах от 20 до 80 кг, значение площади { э2 в соответствии с методикой [1, 2] устанавливали по схеме: 0,3 0,7^\;1,0Л;1.4Л (Г Э1=2,3710-5м2). На рис.2-4 отображены зависимости скорости движения, времени разгона и торможения рабочего органа от температуры воздуха.
Статические механические характеристики СМ с комбинированным управлением, полученные экспериментально и в результате расчета по аналитическим зависимостям показаны на рис.2.
Рисунок 2 - Экспериментальная кривая зависимости скорости движения рабочего органа
-5 2
от температуры воздуха при МГР=50 кг,Г 1 =Г 2=2,37^10- м
Рисунок 3 - Экспериментальная кривая зависимости времени разгона^рабочего органа от температуры воздуха при МГР=50 кг, {Э1 =Г2=2,37^10- м
о
а
X
о
о-
о н
о
Рн
са
1,31 1,3 1,29 1,28 1,27 1,26 1,25 1,24 1,23 1,22 1,21 1,2
>-
л
/
/
/ /
/
-30
-20
-10
10
20
30
Температура
Рисунок 4 - Экспериментальная кривая зависимости времени торможения рабочего органа от температуры воздуха при МГР=50 кг, f э1 =f э2=2,37^10- м
Из полученных графиков видно, что в диапазоне температур от -25 до +200С погрешность значений установившейся скорости в данном диапазоне изменения конструктивных параметров манипулятора, устройства управления и нагрузок при расчете по обобщенной модели не превышает 18,7 %, по аналитическим зависимостям - 13,3 %. Погрешность расчётного значения времени разгона и торможения не более соответственно 18,8 % и 18,5 %.
Цель второй серии экспериментов - оценить точностные характеристики пневматических СМ с комбинированным управлением, как в астатическом, так и в позиционном режимах при температурах -25; -10; 0; +20 0С. Так как точность позиционирования СМ определяется не только параметрами СМ, но во многом зависят от психологических и физических особенностей человека-оператора, то получить научно обоснованные результаты возможно, проведя совместные исследования со специалистами по инженерной психологии и эргономике. Поэтому результаты экспериментов носят оценочный характер. Для повышения общности полученных результатов план эксперимента составлен применительно к трём операторам. Эксперименты по оценке погрешности позиционирования проводились по следующей схеме. Оператор помещал захватное устройство груз, с произвольной скоростью перемещал груз в окрестность точки позиционирования, в которой на стойке установлен индикатор часового типа ИЧ с ценой деления 0,01мм, и пытался с помощью упора, закреплённого на рабочем органе, добиться показания ИЧ 5,0 мм. Аналогичные действия производились в позиционном режиме. Опыты производились при штатных параметрах манипулятора с грузами 20 и 80 кг. Результаты экспериментов приведены в таблице приложения 3.1, при этом использованы следующие обозначения: YH-заданная координата точки позиционирования; Yi-координата точки позиционирования в ьтом опыте; Y- математическое ожидание величины Yi; ДY= YH-Y; oY-среднее квадратичное отклонение; ДYmax, ДYmin- предельные приращения координат точки позиционирования, t -температура воздуха. Можно видеть, что погрешность позиционирования СМ при работе в
астатическом режиме значительная (-3,65...4,90 мм). В случае позиционного режима погрешность позиционирования находится в пределах от -0,43 мм до +0,52 мм, что примерно на 15% лучше результатов приведенных в [2].
В результате экспериментального исследования характеристик пневматического СМ с комбинированным управлением в режиме астатического управления доказана удовлетворительная сходимость результатов, полученных при расчетах по обобщенной математической модели, аналитическим зависимостям и экспериментально. Погрешности расчетных значений установившейся скорости рабочего органа, и длительности переходных процессов при разгоне и торможении в сравнении с экспериментальными в случае использования обобщенной математической модели не превышают соответственно 18,7%, 18,8 % и 18,5 %. При аналитических расчетах установившейся скорости ошибка не превышает 13,3 %.
Усилие управления при работе СМ с комбинированным управлением в режиме астатического управления было пренебрежительно малым (меньше 0,5Н), а в случае позиционного режима при осуществлении точного позиционирования его величина не превышала 15H.
В ходе экспериментального исследования характеристик пневматического СМ с комбинированным управлением в режиме астатического управления установлено, что с понижением температуры воздуха при равных условиях нагружения, конструктивных параметрах установившаяся скорость движения рабочего органа СМ и время торможения несколько снижаются (в пределах 5%). Одновременно с этим увеличивается время разгона рабочего органа СМ (в пределах 3,2%).
Погрешность позиционирования СМ при работе в астатическом режиме значительная (-3,65.4,90 мм). В случае позиционного режима погрешность позиционирования находится в пределах от -0,43 мм до +0,52 мм.
Экспериментальные исследования в диапазоне температур от
-25°С до +20°С доказали адекватность разработанной обобщенной математической модели и удовлетворительность точностных характеристик СМ для сборки шарнирных соединений лесных машин.
Список литературы:
1. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы / В.С.Кулешов, Н.А. Лакота, В.В. Андрюнин и др.; Под общ. ред. Е.П. Попова. - М.: Машиностроение, 1986. - 328 с.
2. Романов П.И. Разработка и исследование пневматических сбалансированных манипуляторов с рациональными выходными характеристиками: Дис. ... канд.тех.наук. -Л:ЛПИ, 1990-195 с.
3. Алябин А.К. Экспериментальные исследования роботов и управление робототехни-ческими системами и их очувствление. - М.: Наука, 1983. С. 82-93.
