CC BY
4
УДК 621.9.06-52
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-8-22-23
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРИВОДОВ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СБОРОЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
И.В. Надеждин
В статье рассмотрены структура управляемого привода, приоритетные оценки трех типов приводов по различным показателям и их влияние на быстроходность загрузочных устройств, проведен анализ приводов с точки зрения надежности, пожаро- и взрывобезопасности, воздействия на окружающую среду.
Ключевые слова: привод загрузочного устройства, показатели приводов быстроходность загрузочного устройства, загрузочное устройство.
Загрузочные устройства предназначены для подачи ориентированных деталей непосредственно в зону выполнения сборочной операции. Правильность выбора рациональной конструкции привода для загрузочного устройства во многом определяет производительность автоматического сборочного оборудования и надежность процесса сборки. Оптимальную конструкцию привода выбирают с учетом обеспечения в первую очередь выполнения операции загрузки-выгрузки или межоперационного транспортирования сборочных деталей за минимально возможное время, что определяет повышенные требования к приводам с точки зрения динамики реализуемых законов движения. В первую очередь законы движения должны обеспечивать плавность движения выходного звена, отсутствие скачков скорости и ускорения, приводящих к ударам и значительным возрастаниям усилий, действующих на механизмы, а, следовательно, быстрому износу и потере точности позиционирования.
Структура приводов загрузочных устройств автоматизированных сборочных производств в значительной мере определяется видом системы управления, движителей и датчиков обратных связей [1]. Наиболее широко распространены следующие типы приводов: пневматический, электрический, гидравлический.
В общем случае структура управляемого привода состоит из следующих составных частей (рис. 1): движитель, передача, исполнительное устройство и система управления.
В качестве движителя могут быть электрические, пневматические, гидравлические, пружинные двигатели с поступательным и вращательным видом движения исполнительного звена.
Движитель
Передача
Исполнительное устройство
Система управления
Рис. 1. Структурная схема управляемого привода
Выбор типа двигателя может быть предопределен каким-либо одним или несколькими решающими факторами или когда имеется возможность выбора одного из нескольких альтернативных вариантов. В обоих случаях необходимо обратиться к табл. 1, где представлены приоритетные оценки трех типов приводов по различным показателям.
Рассмотрим каждый из приведенных в табл. 1 показателей.
Удельная мощность двигателя. Удельная мощность определяет размеры, массу и сложность двигателя. Как следует из табл. 1, наименьшие габариты и массу имеет гидравлический двигатель.
Предел повышения удельной мощности ограничен физическими возможностями концентрации мощности в единице занимаемого двигателем объема, конструктивными особенностями двигателя и параметрами материалов из которых он изготовлен.
Для гидро- и пневмодвигателей первый фактор характеризуется давлением рабочего тела. В гидросистемах давление жидкости составляет 15 МПа, в пневмосистемах давление воздуха не превышает 1 МПа.
Рассмотрим каждый из приведенных в табл. 1 показателей.
Удельная мощность двигателя. Удельная мощность определяет размеры, массу и сложность двигателя. Как следует из табл. 1, наименьшие габариты и массу имеет гидравлический двигатель.
Предел повышения удельной мощности ограничен физическими возможностями концентрации мощности в единице занимаемого двигателем объема, конструктивными особенностями двигателя и параметрами материалов из которых он изготовлен.
Для гидро- и пневмодвигателей первый фактор характеризуется давлением рабочего тела. В гидросистемах давление жидкости составляет 15 МПа, в пневмосистемах давление воздуха не превышает 1 МПа. Данные по эффективности приводов в табл. 2 относятся к установившимся режимам работы приводов. В реальных условиях отработки сложных законов движения с изменением скорости и усилия привода, когда привод практически все время функционирует в переходных режимах, его КПД будет существенно меньше. Например, чем быстрее ме-
22
няются параметры движения пневмо- или гидропривода, тем быстрее должны отрабатываться сигналы управления, что связано с большими потерями на дросселирование рабочего тела, поскольку требуются большие значения движущей силы.
Таблица 1
Приоритетные оценки приводов загрузочных устройств
Показатель Тип привода
электри-ческий гидравлический пневматический
Удельная мощность [-] [+1 [ 1
Эффективность [+1 [ 1 [-1
Первоначальная стоимость [-] [ 1 [+1
Быстродействие [-1 [ 1 [+1
Надежность [ 1 [-1 [+1
Точность [+1 [ 1 [-1
Пожаро-и взрывобезопас-ность [ 1 [-1 [+1
Удобство обслуживания [ 1 [-1 [+1
Тепловой режим [-1 [ 1 [+1
Воздействие на окружающую среду [+1 [ 1 [-1
Управляемость [+1 [ 1 [-1
Стыковка с цифровой СУ [+1 [ 1 [-1
При работе в переходных режимах КПД электропривода также снижается, но это понижение менее значительно, если используются современные способы управления.
Быстродействие приводов. По критерию быстродействия наилучшим является пневмопривод (см. табл. 1). Линейный пневмопривод легко достигает скоростей перемещений до 5 м/с и выше. Его скорость ограничивается лишь пропускной способностью распределителей и стойкостью поршневых и штоковых уплотнений. Электроцилиндры, рассчитанные на такие высокие скорости, трудно реализуемы и стоят много дороже пневмоцилиндров.
Таблица 2
Значения удельной мощности и КПД приводов загрузочных устройств_
Показатель Тип привода
Электрический Гидравлический Пневматический
Удельная мощность, кВт/кг 0,02...0,2 0,5.1,0 0,3.0,4
КПД 0,7...0,9 0,7.0,8 0,05.0,2
На рис. 2 показан типичный характер изменения скорости V (ю) выходного звена загрузочного манипулятора. Общее время Тп перемещения исполнительного звена манипулятора складывается из времени линейного Гл или
углового перемещения Гпов и времени успокоения колебаний Гусп в конце хода Тп = Гпов(л) + Гусп .
Величина Гусп определяется длительностью колебаний ведомых масс в точках позиционирования и зависит от закона движения, упругости звеньев механизма и сил демпфирования и от величины допускаемой амплитуды
колебаний А/ , которую обычно принимают равной половине допускаемой погрешности А повторяемости при позиционировании, т. е. А/ < А / 2 .
Время углового Гпов или линейного Гл перемещения исполнительного звена загрузочного устройства в общем случае состоит из трех составляющих: Гпов(Гл) = Гр + Гу + Гт, где Гр - время разгона, Гу - время установившегося режима движения, Гт - время торможения.
50%
Гт/Гп
13%
22% Л !Т„ 53%
10%
/т/Тп
Гусг/Гп 66%
25% УТп
Гт/Гп
13%
10%
Рис. 3. Диаграммы составляющих времени Тп загрузочных устройств с различным типом привода: а - пневматическим; б - гидравлическим; в - электрическим
Анализ составляющих времени углового позиционирования загрузочных устройств с различным типом привода (рис. 3) показывает, что время Гусп успокоения колебаний составляет от 50 до 60 % от времени Тп цикла движения и уменьшение Гусп является важнейшим резервом увеличения быстродействия, что достигается путем улучшения закона движения.
Средняя линейная и угловая скорости выполнения заданного движения, характеризующие быстроходность привода, определяются зависимостями:
уСр = ь/ тп = ь/(г р + / у + + / усп),
юср = У /тп = У /(гр + Гу + Гт + Гусп)
где Уср и Юср - соответственно средние линейная и угловая скорости перемещения исполнительного звена, Ь - путь, Уе - суммарный угол поворота.
В качестве обобщенного критерия для оценки быстроходности приводов используем показатель уровня быстроходности Лт(у) [2].
Для механизмов углового позиционирования обобщенный коэффициент Ла определяют по формуле
Л„ = ^1/2А^1/4,
где к = а)ср 31 пр , Iпр - приведенный момент инерции ведомых масс (кг м2); у - угол поворота ведомого звена
(рад); Ду - погрешность углового позиционирования (угловые секунды). Для механизмов линейного позиционирования
где кл = 3 тп
Лу = кл ь-1/2А-1/4,
тпр - приведенная масса ведомых звеньев; Д - погрешность линейного перемещения.
При оценке быстроходности механизма по величине Аю(у.) учитывается влияние не только ведомых масс,
но и суммарного угла поворота, а также точности позиционирования. Это позволяет сравнивать механизмы приводов, работающие в различных условиях. На рис. 4 изображены диаграммы коэффициентов быстроходности приводов линейного (МЛП) и углового (МУП) позиционирования загрузочных устройств, построенные на основе анализа экспериментальных данных [3,4]. По оси ординат отложены значения комплексного коэффициента быстроходности Аю /Атб , приведенного к безразмерному виду (А^ = 2,14). Анализ диаграмм показывает, что быстроходность механизмов углового перемещения примерно на порядок меньше быстроходности механизмов линейного перемещения, то есть первые являются наиболее тихоходными. Это объясняется наиболее напряженным режимом работы и высокими инерционными нагрузками, возникающими при повороте исполнительного звена, что приводит к наибольшей погрешности позиционирования в крайних положениях по сравнению с механизмами подъема и горизонтального перемещения.
5
4
1 3
Aw
О
Рис. 4. Коэффициенты быстроходности исполнительных механизмов загрузочных устройств
Из анализа рис. 4 видно, что относительно МЛП наибольшую быстроходность имеют загрузочные устройства с пневмоприводом (Аш / Ашб = 10), а наименьшую - электрические (Ат/ Ашб = 1,5 ).Гидравлические приводы занимают среднее положение. МУП пневматических устройств также имеют наибольшее значение коэффициента быстроходности, однако здесь разница в быстроходности МУП для различных типов привода не так велика, как для МЛП, и составляет 29 % для гидравлических и 57 % для устройств с электрическим приводом.
С точки зрения надежности принято считать, что наиболее надежным является пневмопривод. Это объясняется относительной простотой задач, решаемых с помощью привода этого типа и, следовательно, простоты его конструкции. Сравнивать приводы различных типов по надежности следует при условии идентичности выполняемых ими задач. В этих условиях приводы будут иметь примерно одинаковые по сложности и по надежности системы управления.
Пожаро- и взрывобезопасность. Важным свойством пневмоприводов является пожаро- и взрывобезопас-ность. Он может длительное время работать при высокой температуре окружающей среды, поскольку охлаждается проходящим через двигатель воздухом. Перегрев рабочей жидкости в гидроприводе может нарушить его нормальную работу из-за изменения вязкости жидкости или ее возгорания. Электроприводы также очень чувствительны к перегреву.
Воздействие на окружающую среду. С этой точки зрения лучшим является электропривод. В отличие от электропривода гидропривод не только шумит, но и загрязняет окружающую среду маслом из-за возможных утечек через уплотнения или аварийных ситуаций. Пневмопривод при работе создает шум от выхлопа воздуха. На предприятиях для устранения этого вида шума организуют выхлоп воздуха из всех исполнительных устройств в общую выхлопную магистраль, выведенную наружу из производственного помещения.
Таким образом, интегральная оценка приводов загрузочных устройств автоматизированных сборочных производств позволяет разработчику избежать ошибок при выборе привода и существенно сократить сроки и материальные затраты на проектирование.
Список литературы
1. Замятин, В. К. Технология и оснащение сборочного производства машино-приборостроения: справочник. М.: Машиностроение, 1995. 608 с.
2. Надеждин И. В. Исполнительные механизмы цикловых машин-автоматов и мехатронных систем // LAP LAMBERT Academic Publishing, Deutschland/ Германия, 2015. 280 с.
3. Надеждин И. В. Экспериментальное исследование динамики механизмов углового позиционирования быстродействующих мехатронных систем. Динамика систем, механизмов и машин. Сб. докл. Y Междунар. Науч.-техн. конф. Омск: Изд-во ОмГТУю 2004. С. 452 - 455.
4. Нахапетяе Е.Г. Диагностирование оборудования гибкого автоматизированного производства. М.: Наука. 1985. 225 с.
- л.<фв/ри£Бд
I I IT Tl — зпвслряц/йиЗ
mn
15
л
0.5 Q3
tW
SGI
Надеждин Игорь Валентинович, д-р техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Рыбинск, ООО «НПФ ИНТЕГРАЛ»
INTEGRAL EVALUATION OF DRIVES FEEDING DEVICES AUTOMATED ASSEMBLY PLANTS
I.V. Nadezhdin
The article discusses the structure of a controlled drive, priority assessments of three types of drives for various indicators and their impact on the speed of feeding devices, an analysis of drives in terms of reliability, fire and explosion safety, and environmental impact is carried out.
Key words: drive offeeding device, indicators of drives - speed of feeding device, feeding device.
Nadezhdin Igor Valentinovich, doctor of technical sciences, docent, nadezhdin@rsatu. ru, Russia, Rybinsk, NPF INTEGRAL Ltd
УДК 621.865.8
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-8-26-27
КАРТИНА ДВИЖЕНИЯ СХВАТА МАНИПУЛЯТОРА В ЗОНЕ КОНТАКТА
Л.А. Федорова, А.П. Софьин, И.О. Кукушкин
Рассмотрены вопросы, связанные с исследованием движения схвата манипулятора. Показаны возможность и условия возникновения колебаний контактной точки инструмента. Движение точки контакта концевого звена представляется малыми колебаниями без существенных отрывов от поверхности объекта обслуживания. Это колебательное перемещение осуществляется по траектории, которая может быть описана плоской фигурой Лиссажу, а сами колебания происходят в двух взаимно перпендикулярных направлениях с периодами, отношения которых равны рациональным числам.
Ключевые слова: манипулятор, схват, отклонение, движение, положение, контакт, точка, координата,
колебание.
Космические исследования должны в ближайшей перспективе получить новый толчок и новые направления развития. Важность работ по изучению и последующему освоению космических объектов становится очевидной для будущего человечества. Одним из очевидных направлений работы является развитие робототехнических систем, в состав которых входят манипуляторные устройства с достаточно большим числом степеней подвижности.
Хорошо известно, что используемые в технике, в том числе в космосе, манипуляторы, должны обеспечивать соблюдение следующих основных требований:
- устойчивость выходного (концевого) звена после остановки;
- быстрый переход в установленные промежуточные положения;
- недопущение силового воздействия схвата на объект;
- обеспечение амплитуды колебаний схвата (инструмента) в заданном диапазоне величин.
Точность функционирования манипуляторов определяется погрешностями позиционирования характеристической точки используемого рабочего звена (например, схвата) и погрешностями угловой ориентации рабочего звена.
К снижению точности движения рабочего, чаще всего концевого, звена могут приводить следующие основные причины:
- наличие погрешностей управления и перераспределения движений при результирующем маневре нескольких звеньев;
- наличие упругости материалов и отклонений в конструкциях за счет выбранной конфигурации звеньев;
- возможность возникновения люфта и зазоров в кинематических парах;
- недостатки заложенного программного алгоритма и ошибки в отработке выбранной программы.
Считается, что большинство причин появления неточностей и отклонений в движении обусловлено условиями работы подвижных соединений звеньев, в свою очередь, появление отклонений и погрешностей носит выраженный случайный характер [1-3]. Важным частным видом прямой задачи кинематики манипулятора является [4] определение положения его инструмента (чаще всего, схвата). В общем случае позиционное управление обеспечивает движение схвата от одной фиксированной точки к другой с возможностью остановки в каждой контрольной точке. Ниже мы будем рассматривать вопросы движения именно концевой, контрольной точки схвата. Иначе говоря, контактной точки инструмента, которая должна будет совпасть с контактной точкой объекта обслуживания. Представляется, что именно выделение части траектории, связанной с выходом схвата в определенную целевую точку, становится важным вопросом, от которого зависит дальнейшее использование манипулятора.
Погрешности позиционного перемещения в ряде случаев необходимо впрямую относить к появлению процессов колебательного характера. Время затухания этих колебаний определит быстродействие манипулятора и точность выхода исполнительного органа в рабочую зону к рабочей точке. Известно, что появление вибрационных возмущений часто связано с потерей устойчивости в положении равновесия при эксплуатации манипуляторов.
