автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Уменьшение массогабаритных параметров захватных устройств на основе принципа рекуперации энергии

российская'-л х'л лгпая н а у х

институт иаииноведения им. а. а. бллгонрлвова

На правах рукописи

ЛЕРИН Сергей Вгадиютрович

УДК 021.01:021-52'

УМЕНЬШЕНИЕ ИАССОГАБАРИТНЫХ ПАРАНЕТРОП ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ !!А ОСНОВЕ ПРИНЦИПА РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ

Специальность - 05.02.1 в Теория неханиэнов и наган

Автореферат диссертации на соискание поной степени кандидата технических наук

носква - 1992

Работа выполнена в лаборатории робототехнических систен Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН.

доктор технических наук, профессор корешясев Альфред Иванович

доктор технических наук, профессор ПОЛУХИН Валентин Павлович

-, кандидат технических наук, доцент хавнер Виктор Леонидович

Ведшее предприятие - НПО "Кузробот*. г. Таганрог

Зашита состоится * У" ¿1 (уК-рУ^-С 199г Г. в /¿^Час. на заседании специализированного совета по обпей теории машин (Д-ооз. «2.02) при Институте машиноведения им. А. А. Благонравова РАН по адресу: 101850, Носква. Центр, ул. Грибоедова. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института машиноведения /Носква. гл. Бардина 4, т. 139-93-16/.

Автореферат разослан " " 1992 г.

Научный руководитель -

- Официальные оппонента -

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат технических наук

В. А. Дубровский

ОБИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальлость тени. В аосяеднре время все больнее место б растим и Парке промьшлгпнкх роботов я идт'г.уля горов эгатнзхт системы электромеханического типа. Внедрение пргасгоз с рекуперацией энергии и безредукторяого привода приводит к резкому повкшеии» быстродействия манипулятороп. При этом значительно возрастают инерционные нагрузки на захаткя в захвате об-ект. Поэтому задача увеличения уск;п загяма электромеханических' захватных устройстз становится весьма актуальной.

Однако нельзя допустить возрастания маеси захзатсого ус- . тройстза, поскольку око вместо с зат-атш *б"ектои является нагрузкой руки манипулятора. оигсио используекне двигателч. . постоянного тока имеют низкие гделышэ гзрсистеристшш и из применение значительно гтяжеякет весь захват, это приводит к вирокоиу примелеш;» о электромеханических манипуляторах пневматических захватов, кота использование в одной системе двух источников энергии удобно далеко по всегда.

■ Всвязи с этим ает'/алыши является проводимое з настоятся работе исследование кокструкдй* и параметров зкектгенехгнн-ческих захватных устройств, использушик ш>:вшип рекуперации энергии. Применение приводов такого типа позволяет существен- 1 но повысить уделыага характеристики электромеханического привода, приблизив их к характеристикам пневматического цривода.

Целью работы ярляется исследование свойств предлоге тих конструкция электромеханических приводов захватил устройств с применением принципа рекуперации энергии» определение их оптимальных параметров, анализ особенностей работа и спо-' собов управления.

Нетоды исследований. В диссертационной работе попользуете я теоретические и экспериментальное кетодн исследований. Теоретические нетоды строились на основе теория механизмов к машин, теории.колебаний, автоматического управления. Зкспери-

нсптадыгис- исследования проводились с цель» подтверждения теоретических и осуществлялись на специально изготовленных . -стендах с пгннепениен эвм.

Научная иовязпа работы згихчгется в той. что

а) пся иоегп: конструкция приводов захватов с рекуперацией энергия, аг-сдложапных в работе, определены параметры. юшинизкрг^сг.с отношение кассы привода к развкваеному ин ус ил ¡со;

С) поставлены и реаекы задачи определения величшш потерь энергии о колебательно!! системе захвата, возникавших всвяеи с некдеальыэстыа злгкЕНтос системы, нехесткостью рукк наякпудятора. найдены способы борьбы с этими потерями;

в) предяоген простой способ автоматического управления колебательной системой захвата, позеолягепт компенсировать изненеккг сила трепня к киевдий простую скекную реализацию.

Практическая ценность работы заключается в той, что предложенные конструкции приводов заЕватных устройств с рекуперацией элергин позволяют приблизить удельные характеристики электрокгхашгчеекпх захватов к пневматическим, они могут быть использоваю! при проектировал»! захватов для электромеханических манипуляторов. Разработать конструкции. нспоЬьзшяие как двигатели постоянного тока. *к и электромагниты.' Практический интерес представляют такхг предложенные в ходе исследований и использованные в экспериментальных стендах нанипу-лятор с упругим звеном и оригинальный преобразователь угол-код.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на юбилейной конференции нолодых ученых ИНАШ АН СССР "Актуальные проблемы машиноведения". 1969г.; советско- югославском симпозиуме по робототехнике. Ленинград. 1969г.; 3 Всесоюзном совещании.по робототехннческим системам. Геленджик. 1990г.

Ч

Публикации. По результата:! проведенных исследований опубликовано 3 печатные работа, получено авторское свидетельство и 3 полоЕггельшлс решения по заявкам на изсбретеигя.

. структура и об"ей работа, Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка кспользозанкэй литературы. включаяигго 73 наименований. догз. приложения и со-держгг 108 странис основного техста и 53 рисупка.

содержание работа.

Во введении показана актуальность тисследования, необходимость изучения захватов с использованием . Ершшкпа рекуперации энергии. Дается обаая характеристика и излагается краткое содержание дзгссертаягли

В перзой гладе расснатгквззтся особенности работ!» ?лек-тронеханичесют: захватных устройств. При возрастали быстродействия электромеханически манипуляторов к повкзгпга иаер-пионных нагрузок на задатка в захват; об'ект кесбаодгаю значительное увеличение захниного усилия заязата для его удер^а-1шл. традндионкыз пути ревеиия этой задачи в приводах захватов. используееих двигатели постоянного тока, требуют увеличения передаточного отнопеюга редуктора. При этой снижается быстродействие захвата, что крайне негеаатеяько. Шжа расоти захвата можно разделить на дна этана. Из первой этапа паяьпы захвата свободно двихттся до касания заашаеиого ов'екта. На второй они развивают усилие заяма при отсутствии псреаепэ-ния. Таким образом, к приводу захвата пред'язляются созерсэн-но различные требования: налое усилие и больная ск.-рость на первой этапе и значительное статическое усилие на второй. Пневматические и гидравлические приводя вполне отзечаат зт.т требованиям, чего нельзя сказать о двигателяк постоянного тока, которые плохо переносят длительные статические нагрузки.

Одним из путей согласования трезований, прел'являекых захватон и характеристик электродвигателя является приненение при передаче усилия от двигателя к пальцам кеханизна переменкой структуры, обеспечивашего малое передаточное от-

иои01гк8 и. соответственно, больше скорости перемеаения пальцев при их свободной дзиаенки и большое передаточное отнове-ние. поззоля»сее раззить усилие захима. при остановке пальцев после касания объекта. для исключения статической нагрузки двигателя целесообразно применение для запоминания усилия упругих элементов в комбинатам с Фиксируюскитс устройствами различного типа," поскольку самотормозящиеся передачи имеют ннз-. кий к. п. д. В диссертации рассмотрены две конструкции захватов с переменной структурой механизма передачи, на которые получено авторс::ое свидетельство и положительное реиение по заявке кг. изобретение.

Прииеиекяе принципа рекуперации энергии, показавшего свою зФФгктивиость при построетш приводов манипуляторов, в приводах захватных устройстз кохет стать эффективным способов увеличения усилия захвата при одновременной уменьшении нас си привода, конструкция такого захвата, схема которого показана на рис. 1. реализует как неханизн переменной структуры, так и запоминание усилия в сжатия упругих элементах. приеод с рекуперацией энергии нуждается в двигателе значите г. ьяо меньпей моалоста и. соответственно. кассы, поскольку в иен двигатель т служит только для ;сондексатш потерь энергга при движении инерционной касса Ч из одного Фиксированного положения, п другое. При заФжскрованиой л каретке 12 инерционной массе двигатель своим усилием подвол .? каретку до касания об'ек'та, т. е. обеспечивает свободное перенесение подвижного пальца. После Фиксации каретки относительно основания захвата к отпускания Фиксатора 9 потенциальная энергия предварительно сгатого упругого злеьента о переходит в кинетическую энергию инерционной насса и, пи ее дальнейшей движении. в потенциальную энергию упругого элемента S. при полном сжатии упругого элемента 3 инерционная насса Фиксируется, на каретке к об"-ект зажинается усилием сжатого упругого эленента. такая конструкция соотегтстЕУОТ требованиям о сохранении усилия зажима при пропадании литания. Ка нее получено положительное решение по заявке на иэобРгтеш!е. Рассмотрены таксе возможные скет. призолов захватов, используюпих для компенсации потерь энергии как двигатели постоянного тока, так к электронлгнитч.

Предложенные конструкции являг/гся смоосй для определения параметров приводов и сравнения и< с приводами друг;к: типов.

Во второй главе на оспове упрошенной подели колебательной системы захвата с дзпгатслен достоянного, тока изучаются его динамические характеристики и определяются рациональные параметры. Модель, соответствующая той часта захвата (рис. 1). которая обеспечивает усилие захича. показана на рис. 2а. Прини-ная, что все источники потерь ноххо включить в комеит сухого ' трения, а переходными пропессани а двигателе нохно пренебречь и использовать его статическую характеристику, сгену .рис. г можно описать системой уравнения:

Г и * ♦ с-ч ♦ нтр*з1кп(ч) - 1-Иди о .

|.Идз = Нп-з18п(ч) - Нхх-з1вп(ч> -с начальными условиями <ИО)=-ча . чЮ)=о. где 0 - ноиент инерция инерционной массы, ¿¿а - нокен? янерше! ротора двигателя, Ктр- нокеит сухого трения. Нп- пусковой конент двигателя. Кхк- момент холостого хода двигателя, К1 - коэффициент противоэде. 1 - передаточное отнесение редуктора. Если движение инэрпкомгсй массы рассматривать на одной полуперисде движения. т.е. на участие от -ча до . и предполоягп,, что 1'Лд»« л и Нхх << Кп. то систеиу козло свести к уравнению

¿•5 + ♦ С'ч v итр - 1-нп г о .

Для достихрния инерционной массой второго Фиксатора (точка ч) необходхш пусковой нонент Кп

, - / .г

мг> с-?* I - ^ (-¿г-^т У т

где V = Ус / У. из этого выражения мехно Определить зависимость вводного коягита привода захвата Нэ-С-Чд н качество привода, трахаемое отношением его массы к разбиваемому моменту от параметров системы:

У 7Г ХЛ3)

а- Шла а• гплй 1-

Мз '' ¿Мп-Мтр' I * <й,,;

тт /

Здесь Илд - масса использугного двигателя, а- коэффициент, определяющий отношение массы всего прчводз к массе двигателя.

У///У//////Л

en«-

1>

? г»

На рис. 26 показана зависимость кз от передаточного отношения редуктора при а=:о. Вивдо. что Кз имеет минимум арк 1^1. и этот минимум лежит нмже соответствующей величины для пневматического привода (Кп=о.128 кг/И н) и выие гидравлического (Кг'0.039 кг/Н м). таким образом можно утвергдать. что удельные характеристик:! привода с рекуперапией эиерпм существенно лучше, че-м у двигателя постоянного тока (Кз=2 кг/Н н> и не уступам пневмоприводу, что делает такой привод весьма перспективным при использовании в захватан электромеханических ма!!ипуляторов. в то же время необходимо отметить, что гидропривод сохраняет свои передовые позиции.

Комент двигателя иного неныге момента. развиваемого упругими элементами. Поэтому движение готора двигателя является вынужденным и необходимо оценить нагрев двигателя по сравнения с номинальным режимом. На начальном и конечном участках траекторга двияения инерционной массы-ее скорость мала и двигатель находится практически в статической режиме. который характеризуется значительный нагревом и малой полезной работой. Поэтому целесообразно искл»чить крайние участка и питать двигатель на интервале [Т/2- 4/2. Т/2* 4/2] . где 7= ТГ/ « -вреня дв51жеяия ииерпионг.ой массы кз одного крайнего положения в другое, количество тепла, выделиваееся в обмотке двигателя за время-/! определяется выражением

. ^йм - -

где К т- иагнитная постоянная двигателя, К & - постоянная противоЭДС. Ня - сопротивление яксря двигателя. ц-1а и 1* - оптимальное передаточное отношение, яашее г.ин/мум

л .

пусковому монеиту Кп< й ):

к , i/ ттА '

i {A) t V 4«нтьч>к1( ♦ Sin —) :

На 0) НТР-У„КА< — ♦ sin '/ sin ~ О тепловом гежине двигателя можно судить по коэффициенту К о • определяемому отношением выделившегося в обмотке тепла за вгеня Т при номинальном токе In ( (2н-1на,Кл-Т') к количеству

тепла < К ff = Ол / Q(Л iJ. Уменьшение этого коэффици-

ента говорит об ухудпенил теплового режима двигателя. На рис.3 призедена зависимость Е0( Л) при Кп 14. t*< Л i) < кривая 1) v при Ми(Л. i*i.ü «TU (кривая 2). Второй случай соответствует постоянному передаточному отношению, выбранному оптимально» для А -Т, т. е. при питании двигателя на всей траектории дш«еник. Наксинум при Л — 0.7 • Т на графике соответствует . оптимальной длительности импульса напряжения, давшей ниш гнал ьнь'А нагрев.

Летание двигателя импульсом напряжения на участке траектории t сикметричнок относительно ее середини, позволяет не строить очень простую схему управления колебательной системой захвата, позволяющую компенсировать изменения момента трения в процессе его эксплуатации, Пусковой ионент двигателя Ип определяется выражением

МП = КП1 t/fJ• ( Wer - Ч* )/l*L . где L« Д-ч* - глина участка подачи напряжения. иаг - эталонная скорость движения илерционной массы при Птр=0 в точке ч - - L/2. чя - реалы'ая скорость в ч = - L/г при изменении Нтр, Кп- поправочный коэффициент. В схеме управления, на которую полечено попоиггельное решение по заявке на изобретение. скорость инерционной пассы измеряется по напряжению дротивоЗДС двигателя и на вренн юдачи упрасчягшего * напряжения Л ■ запоминается на кондекса-. >ре. Зона L определяется срабатыванием нагкитоусравляеного контакта, перекпючаюшего двигатель из рг-хкка тахогонератора в реиы двигателя. Работа системы ; ноадлиговалась на ЭБН. график деижечид инерционной массы показан иа рис. 4. При згон для наглядности Нтр выбран сугзестгекно больше реальней величины, Полуниной в эксперименте. Моделирование показало, что тчкой способ управления колейательноА системой захвата позволяет привести ззрно в конечную) точку с* скоростьп, близкой к нулевой, при изненении Ктр.з кирок:« пределах. Подобная схема управления может найти применение и в других системах с рекуперацией энергии.

Третья глгва пэевлдена англизу влияния иа работу захвата с рекуперацией энергии дополнительных колебательных систем, зозникоюетх кат« внутри колебательной скстены заква^а, так и

К9 k Ъ 2 i

- ü ■ -] ' и ^-

л N

/

/

Г/2 Рис.3

■ч i \

! 1 ! \

-<¡a

/Ф/

/Э I ■ ■ ~ —=

at

10

Pue. S

Л/fMZM]^

mP

С, «>Р 02 М

^ЦЗЛП

8.

•at o o.i \ Рис.4

•Ii ¥•

íi— ä.

tûO

Рис. В

Pu с. J

IT

вследствие неяесткости руки манипулятора. При этой предполагается! что вклад каждой из дополнительных колебательных систен достаточно нал и их взаимным влиянием можно пренебречь. Тогда их мо«:о рассматривать по отдельности, что значительно упрощает расчеты. Первая колебательная система, влияние которой оиенивется в диссертации, появляется вследствие того, что масса упругого элемента отлична от нуля. Для определения величины потерь энергии, вызванных ее передачей от инерционной массы захвата в колебания саного упругого элемента, необходимо построить его упрошенную модель, поскольку реальный упругий элемент является об'ектон сложной Форны с распределенной массой и точное описание его поведения затруднительно. Возможной модель» упругого элемента является бесконечная цепочка, состоящая из масс и невесомых пружин. Такая система описывается уравнениями: ш-х, ^ г-с х,- С-*!5 о сз х»- С-Х«-/» 2-е•£<- с-Х»</= о

ш-х„'-'с-х^-1»"г 'с хп- с кян: о

М-Х«.|- С'Я/1» С'Хд,,: О

с начальными условиями ¿¿(0)=0, Х£<0)=- 1-а*/(п+1г.1=г.....п>1

Здесь ш = пгр/п , С - < п»1ЬС пр. где т вр> - касса упругого элемента, Спр - его жесткость, Н - инерционная масса захвата, -ао - начальное отклонение Ш1' рционной нассы от положения равновесии. в идеальном случае ири невесомом упругом элементе инерционная масса достигает второго Фиксатора (точка «а»), в случае реальнопо упругого элемента инерционная масса' доходит только до точки 1м,, после чего начинается ее обратное движение. При этом потери энергии составляют

дУV С*>о2 ¿У*/ О* -

* { 2 2 " ~2~~ *

В приложении 1 проведен расчет потерь энергии при такон способе замещения упругого элемента для п =1 и п -г. Увеличение П. приводит к резкоиу усложнению расчетов. Зависимость ¿VI / V (И/тор) приведена на рис.5.

Другой моделью упругого элемента является упругий стержень массой т<у с закрепленной* на его конце инерционной

и

кассой Й. ?айая система Рассмотрена С. П. Тимошенко й позволяет описать колебания инерционной массы для наиего случая

, Т sf**0i •ео* (Л • т/ •)

' —рЦЩТТ^Щ)—~ '

где J}i - 1 корень уравнения JtiliJii' m,j,/M ,

и /х,е - смешение конца стержня длиной 1 и. соответственно, закрепленной на нем инерционной массы. Потери энергии определаютя аналогично предыдущему случай. Зависимость их от отношения Н/п^ также приведена на рис. 5. Сравнение расчетов, проведенных по различным моделям, показывает их хорошее качественное совпадение. Ложно сделать вывод о том, что при И/mпр > 5 по любой из моделей относительные потери энергии не превышают одного процента и ими ногко пренебречь. В противном случае следует ожидать увеличения потерь на колебания упругого элемента и, соответственно, увеличить момент двигателя, предназначенного для конденсации потерь в захвате.

Другин возможным источником потерь энергии является ее перенос в колебательную систему руки манипулятора. Манипулятор не является абсолютно жестким и его можно представить в виде нескольких связанных колебательных систем, параметры которых зависят от типа манипулятора, конфигурации его руки и направления колебаний. Упроаая описание руки, заменим ее од-номассовой колебательной системой, жесткость которой С можно измерить в точке срабатывания захвата с поношью соответству-юиего нагружекия. а эквивалентную массу mр вычислить на основе частоты колебаний руки в этой точке и соответствующем направлении. Тогда система захват-рука, схема которой показана на рис. ба. б, описывается уравнениями: Ешр-х, ♦ ( с, ♦ Сг) х,- Сгкг- О J.H ха- С*Х| ♦ С2Хг= О с начальники условиями х(<0)=0, х, (ои'о. х2<0)=-ао . ¿¿юно. Поскольку нас' интересует работа захвата, то движение его инерционной массы И относительно основания захвата и руки (dip ) будет определяться величиной ¿х: Л х - х г ~ х I

Максимальная величина дх соответствует второму крайнему noi.j-

хению инерционной массы и в идеальнон случ*£ равна Реально инерционная насса не дойдет до этого положения, что вызовет. как и ранее, соответствующие потери энергии. Условие правильности работы захвата- монотонность движения инерционной массы относительно его основания. Иначе момент двигателя направлен противоположно скорости и двигатель становится тормозом, что недопустимо. Рассчитанная на ЭВН зависимость потерь энергии от отношения масс пу/М и жесткостей С, /сг- АУ/У ( т//М, С,/Ср ) приведена на рис.7. Линии соединяют точки г равной величиной потерь, показанную в процентах. Видно, что потери энергии, связанные с нежесткостью руки нанидулятора ногут достигать 20/. . всвязи с этим целесообразно разработать механизм, позволяющий исключить взаимовлияние захвата и руки, схема такого привода захвата покапана ка рис.в. Кинетическая энергия системы описывется выражением Т = О. 5( & ♦ Л ♦ ЛИ)У?*.0. 5( J ♦ идв)^* < 1ЛШ- J)V|V£ При идн^ член, содержащий произведение обобщенных скоростей, становится равным нулю и захват не влияет на движение руки. Тогда появляется связь между ,1дв и что позволяет определить нассу и отношение массы к моменту для такого привода на основе (2). Если выполнить инерционную нассу 7 в виде тонкого полого цилиндра радиуса й . то ^ ^ .

х*= 1-нй - МтР 7/ л*, I )

Результаты расчета зависимости К * (1) при «< = Ь показывают, что по своим удельный характеристикам такой привод также близок к пневматическому (рис.26).

Появление дополнительной степени подвижности возможно и внутри саной конструкции захвата. В качестве примера рассматривается захват с рекуперацией энергии Т. С. АкинФие?а, пока-занннй на рис. 9а. В работе захвата можно выделить три этап* На них р движении учабтвуют различные элементы. Первый эт-ш начинается при отпускании Фиксатора 7, а кончается при отрыр? упругого элемента 5 от основания 6, т.е. при х(-0. Модель захвата на этон этапе показана на рис. 96. Кй соответствует

J

/-

A

У

¡¡

au

ш

Ci

Рис. S

6S 4 3 2

с

л;

Y\ m 2 i

с Г

m, К/

¿г.

<г.

Ä

*г

X,

Р.

/Ve У

T/W

n}/mi

система уразнений:

Iт,х, ♦ гс- х, - с-х2= о 1т*х»- с-х, + с хг= о с начальными условиями х (0) = -а<>/г. х,(0)=0. х г (0) =-а«/2. хй (О)«О. Конечные значения переменных на первом этапе являются начальными для второго, наступающего после отрыва упругого элемента от оснозания и представляющего собой движение двух связанных упругим элементом масс (рис. 9в). На этом этапе движение описывается системой:

Конец второго этапа наступает при касании подвижной губкой 2 зажимаемого об'екта и ее остановки, что происходит при '¿¿- Ь-■ где Ь - длина свободного хода губки 2. После остановки губки ее кинетическая энергия теряется в результате удара об об"-ект. принимаемого неупругим, и система становится одномассо-вой (рис. 9г). Тогда движение инерционной массы ш оиисыва-ется уравнением

а начальными условиями являчтеп конечные значения второго этапа. Конец всего цикла работы захвата наступает при остановке инерционной массы, т.е. при х, г с, после чего она "фиксируется гребенчатой запелкой е.' В идеальнон случае ( при Ш2 -О) инерционная масса должна достичь точки х,= + а0, но вевязи с потерей энерги при ударе об о сект она не доходит до этого положения. Величина потерь определяется аналогично предыдущим случаям. Графики ябисимости потерь энергии д\1 / V (шг/Л|, L /ав) и кинетической энёргии подвижной губки в момент удара т/V (т*/т,, L /а0> приведены на рис. юа, б. видно, что потери могут достигать значительной величины. Хотя для каждого отношения г^ш, можно подобрать величину свободного хо-да подзижной губки L. ко изменение размера об'екта. приводя-пее к изменению I.. вызовет возрастание потерь энергии и может нарушить работоспособность захвата. Как и ранее, для правильной работы захвата необходимо монотонное движение инерционной массы относительно основания. Однако уже при m^/m > 1.22 монотонность нарушается, а при m^/m, > 1.55 инерционная

и,г,» с-х,- С-Хг= о m?X2- с-х,* с хгг о

ш|х,- - с-( к,- L )

масса после отрыва удругого элемента от основания позвраиается назад и происходит повторное касание основания упругим элементом. Это накладывает ограничения на область применимости предлагаемого описания работы захвата.

Схема захвата, лишенного данного недостатка, была приведена на рис 1. Размепение колебательной системы на "каретке позволяет раздельно осуществить свободное двихенке губки и создание зажимного усилия. Тогда захват в любой номент является системой с одной степенью свободы, что исключает дополнительные потери энергия.

3 четвертой главе производится экспериментальная проверка адекватности рассмотренной в глазе 2 упрошенной Модели колебательной системы захватав Для проведения эксперимента был изготовлен специальный стенд, состоящий из механической колебательной системы, схены управлени" стендом, нспользуюаей никроЭВК TORCH со специально разработанными программами. Для ввода информации о положении подвижного звена в ЭБН использован оригинальный преобразователь угол-код на 13 двоичных разрядов, работа которсго рассматривается в приложен!» 2.

В ходе эксперимента по графику затухающих колебаний подвижного звена, снимамого с применением преобразователя угол-код, рассчитывались такие параметры колебательной системы, как период колебаний, мсмент инерции подвижного звена и момент сухого трения. Жесткость колебательной систены. которая в данном случае была перененнин параметром, определялась по отклонению подвижного звена от среднего положения после подвешивания к нему грузов известной массы. Конечной целью было сравнение экспериментально полученного значения напряжения на двигателе, необходимого для перехода звена из одного крайнего положения в другое с соответствующим значением напряжения, рассчитанным на основе формулы (1) упрошенной модели колебательной системы с использованием полученных пагзметров системы. Такое сравнение проводилось для нескольких значений коэ<Ншшента жесткости. На рис. 11 приведены рассчитанные (кресте) значения напряжения ит и экспериментальные значскш 1'э< вертикал ьнче линии с полками!. Нижней полкэ соответствует пинтальное напряжение, ьри

котогсм маслюаается гереход звена из одного Фиксированного положения в другое и'обратно. Эта величина и является экспе-ркигнт&льным значением напряжения. Верхней полке соответствует напряхенне. пги котором движение звена в обоих направлениях осуществляется без сбоев., Разброс между теоретическим» и экспериментальными значениями после: отбрасывания точек с кин'имальшы и максимальным /ит - из/ определялся по Формуле:

^ ' У л! I У ; 'и* ~

• 100*.

с .

Для проведенного эксперимента эта'величина составляет 11.О* , что говсриг о хорошей описании упрошенной иолелью реального объекта и допустимости ее применения при расчете характеристик захватов с рекуперацией энергии.

В пятой главе производится анализ работы, моделирование и экспериментальная проверка работы одного из возможных вариантов захвата с рекуперацией энергии, используюего для ксипенсадиь потерь энергии электромагниты. Электромагнитные некаяизны инеют высокие удельные характеристики, а их большое разнообразие позволяет органично вписывать электромагнит в конструкцию механизма. С целью минимизации-потерь в колебательной системе захвата в.диссертации предложен механизм, об "единящий упругая элемент и подвижное звено в упругое, авено, что позволяет исключить тргаиеся дета пи конструкция захвата, в которой пр меняется упругое звено, показана на рис. 12. В этон захвате разделены приводы, осупествляюгие свободное движение губки и создающие усилие зажима.

Вибор нехакизма позволяет определить оптимальную конструкцию электромагнита, компенсирушего потери энергии ' к Флксиргкиего упругое звено в крайних положениях. Наилучшим является электромагнит П-образной Фермы с плоским якорем и двуня , обиоткани. что позволяет увеличить поверхность охлаждения и улучшить тепловой режик. Такой электромагнит развивает больаие усилия при малых рабочих зазорах, что удобно для Фиксации звена.

На основе экспериментально снятых зависимостей индуктивности и усилия электромагнита от величины рабочего зазора

Рис.11

2 Л íí ¡¥ 1 Рис. Í2

было выбрано описание электромагнита. Для зазисккостп индуктивности от зазора среднеквадратичное отклонение экспериментальных данных от выбранной модели составляет 12.3)! ■ а для усилия- 34 х. что говорит о ее удовлетворительном соответствии реальному электромагниту. В модели учитывается выпучивание магнитного поля в рабочем зазоре и потоки рассеивания. Нагнитная. проницаемость стали сердгчника считается постоянной (^£,>320). На экспериментальной макете электромагнитного механизма с упругим звеном была произведена проверка его работоспособности. Результаты эксперимента сравнивались с расчетани на математической модели, в основу которой было положено выбранное ранее описание электронагнкта. Сравнение показало хорошее совпадение экспериментальных зависимостей тока. протекающего через электромагнит, от времени, снятых с экрана осциллографа при движении звена, и результатов моделирования на ЭВЯ. Упрощенно электромагнитный неханизм описывается системой урвнений:

{п х ♦ р-ъ ♦ С-х - Р( 1. 5 ) « о и = 1 • г - * и£)-<Ц/<Н

(О при - х < 2« и « < и при к * г<

i. и* при гс< % ( ча Здесь зависимость индуктивности от зазора I. (<Р) определяется описанием электромагнита. а усилие

где 1 -. ток через электромагнит, и - напряжение на электромагните. Рыбранный в модели способ питания позволяет подавать напряжение не на всей траектории движения, а на Фиксированном участке Тг*. • Это позволяет уменьшить тепловыделение в обмотке электромагнита изменением точки включения г и и снизить скорость звена в момент касания якорем сердечника выбором точки выключения г* . улучшая режим работы механизма.

Расчет отнопекия кассы к развиваемому усилию дня данного электромагнитного механизма показал, что величина отношения не меняется при ув»ли^ении габаритов электромагнита при сохранении его пропорций. Она составлят приблизительно 0.001 кг/Н, что лучше соответствующего показателя для пневноцилин-дра (0.00135 кг/Н). Такие результаты говорят о высоких улель-

пхх характеристиках и Сольдой перспективности электронагнит-пи захватов с рекуперацией энергии.

Основные результаты диссертационной райота нохно сформу-трооать следлхгин образом:

1. Показано, что для улучиения удельных характеристик шектроиеханических приводов захватных устройств целесообраз-ю применение механизмов перененной сруктуры для передачи •силия от двигателя к пальцам захвата. Предложены конструкции ахватов. реализующие такие механизмы.

2. Предлохены конструкции захватов с рекуперацией энергии, спользуюяих для компенсации потерь как двигатели постоянного ока, тах и электромагнита

3. На основе упрошенной модели колебательной системы полу-екн зависимости, связывающие отношение массы привода к раз-иваемому кн мокенгу и параметры захвата. Определены атональные параметры, давшие кининун этого отношения. Пока-аяо, что привод с рекуперацией энергии не уступает пневмати-гскому по даннону показателю, являющемуся особенно важным ая захватных устройств.

4. Для способа питания двигателя импульсом напряжения, »пускагсего простую техническую реализацию, определено оп-мальпое время включения двигателя, даюяее минимум нагрева.

5. предлогена схема управления двигателем захвата, позво-щсая компенсировать измеяепия трения в процессе его эксппу-•апии.

в. рассмотрено влияние на работу захватов с рекуперацией :ергии дополнительных колебательных систем, возникампих как утри конструкции, так и вследствие Нежесткости руки манияу-тора. Произведена опенка величшш потерь энергии, вызванных ими причинами и определены способы борьбы с этими потерями.

Т. Произведен анализ работы одного из возможных вариантов ектромагнитного захвата с рекуперацией энергии. в лебательной системе которого используется упругое звено, казано, что по отношению массы к развиваеному усилию такой ивод не уступает пневмоцилиндру.

8. Экспериментальная проверка ноделей, лежапих в осног »

расчетов, показала хорошее их соответствие реальным об'ектам и. следовательно, допустимость одеhim характеристик приводов с рекуперацией энергии на ик основе.:

ГОГОЗНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО в СЛЕДУШИХ РАБОТАХ:

I. Корекдясев К Я-. Левш С. В. принципы построения зах-ватяын устройств с рекуперацией энергии/ Проблемы мапиностро-ения и автоматизации, 1990, п. 3 /33/. стр. 9-14

г. Коревдчсев А. К., Лев;ш С. В. Построение привода электро-неханичеких захватных устройств на основе принципа рекупера-шш энергии/ Тезисы докл., 5 Всесоюзного совешапия по робототехнике, Геленджик. ост. 1990. Часть !, стр. 54-55

3. Корекдясев л. И., Левин С. В. особенности работы пргаода с гекупераяией энергии гля захватных устройств мнипуляторов/ сб. "Технология",ВШШ, сер. "ГПС и робототехника", 1990, вып. 4," СТР. бо-9Т

4.а.с. 1323338. Левине.в., захват манипулятора. БП п43, 1969 Г. . •

Кроне этого, получены положительные решети по заявкам на изобретешь:

- 4664012/06 IIK1I в 23/J 15/00. захват манипулятора/ ле-зин с. Вт -

- 4729121/08 tWi В 25/J 15/00. Захват манипулятора/ Ко-репдясеп А. и.. лэвин с. ч.

4726154/08 кки в 25/j 9/00. устройство для управления звенсм с рекуперацией энергии/ Кореидясев Л. К., левше С. В.

.ШШ ЛИ СССР.Зак.Л 2.Sepas ICO экз.Подл.л Еечать I3.0I.S2. '