автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Исследование кинематических и динамических характеристик старт-стопных систем с рекуперацией энергии с целью повышения их быстродействия

На правах рукописи ' ' ^ Веретимус Диана Константиновна/ /

УДК 621.01

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАРТ-СТОПНЫХ СИСТЕМ С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.02.18 - Теория механизмов и машин р>1

А «топеАспат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1999

Работа выполнена в Московском Государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана

Научный руководитель: академик РАН, доктор технических наук

Фролов Константин Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гончаревич Игорь Фомич (Российская Инженерная Академия)

кандидат технических наук, доцент Ушаков Вячеслав Иванович (Московский Государственный технический университет им. Н.Э.Баумана)

Ведущая орг анизация: Открытое акционерное общество "Экспериментальный научно-исследовательский институт кузнсчно-прессового машиностроения"

Защита диссертации состоится " 46 " ¿'ОООг: в /2.00

часов на заседании Диссертационного совета К 053.15.11 в Московском

Государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу:

- i.

107005, г.Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГУ им. Н.Э.Баумана.

Автореферат разослан "2? "1999 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор технических наук, профессор ^ Vv^-^5 Попов II.К.

Подписано в печать 29.//. Объем 1,0 пл. Заказ №_/££. Тираж 100 экз. Типография МГГУ им. Н.Э. Баумана

} 816. А, - -0/6, О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для обслуживания технологического оборудования используются двухпозиционные цикловые манипулянионные системы, по характеру движения - старт-стопные. Одной из важнейших задач совершенствования таких манипуляционных систем является повышение их быстродействия.

Применение привода с рекуперацией энергии по ерппнению с пневматическим увеличивает быстродействие до 2-3 секунд за цикл, на порядок снижает энергозатраты и при этом обеспечивает такие важные характеристики, как плавность режима "разгон-торможение" и выход на упоры со скоростью, близкой к нулевой. Одной из наиболее перспективных разработок в этой области является манипулятор с упругим звеном.

Актуальность работы определяется необходимостью решения важной прикладной научно-технической задачи, а именно, разработки основных параметров проектирования (кинематических и динамических характеристик) манипуляционной системы с упругим звеном, позволяющих, по сравнению с остальными цикловыми манипуляторами с рекуперацией энергии, существенно увеличить быстродействие.

Цель работы. Цель диссертации - исследование закономерностей влияния конструктивных элементов двухпозиционной старт-стопной системы с рекуперацией энергии на параметры движения ее рабочего органа, разработка методик расчетов параметров кинематических и динамических характеристик системы и разработка системы исходных данных для их прсетгпфования.

. Научная новизна. На защиту выносятся основные положении диссертации, содержащие элементы научной новизны:

• результаты исследования возможности повышения быстродействия путем изменения конфигурации упругого звена;

• методика расчета кинематических и динамических характеристик двухпозиционной старт-стопной системы с упругим звеном;

• метод расчета кинематических и динамических характ еристик новой оригинальной схемы манипуляционной системы параллелограммпого типа;

• методика расчета параметров упругого звена по заданным техническим условиям;

• математическая модель ноной схемы управления электромагнитного механизма, позволяющая реализовать оптимальный тепловой режим и снизить скорость якоря в момент касания им сердечника.

Методы исследовали». При разработке математических и динамических моделей используются теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы базировались на теории колебаний и теории механизмов н механики машин. Экспериментальные исследования проводились для проверки достоверности теоретических результатов и осуществлялись па специально изготовленных стендах.

Практическая ценность работы. На основе проведенных исследований и полученных результатов:

• разработана методика синтеза параметров упругого элемента старт-стопной системы с заданным быстродействием при сохранении заданной прочности упругого элемента;

• предложена новая схема управления электромагнитным механизмом, позволяющая наиболее простым конструктивным решением уменьшить величину необходимого напряжения и улучшить тепловой режим в позициях выстоя;

• предложена схема двухпознционной машшуляционпон системы па-раллслограммного типа, позволяющая обеспечивать плосконарал-лсльное перемещение детали.

Реализация работы. Результаты работы в виде методик расчета и работающего макетного образца, переданы для реализации в АО ЭНИКМАШ и ТОО "Рекупер". Результаты диссертационной работы внедрены в НИР ИМАШ РАН им. А.А.Благонравова по проекту ^"Улучшение быстродействия и КПД роботов-манипуляторов путем использования собственных колебательных движений", ставшему призером конкурса на соискание медали РАН для молодых ученых в области проблем машиностроения и процессов управления в 1998 г. (постановление Президиума РАН № 272 от 13.07.98).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научном семинаре кафедры РК-2 МГТУ нм. Н.Э.Баумана 20 ноября 1997 года; на совместном семинаре кафедр РК-2 и РК-5 МГТУ им. П.Э.Баумана .11 марта 1999 года; на научно-техническом семинаре ИМАШ РАН 8 мая 1998 года.

Публикации. 11о теме диссертации опубликовано 6 статей.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 141 странице машинописного текста, включая 60 рисунков и 4 таблиц, и состоит нз введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 107 наименований и приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, раскрывается актуальность темы, научная новизна и практическая ценность, поставлены цели, кратко сформулированы основные положения диссертации.

В первой главе проведен обзор литературы, посвященной созданию старт-стопных систем с рекуперацией энергии. Показаны преимущества и недостатки каждого типа аккумуляторов энергии.

Аккумуляторам потенциального типа с накопителями энергии в виде пружины, посвящены работы А.И.Корендясева, БЛ.Саламандры, Л.И.'Гывеса, Л.М.Болотина, А.Е.Кобринского, С.ПЛевина и других.

В результате анализа старт-стопных систем с рекуперации энергии показан один из путей повышения быстродействия: объединение традиционного звена и накопитеця энергии в виде пружины в упругое звено. В данном случае повышение быстродействия возможно при практически неизменных энергозатратах, по сравнению с известными двухпозицион-ными системами с рекуперацией энергии.

Типовой пример старт-стопной системы с упругим звеном и его возможная динамическая модель приведены на рис. 1. Данная система состоит из упругого звена 1, захватного устройства (ЗУ) 2, фиксирующих электромагнитов 3 и 3'.

. В начальном положении упругое звено 1 изогнуто и удерживается электромагнитом 3. При поступлении команды электромагнит 3 отключается, то есть освобождает звено 1, и система разгоняется энергией деформированного упругого звена. В среднем положении вся потенциальная энергия упругого звена переходит в кинетическую. Начинается этап торможения. Упругое звено 1 изгибается в противоположную сторону и к концу цикла вся кинетическая энергия снова переходит в потенциальную. Система останавливается и удерживается электромагнитом 3'. Очень важно, что компенсация днссипативиых потерь в упругом звене осуществляется самими фиксирующими электромагнитами 3 и 3'.

Обосновывается необходимость проведения исследовании для

машшуляционной системы с упруг им звеном.

В докладах М.Б.Паркинсона, ЛЛ.Ховелла, Д.Д. Коха и других на инженерно-технической конференции в США 1997 году были рассмотрены различные механические системы с гибкими звеньями. Следует отметить, что в этих работах рассмотрено только позиционирование по 2м

положениям и дано обоснование применимости методов и расчетных моделей с сосредоточенными и распределенными параметрами. В данной работе рассматриваются кинематические и динамические характеристики упругого звена не только в точках позиционирования, но и в процессе его движения. Определены задачи исследований:

1.На основе анализа кинематических и динамических характеристик системы с упругим звеном предложить способы повышения быстродействия старт-стопных систем.

2. Разработать методику определения пара-Рис. 1. Манипуляциоюш метров упругого звена по заданным тех-

система с упругим „ическим условиям. звеном (а) и ее схема (б) 3. Прсдпож1ГГЬ ШС1Сму управления, обеспечивающую существенное уменьшение скорости ЗУ в положениях крайних и близких к крайним. 4. Разработать конструкцию старт-стопной системы с упругим звеном, исключающую поворот торца ЗУ относительно торца электромаг нита 1. момент их контакта.

В реальной системе характеристики материала нелинейны; в первый момент касания якорем сердечника происходит точечный контакт, что приводит к деформациям материала; в этот же момент происходит удар якоря о сердечник, так как скорость якоря в момент соприкосновения не будет равняться нулю; в общем случае угловые отклонения упругого элемента могут быть большими.

Движение рассматриваемой системы делится на два этапа: первый -движение системы вне зоны действия электромагнита только под действием инерционных сил (90+95% пути), второй - движение в зоне влияния электромаг нита под действием также и вынуждающей электромаг-

питной силы (5+10% пути). Таким образом Т='Г\+Тг, где Т- время перемещения ЗУ из одной точки позиционирования в другую; Т\ и 72- время первого и второго этапов движения соответственно, причем 'Л »72.

Во второй главе рассматривается первый этап этого движения и определяются кинематические и динамические характеристики, а также быстродействие - величина, обратная времени перемещения ЗУ из одного крайнего положения в другое. Принято, что упругое звено выполнено в виде защемленной пластинчатой пружины длиной / прямоугольного поперечного сечения с шириной Ь, значительно большей толщины И (¿»А). На конце находится ЗУ и якорь, вес которых сравним с массой упругого звена (рис. 1).

Определяя быстродействие маиипуляционной системы в первом приближении, рассмотрим упругое звено как стержень с непрерывно распределенными массовыми и деформационными характеристиками.

При проведении расчета принимаются следующие допущения: о материал тела однороден, изотропен и подчиняется закону Гука; в при отклонении упругого звена на малые углы, имеют место только малые поперечные колебания;

• система консервативна;

• масса ЗУ учитывается как точечная масса.

Тогда движение модели описывается дифференциальным уравнением поперечных колебаний:

01 {»т < ,

--т(дс). ^

Здесь /?/,(*) - жесткость стержня, где Е - модуль упругости нерпою рода, 1г(х) • момент инерции относительно оси т(х) = р!7 (х) - погонная масса балки, где р - плотность материала, а ГХх) - площадь поперечною сечения балки.

Заменяя производную по х разностным выражением вместо нелинейного дифференциального уравнения четвертого порядка методом прямых получим систему дифференциально-разностных уравнении. Решение этой системы проведено методом прогонки. Граничные условия:

• на закрепленном конце (при х=0) у(0,1) - 0, -^-(0,г) = 0;

дх

• на свободном конце (при х=[)

0(/.,).о, £(1.0-о.

Начальные условия определяются статическим изгибом балки под действием приложенного усилия Р и нулевой начальной скоростью:

при 1=0 - ~(*.0)«0.

дг

Программа решения уравнения движения на основе разностной схемы позволяет моделировать движение балки с одним заделанным, а другим свободным концами при параболическом изменении полуширины ^ = А + Вх + йх2 (где А, В и в - коэффициенты параболы) упругого

элемента (рис. 2 - 4) и наличии массы ЗУ.

у, м Т\ = 9,2 мс д рад

0,02|....................

х,м

/ у , 0 !

-0,02 1........./..../...-0,3{...

И.мЛА 2\ 3( „ А/.Н-м

Рис. 2. График движения упругого звена (В=0,21; в=-2,9)

при 1=0,016 мсП), ¡=4,4315 мс (2), 1=9,2 мс (3) У. м 2'| = 11,496 мс 0, рад

3 о,з Г 1 ! I I (х,м о ^

^ -0.3 I

ЬЦх.»

М, Нм

'Я 0.3рх.....Л-у--/»-

' I !

^х.мОр

уг.м

J -0.3 1...........................|

Рис. 3. График движения упругого звена (В=0, Б-О) при 1=0 (1), 1=5.748мс (2), 1=11,496мс (3)

у, м Г|= 25,357 мс 0,02..................."""

в, рад

р£,м

тх,м

"51..........................] -0,3 .......................

Рис. 4. График движения упругого звена (В=-1,0; 0=11,0) при ¡=0,016мс (1), 1=12,9125мс (2). (=25,357мс (3) Анализируя графические зависимости, следует заметить, что при уменьшении времени перемещения ЗУ из одного крайнего положения в другое, и соответственно, увеличении быстродействия, увеличиваются перепады скорости V и изгибающего момента М по длине звена.

Экспериментальное определение быстродействия манипуляцион-ной системы проводилось с помощью бесконтактного электромагнитного датчика с последующим усилением сигнала. "

Экспериментальное исследование быстродействия манииуляцион-ной системы с упругим звеном показало приемлемость принятой модели (рис. 5). .

7х10"3

. с, 30-

20-

10

1 - система с одним упругим

элементом;

2 - система с двумя упругими

элементами

- - эксперимент; —■—расчет

0 Г0 20 1о т,гх10\кт

Рис. 5. График зависимости времени перемещения ЗУ из одного крайнего положения в другое от массы захвата

Далее в главе проведены исследования возможности увеличения быстродействия системы за счет изменения геометрической формы упругого элемента, при условии сохранения постоянства его площади.

Для оценки влияния формы звена на быстродействие упруг ого манипулятора наряду с ранее оговоренными допущениями предположим:

• звено имеет постоянную толщину Л;

• площадь звена I - величина постоянная;

• звено симметрично 'относительно средней линии, а его полуширина Ь{~Ы2 описывается параболой 1\ » А + Вх + вх2.

Независимых параметров будет только 2 - В, (7, а параметр А определяется из условия 5= сопзГ. А = 0,5(5"//) - 0,5В/ - с(/2/з).

В результате расчета получена зависимость частоты /= \/Т\ от конфигурации упругого элемента и заданной массы захватного устройства. На рис. 6 представлена зависимость/{В.О) в виде сечений. 0,6

0,3 0

В -0,3

-0,6 -0,9 -1,2

-6 0 6 12

£7

Рис. 6. Зависимость частоты/ [Гц/ от конфигурации упругого элемента (полуширина Ь\ ~ А + Вх + <7л2) при отношении масс груза и балки т]у/т=1 Проведенные исследования показали возможность повышения би-стродсйспшя в 1,5+3 раза путем изменения конфигурации упругого звена (рис, 7). При т^т < 0,25 целесообразно делать упругий элемент с полушириной, изменяющийся по параболическому зикону (Ь1-Ох2+Вх+Л), н при т^/т > 0,25 выг оден лгшенный закон изменения (Ь^Вх+А).

'Л/г,,,

» bi-A^corui -*-Ь,=Охг+Вх+Л

О 0,25 0,5 1 1,5 2 2,5 m'/nt Рис. 7. График зависимости отношения времени Т\ упругого звена при к времени 7*щ при b=const

от отношения массы ЗУ к массе упругого звена т^/т В третьей главе предложена методика определения параметров (длины /, ширины b и толщины Л) упругого элемента манипулятора по заданным техническим условиям:

« Т*>Т\ - время перемещения ЗУ из одного крайнего положения в другое; в Н - расстояние, на которое необходимо переместить груз; ° 1мпш, Ьмтлх hM¡MX - максимально возможные габаритные размеры; « геометрия упругого .элемента;

• mJy - масса ЗУ;

• А/ - масса переносимого груза.

Минимально возможные размеры упругого звена- находятся из следующих соображений: необходимо, чтобы упругий элемент, подвергающийся знакопеременной изгибной нагрузке, обладал большой долговечностью, а это означает, что рабочая нагрузка должна находиться в зоне упругих деформации. Считаем, что находимся в упругой области, если а < [о].

Из всего многообразия значений длины /, ширины b и толщины А упругого звена перебором выбираются те размеры, которые обеспечивают минимальную реакцию в заделке Р, а, соответственно, и минимальную электромагнитную силу F, необходимую для удержания ЗУ в крайнем положении, что позволяет поставить электромагниты наименьшей мощности. На рис. 8 показан результат расчета в виде трехмерного графика и в виде ссчеций зависимости h{¡J>) при Т=0,02 с, /7=0,2 м и суммарной массе ЗУ и переносимой детали m¿=0,l кг. В верхней части 1рафнка записаны параметры l,bnh упругого звена при Р=Р„1щ.

Рк = 671,1794 II, 4 = 0,45 м, Ьк = 0.036352 м. Л* = 0.006887 м

0,0214

ь^ьЬ I

0 0,0642

0,0855 0,5

м

/, м 0,375

Рис. 8. Зависимость толщины А от ширины Ь и длины I упругого емента

Настройка »а заданное быстродействие осуществляется изменением длины упругого элемента.

В четвертой главе рассматривается второй этап движения. Выбрана схема электромагнитного привода, обеспечивающая минимальные потери энергии, с П-образным электромагнитом.

Для уменьшения тепловыделения была предложена схема электромагнитного механизма, которая в автоматическом режиме плавно уменьшает напряжение до напряжения удержания без дополнительного введения в схему переключателей и датчиков.

Электромагнитный механизм представляет собой нелинейную систему с переменными параметрами. Для упрощения описания механизма принять следующие допущения:

• магнитная проницаемость цтпостоянна;

• потери определяются в основном диссипацией энергии в упругом элементе; коэффициент эквивалентного трения /3 определяется из условия равенства работы сил вязкого трения на траектории движения звена и потерь энергии на внутреннее трение в упругом элементе;

• закон движения звена мало отличается от гармонического.

Тогда уравнение движения выглядит следующим образом

где т - суммарная класса упругого звена и ЗУ манипуляциоиной

при Т-0,02 с, 11= 0,2 м и тх=0,1 кг

тХ+р х+кх-Г(1,д) = 0\

системы; к - жесткость упрут ого звена, F(i, S) - ус плие электромагнита, зависящее от т овенного значения силы тока i и зазора 5 между якорем и сердечн сом;

• при нагреве не происходит существенного изменения сопротивления обмотки;

• якорь движется прямолинейно.

Этим допущениям соответствует упрощенная схема управления движением старт-стопной системой с упругим звеном (рис. 9). Разряд конденсатора через обмотку электромагнита обеспечивает плавный переход с напряжения U, необходимого для притягивания якоря к сердечнику, до напряжения удержания Uyd.

Рассмотрены два этапа управления движением:

под действием также и вынуждающей электромагнитной силы. В этом случае моделируется работа фотодатчиков положения якоря и определяется общее количество тепла, выделившееся в обмотке, которое является одним из критериев эффективности импульсного питания.

Анализ математической модели показал, что такая схема электромагнитного механизма, по сравнению с аналогичной без конденсатора (б/к), не только позволяет понижать напряжение, но и снижает: в 5 раз скорость якоря Vmd в момент касания им сердечника (рис. 10), в 1,2 раза среднюю силу тока и в 1,5 раза общее количество тепла Q. Показано, что время второго этапа движения Тг существенно меньше времени Ti и составляет <10% от времени движешш Т.

Измерения, проведенные на экспериментальном макете, доказали приемлемость предложенной, модели и работоспособность схемы управления системой с упругим звеном (рис. 11). На рис. 11 приведено экспериментально полученное время полуцикла движения Т^Т+Т, =120 мс ('mv - constУ, таким образом манипуляционная система с упругим звеном

Рис. 9. Упрощенная схема включения электромагнита с емкостью

1.До включения фотодатчика (ключ ■У разомкнут). Звено движется за счет колебательных свойств системы (этот этап рассмотрен в главе 2). В это же время происходит зарядка конденсатора.

2. После включения фотодатчика (ключ S замкнул контур 2). Звено движется

=0,11 м/с; ¡2=0,0195 Дж « V=l А

VaJiб/к)=0,527 м/с; ß=0,0299 Дж /„=1,2 А

Г, мс

Рис. 10. Графики зависимостей положения у ЗУ и скорости Vom времени l

при с=1000мкФ(1) и без конденсатора (2) имеет быстродействие значительно выше (время цикла движения ТЩ=2ТЯЧ=0,24 с), чем аналогичные системы с рекуперацией энергии (Г,=2+3 с), при одинаковой мощности привода (всего 6 Вт). Тт__

Т - время перемещения ЗУ из одной

4А 1,6 г

0,8 £

• Т -

-I- -iL -I—(

—i— -+- —i— i точки позиционирования в

—I— -\--1—i

i—I—1-4 другую;

I I [ I

—1— -1. j Tt- время выстоя.

- эксперимент

- мсдель

"20 мс/см

Рис. 11. Сравнение экспериментальных характеристик с результатами расчета при 8М=1 мм (1)и 5н-1,6мм (2) В пятой главе показано, что недостатком системы с упругим звеном или одним упругим элементом (УЭ), описанной в первой главе, является поворот на некоторый угол детали в процессе ее переноса из одной точки позиционирования в другую. Дальнейшее транспортирование такой детали может быть затруднено. Устранить этот недостаток возможно, развернув электромагниты под угол <рш равный нулю к недеформиро-ванному УЭ манипулятора (рис. 1).

Рассмотрев изменение координаты ук крайнего положения ЗУ при его переходе из одной точки позиционирования в другую и времени Т от угла <ры (рис. 12) следует сделать вывод, что из условия безударного останова электромагниты манипуляционной системы с одним упругим элементом целесообразно располагать под углом, близким к углу пово-

рота на консольном конце С» рассматриваемом случае = 17°). Здесь Уты - минимальное расстояние, на котором действует электромагнитная сила. Для работы манипулятора без сбоив необходимо, тюбы Уь>Уты-

П-Ю'.м

зо

25 20 15 10 5 0

Г-10\с 12

~Ук

-Я/2

-Уып

10

б)

20

Л» градусы

0 10 а) 20 ^градусы

Рис. 12. Зависимость координаты ук (а) и времени г (б) от угла наклона электромагнита <рш Устр/шить же поворот детали в позициях выстоя позволяет мани-пуляционная система с двумя УЭ (рис. 13). Данная система представляет собой упругий параллелограмм. Поэтому в отличие от предыдущего случая, ЗУ совершает движение, близкое к плоскопараллельному.

Следует отметить, что при деформации УЭ при таком построении системы в них возникают не только поперечные Q, но и продольные силы N и в общем случае поворот якоря в процессе движения нешбежен. Показано В.А.Светлицким и В.И.Фоминым, а в работе проверено и подтверждено, что при выполнении условия а> 5Л (где 2а - расстояние между упругими элементами) продольными силами, а, следовательно, и поворотом ЗУ можно пренебречь. Это позволило перейти от реальною

У

— 1

■то 1 1 -я.

хгч 1

Рис. 13. Манипуляционная система с двумя упругими звеньями (а)

и ее схема (б)

механизма к модели, показанной на рис. 13, у которой приведенная жесткость УЭ равна жесткости двух УЭ системы.

Исследование манипуляцнонной системы с двумя УЭ включает в себя определение начального изгиба (статика) и динамических характеристик УЭ и быстродействия системы. Основные допущения данной математической модели идентичны допущениям, сделанным во второй главе.

Начальные условия и условия закрепления на левом конце балки идентичны случаю с консольным закреплением. Граничные условия на правом конце имеют вид:

дУ

при Х=1

-(/,0 = о, ^(/,о«о

дх - ' ' ' дх:

При помощи разностной схемы методом прогонки опредег-ны: начальный (статический) изгиб упругого элемента, кинематические и динамические характеристики УЭ и быстродействие манипуляцнонной системы с двумя УЭ (рис. 14).

Результаты эксперимента подтверждают результаты расчетов (рис. 5).

Показано, что у старт-стопной системы с двумя УЭ быстродействие меньше зависит от массы ЗУ, чем у системы с упругим звеном, при одинаковой массе и жесткости упругого звена обеих систем.

у, м 7*1 = 7^6 мс 0,рад

'X, м

,х, м

Рис. 14. График движения упругого элемента системы с двумя УЭ при В=0; С= 0 (1-0,091 ж (1), 1=3,56мс (2). 1=7,6мс (3))

Следует отмстить, что при расчете систем с более высоким быстродействием необходимо учитывать влияние аэродинамических и центробежных сил.

Изготовлен демонстрационный макет манипуляционных систем с одним и двумя упругими элементами, моделирующий перенос заготовки по заданному маршруту при помощи этих систем.

Основные результаты работы и выводы.

1. Установлена связь быстродействия с геометрией упругого элемента системы при условии равенства площадей, позволившая рекомендовать создание старт-стопной системы с формой упругого звена в виде прямоуг ольной трапеции, быстродействие которой примерно в 1,5 раза выше, чем у аналогичной - с прямоугольной формой звена.

2. На основе выявленных зависимостей разработаны методы и средства повышения быстродействия старт-стопных манипуляционных систем, которые показали, что применение упругого звена в качестве базового позволяет достичь значительно более высоких скоростей, чем в ранее используемых устройствах с жестким звеном и накопителем потенциальной энергии при практически одинаковых энергозатратах-.

3. Разработана методика определения параметров упругого элемента манипуляционной системы с упругим звеном, при которых реакция в заделке будет минимальна, позволяющая синтезировать механизм с требуемым быстродействием при заданных массе и положении груза.

4. Предложена схема управления электромагнитным механизмом старт-стопной системы с конденсатором, без дополнительного введения в нее переключателей и датчиков. При этом разряд конденсатора обеспечивает плавное понижение напряжения при переходе на режим удержания звена в крайних положениях. По сравнению с аналогичной схемой без конденсатора, она в 5 раз уменьшает скорость якоря в момент касания им сердечника ив 1,2 раза уменьшает среднюю силу тока, что улучшает тепловой режим работы электромагнита,, повышает надежность и долговечность таких механизмов.

5. Создана двухпозиционная старт-стопная система параллелограммного типа. Выявлено, что у такой системы быстродействие в меньшей степени зависит от массы захватного устройства, чем у системы с одним упругим элементом, при одинаковой массе и жесткости упругого звена обеих систем.

6. Экспериментальная проверка подтвердила приемлемость математических моделей для оценки характеристик старт-стопных систем с упругим звеном.

7. Рекомендации, разработанные по полученным результатам исследований, переданы заинтересованным организациям: АО ЭНИКМАШ и ТОО "Рекупер" для использования в практике конструирования реальных механизмов. Результаты работы внедрены в НИР ИМАШ РАН им. А.А.Благонравова по проекту "Улучшение быстродействия и КПД роботов-манипуляторов путем использования собственных колебательных движений" (постановление Президиума РАН № 272 от 13.07.98). Работа, выполненная по проекту, стала призером конкурса на соискание медали РАН для молодых ученых в области проблем машиностроения и процессов управления в 1998 г.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Веретимус Д.К. Численное определение параметров манипуляционной системы с упругим звеном // Компьютерная хроника. - 1998. - № 4. - С. 53-62.

2. Веретимус Д.К., Левин C.B. Расчет динамических харакгеристик ма-ннпуляционных систем с упругими звеньями // Компьютерная хроника. -1998. - №4. - С. 37-52.

3. Веретимус Д.К., Левин C.B. Моделирование на ЭВМ работы электромагнитного привода манипулятора с упругим звеном // Компьютерная хроника. - 1998. - № 9. - С. 35-62.

4. Корендясев А.И., Левин C.B., Веретимус Д.К. Варианты расчета на ЭВМ динамических характеристик консолъно закрепленного упругого элемента // Компьютерная хроника. - 1998. - № 5. - С. 63-76; № 7. - С. 75-94.

5. Корендясев А.И., Левцн C.B., Веретимус Д.К. О повышении быстродействия упругих манипуляторов с рекуперацией энергии // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1998. - № 4. - С. 92-95.

6. Веретимус Д.К. Определение зависимости приложенной силы от формы упругого звена манипулятора при помощи ЭВМ Н Компьютерная хроника. - 1999. 10. - С. 115-126. •

Введение.

Глава 1. Обзор работ и анализ старт-стопных систем, работающих на основе принципа рекуперации энергии.

1.1. Цикловые системы с выстоями в двух позициях.

1.2. Цикловые системы, работающие в многопозиционном режиме.

1.3. Контурные системы.

1.4. Анализ и выводы по материалам литературного обзора.

Глава 2. Старт-стопная двухпозициоНная система с упругим звеном; анализ динамики и определение быстродействия.

2.1. Определение собственных частот и форм упругого звена манипуляционной системы как упругого стержня, совершающего поперечные колебания.

2.2. Определение кинематических и динамических характеристик и быстродействия манипуляционной системы

2.3. Определение второго крайнего положения упругого звена.

2.4. Начальный изгиб упругого звена.

2.5. Влияние геометрии упругого звена на быстродействие манипуляционной системы.

2.6. Экспериментальное исследование и оценка разработанных математических моделей.

2.7. Основные результаты.

Глава 3. Определение параметров манипуляционной системы с упругим звеном по заданным техническим условиям.

3.1. Определение параметров манипуляционной системы с упругим элементом при заданном быстродействии.

3.2. Выбор схемы для настройки манипуляционной системы с упругим элементом на заданное быстродействие.

3.3. Основные результаты.

Глава 4. Выбор схемы электромагнитного механизма манипуляционной системы с упругим звеном.

4.1. Выбор схемы и модели электромагнита.

4.2. Работа электромагнитного привода манипуляционной системы при импульсном питании.

4.3. Экспериментальный макет манипуляционной системы с импульсным питанием.

4.4. Основные результаты.

Глава 5. Старт-стопная двухпозиционная система с двумя упругими элементами; анализ динамики и определение быстродействия.

5.1. Определение начального изгиба упругого элемента.

5.2. Определение кинематических и динамических характеристик и быстродействия системы.

5.3. Экспериментальное исследование и оценка разработанной математической модели.

5.4. Демонстрационный макет манипуляционных систем.

5.5. Основные результаты.

Основные результаты работы и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных исследований разработаны методы и средства повышения быстродействия старт-стопных манипуляционных систем, которые показали, что применение упругого звена в качестве базового позволяет достичь значительно более высоких скоростей, чем в ранее используемых устройствах с жестким звеном и накопителем потенциальной энергии при практически одинаковых энергозатратах.

2. Установлена связь быстродействия с геометрией упругого элемента системы при условии равенства площадей, позволившая рекомендовать создание старт-стопной системы с формой упругого звена в виде прямоугольной трапеции, быстродействие которой примерно в 1,5 раза выше, чем у аналогичной - с прямоугольной формой звена.

3. Разработана методика определения параметров упругого элемента манипуляционной системы с упругим звеном, при которых реакция в заделке будет минимальна, позволяющая синтезировать механизм с требуемым быстродействием при заданных массе и положении груза.

4. Предложена схема управления электромагнитным механизмом старт-стопной системы с конденсатором, без дополнительного введения в нее переключателей и датчиков. При этом разряд конденсатора обеспечивает плавное понижение напряжения при переходе на режим удержания звена в крайних положениях. По сравнению с аналогичной схемой без конденсатора, она в 5 раз уменьшает скорость якоря в момент касания им сердечника и в 1,2 раза уменьшает среднюю силу тока, что улучшает тепловой режим работы электромагнита, повышает надежность и долговечность таких механизмов.

5. Создана двухпозиционная старт-стопная система параллелограммно-го типа. Выявлено, что у такой системы быстродействие в меньшей степени зависит от массы захватного устройства, чем у системы с одним упругим элементом, при одинаковой массе и жесткости упругого звена обеих систем.

6. Экспериментальная проверка подтвердила приемлемость математических моделей для оценки характеристик старт-стопных систем с упругим звеном.

7. Рекомендации, разработанные по полученным результатам исследований, переданы заинтересованным организациям: АО ЭНИКМАШ и ТОО " Рекупер" для использования в практике конструирования реальных механизмов. Результаты работы внедрены в НИР ИМАШ РАН им. А.А.Благонравова по проекту "Улучшение быстродействия и КПД роботов-манипуляторов путем использования собственных колебательных движений" (постановление Президиума РАН № 272 от 13.07.98). Работа, выполненная по проекту, стала призером конкурса на соискание медали РАН для молодых ученых в области проблем машиностроения и процессов управления в 1998 г. (см. приложение 4).

1. Автоматические манипуляторы с программным управлением (промышленные роботы). Состояние, перспективы, проблемы /А.И.Корендясев, А.Е. Кобринский, Б.Л.Саламандра и др. // Станки и инструмент. - 1974. - № 11. - С. 4-11.

2. Агаронянц P.A. Динамика, синтез и расчет электромагнитов. М.: Наука, 1967. -269 с.

3. Акинфиев Т.С. Резонансные манипуляционные системы с электроприводом //Машиноведение. 1983.- № 6. - С. 18-23.

4. Акинфиев Т.С., Бабицкий В.И., Крупенин В.Л. Манипуляционные системы резонансного типа //Машиноведение. 1988. - № 4. - С. 3-8.

5. Андреенко С.Н., Ворошилов М.С., Петров Б.А. Проектирование приводов манипуляторов. Л.: Машиностроение, 1975. - 312 с.

6. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Наука, 1981. - 568 с.

7. Артоболевский И.И. Манипуляторы и их будущее //Научная мысль. Вестник АПН. 1970.- Вып. 7. - С. 1-7.

8. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е. Роботы //Машиноведение. -1970.-№5.-С. 3-11.

9. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин.-М.: Наука, 1988.640 с.

10. A.c. 1821353 СССР, МКИ B25J9/00. Манипулятор /С.В.Левин (СССР) //Б.И. 1993. - № 22.- 13211. Бабицкий В.И., Ковалёва A.C. Оптимальное управление в резонансных манипуляционных системах //Машиноведение. 1986. - № 2. -С.21-25.

11. Бабицкий В.И., Ковалёва A.C. Оптимальное управление шаговой системой резонансного типа //Изв. АН СССР. 1988. - № 4. - С.26-32.

12. Белянин П.Н. Промышленные роботы.-М.: Машиностроение, 1975.398 с.

13. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.

14. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1953. - 608 с.

15. Быстродействующий резонансный манипулятор /Т.С.Акинфиев,

16. B.И.Бабицкий, B.C. Кондратьев и др. //Станки и инструмент.-1986. № 2.-С. 9-11.

17. Веретимус Д.К. Численное определение параметров манипуляционной системы с упругим звеном//Компьютерная хроника.- 1998.- № 4.1. C. 53-62.

18. Веретимус Д.К. Определение зависимости приложенной силы от формы упругого звена манипулятора при помощи ЭВМ // Компьютерная хроника. 1999. - № 10. - С. 115-126.

19. Веретимус Д.К., Левин C.B. Расчет динамических характеристик манипуляционных систем с упругими звеньями // Компьютерная хроника. -1998.-№ 4. С. 37-52.

20. Веретимус Д.К., Левин C.B. Моделирование на ЭВМ работы электромагнитного привода манипулятора с упругим звеном // Компьютерная хроника. 1998. - № 9. - С. 35-62.

21. Вибрации в технике: Справочник, В 6 т. М.: Машиностроение, 1978. - Т.1. - 352 с.; 1979. - Т.2. - 351 с; 1980. - Т.З. - 544 с; 1981. - Т.4. - 509 с; 1981. - Т.5. - 496 с; 1981. - Т.6. - 456 с.

22. Вукобратович М., Стокич Д. Управление манипуляционными роботами: теория и приложения. М.: Наука, 1985. - 384 с.

23. Гончаревич И.Ф., Фролов К.В. Теория вибрационной техники и технологии. М.: Наука, 1981. - 319 с.

24. Гордон A.B., Сливинская А.Г. Электромагниты постоянного тока. -М.: Госэнергоиздат, 1960. 447 с.

25. Гулиа Н.В. Инерционные аккумуляторы энергии. Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та, 1973. - 236 с.

26. Гулиа Н.В. Инерционные двигатели для автомобилей. М.: Транспорт, 1974. - 60 с.

27. Дистанционно управляемые роботы-манипуляторы /Под ред. Е.П. Попова, М.Б. Игнатьева. М.: Мир, 1967. - 460 с.

28. Инструментальная головка с разгруженным приводом /И.В.Бабицкий, А.А.Котлячков, В.А.Чечуров и др. //Динамика станочных систем ГАП: Тезисы доклада III Всесоюзной научной конференции. Тольятти, 1988. - С. 76-77.

29. Казаков JI.A. Электромагнитные устройства радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1978. - 168 с.

30. Кобринский A.A. Вибрационные системы. М.: Наука, 1973. - 592 с.

31. Кобринский A.A., Кобринский А.Е. Манипуляционные системы роботов. М.: Наука, 1985. - 343 с.

32. Кобринский А.Е. Вот они роботы. - М.: Наука, 1978. - 176 с.

33. Кобринский А.Е., Степаненко Ю.А. Некоторые проблемы теории манипуляторов. // Механика машин. М. Наука, 1978. - 416 с.- 13434. Колебания сложных механических систем /K.M. Рагулькис, З.И. Ку-байтис, А.Л. Кумникас и др. Вильнюс: Минтае, 1969. - 246 с.

34. Корендясев А.И. Особенности кинематических схем автоматических манипуляторов с программным управлением// Станки и инструмент. -1981. № 2. - С.15-19.

35. Корендясев А.И., Ковалев В.Е. Автоматическое управление приводом в роботах с рекуперацией энергии //Сб. Всесоюзного совещания по робототехническим системам. Киев, 1987.- Часть I. - С. 27-32.

36. Корендясев А.И., Левин C.B. Быстродействующие цикловые манипуляторы с упругими звеньями на основе принципа рекуперации энергии //Робототехника и мехатроника. 1996. - № 1. - С. 61-66.

37. Корендясев А.И., Левин C.B., Веретимус Д.К. Варианты расчета на ЭВМ динамических характеристик консольно закрепленного упругого элемента // Компьютерная хроника. 1998. - № 5. - С. 63-76.

38. Корендясев А.И., Левин C.B., Веретимус Д.К. Варианты расчета на ЭВМ динамических характеристик консольно закрепленного упругого элемента (окончание) // Компьютерная хроника. 1998. - № 7. - С. 7594.

39. Корендясев А.И., Левин C.B., Веретимус Д.К. О повышении быстродействия упругих манипуляторов с рекуперацией энергии // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. - № 4. - С. 92-95.

40. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Маятниковые роботы //Изобретатель и рационализатор. 1990. - № 3. - С. 9-14.

41. 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.-С.4-8.

42. Кулешов B.C., Лакота H.A. Динамика управления манипуляторами. -М.: Энергия, 1971. 304 с.

43. Куликов Н.К. Использование энергии торможения для повышения экономических и динамических качеств автомобиля //Автомобильная и тракторная промышленность. 1951. - № 2. - С. 14-18.

44. Левин C.B. Уменьшение массогабаритных параметров захватных устройств на основе принципа рекуперации энергии: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1992. - 22 с.

45. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин: Учебное пособие для вузов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. - 592 с.

46. Литвиненко A.M. Быстродействующий электромагнитный манипулятор //Механика и автоматизация производств. 1986. - № 11. - С. 4-5.

47. Литвиненко A.M. Привод схвата с пружинным аккумулятором //Механика и автоматизация производств. 1986. - № 4. - С. 16-17.

48. Механика машин: Учеб. пособие для втузов /И.И. Вульфсон, М.Л. Ерихов, М.З. Коловский и др.,; Под. ред. Г.А. Смирнова. М.: Высшая школа, 1996. - 551 е.: ил.

49. Механика промышленных роботов, В 3 т. /Под ред. К.В. Фролова, Е.И. Воробьева. М.: Высшая школа, 1988. - Т.1. - 303 с; Т.2 - 366 с; Т.З.- 382 с.

50. Митропольский Ю.А. Метод усреднения в нелинейной механике. -Киев: Наукова думка, 1971. 440 с.

51. Ншситенко А.Г., Пеккер И.И. Расчет электромагнитных механизмов на вычислительных машинах. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 216 е., ил.

52. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1971.-240 с.

53. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем.- М.: Физматгиз, 1960. 193 с.

54. Патон Б.Е., Спыну Г.А. Задачи и пути создания промышленных роботов для сварки //Станки и инструмент. 1978. - № 8. - С. 6-7.

55. Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора. М.: Наука, 1976. - 104 с.

56. Попов Е. П., Верещагин А.Ф., Зенкевич С.Л. Манипуляционные роботы (динамика и алгоритмы). М.: Наука, 1978. - 398 с.

57. Преображенский A.A. Шамрай Б.В. Электромагнитные устройства информационно-измерительной техники. М.: Высшая школа, 1982. -264 с.

58. Принципы построения двигательной системы автоматических манипуляторов с программным управлением (промышленных роботов) /А.И.Корендясев, А.Е.Кобринский, БЛ.Саламандра и др. //Станки и инструмент.- 1976. -№ 4. С. 3-10.

59. Робототехника /Ю.Д. Андрианов, Э.П. Бобриков, В.Н. Гончаренко и др.; Под ред. Е.П. Попова, Е.И. Юревича. М.: Машиностроение, 1984. - 288 с.

60. Робототехника и гибкие автоматизированные производства, В 9 т. -М.: Высшая школа, 1986. Т. 7. Гибкие автоматизированные производства в отраслях промышленности /Под ред. И.М. Макарова. - 175 с.

61. Ротерс Г. Электромагнитные механизмы.- М.:Госэнергоиздат, 1949.524 с.

62. Ряшенцев Н.П., Мирошниченко А.Н. Введение в теорию энергопреобразования электромагнитных машин. Новосибирск: Наука, 1987. -160 с.

63. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. М.: Наука, 1989. -432 с.

64. Справочное пособие по электротехнике и основам электроники /Под ред. A.B. Нетушила. М.: Высшая школа, 1986. - 247 с.

65. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 223 с.

66. Теория механизмов и машин: Учебник для втузов /К.В. Фролов, С.А. Попов, А.К. Мусатов и др.; Под ред. К.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1987. - 496 е.: ил.

67. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967. -444 с.

68. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для втузов М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 512 с.

69. Фомин В.И. Исследование статических и динамических характеристик пьезоэлектрических преобразователей, имеющих форму пластин: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1976. - 22 с.

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

71. Чудаков Е.А. Пути повышения экономичности автомобиля. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1948. - 168 с.

72. Электромагнитный привод робототехнических систем /А.А.Афонин, Р.Р.Билозор, В.В.Гребеников и др. Киев: Наукова Думка, 1986. - 240 с.

73. Юдовский И.Д. Инерционный кинематический осциллятор и рекуперативные приводы на его основе: Автореф. дис. . докт. техн. наук. -Л., 1992. -24 с.

74. Юревич Е.И. Основы робототехники. JL: Машиностроение, 1985. -270 с.

75. Alisa J.M., Howell L.L., Leonard J.N. Design and evaluation of compliant constant-force mechanisms //Proceedings of DETCT96. The 1996 ASME Design Engineering Technical Conference. Irvine (California), 1996. - P. 19-24.

76. Ananthasuresh G.K., Howell L.L. Case studies and a note on the degrees-of-freedom in compliant mechanisms //Proceedings of DETCT96. The 1996 ASME Design Engineering Technical Conference. Irvine (California), 1996. - P. 54-60.

77. Citybus Flyer for London // Cooner. Met. 1984. - V. 160, № 4092 - P. 16.

78. Clare R.C. The Utilization of Flywheel Energy //SAE Transactions. 1964 -Vol. 72.-P. 112-117.

79. Compliant parallel-guiding mechanisms /J.M.Derderian, L.L.Howell, M.D.Murphy et con // Proceedings of DETC96. The 1996 ASME Design Engineering Technical Conference. Irvine (California), 1996. - P. 75-80.

80. Forrest L. Systems Analysis of Flywheels in automobile application //18th Intersoe. Energy convers. Eng. Conf.: Energy Marketplace: Proc. Orlando (Fla.), 1983 - Vol. 4 - P. 1828-1736.

81. Fuil Efficient Intecnal Combustion Engine Electrec Urban 153 Transport Vehicles / D.B.Gilmore, K. J.Bullock, I.V.Webb, M.K.Vint //ISATA 84: Int. Simp. Aulonpt. Techol. And Autom. - Milan, 1984 - P. 151-170.

82. Ganchei H.-J. Abel Ghomas. Ubertragundsfunktionen von ebenen Kurbelgetrieben Darstellen //Masihinenmarkt. 1981. - Bd. 87. - S. 1162-1165.

83. Hain Kurt. Anfgahren ohne Kupplung //Antiebstechnik. 1990. - Bd. 29, №1.-S. 41-43.

84. Hersteller wartet mit schnellem Industrieroboter //Werkstattstechnik.1984. Bd. 74, № 6. - S. 309-310.

85. Olmsted D.R. Development of Flywheel Energe Propulsion Syrtem for Transit Buses //28th Nat. SAMPL ymp. and Exib. Ausheom (California), 1983-Vol. 18. -P. 925-934.

86. Parkinson M.B., Howell L.L., Cox J.J. A parametric approach to the optimization-based design of compliant mechanisms // Proceedings of DETC'97. The 1997 ASME Design Engineering Technical Conference. -Sacramento (California), 1997. P. 94-102.

87. Rabenhorst D.W. The Allmechanical Electric Car //Phys. Technol. 1982. - V.13, №9. - P. 98-104.

88. Regar K.N., Scheider H.-D. Systemanalysy und Experriment die Entwecklung eines Hocheffizienten //Automobiltechn. Z.-1985.-Bd. 87, № 7-8-S. 351-355, 358.

89. Riveera Arhee M. Hedraulic Accumulator Technology Bools Transit Bas Fcul Economy // SAE Techn. Pap. Ser. 1983. - № 830648 - 24 p.

90. Saridacis N. Golf mit Otto-Electro-Hybrigantrieb //Automobiltechn. Z.1985. Bd. 87, №11. - S. 581-584.

91. Schwungnutzkupplung //Krafthand. 1983. - Bd. 56, № 17 - S. 1169.-141103. Scott D. Brake-power Buses //Pop. Sci. 1985. - V. 226, № 1. - P. 59.

92. Serban R., Haug E.J. Kinematic and kinetic in multibody system analysis //Proceedings of DETCT97 1997 ASME Design Engineering Technical Conference. Sacramento (California), 1997. - P. 209-214.

93. Stauffer R.N. ROBOTS 7: a look at the top developments. //Robotics Todey. 1983. - Vol. 5, № 3. - P. 33-36.

94. Thoolen Frans J.H. New Results of Flywhel Systems Application //Proc. 23rd Intersoc. Energy Convers. Eng. Conf.: Denver (Colo.), July 31 Aug. 5, 1988. - New Vork, 1988. - Vol. 2- P. 63-67.

95. Waldman H. AFP's FINISHING' 83 to cover robotics. // Robotics Todey. 1983. - Vol. 5, № 4. - P. 49-50.