автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Мехатронные рекуперативные приводы для возвратно-поступательного движения

4857736

МАНКО Ольга Николаевна

МЕХАТРОННЫЕ РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ПРИВОДЫ ДЛЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Специальность: 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о 0К7

Санкт-Петербург - 2011

4857736

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Жавнер Виктор Леонидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Уваров Виктор Павлович

кандидат технических наук Смирнов Карим Асенович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт машиноведения им. А.А. Бла-гонравова РАН, г.Москва

Защита состоится «(?{» ноября 2011 г в 16 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.229.12 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29,1-учебный корпус, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «30» сентября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229.12 кандидат технических наук, профессор А.Н.Евграфов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В современном технологическом оборудовании широкое применение находит пневматический привод, позволяющий сократить кинематические цепи, приблизить пневматический двигатель к рабочему органу, а в некоторых случаях соединить их напрямую, что позволяет уменьшить металлоемкость оборудования, снизить динамические нагрузки и уменьшить акустические нагрузки на операторов.

В конструкции пневмоприводов для возвратно-поступательного движения основную роль играют пневматические цилиндры различного конструктивного исполнения, из которых наилучшие энергетические характеристики имеют классические стандартные цилиндры. Существенным недостатком рассматриваемых штоковых цилиндров является то, что максимальный размер пневмоцилиндра в два с лишним раза превышает его максимальный рабочий ход. В большинстве случаев это приводит к увеличению габаритных размеров технологического оборудования. Для устранения этого недостатка разработаны разнообразные конструкции бесштоковых пневмоцилиндров, у которых максимальный установочный габаритный размер незначительно превышает максимальный ход поршня. Однако потери на трение в них значительно увеличились.

В связи с этим задача разработки мехатронных пневматических рекуперативных приводов для возвратно-поступательных перемещений, обеспечивающих одновременное снижение энергопотребления и габаритов в направлении рабочего хода, является достаточно актуальной. Не менее актуальной остается эта задача в цикловых промышленных роботах и манипуляционных системах, построенных на базе поступательных пар.

Целью работы является разработка и исследование мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательного движения, определения областей их примепепия и выработка рекомендаций по их применению.

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

¡.Разработка мехатронных рекуперативных приводов с нелинейными пружинными аккумуляторами, обеспечивающими уменьшение габаритных размеров в направлении технологических перемещений с одновременным снижением энергозатрат.

2. Исследование характеристик нелинейных пружинных аккумуляторов с выходным звеном в виде поступательной пары и разработка рекомендаций по выбору их конструктивных параметров и информационно-измерительных систем.

3. Исследование характеристик нелинейных пружинных аккумуляторов с выходным поворотным звеном и выработка рекомендаций по схемным решениям и выбору передаточных механизмов.

4. Разработка систем компенсации диссипативных сил для данного клао- ''' са приводов с использованием пневматических цилиндров. ( \

Т!

5. Разработка математических моделей нелинейных пружинных аккумуляторов и математических моделей мехатронных приводов на базе НПА с системой компенсации диссипативпых потерь.

6. Разработка методики для расчета конструктивных параметров мехатронных рекуперативных приводов.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задачи использованы методы теоретической механики, теории колебаний, дифференциальных уравнений, теории механизмов, робототехнических систем и математического моделирования динамических систем.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы построения мехатронных пневматических рекуперативных приводов для возвратно- поступательных перемещений с использованием пружинных аккумуляторов, имеющих нелинейные моментные или силовые характеристики в функции от параметра перемещения.

2. Математические модели в виде уравнений движения мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательных перемещений, на основании которых разработаны алгоритмы проектирования и выбора конструктивных параметров рассматриваемого класса приводов.

3. Основные зависимости для определения диссипативпых характеристик мехатронных рекуперативных приводов на базе нелинейных пружинных аккумуляторов, даны рекомендации по снижению диссипативпых потерь в рассматриваемых приводах.

4. Способы построения систем компенсации диссипативпых потерь для мехатронных рекуперативных приводов и показаны примеры их реализации.

Практическая ценность работы. Предложены новые схемы мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательных перемещений на базе нелинейных пружинных аккумуляторов, которые позволили уменьшить габаритные размеры привода в направлении рабочего хода при одновременном снижении энергозатрат. Для пружинных аккумуляторов с выходным поворотным звеном, имеющим два положения неустойчивого равновесия, предложены технические решения, позволяющие обойтись без фиксаторов в крайних положениях и не изменяющие текущую конфигурацию привода при падении, например, давления в пневмосети. Предложены варианты систем компенсации диссипативпых потерь в мехатронных рекуперативных приводах. Результаты работы могут являться основой конструкторских разработок.

Апробация работы. Результаты работы докладывались в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете на кафедре «Автоматы», а также на XXXIX международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбГПУ». Действующий образец мехатронного модуля с рекуперативным приводом на базе нелинейного пружинного аккумулятора демонстрировался па выставке «Российский промышленник -2008».

Публикации. По материалу диссертации опубликованы 5 печатных работ, одна из которых опубликована в издании, входящем в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опублико-

ваны основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 130 страниц текста, включая 62 иллюстрации, 2 таблицы, приложения на 13 страницах и список литературы из 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, основные научные положения, выносимые на защиту, дан краткий обзор диссертации по главам.

В первой главе выполнен анализ текущего состояния вопроса по рекуперативным приводам. Показана история их разработки и выявлены основные области применения. Приведен обзор работ по существующим конструкциям рекуперативных приводов с оценкой их преимуществ и недостатков. Составлена классификация пневматических цилиндров, которые широко используются в качестве приводов рабочих органов технологического оборудования.

В результате анализа было выявлено, что с целью решения актуальной задачи энергосбережения рекуперативный привод должен быть построен на базе пружинного аккумулятора и иметь в своем составе систему компенсации диссипативных сил, причем, для сокращения габаритных размеров этого привода в направлении рабочего хода в качестве пружинного аккумулятора необходимо использовать нелинейный пружинный аккумулятор.

Во второй главе представлены результаты разработки технической идеологии создания мехатронных пневматических рекуперативных приводов для возвратно-поступательных перемещений с использованием пружинных аккумуляторов с поступательной парой, имеющих нелинейные силовые характеристики в функции от величины перемещения.

Исследованы характеристики нелинейного пружинного аккумулятора (НПА) с поступательной парой для мехатронных приводов, обеспечивающих возвратно-поступательные перемещения и позволяющие уменьшить их габаритные размеры в направлении перемещения выходного звена при одновременном снижении энергопотребления. Предложено несколько конструктивных исполнений НПА с поступательной парой на базе пружин растяжения (рис.1 а,б) и сжатия (рис.1 в,г).

Для корректного сравнения различных конструктивных решений и исследования основных характеристик НПА за базовую модель принят рекуперативный привод на базе линейного пружинного аккумулятора (рис.2).

Рис. 1, Варианты исполнения нелинейного пружинного аккумулятора с поступательной парой на базе: (а) одной пружины растяжения; (б) двух симметричных пружин растяжения; (в) одной пружины сжатия; (г) двух симметричных пружин сжатия

/,.....

центральное положение

с.ш

пружина раетяпута

жшш сжата

К параметрам линейного пружинного аккумулятора (ЛПА) относятся: т - приведенная масса ползуна и рабочего органа или груза;

/ - время перемещения ползуна из одного крайнего положения в другое; равно полупериоду колебаний системы

/ - длина пружины в состоянии устойчивого равновесия (в нейтральном положении).

При исследовании было принято допущение: максимальная потенциальная энергия для любой конфигурации НПА равна максимальной энергии базового линейного аккумулятора, что обеспечивает одинаковую максимальную скорость в среднем положении.

Для простоты НПА представлен конфигурацией прямоугольного треугольника (рис.3), один из катетов которого образован пружиной в состоянии устойчивого равновесия, а гипотенуза - пружиной в максимально растянутом состоянии.

Рис.2. Схема линейного пружинного аккумулятора, принятого за базовую модель

При этом жесткость пружипы НПА сш равна:

(Я,

(1)

. +л- -л;-

где с - жесткость базового линейного пружинного аккумулятора; А -длина пружины в состоянии устойчивого равновесия, в данном случае, перпендикулярно направляющей; х...... - максимальное удлинение пружины, когда ползун находится в одном из крайних положений (для базового ЛПА х _ м ).

Найдена зависимость максимального усилия пружины НПА при принятом допущении:

Р"Г — с ■

£

(2)

+>>- -а

Получена зависимость скорости движения ползуна нелинейного пружинного аккумулятора от значения координаты х через уравнение полной энергии системы без учета диссипативных сил:

'

V х' + а ' - л

+ /г -А

(3)

где х - текущее положение ползуна по оси х.

Найдена линейная скорость укорочения пружины в функции от х:

1

V*2 н

I-

■^х2 +/г - А

/г -

На рис.3 показаны графики изменения линейной скорости укорочения пружины, совмещенные с графиком скорости ползуна по формуле (3) при = 1. По графику видно, что период колебаний пружины в два раза больше

т

периода колебаний ползуна.

Время движения ползуна определяется выражением (4); графически эта зависимость показана на рис.5.

<*х (4)

1

Цп'

1-

47

+ /Г -/г

+ А- - А

Определены зависимости для нахождения осевой и радиальной нагрузок на ползун, причем осевая нагрузка является законом ускорения:

\

л

-<М>>

-0,5 0

- скорость III |Л при 1Н1.5К скорость ) К1 )|»псппя пружины при [] ■

-скорость НИЛ пр -скорость укпрпчс

1-0.21

я пружины при 11-0.21

Рис.4. Зависимости х = /(х) и лг1л. = /(х) при — = / и хта = I

т

0 0.2 0.4 0.6 0.8

1.2 1.4 1.6

Рис.5. Зависимость Т/2 = //А) при — = 1 и х1}Ш = 1

т "'

р:.. =

Г'*'

л//г' + х:

{¿х;ю+1г -л]~ I Л7

(5)

(6)

Графически эти зависимости представлены на рис.6 и 7. Диссипативные свойства предлагаемого нелинейного пружинного аккумулятора определяются потерями на внутреннее трение в пружине и потерями на трение в зацепах и направляющих.

Потери на внутреннее трение определяются силой сопротивления пружины:

я = -ь-х- . х =

ух' + Л"

где Ь - коэффициент пропорциональности: ь= ¥'с ; у/ - коэффициент

2к ■ (о

рассеяния; со - собственная частота колебаний пружины, которая в два раза превышает собственную частоту колебаний ползуна ю = 2юти.

----h-fl,5» - - - -h-0,44 -h-0.35-----h-0.3---h-ОЛ —ж—h-0.21 —•—ЛПА

Рис.6. Зависимость = f(x) при — =¡ и xmn =1

m

ч N Ч \ ч r---- г / ✓ s / Ф / * s * / * -

* Чл - -- • s\v --Jfc 'jr''

-----<u - N vV V^L - A>

\ 4 \ \ í 4 /0 /А / •JP* /7' / f/' ' f* / /

-1 -0,5 o 0,5 i . . . -h=(),44 ----h=(l,5X -h=(U5 -----h=(l,3 >i=(U6 -»-h=0.2l

Рис.7. Зависимость P^ = f(x) при — = / и xmn =1

m

Работа сил внутреннего трения: л, = 0,5■ у■ сш ■ (•/vi, +1г -h) (7)

Сила трения в шарнирных соединения НПА, приведенная к ползуну, определена через уравнение их мгновенных мощностей:

Кг = с„, ■/■</■/;■ \-г===--А-г) (8)

где / - коэффициент трения в шарнирных соединениях пружины; с! -диаметр оси шарнирного соединения.

Графики изменения приведенной силы трения при различных значениях параметра И представлены на рис.8.

-Ь-1,36 - - - -11=0,44 -

О 0,5

-1|=(),35-----И (1,3-------11=0,26 -

Рис.8. Зависимость =/(дг) при £.= / и хт„ = 1

т

Найдены координаты ползуна, в которых существует максимальное значение приведенной к ползуну силы трения в шарнирных соединениях НПА:

Максимальная сила трения в шарнирных соединениях НПА, приведенная к ползуну, при полученном значении х,ш определяется выражением (9).

"V опт < ■'

(9)

'- — ■ I ч '7-гт

4 -Л/

Вне зависимости от конструктивного исполнения рекуперативного привода работа сил трения в шарнирных соединениях НПА равна:

А, = [р;;;:(х)ск =2с- /'-с/-И-(1п(х„т + л/^„„+Л- )-агЩ^--1пИ) (10)

-г ^

Работа сил трения в направляющих НПА зависит от компоновки НПА относительно вертикальной плоскости:

1. Пружина растяжения относительно горизонтальной плоскости расположена под ползуном:

А3 = А\+т-ц- / ■ 2хта

где А\ - работа на преодоление сил трения от силового воздействия пружины: А\ =2/-с-И-(х1та -И1п(хтт +т]х,:„Ш.+И2 ) + И1пИ)\ т - масса ползуна; g-

ускорение свободного падения.

А, = 2/\с-Ь-(хта - И 1п(хтах + /С + /г' ) + Л ¡п И) + т ■ ё ■ Хта ] (11)

2. В пружинном аккумуляторе установлено две пружины:

В этом случае: А] = 0 и А3 = т ■ ё ■ / • 2хтик (12)

3. Сверху или снизу от ползуна расположено по одной пружине растяжения или сжатия:

Аз = |-/ ■ ['И • Ш ■ *„„„ -с-И- (хш - И /н(Х„„ + 4х1*+112 > + Л/иА>] (13)

В третьей главе представлены результаты разработки технической идеологии создания мехагронных пневматических рекуперативных приводов для возвратно-поступательных перемещений на базе нелинейных пружинных аккумуляторов с выходным поворотным звеном, совершающим угол поворота ч,„ Предложено несколько конструктивных исполнений НПА с выходным

(г)

Рис. 9. Варианты исполнения НПА с выходным поворотным звеном на базе: (а) пружины растяжения; (и) двух симметричных пружин растяжения; (в) пружины сжатия; (г) двух симметричных пружин сжатия

Моментная характеристика этого НПА без учета предварительного натяжения пружины определяется выражением:

А/ = 2аг - с ■ sinq(I—, , ^ ) (14)

+1+ 2аг ■ cos q

где а = о,о, - расстояние между осями выходного звена и шарнирного соединения пружины с корпусом; г = 0,0, - радиус закрепления пружины на

выходном звене; ц - текущий угол поворота выходного звена; с - жесткость пружины; 5 - длина пружины, соответствующая углу поворота.

График зависимости крутящего момента от угла поворота - см. рис. 10.

Рис.10. Моментная характеристика НПА с выходным поворотным звеном: Л/= /(<?)

Частным случаем рассматриваемого НПА с выходным поворотным звеном является НПА, у которого а = г. Его моментная характеристика будет синусной (рис.11), а момент рассчитывается по формуле (без учета предварительного натяжения пружины):

М = 2с г ■ ят д

(15)

Рис. 11. Моментная характеристика НПА с выходным поворотным звеном при а = г

Найдена зависимость потенциальной энергии синусного НПА от угла поворота:

V = 2сг ■ соя' — 2

Угловая скорость НПА определяется выражением:

д = 2/--яп-

Полупериод колебаний системы определяется интегралом:

, = 1= 1*2. = 2гЛ

2 { Я 1-1 Л

(16)

(17)

(18)

Чг 5111 — 2

В данной главе исследуются также диссипативные свойства пружинного аккумулятора с выходным поворотным звеном и синусной моментной характеристикой, которые определяются потерями на внутреннее трение в пружине и потерями на трение в направляющих и шарнирных соединениях:

А = А,+А2+А1 (19)

где А - суммарная работа привода на преодоление диссипативных сил; А, - работа привода на преодоление внутреннего трения в пружине (определяется аналогично НПА с поступательной парой); А, - работа привода на преодоление трения в шарнирных соединениях пружины; А3 - работа привода на преодоление трения в направляющих ползуна.

Работа А, определяется через приведенный момент трения в шарнирных соединениях НПА: м;;, = г ■ с ■ +с12)- соД,

где / - коэффициент трения; с11}с12 - диаметры осей шарнирных соединений НПА.

Тогда: А, =4-г-с- + с/, )(1 + ¡тЦ-) (20)

Работа привода на преодоление трения в направляющих ползуна, пренебрегая КПД передаточного механизма, определяется выражением:

А, =2г-/-т^-со$у (21)

В четвертой главе предложены различные варианты систем компенсации затрат энергии на преодоление диссипативных сил в мехатронных рекуперативных приводах для возвратно-поступательного движения, а также показаны некоторые примеры реализации таких приводов. Непременным условием при построении таких систем является следующее: работа пневмоци-линдра, устанавливаемого для компенсации диссипативных сил НПА, должна быть равна или незначительно превышать работу, которую затрачивает НПА на преодоление диссипативных сил: А > А.

На основании теоремы Эри предложены четыре варианта систем компенсации диссипативных сил для мехатронных рекуперативных приводов любого из двух исследуемых типов. Первый вариант (рис. 12,а) предусматривает установку бесштокового пневмоцилиндра. На рис. 12,6 показана схема с двумя ко-роткоходовыми пневмоцилиндрами, установленными на основание. На рис.12,в показан случай, когда двухштоковый пневматический цилиндр закреплен непосредственно на подвижной каретке. На рис. 12,г пневмоцилиндр, используемый для компенсации диссипативных сил НПА, установлен таким образом, что он образует с поступательной парой кулисный механизм.

В пятой главе исследованы математические модели в виде уравнений движения мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательного движения на базе НПА для четырех вариантов системы компенсации диссипативных сил, предложенных в четвертой главе, а также показано несколько примеров их решения. 1. Уравнение движения НПА при подаче импульса в начале хода

1 этап - вынужденное движение тх + й + Р + те/Ч Я"*' = Р Нач. условия:

2 этап - свободное движение тх + 11 + Р„+т& + Р%=0 Нач. условия: ~ Х ПЦК'М > — тел

2. Уравнение движения НПА при подаче импул вынужденное движение тх+К + Р„г+т3Г + Р:;=Рщ 3. Уравнение движения НПА при подаче импул 1 этап - свободное движение тх + 11 + Р„р+т§Г + Р:1;, =0 ьса на всем протяжении хода Нач. условия: ьса в конце хода Нач. условия: х„ = ; *» = °

2 этап - вынужденное движение тх + 1{ + Р,11,+тёГ + Р:';=Рщ 4. Уравнение движения НПА при подаче импул 1 этап - вынужденное движение тх+11+Рч,+т& + Р2=Рщ Нач. условия: Хв = Хщкы ' ХЧ ~ Хтраа ьса в начале и в конце хода Нач. условия: — ~~х11ш, кц — 0

2 этап - свободное движение + + + = 0 Нач. условия: Х11 =Хт;т1' Х1) = Хт-рт1

3 этап - вынужденное движение тх+Я + Р„1,+т§Г + Р,:;=Рщ Нач. условия: х0 Х11 ~хщта}

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в диссертации, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Предложена конструкция нелинейного пружинного аккумулятора с выходным звеном в виде поступательной пары. Показано, что наилучшие показатели с точки зрения уменьшения габаритных характеристик имеют нелинейные пружинные аккумуляторы с наибольшим коэффициентом удлинения, приближающимся к 5, к тому же, это приводит и к уменьшению работы на компенсацию диссипативных сил.

2. Показано, что использование нелинейного пружинного аккумулятора с двумя симметричными пружинами приводит к уменьшению сил трения в опорах.

3. Выполнено количественное сравнение различных вариантов конструктивных исполнений НПА по номинальной рабочей операции. Снижение энергозатрат по сравнению со стандартным приводом позволяет уменьшить затраты энергии более чем на порядок.

4. Установлено, что применение НПА с выходным поворотным звеном и углом поворота 9та> >- 2,т позволяет обойтись без фиксаторов.

5. Предложены схемные решения систем компенсации диссипативных сил для рекуперативных приводов с НПА.

6. Для задач позиционирования на несколько точек рекомендуется выбирать систему компенсации на базе пневмоцилиндра с тросовым штоком или на базе кулисного механизма с пневмоцилиндром.

7. Даны рекомендации по применению систем компенсации при наличии технологических ограничений на ускорение или на скорость штока пневмоцилиндра.

(о)

Импульс в начале, в конце или на всем протяжении хода

(б)

Импульс в начале хода

(в)

Импульс в начале хода

(г)

Импульс в начале и в конце хода

(УЖ

Ж

-л 11

х А \

\ \

те

€

И

Рис. 12. (а) Система компенсации диссипативных сил с бесштоковым пневмоцилиндром; (б) Система компенсации диссипативных сил с двумякороткоходовыми пневмоцшиндра-ми; (в) Система компенсации диссипативных сил с двухштоковым пневмоцилиндром; (г) Система компенсации диссипативных сил с пневмоцилиндром, образующим кулисный механизм с поступательной парой

8. Показано, что быстродействие мехатронного рекуперативного привода на базе НПА выше, чем быстродействие мехатронного рекуперативного привода на базе ЛПА.

9. Построены математические модели, описывающие законы движения рассмотренных в работе мехатронных рекуперативных приводов с предложенными системами компенсации диссипативных сил. Разработаны алгоритмы и программа расчета рекуперативных приводов данного типа.

10. Получены аналитические зависимости, позволившие разработать и предложить методику построения мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательного движения на базе нелинейных пружинных аккумуляторов.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мацко О.Н. Исследование характеристик нелинейного пружинного аккумулятора с поступательной парой.// Научно-технические ведомости СПбГПУ. - СПб: Изд-во СПбГПУ; №2. - 2011.

2. Мацко О.Н. Мехатронные рекуперативные приводы для возвратно-поступательного движения.// XXXIX неделя науки СПбГПУ: Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов. 4.IV. - СПб: Изд-во Политехи, ун-та. - 2010. -С.З.

3. Жавнер B.JL, Иванова О.В., Мацко О.Н. Мехатронные устройства технологических машин и оборудования. Мехатронные устройства в упаковочных линиях автоматизированных производств: Учеб.пособие. - СПб: Изд-во СПбГПУ.-2008.

4. Жавнер В.Л., Жавнер М.В., Мацко О.Н. Разработка, исследование, оптимизация технологических процессов и машин. Рекуперативные приводы: Учеб.пособие. - СПб: Изд-во СПбГПУ. -2011.

5. Жавнер В.Л., Мацко О.Н. Мехатронные рекуперативные приводы для возвратно-поступательных перемещений.// Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах: Материалы XV Всероссийской конференции. Санкт-Петербург. Т.2. - СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2011. - С.29.

Подписано в печать 27.09.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8067Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение

1. Обзор научно-технической литературы и постановка задач исследования

2. Мехатронные рекуперативные приводы для возвратно-поступательного движения на базе нелинейных пружинных аккумуляторов с поступательной парой

2.1 Характеристики нелинейных пружинных аккумуляторов с поступательной парой

2.2 Диссипативные свойства нелинейных пружинных аккумуляторов с поступательной парой

3. Мехатронные рекуперативные приводы для возвратно-поступательного движения на базе нелинейных пружинных аккумуляторов с выходным поворотным звеном

3.1 Характеристики нелинейных пружинных аккумуляторов с выходным поворотным звеном

3.2 Диссипативные свойства нелинейных пружинных аккумуляторов с выходным поворотным звеном

4. Системы компенсации диссипативных сил в мехатронных рекуперативных приводах для возвратно-поступательного движения. Примеры реализации

4.1. Построение систем компенсации диссипативных сил

4.2. Примеры реализации мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательного движения

5. Математические модели для анализа и синтеза мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательного движения. Разработка и анализ математических моделей рассматриваемого класса мехатронных приводов и разработка алгоритмов проектирования

5.1 Уравнения движения нелинейного пружинного аккумулятора в общем виде

5.2 Пример решения математической модели нелинейного пружинного аккумулятора при внешнем силовом воздействии по теореме Эри на всем протяжении хода

5.3 Пример решения математической модели нелинейного пружинного аккумулятора при внешнем силовом воздействии по теореме Эри в начале хода

Основные результаты работы и выводы

Актуальность работы. В современном технологическом оборудовании широкое применение находит пневматический привод, позволяющий сократить кинематические цепи, приблизить пневматический двигатель к рабочему органу, а в некоторых случаях соединить их напрямую, что позволяет уменьшить металлоемкость оборудования, снизить динамические нагрузки и уменьшить акустические нагрузки на операторов. В некоторых случаях удается снизить и энергопотребление и, соответственно, установочные мощности.

В конструкции пневмоприводов для возвратно-поступательного движения основную роль играют пневматические цилиндры различного конструктивного исполнения, из которых наилучшие энергетические характеристики имеют классические стандартные штоковые цилиндры. К их существенным недостаткам относится то, что максимальный размер пневмоцилиндра в два с лишним раза превышает его максимальный рабочий ход. В большинстве случаев это приводит к увеличению габаритов технологического оборудования.

Для устранения этого недостатка ведущими производителями пневматических приводов разработаны разнообразные конструкции бесштоковых пневмоцилиндров, у которых максимальный установочный габарит незначительно превышает максимальный ход поршня. Однако потери на трение в них значительно увеличились при резком увеличении их стоимости.

В связи с этим задача разработки мехатронных пневматических рекуперативных приводов для возвратно-поступательных перемещений, обеспечивающих одновременное снижение энергоемкости и габаритов в направлении рабочего хода, является достаточно актуальной. Не менее актуальной остается эта задача и в цикловых промышленных роботах, построенных на базе поступательных пар. При этом в данном случае энергоемкость — это более широкое понятие, которое включает в себя не только количество затрачиваемой во время эксплуатации энергии, но и габаритные размеры, а именно, площадь, занимаемая устройством, масса и другие характеристики, прямо или косвенно влияющие на затраты энергии в течение жизненного цикла устройства. В эти затраты входят затраты на1 изготовление, перевозку, освещение и отопление помещений и т. д. Очевидно, при уменьшении массы, габаритных размеров и установочных мощностей энергопотребление также снижается.

Рекуперация энергии в таких приводах достигается за счет установки пружинных механизмов, применение которых обусловлено следующими факторами:

- способность аккумулировать потенциальную энергию;

- высокая надежность и долговечность пружины;

- простота и отработанная технология процесса изготовления пружины.

Наибольшее применение пружинные механизмы получили в робототехнических системах: в рекуперативных приводах и в системах уравновешивания [1]-[20], [27], [40], [42], [50].

Большое количество научных публикаций 80-х годов прошлого века, посвященных исследованию пневматических рекуперативных приводов, практически не нашло отражения в реальных конструкторских разработках.

Можно отметить следующие причины, не способствовавшие практической реализации этих идей. Прежде всего, внимание уделялось лишь отличным динамическим характеристикам рекуперативных приводов, а оценка энергетических преимуществ практически не делалась. Во-вторых, элементная база для создания подобных устройств не была столь обширной, как в настоящее время. Третьей причиной можно считать переходный период в российской экономике, который не способствовал внедрению инновационных технических решений в данном направлении.

В настоящее время ситуация существенно изменилась благодаря тому, что задачи энергосбережения выдвинулись на первый план.

Кроме того, на рынке имеется большое количество элементов, которые могут использоваться как модули рекуперативных приводов, например, фиксаторы для пневмоцилиндров, предлагаемые ведущими мировыми I производителями элементной базы пневматических систем.

Развитие микропроцессорной техники позволяет создавать системы управления для рекуперативных приводов, которые могут легко встраиваться в современные иерархические системы управления.

Система управления мехатронного рекуперативного привода может быть специальной, выполненной в одном корпусе с ним, или являться составной частью системы управления технологической машины. При любом варианте исполнения система управления обеспечивает дискретный режим работы с управляемым выстоем, продолжительность которого определяется технологическим процессом.

Анализ современного технологического оборудования показывает преобладание в нем механизмов возвратно-поступательного движения. Особенность применения этих механизмов характеризуется тем, что основная доля энергетических затрат приходится на преодоление инерционных сил.

Среди технологических процессов в пищевой промышленности можно выделить три группы, в которых целесообразно применять энергосберегающие технологические устройства, сконструированные с использованием пружинных механизмов:

1. Процессы пошагового транспортирования и перемещения, например, конвейерная техника и карусельные машины с шаговым приводом, механизмы протяжки в фасовочно-упаковочном оборудовании, процессы загрузки и разгрузки, реализуемые устройствами с возвратно-поступательным движением.

2. Процессы переработки грузов, связанные с загрузкой и разгрузкой технологического оборудования, укладкой грузов на поддоны или их разборки.

Цель и задачи работы. В настоящей диссертационной работе основной акцент сделан на разработке и исследовании мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательного движения, определении областей их применения и выработке рекомендаций по их применению.

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

1. Разработка мехатронных рекуперативных приводов с нелинейными' пружинными аккумуляторами, обеспечивающими уменьшение габаритных размеров в направлении технологических перемещений с одновременным снижением энергозатрат.

2. Исследование характеристик нелинейных пружинных аккумуляторов с выходным звеном в виде поступательной пары и разработка рекомендаций по выбору их конструктивных параметров и информационно-измерительных систем.

3. Исследование характеристик нелинейных пружинных аккумуляторов с выходным поворотным звеном и выработка рекомендаций по схемным решениям и выбору передаточных механизмов.

4. Разработка систем компенсации диссипативных сил для данного класса приводов с использованием пневматических цилиндров.

5. Разработка математических моделей нелинейных пружинных аккумуляторов и математических моделей мехатронных приводов на базе НПА с системой компенсации диссипативных потерь.

6. Разработка программы для расчета конструктивных параметров мехатронных рекуперативных приводов.

В работе также дан краткий обзор механизмов и приводов для реализации возвратно-поступательных перемещений, а также приводов, используемых для компенсации затрат энергии на диссипативные силы, подробно рассмотрены приводы с нелинейными пружинными т аккумуляторами, разработаны математические модели и алгоритмы проектирования приводов, проведены экспериментальные исследования.

В рамках представленной к защите диссертации выполнен следующий объем работ:

1. Предложены новые конструкции мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательного движения на базе нелинейных пружинных аккумуляторов с поступательной парой и выходным поворотным звеном.

2. Исследованы конструктивные и диссипативные • характеристики предложенных конструкций мехатронных. рекуперативных приводов, на основании которых разработаны схемы систем компенсации диссипативных сил с пневматическими приводами.

3. Построены математические модели для предложенных конструкций мехатронных рекуперативных приводов.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задачи использованы методы теоретической механики, теории колебаний, дифференциальных уравнений, теории механизмов, робототехнических систем и математического моделирования динамических систем с использованием возможностей современных ЭВМ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы построения мехатронных- пневматических рекуперативных приводов для возвратно- поступательных перемещений с использованием пружинных аккумуляторов, имеющих нелинейные силовые или моментные характеристики в функции от параметра перемещения.

2. Математические модели в виде уравнений движения мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательных перемещений, на основании которых разработаны алгоритмы проектирования и выбора конструктивных параметров рассматриваемого класса приводов.

3. Основные зависимости для диссипативных свойств мехатронных рекуперативных приводов на базе нелинейных пружинных аккумуляторов, даны рекомендации по снижению диссипативных потерь в рассматриваемых приводах.

4. Способы построения систем компенсации диссипативных потерь для мехатронных рекуперативных приводов и показаны примеры их реализации.

Практическая ценность работы. Предложены новые схемы мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательных перемещений на базе нелинейных пружинных аккумуляторов, которые позволили уменьшить габаритные размеры привода в направлении рабочего хода при одновременном снижении энергозатрат. Для пружинных аккумуляторов с выходным поворотным звеном, имеющим два положения неустойчивого равновесия, предложены технические решения, позволяющие обойтись без фиксаторов в крайних положениях и не изменяющие текущую конфигурацию привода при падении, например, давления в пневмосети. Предложены варианты систем компенсации диссипативных потерь в мехатронных рекуперативных приводах. Результаты работы могут являться основой конструкторских разработок.

Основные тезисы работы:

1. Уменьшение энергозатрат

2. Снижение габаритов в направлении движения рабочих органов

3. Создание благоприятных динамических режимов (не требуются амортизаторы)

4. Отсутствие фиксаторов, ограничивающих ход рабочего органа

Апробация работы. Результаты работы докладывались в Санкт

Петербургском государственном политехническом университете на кафедре «Автоматы», а также на XXXIX международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбГПУ». Действующий образец мехатронного модуля с рекуперативным приводом на базе нелинейного пружинного аккумулятора демонстрировался на выставке «Российский промышленник -2008».

Публикации. По материалу диссертации опубликованы 5 печатных работ, одна из которых опубликована в издании, входящем в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 130 страниц текста, включая 62 иллюстрации, 2 таблицы, приложения на 13 страницах и список литературы из 90 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена конструкция нелинейного пружинного аккумулятора с выходным звеном в виде поступательной пары. Показано, что наилучшие показатели с точки зрения уменьшения габаритных характеристик имеют нелинейные пружинные аккумуляторы с наибольшим коэффициентом удлинения, приближающимся к 5, к тому же, это приводит и к уменьшению работы на компенсацию диссипативных сил.

Мехатронный рекуперативный привод на базе предлагаемого нелинейного пружинного аккумулятора с поступательной парой имеет следующие преимущества:

• Энергосбережение за счет накопления энергии пружиной по сравнению с традиционными приводами без пружинных аккумуляторов.

• Возможность работы при технологической нагрузке, как односторонней, так и двухсторонней.

• Уменьшение массы и габаритных размеров привода в направлении хода рабочего органа и, как следствие, уменьшение установочных площадей.

• Использование привода для нескольких точек позиционирования.

• Для некоторых операций при отсутствии управляемого выстоя (например, механизм раскатки тестовых заготовок) использование углового смещения и силовых импульсов в начале и конце хода.

• Различные варианты компоновки.

• Уменьшение хода пневмоцилиндра.

• Увеличение жесткости рабочих органов по сравнению с допустимой поперечнойгнагрузкой.

• Возможность работы в резонансном режиме.

2. Выполнено количественное сравнение различных вариантов конструктивных исполнений НПА по номинальной рабочей операции. Снижение энергозатрат по сравнению со стандартным приводом позволяет уменьшить затраты энергии более чем на порядок.

3. Установлено, что применение НПА с выходным поворотным звеном и углом поворота цтах > 2тг позволяет обойтись без фиксаторов.

4. Показано, что использование нелинейного пружинного аккумулятора с двумя симметричными* пружинами приводит к уменьшению сил трения в г опорах.

5. Предложены- схемные решения систем компенсации диссипативных сил для рекуперативных приводов с НПА.

6. Для задач позиционирования на несколько точек рекомендуется выбирать систему компенсации на базе пневмоцилиндра с тросовым штоком или на базе кулисного механизма с пневмоцилиндром.

7. Даны рекомендации по применению систем компенсации при наличии технологических ограничений на ускорение или на скорость штока пневмоцилиндра.

8. Показано, что для повышения быстродействия1 целесообразно^ использовать мехатронный рекуперативный привод на базе НПА с подачей силового импульса для компенсации диссипативных сил в начале хода.

9. Построены математические модели, описывающие законы движения рассмотренных в работе мехатронных рекуперативных приводов с, предложенными системами компенсации диссипативных сил. Разработаны алгоритмы и программа расчета рекуперативных приводов данного типа.

10. Получены аналитические зависимости, позволившие разработать и предложить методику построения мехатронных рекуперативных приводов для возвратно-поступательного движения на базе нелинейных пружинных аккумуляторов.

110

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

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

3. A.c. 1174327 (СССР).1 Устройство для укладывания изделий в тару/ ОЛ.Пронин, П.А.Распопа// БИ. 1985. - №31.

4. A.c. 126836 (СССР). Устройство' линейного перемещения/

5. A.Б.Бергер// БИ. -1986. -№41.

6. A.c. 1283083 (СССР). Привод перемещения звеньев/Г.Г.Ежов,

7. B.Л.Жавнер, Н.А.Феоктистова // БИ. 1987. - №2.

8. A.c. 1303399 (СССР). Привод робота/Т.С.Акинфиев // БИ. 1987.8.

9. A.c. 1323378 (СССР). Механическая рука/ Л.М.Болотин, А.И.Корендясев, Б.Л.Саламандра, Л.И.Тывес // БИ. — 1987. -№11.

10. A.c. 1325783 (СССР). Механическая рука/ В.В.Зайцев, А.И.Корендясев, И.Л.Митяшин // БИ. 1987. - №12.

11. A.c. 1329961 (СССР). Способ управления резонансным роботом и устройство для его осуществления/ Т.С.Акинфиев, А.О.Шейвехман // БИ. — 1987.-№12.

12. A.c. 1346419 (СССР). Способ управления резонансной-механической рукой/ Т.С.Акинфиев, С.И.Андреев // БИ. 1988. - №2.

13. A.c. 13431498 (СССР). Привод прерывистого вращения. 1988.

14. A.c. 1384820 (СССР). Устройство рекуперации энергии колебательных движений поворотного звена/ Ю.Ю.Гяцявичус, А.А.Милукас, Ю.П. Рудзянскас, Г. Ю. Рудзянскайте // «Изобретения стран мира». — 1988, вып. 90. №7.

15. A.c. 4405774/28 (СССР). Разгружающее устройство для механизмов циклического действия. 1988.

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

17. Акинфиев Т.С., Бабицкий В.И., Крупенин B.JI. Манипуляционные системы резонансного типа// Машиноведение. — 1982. №1. — С.3-8.

18. Акинфиев Т.С., Пожаринский A.A. Динамика манипуляционной системы, управляемой резонансным пневмоприводом// Машиноведение. — 1984. №6. - С.10-15.

19. Акинфиев Т.С., Пожаринский A.A. Динамические свойства резонансной манипуляционной системы с односторонним пневмоприводом// Машиноведение. 1985. - №2. - С.24-30.

20. Акинфиев Т.С., Пожаринский A.A. Динамика и управление в резонансной манипуляционной системе с двухсторонним пневмоприводом// Материалы IX конференции молодых ученых ИМАШ АН СССР. — М., 1983. -5с.- Деп. в ВИНТШ 29.08.83, №478783.

21. Акинфиев Т.С., Пожаринский A.A. Динамика и устойчивость резонансной манипуляционной системы с двухсторонним пневмоприводом. -М.: Машиностроение, 1984. - С.279-286.

22. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, -1959. - 915 с.

23. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т. 3. 7-е изд. М.: Машиностроение, - 1992.

24. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, -1988.-640 с.

25. Аршанский М.М., Шалобаев Е.В. Мехатроника: основы глоссария // Мехатроника, автоматизация, управление, 2001. №4. - С.47-48.

26. Баутин H.H. Динамическая теория часов: Стабилизация периода в колебательных системах с двумя степенями свободы. — М.: Наука, -1986192 с.

27. Белецкий В.Я., Благодарский В.А., Бройдо Б.Е., Шапран В.З. Машины-автоматы и автоматические линии пищевой промышленности. -Киев: Техника, 1967.

28. Бежанов Б.Н., Бушуков В.Г. Производственные машины-автоматы. -М.: Машиностроение, 1973 —360 с.

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

30. Бродовский В.Н., Баранов М.В., Илюхин Ю.В. Мехатронный приводной модуль поступательного перемещения для технологических машин // Мехатроника. 2000. - №4.- С.7-14.

31. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука. -1980. - 976 с.

32. Булгаков Б.В. Колебания. М.: Гостехиздат. - 1954.

33. Бутенин И.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики, т.2. М.: Наука. - 1971.

34. Волков А.Н., Гончаров Б.Н., Дьяченко В.А., Клюкин В.Ю. Целевые механизмы автоматов. Учебн. пособие. Л.: ЛИИ. - 1988.

35. Вульфсон И.И. Динамические расчеты цикловых механизмов. Л.: «Машиностроение». - 1990. - 309 с.

36. Вульфсон И.И., Коловский М.З. Нелинейные задачи динамики машин. Л.: Машиностроение. - 1968. — 281 с.

37. Вульфсон И.И. Колебания в машинах. Учебн.пособие для ВТУЗов. Изд.2-е, доп./ И.И.Вульфсон; СПбГУТД. СПб. - 2006. - 260 с.

38. Гевондян Т.А. Пружинные двигатели, М.: Оборонгиз. - 1956. — 368 с.

39. Демидов C.B., Зомба Г.А., Конюша В.П. Мехатронные обрабатывающие центры на базе мехатронных модулей вращения // Приводная техника. 2003. - №4.

40. Дроздов В.Н., Никифоров В.О., Волков М.А. Математическая модель мехатронного поворотного стола // Электричество. 1997. - №2. -С.42-47.

41. Дубина А.Г. Машиностроительные расчеты в среде EXCEL. СПб: Издательская группа BHV, - 2000.

42. Жавнер В.Л., Смирнов А.Б. Мехатронные принципы проектирования технологического оборудования // Конструктор-машиностроитель. 2008. - №3

43. Иванцова М.А. Формование бараночных изделий: надежность и качество // Кондитерское и хлебопекарное производство. 2010. - №3-4 -С.10-13

44. Илюхин Ю.В. Создание высокоэффективных систем управления исполнительными движениями роботов и мехатронных устройств на основе технологически обусловленного метода синтеза. Диссерт. д.т.н. М.: МГТУ «СТАНКИН». - 2001. - 378 с.

45. Калягина В.И., Ковылин Ю.Я. Экспериментальная проверка некоторых параметров пружинного двигателя, полученных на основе его геометрии. // Известия Томского политехнического института. Т.263 1975. -С.108-112.

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

47. Кащеев В.М., Михеев А.П., Михеева К.Н. Теоретическая механика.// Динамика, вып. 1.- СПб: Изд. СЗПИ. 1971.

48. Колпашников С.Н., Челпанов И.Б. Проблемы метрологического обеспечения испытаний промышленных роботов и гибких производственных систем // Стандарты и качество 1986. - №1.

49. Колчин Н.И. Механика машин. T.l. M.-JL: Машгиз. — 1971. 560 с.

50. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. и др. Манипуляционные системы роботов. -М.: Машиностроение. 1989. - С.279-286.

51. Корендясев А.И., Саламандра Б.Д., Тывес Л.И. Методы расчета быстродействующих роботов с рекуперацией механической энергии// Материалы семинара «Механизация и автоматизация ручного труда» общества «Знание». — М.: МДНТП им. Дзержинского. 1984. — С.14-25.

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

53. 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.

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

55. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000. M.: ДМК-Пресс. - 2001.

56. Курс теоретической механики. // Под ред. К.С. Колесникова. М.: изд. МГУ им. Н.Э. Баумана. - 2000.

57. Лазарев Ю.Ф. MathLAB 5.x. СПб: Издательская группа BHV. -2000. - 384 с.

58. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Краткий курс теоретической физики. Книга 1. Механика. Электродинамика. -М.: Наука. 1969. - 271 с.

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

60. Лепин А.Г. Расчет упругой системы микровыключателей в сборные элементы измерительной техники. Труды НИИ метрологии ВУЗов. Вып.13. -М.: Издание Стандарт. 1977. - С.105-112.

61. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики. М.: Гос. изд. технико-теоретической литературы. - 1955.

62. Лохин В.М., Захаров В.Н. Интеллектуальные системы управления: понятия, определения, принципы построения // Мехатроника. 2001. - №2. -С.27-35.

63. Лысов Н.Ю. Разработка и исследование быстродействующих интеллектуальных приводов мехатронных систем // Мехатроника. 2001. -№2. - С.35-43.

64. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько C.B., Романов М.П. Принципы организации интеллектуального управления мехатронными системами // Мехатроника. 2001. - №1. - С.29-38.

65. Матросов A.C. Maple 6. Решение задач высшей математики и механики. СПб: Издательская группа BHV. - 2001.

66. Механизмы. Справочник. Под ред. С.Н.Кожевникова. М.:

67. Машиностроение». 1976. - 784 с.

68. Мехатроника: Пер. с яп. / Т.Исии, И.Симояма, Х.Иноуэ и др. М.: Мир. - 1988.-С.318.

69. Мехатронные технологические системы: концепция проектирования и применения в современном машиностроении // Приводная техника. 2003. - №4.

70. Нахапетян Е.Г. Диагностирование оборудования гибкого автоматизированного производства. — М.: Наука. — 1985. — 225 с.

71. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука. - 1991.-256 с.

72. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. -М.: Физматиз. 1960. - 193 с.

73. Патент №568346 (Швеция). Механическая рука/ Геран Арвид Хеннинг Риддерстрам. Заявл. 18.02.74, №568346. НКИ // БИ. - 1977. - №29. -С.201.

74. Подураев Ю.В., Кулешов B.C. Принципы построения и современные тенденции развития мехатронных систем // Мехатроника. -2000. №1. - С.5-10.

75. Подураев Ю.В., Серебренный В.В. Анализ и проектирование мехатронных технологических модулей и систем // 2-я Российская мультиконференция по проблемам управления. СПб. - 2008.

76. Пожаринский A.A. Автоматическая настройка пневмоприводов цикловых манипуляторов // Всесоюзное совещание по робототехническим системам и ГАП. — Воронеж. 1984.

77. Полищук М.Н., Попов А.Н., Тимофеев А.Н. Механизмы шаговых перемещений: Учебн. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ. - 1998. - 50 с.

78. Ратмиров В.А. Управление станками гибких производственных систем М.: Машиностроение. - 1987. - 272 с.

79. Сбалансированные манипуляторы И.Л. Владов, В.Н. Данилевский, П.Б. Ионов и др.; Под ред. П.Н. Белянина. М.: Машиностроение, 1988. - 264 с.

80. Снесарев М.Ю. Мехатроника, основные понятия, современный и прогнозируемый уровень мехатронных систем // Энциклопедия: Машиностроение. T-III-8. -М.: Машиностроение. 2000. - С.714-730.

81. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. М.: Гос. изд. технико-теоретической литературы. - 1951.

82. Тимошенко С.П. Теория колебаний в инженерном деле. М.-Л.: ГНТИ.- 1932. -344 с.

83. Феоктистова H.A. Гидромеханические рекуперативные приводы промышленных роботов для механизации погрузо-разгрузочных работ:

84. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук: 05.02.05/ Ленинградский политехнический институт. — Л.: 1988. — 18 с.

85. Цейтлин Я.М. Упругие кинематические устройства. — М.: Машиностроение. — 1972. 296 с.

86. Челпанов И.Б. Устройство промышленных роботов. СПб: Политехника. - 2001.

87. Шувалов В.Н. Машины-автоматы и поточные линии пищевой промышленности. М.: Машиностроение. - 1966.

88. Щепетильников В.А. Уравновешивание механизмов. — М.: Машиностроение. — 1982. 256 с.

89. Юдовский И.Д. Рекуперативный маховичный привод для непрограммируемых автоматических манипуляторов // Вестник машиностроения. — 1985. №4.

90. Яблонский A.A., Норейко С.С. Курс теории колебаний. Учебное пособие для студентов втузов. Изд.З-е, испр. и доп. М.: Высшая школа. -1975.

91. Яблонский A.A. Курс теоретической механики, ч.2. М.: Высшая школа. - 1976.

92. U. S. Patent 4094338, June 13. 1978.

93. ВИНТОВЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПРУЖИНЫ СЖАТИЯ И РАСТЯЖЕНИЯ

94. ПАРАМЕТРЫ ПРУЖИН (таблица 1) Пружины сжатия и растяжения класса, разряда I (по ГОСТ 13766—86)

95. Материал: проволока класса 1 по ГОСТ 9389—75 диаметром от 0,2 до 5 мм

96. Сила F3 Диаметр, мм Наибольший прогиб одного витка S3, мм

97. Номинальная рабочая операция

98. Рис.1. Внешний вид автомата Б4-58

99. Рис.2. Внешний вид рабочего органа автомата Б4-58

100. Привод автомата Б4-58 для изготовления тестовых заготовок бараночных изделий до модернизации представляет собой совокупность кулачково-рычажных механизмов.

101. Циклограмма рабочего органа автомата изображена на рис.З(а). На Рис.З(б) показана работа привода на преодоление рабочей нагрузки, связанной с выполнением технологического процесса.а)

102. Рис.3, (а) Циклограмма работы рабочего органа автомата Б4-58, (б) Затраты энергии на преодоление приводом автомата Б4-58рабочей нагрузки

103. Расчет мехатронного рекуперативного привода на базе линейного пружинного аккумулятора для номинальнойрабочей операции

104. Параметры базового линейного аккумулятора (рис.1), выполняющего номинальную рабочую операцию, определяются следующим образом. Коэффициент трения принят равным / = 0,05. Коэффициент рассеяния ^ = 0,015.1.МММт1. ТГГ1о1. Хтттпружина растянутапружина сжатаК

105. Рис.1. Схема базового линейного пружинного аккумулятора1. Жесткость пружиныс-т1. V ' У253,14 0,36у1902 н/м

106. Максимальное усилие пружины Рпп=с • хтах = 1902 0,155 = 295 Нпр

107. Максимальная накопленная потенциальная энергия12 """ 2

108. Утах=^-х2тах =1.1902-0,1552 = 22,8 Дж

109. Данные параметры обеспечивают требуемое время перемещения, равное:

110. Работа привода на преодоление диссипативных сил

111. Работа на преодоление внутреннего трения пружины

112. А1 =0,5'у/'С'Х2тах=0,5' 0,015 • 1902 • 0,1552 = 0,34 Дж

113. Работа сил трения в шарнирных соединениях ПА А2 =0 Дж

114. Работа сил трения в направляющих ПА А3=т&-2Хпшх=25-9,8-0,05-2-0,155 = 3,8 Дж 4.3. Суммарная работа

115. А = А1 +А2+А3 =0,34 + 3,8 = 4,14 Дж

116. Мощность, потребляемая извне

117. Определение параметров электромеханического привода, имеющего постоянный закон ускорения, для номинальной рабочей операции

118. Параметры стандартного электромеханического привода без пружинного аккумулятора, выполняющего номинальную рабочую операцию, определяются следующим образом. Коэффициент трения принят равным / = 0,05. Коэффициент рассеяния у/ = 0,015 .1. Работа привода

119. Работа на преодоления сил трения в направляющих А1=т&'хпшх=25>9,8-0,05-0,31 = 3,8 Дж

120. Работа на разгон и торможение массы1. А>=8т*-?=2-25-Ш=37 Д13. Суммарная работа

121. А = А1+А2 =3,8 + 37 = 40,8 Дж2. Мощность внешнего привода1. А 40,81. N = — =-= 113,3 вт0,36

122. Расчет мехатронного рекуперативного привода на базе нелинейного пружинного аккумулятора для номинальной рабочей операции

123. Диаметр оси шарнирного соединения принимается по ГОСТ 365-54 «Шарнирные подшипники для подвижных соединений» с1 = 5 мм. Коэффициент трения / = 0,05. Коэффициент рассеяния у/ = 0,015 .77771. От