автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Методы повышения эксплуатационной эффективности портового манипуляционного погрузчика с пневматическим приводом

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Выбор объекта и направления проведения исследований

1.2. Анализ существующих систем рециркуляции энергии и компенсации динамических нагрузок с целью выявления путей повышения эффективности приводов роботов, внедряемых в перегрузочные работы в портах

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОХОДЯЩИХ В КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЗВЕНЬЯХ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ТИПА МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПОГРУЗЧИКА С ПНЕВМОПРИВОДОМ

Погрузочно-транспортное оборудование, используемое в современном портовом хозяйстве, не решает в полной мере вопросов механизации погрузо-разгрузочных работ. Остаются значительные объемы операций, выполняемых с использованием ручного труда. Определенную роль в механизации этих работ могут сыграть средства робототехники. Однако для создания условий, конкурирующих с ручным трудом, необходимо провести комплекс работ по адаптированию в .техническом и экономическом аспектах традиционного робототехнического оборудования к условиям конкурентного использования в портовых погрузочно-разгрузочных комплексах.

Использование робототехники позволяет решить ряд актуальных вопросов: повышение производительности оборудования; замена ручного труда механизированным на основных и вспомогательных технологических операциях; увеличение загрузки оборудования за счет сокращения организационных потерь, упорядочения планирования и диспетчеризации, повышения ритмичности производства и сокращения простоев; снижение повреждаемости обрабатываемых грузов, повышение стабильности процесса погрузо-разгрузочных работ.

Наибольший эффект роботизации можно достигнуть в условиях интеграции двух направлений: автоматизация обработки информации с помощью ЭВМ, что на сегодняшний день является наиболее развитой областью, и автоматизация технологии производства в направлении создания гибких производственных систем, что является актуальным вопросом и сегодня. Последний компонент позволяет придать погрузочно-разгрузочному процессу свойства технологической и технической гибкости. В случае технологической гибкости появляется возможность перенастройки техпроцесса на погрузку грузов произвольной номенклатуры в пределах установленных значений их характеристик, а в случае обеспечения технической гибкости -быстроты перенастройки перегрузочного процесса на новый вид грузов.

Одним из направлений внедрения робототехники является создание специализированных и специальных промышленных роботов (ПР) модульной конструкции под определенные технологические задачи, что позволяет решать вопросы по таким функциональным элементам как ПР (манипуляторы, устройства передвижения, устройства управления) и роботизированные технологические комплексы (технологические приспособления, оснастка, транспортные системы, системы управления).

Что касается внедрения промышленной робототехники, то эта задача решена на достаточно высоком уровне в машиностроении на обслуживании основного технологического оборудования и на выполнении таких основных технологических операциях, как сварка, нанесение покрытий, сборка и т.д. В речных портах же эта тенденция только начинает приобретать свою актуальность и дальнейшее развитие ее будет зависеть от адаптации существующих робототехнических комплексов (РТК) к условиям портового хозяйства.

Действительно, как показывают исследования с целью возможности использования робототехники на перегрузочных работах в портах [1], здесь появляется ряд вопросов, требующих решения для снижения трудозатрат при выполнении перегрузочных работ на ручных операциях, которые в среднем составляют 25-К30% (а иногда достигают и 50%). С одной стороны, это вызывает необходимость совершенствовать технологию перегрузочных работ, модернизировать эксплуатируемую технику, механизировать неблагоприятные с точки зрения использования ручного труда отдельные стадии разгрузки различных транспортных средств. Но, вместе с тем, остается большое число непосредственных, а так же даже механизированных ручных операций со значительными физическими и психологическими усилиями, ликвидация которых может быть решена средствами автоматизации и механизации.

Однако создание новых систем с учетом требований современных транспортно-погрузо-разгрузочных технологий требует использования более производительного, надежного и менее ресурсоемкого оборудования, позволяя повысить экономическую эффективность и снизить сроки окупаемости робототехнического оборудования от внедрения. А это, в свою очередь, зависит от того, насколько эффективно, производительно и адаптировано к конкретным условиям эксплуатации используемое оборудование.

Наметить пути снижения потерь, энергии при работе манипуляционной системы робота-погрузчика и уменьшить динамическую нагруженность элементов конструкции возможно только при анализе динамики движения механизмов манипулятора и выборе эффективных режимов его работы.

Целью настоящей диссертационной работы является создание приводного звена манипуляционной системы промышленного робота поступательного типа с минимальной энергоемкостью за счет снижения вредных динамических нагрузок системой компенсации энергии, аккумулирующей энергетические всплески поступательного привода в момент остановки с отдачей накопленной энергии системе «цилиндр-компенсатор». В качестве компенсирующего энергию элемента используется механические накопители.

Целью исследований является модернизация и адаптация к условиям эксплуатации современных портов пневматических роботов погрузчиков на базе углубленного их исследования и создания дополнительных модулей к стандартному оборудованию, повышающих основные технологические показатели.

Работа носит теоретико-экспериментальный характер.

Научная новизна работы:

1. Составлены модели и дано математическое описание с учетом упруго-гистерезисных свойств рабочей среды поступательных кинематических звеньев манипуляторов с пневматическим приводом, оснащенных пружинным накопителем энергии и рекуперативно-тормозным блоком, разработана методика компьютерных исследований динамики этих моделей.

2. Разработана компьютерная методика расчета, выбора эффективных режимов работы и проектирования поступательных кинематических звеньев манипуляторов с пневматическим приводом, оснащенных модулем рекуперативно-тормозного блока.

3. Разработана методика компьютерных исследований с использованием аналого-цифрового преобразователя динамики промышленного робота, обработки и сопоставления с результатами математического эксперимента полученной информации в цифровом виде.

Достоверность результатов исследований подтверждена адекватностью (корреляцией) результатов теоретических исследований экспериментальными данными, полученными на натурном образце -поступательном звене механизма выдвижения руки манипулятора пневматического промышленного робота ПР10И с цикловой системой управления.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- решен комплекс проблем и созданы практические предпосылки для обеспечения эффективного использования РТК в портовом погрузо-разгрузочном комплексе;

- разработана система компенсации динамических нагрузок в момент остановки системы;

- разработан рекуперативно-тормозной блок для модернизации существующих систем и дана методика расчета таких систем;

- сформирована инженерная методика и программный продукт, адаптированный к уровню проектировщиков, для выбора параметров пневмопривода поступательных кинематических звеньев роботов-погрузчиков.

В принципиальном плане практическое значение работы состоит в том, что реализация выполненных разработок способствует решению проблемы эффективного использования роботизации погрузо-разгрузочных технологий в портовом хозяйстве. На защиту выносится:

1. Решение комплекса вопросов (проблем) по обеспечению условий эффективного применения пневматических роботов-погрузчиков в портовом хозяйстве.

2. Разработка модели и математическое описание поступательных кинематических звеньев манипуляторов с пневматическим приводом, оснащенных пружинным накопителем энергии и рекуперативно-тормозным блоком, разработанная методика компьютерных исследований динамики этих моделей.

3. Разработка компьютерной методики расчета, выбора эффективных режимов работы и проектирования поступательных кинематических звеньев манипуляторов с пневматическим приводом, оснащенных модулем рекуперативно-тормозного блока.

4. Разработка методики компьютерных исследований с использованием аналого-цифрового преобразователя динамики промышленного робота и обработки полученной информации в цифровом виде.

5. Созданная методика расчета пневматических приводов поступательного типа с учетом упруго-гистерезисных характеристик рабочей среды и компенсационных свойств накопителя энергии.

6. Решенный комплекс проблем и созданые практические предпосылки для обеспечения эффективного использования РТК в портовом погрузо-разгрузочном комплексе.

7. Разработанная система компенсации динамических нагрузок в момент остановки системы.

8. Разработанный рекуперативно-тормозной блок для модернизации существующих систем и дана методика расчета таких систем.

9. Программный (оригинальный) продукт для расчета и выбора эффективных режимов работы поступательных кинематических звеньев роботов-погрузчиков с пневматическим приводом.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на:

- Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1997 года в МГТУ им. Н.Э. Баумана;

- Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1998 года в МГАВТ;

- Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1999 года в МГУПС (МИИТ);

- XXI научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московской Государственной академии водного транспорта 1999 года в МГАВТ;

- Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортная техника» 2000 года в МГСУ;

- Заседании технического совета Московского Южного речного порта. Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций:

Достоверность результатов исследований динамики движения поступательного звена робота погрузчика с пневматическим приводом и компенсационной рекуперативно-тормозной системой обусловлена использованием современной компьютерной программы Math Cad и результатами экспериментальных исследований на промышленном роботе ПР10И, выполненных с использованием аналого-цифрового преобразователя и последующего сравнения на PC ЭВМ результатов математического и натурного экспериментов в цифровой форме.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате проведения комплекса натурных экспериментальных и математических исследований разработаны методы повышения эксплутационной эффективности портовых манипуляционных пневмопогрузчиков с пневматическим приводом в отношении повышения быстродействия, грузозахватности, снижения энергопотребления и динамической нагруженности.

2. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования на промышленном пневматическом манипуляторе по определению рабочих параметров системы поступательных перемещений кинематического звена с пневмоприводом; эксперименты проведены с использованием комплекса датчиков регистрации основных параметров процесса (перемещения, скорости, ускорения, давления, точности позиционирования и др. расчетно-экспериментальные), аналого-цифрового преобразователя и компьютерной обработки полученной информации. Экспериментальные исследования позволили выявить основные недостатки традиционной системы и сформулировать главные задачи ее модернизации.

3. Разработана принципиально-конструктивная схема рекуперативно-тормозного блока и сформирована компьютерная программа его расчета и выбора эффективных режимов работы пневматических манипуляционных погрузчиков в условиях погрузо-разгрузочного портового хозяйства.

Сравнение характеристик пневматического манипуляционного погрузчика традиционного типа без рекуперационно-тормозного блока и модернизированного варианта с системой рекуперации энергии показывает, что модернизированная модификация как при гармоническом возбуждении, так и при бигармоническом отличаются плавностью в работе и существенно более низкими динамическими нагрузками. Анализ показывает также, что модернизированный пневматический погрузчик имеет также существенно более низкий расход энергии. При одинаковом уровне динамической нагруженности у него также выше быстродействие.

1. Составлены расчетные модели и дано математическое описание поступательных пневматических звеньев манипуляторов с пневмоприводом, учитывающие упруго-диссипативные свойства рабочей среды (сжатого воздуха); рассмотрены как традиционные системы, так и комплексы оснащенные пневмо-пружинными накопителями энергии и рекуперативным блоком. С использованием динамических моделей разработана компьютерная методика и сформировано программное обеспечение для выбора эффективных режимов работы и проектирования поступательных кинематических звеньев манипуляционных погрузчиков с пневматическим приводом как традиционной компоновки, так и с рекуперативно-тормозным блоком. Разработанные методы адаптированны к требованиям инженерных расчетов.

1. Отчет о научно-исследовательской работе «Провести исследования и определить сферу применения роботов и манипуляторов на перегрузочных работах в портах», ЛИВТ, Л., 1988 г., № Гос. регистрации 0.186.0055828.

2. Отчет по теме 899 по плану МРФ 6-ЗГ «Разработка системы автоматизированной разгрузки складов (силосов) апатита», ЛИВТ, Л., 1967 г.

3. Отчет о научно-исследовательской работе «Разработать автоматизированную систему управления машинами циклического действия», ЛИВТ, Л., 1987 г., № Гос. регистрации 0186.00558.27.

4. Ю.Г. Козырев «Промышленные роботы. Справочник», М., Машиностроение, 1988 г., 392 с.

5. П. Скотт «Промышленные роботы переворот в производстве», Сокр. перев. с англ. под ред. Л.И. Волчкевича, М., Экономика, 1987 г., 304 с.

6. М.В. Малахов, H.A. Нейбергер, Г.Н. Сидорин «Монтаж, наладка, эксплуатация и ремонт промышленных роботов», М., Металлургия, 1989 г., 224 с.

7. УДК 62-85.001.24, A.A. Парой «К расчету пневмоприводов с торможением», Вестник машиностроения, М., 1995, №5, с. 8-13.

8. Л.М. Виноградов, Ю.Н. Лаптев, С.Г. Телица и др. «Пневмо-гидроаккумуляторы», под ред. проф. Ю.Н. Лаптева, М., Машиностроение, 1993 г., 176 с.

9. Д.М. Беркович, «Силы инерции в технике и их уравновешивание», М., Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Киев, МАШГИЗ, 1963 г., 101 с.

10. Н.В. Гулиа, «Инерция», М., Наука, 1982 г., 152 с.

11. Н. Маховичный, «Накопители энергии», М., Знание, 1980 г., Серия «Техника», №7, 64 с.

12. УДК 621.865.8-8, Е.И. Семенов, М.А. Крючков, А.Ю. Выжигин «Анализ методов увеличения быстродействия пневмоприводов поступательного перемещения промышленных роботов для листовой штамповки», Вестник машиностроения, М., 1996, № 6, с. 38-40.

13. А.Л. Степанов «Портовое перегрузочное оборудование», М., Транспорт, 1996, 328 с.21. «Справочник эксплуатационника речного транспорта», Под ред.ак. С.М. Пьяных, М., Транспорт, 1995, 360 с.

14. И. И. Мачульский, В. П. Запятой, Ю. П. Майров «Робототехнические системы и комплексы», М.: Транспорт, 1999, 446 с.

15. Е. Е. Иванов, С. М. Тихоненков «Выбор параметров уравновешивания шарнирно-балансирных манипуляторов», Вестник машиностроения, 1986, №4, с. 42-44.

16. В. М. Зябликов, В. Ф. Смирнов «Оптимальное построение механических систем и гашение динамических нагрузок», Вестник машиностроения, 1995, №10, с. 3-8.

17. А. Г. Овакимов «Кинетостатика передач манипуляторов сприводными двигателями на основании», Вестник машиностроения, 1997, №4, с. 8-12.

18. К. Л. Навроцкий «Универсальная программа и методика динамического расчета на ЭВМ систем приводов машин», Вестник машиностроения, 1997, №6, с. 24-28.

19. Н. В. Гулиа, А. Г. Серх, В. В. Сергунин «Инерционный накопитель для робототележки», Вестник машиностроения, 1987, №2, с. 18-19.

20. Н. М. Беляев, Е. И. Уваров, Ю. М. Степанчук «Пневмо-гидравлические системы: Расчет и проектирование», М.: Высшая школа, 1988, 272 с.

21. Е. В. Герц «Динамика пневматических систем машин», М.: Машиностроение, 1985, 256 с.

22. А. С. Донской «Моделирование переходных процессов в пневматических системах», Санкт Петербург: Санкт Петербургский Государственный университет технологии и дизайна , 1998, 205 с.

23. И. Юрай «Проектирование гидравлических и пневматических систем», Перевод со словацкого Д. К. Рапопорта, Л.: Машиностроение, 1983, 383 с.

24. М. М. Мордасов, А. В. Трофимов «Анализ и синтез пневматических устройств», М.: Машиностроение, 1999, 100 с.

25. В. А. Федорец, А. В. Педченко, А. В. Кухарец «Расчет пневматических цикловых систем», Киев: Техника, 1981, 184 с.

26. А. И. Добролюбов «Механизмы на гибких и упругих элементах», Минск: Наука и техника, 1984, 120 с.

27. Исследование комбинированной тормозной системы с рекуперацией энергии в условиях переменностимассы.

28. Решение дифференциального уравнения методом Рунге-Кутта

29. Задание исходных параметров системы:

30. С0=104 а = 20 г = 2 кО = 5 1й == 9000 Сс = 100 С = СО + Сссо := 41. Хо т X ;1. Ко1. Хо^1. Со1. Л Л \ <> —X т