Визначення найбільш важливих фаз роботи поршневого приводу із захватними пристроями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України «КПІ ім. Ігоря Сікорського»

Визначення найбільш важливих фаз роботи поршневого приводу із захватними пристроями

Носко Сергій Вікторович

кандидат технічних наук, доцент

Костюк Дмитро Вікторович

кандидат технічних наук, доцент

Анотація

Проведено аналіз опублікованих розрахунково-теоретичних робіт, що присвячені динамічним розрахункам пневматичних приводів. При дослідженні визначалися найбільш важливі фази спрацьовування пневматичного циліндра односторонньої дії із захватними пристроями. Показано, що будь-які зміни умов роботи пневмоприводу порівняно з номінальними (коливання тиску в мережі, сил опору, динамічних навантажень) призводить до відхилення реального закону руху поршня від заданого, на який розраховувався пневматичний циліндр. Розбіжність може бути значним, причому усунути його дуже важко, якщо умови роботи приводу змінюються безперервно. Показано на доцільність використання у маніпуляційних приводах вакуумних захватних пристроїв. Встановлено, що розрахунок параметрів і проектування високошвидкісних, типових пневмоприводів та приводів із вакуумними захватами значно відрізняються. Показано, що на відміну від пневмоциліндрів механічних захватних пристроїв для яких важлива заключна фаза циклу спрацьовування, на якій поршень в кінці ходу вже нерухомий, але тиск в робочий порожнині зростає і відповідно збільшується зусилля на штоку, для приводів з вакуумними захватними пристроями, ця фаза не враховується. Обґрунтовано вибір математичної моделі і методики розрахунку перехідних процесів пневматичних приводів односторонньої дії. З'ясовано, що рішення системи диференційних рівнянь можливо тільки за допомогою методів чисельного інтегрування. Модель передбачає запис рівняння руху поршня циліндра, доповненого рівнянням, що описує зміну тиску в робочій порожнині циліндра з подальшим моделюванням на ЕОМ. В рамках математичної моделі проводилось дослідження фаз спрацьовування пневматичного циліндра односторонньої дії всі результати моделювання показані в інтервалах часу, необмеженому періодом руху поршня (тобто підготовчий та заключний періоди розглядались).

Ключові слова: пневматичний циліндр односторонньої дії, захватні пристрої

Nosko Serhiy Viktorovich Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, National Technical University of Ukraine “KPI im. Igor Sikorsky"

Kostyuk Dmytro Viktorovich Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, National Technical University of Ukraine “KPI im. Igor Sikorsky"

IMPORTANCE OF THE MOST IMPORTANT PHASES OF ROBOTIC PISTON DRIVE WITH GRIPPING DEVICES

Abstract

An analysis of published developmental and theoretical work has been carried out, which is dedicated to the dynamic development of pneumatic drives. During the investigation, the most important phases of the production of a one-way pneumatic cylinder with gripping devices were identified. It is shown that any changes in the minds of the robot, the pneumatic drive is equal to the nominal ones (press pressure in the limit, support forces, dynamic pressure) to achieve the real law of rotation of the piston from the given one, for which pneumatic cylinder is designed. Disintegration can be significant, and it is even more important to remove it, since the brain and drive are constantly changing. The effectiveness of the action in the manipulation drives of vacuum gripping devices has been demonstrated. It has been established that the development of parameters and design of high-pressure, standard pneumatic drives and drives with vacuum grippers are significantly different. It is shown that when replacing pneumatic cylinders of mechanical gripping devices, the final phase of the application cycle is important, in which the piston at the end of the stroke is already undisturbed, but the pressure in the working empty stage increases and increases. but the force on the rod increases, for actuators with vacuum gripping devices, this phase is not take insurance. The selection of a mathematical model and methodology for the development of transient processes of pneumatic drives of one-sided action has been established. It is clear that the solution to the system of differential equations is only possible using additional methods of numerical integration. The model transmits a record of the equalizer to the piston cylinder, supplemented by the equalizer, which describes the change in the vice in the working empty cylinder with further modeling on the EOM. Within the framework of the mathematical model, the phases of operation of the one-way pneumatic cylinder were monitored and all the results of the modeling were displayed at intervals of an hour not adjacent to the period of piston collapse (then the preparatory and final periods were considered).

Keywords: single-acting pneumatic cylinder, gripping device.

Вступ

Постановка проблеми. Пневматичні приводи набули широкого застосування при автоматизації виробничих процесів у різних галузях промисловості, таких як машинобудування та верстатобудування, гірничодобувна, нафтовидобувна, нафтопереробна та хімічна промисловості, застосовується технологічне обладнання та роботи з пневмоприводом [1].

В сучасних автоматизованих виробництвах широко застосовуються маніпуляційні механізми з пневматичними захватними пристроями і цикловими приводами, які виконують операції завантаження заготовками основного технологічного устаткування. В сучастних високовиробничих технологіях особливе значення має час спрацьовування пневматичних виконавчих пристроїв. Точність розрахунку повного часу спрацьовування привода, особливо важлива, коли в виробництво впроваджуються автоматичні лінії. Похибка в розрахунках часу спрацьовування пневмопривода тільки на десяті долі секунди знижує продуктивність на 10...20% [2].

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У статті [3] виконані дослідження підкритичного режиму. З метою встановлення стійкості функціонування вищезазначеного приводу досліджено динаміку зміни тиску в його робочих камерах на фазах їх наповнення та спорожнення.

З метою встановлення стійкості функціонування вищезазначеного приводу досліджено динаміку зміни тиску в його робочих камерах на фазах їх наповнення та спорожнення з використанням сталої часу інерційної ланки, величини провідності впускного елемента пневмомеханічної системи керування, коефіцієнта витрат системи повітророзподілу, сталих часу наповнення та спорожнення.

Доведено, що у процесі проведення досліджень варто також враховувати специфіку контактної взаємодії штока клапанного механізму з поршнем-ударником. Адже від надійності спрацювання клапанного механізму на початку фаз впуску-випуску енергоносія істотно залежить надійність машини ударної дії під час її експлуатації.

В роботі [4] наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень циклового пневмопривода при змінних навантаженнях. Уточнена математична модель дозволила враховувати хвилеподібні процеси зміни тиску в порожнинах циліндра. Апробовано оригінальну методику експериментального дослідження динаміки приводу із застосуванням відеозйомки та наступною обробкою інформації відеофайлів спеціальними програмами для побудови графіків перехідних процесів щодо переміщення, швидкості та прискорення вихідної ланки. Встановлено, що з початком збільшення навантаження швидкодія циліндра мало змінюється, що узгоджується з результатами математичного моделювання. Однак при значному збільшенні навантаження час спрацьовування циліндра різко зменшується, так як рух поршня набуває стрибкоподібного характеру.

Враховуючи на те, що складові часу циклу пневматичного приводу мають різну питому вагу загалом прямого ходу. Підготовчий час є найменш тривалим періодом прямого ходу і не перевищує 4,5 % від часу прямого ходу. Заключний час становить 5-18% від часу прямого ходу пневмоприводу.

Тому, в залежності від призначення, умов роботи і параметрів приводу при його спрацюванні кожний із перелічених періодів може опинитися найбільш важливим. Наприклад. для затискних приводів головним є час заключного періоду, а для приводів транспортуючих пристроїв головним є час руху, а час заключного періоду tзак може взагалі не враховуватись.

В приведених вище роботах не приводяться результати дослідження найбільш важливих фаз роботи поршневих приводів односторонньої дії, однак з'ясовано, що розрахунок параметрів і проектування типових пневмоприводів та приводів із захватними пристроями значно відрізняються.

Тому, у роботі розглянуто завдання підвищення технологічних можливостей досліджуваного пневматичного приводу. Плавність ходу і швидкодія приводу в різних робочих режимах при збереженні заданої точності позиціонування.

Мета статті - виявлення найбільш важливих фаз роботи поршневих приводів односторонньої дії із захватними пристроями для підвищення їх технологічних можливостей.

Виклад основного матеріалу

Розглядався пневмоциліндр односторонньої дії, який застосовується в якості транспортуючого приводу для захватних пристроїв. Його розрахункова схема приведена на рис.1. Вихідна ланка циліндра при прямому ході рухається під дією сил стиснутого повітря. Зворотній хід відбувається під дією зворотної пружини. Для управління пневмоциліндром використаний 3/2 - розподільник з пневматичним управлінням. Положення поршня циліндра визначається координатою х.

Рис.1. Розрахункова схема пневматичного циліндра односторонньої дії

поршневий пневматичний привод захватний

Математична модель поршневого привода із зворотною пружиною, в загальному вигляді, представляє систему диференційних рівнянь, що описують рух виконавчого пристроя з урахуванням законів зміни тисків в порожнинах пневмоциліндра, зовнішних навантажень і має вигляд [5]:

Рішення наведеної системи рівнянь (1) в кінцевому вигляді є неможливим, тому зазвичай застосовуються наближені методи чисельного інтегрування.

Програма моделювання перехідних процесів позиційного пневматичного приводу в системі комп'ютерного моделювання MathCAD [6]. Рішення системи рівнянь (2) проводилося за таких основних вихідних даних:

D = 0,06 м - діаметр поршня циліндра; d= 0,04 м - діаметр штока циліндра;

S = 0, 2 м - хід циліндра; Рм = 0,6 МПа - магістральний тиск;

Ра = 1 * 10 ⁵ Па - атмосферний тиск; m = 10 кг - маса рухомих елементів; k= 1,4 - показник адіабати; Р = 30 кг - статичне навантаження; Тм = 293 К - температура стиснутого повітря; р - коефіцієнт витрати;

R = 287 - газова стала, Дж/(кг К); dt = 0.001 - крок інтегрування

Були визначені основні етапи складання програми перехідних процесів в пневмоприводі односторонньої дії.

1. На початку програми задавався крок інтегрування, значення конструктивних параметрів, параметрів навантаження, параметрів газу, а також вироблялись необхідні арифметичні розрахунки.

2. Далі створювався масив, що включав визначаючі змінні. У кожен рядок цього масиву MathCAD були занесені чисельні значення внутрішнього масиву, які заносяться у внутрішній масив на кожному кроці інтегрування. В результаті розмір масиву (кількість осередків) буде залежати від кроку інтегрування і часу перехідного процесу. Розмір масивів MathCAD формує автоматично.

Для даної задачі створювався масив з наступними поточними значеннями змінних: рі - тиск газу в порожнині нагнітання, t - час перехідного процесу, х- координата, швидкість і прискорення руху приводу відповідно. Надалі цей масив у разі використовується для побудови графіків перехідних процесів.

На підставі даних зовнішнього масиву MathCAD були побудувані графіки зміни параметрів пневматичного циліндра односторонноої дії, що входять в цей масив.

Рис. 2. Характер зміни тиску р в робочій порожнині, швидкості V і координати поршня х.

Швидкість поршня (крива V) на початку руху (інтервал часу 2) різко зростає потім повільно змінюється, що відповідає рівномірній зміні швидкості (інтервали часу 3, 4,5). В інтервалі часу 6 прискорення поршня має від'ємне значення, і в кінці ходу з'являється ділянка гальмування рухомих елементів приводу.

На рис. 2 також показано, що тиск у поршневій камері на початку руху різко зростає (інтервали часу 1,2), а потім залишається практично постійним до початку гальмування поршня циліндру ((інтервал часу 6).

Тобто, перехідні процеси приводу, забезпечують задані швидкості переміщення захватних пристроїв з плавною зупинкою на безпечній швидкості і відсутністю при цьому різких коливань швидкості та тиску.

Для виконавчих пристроїв дискретної дії з програмним управлінням в класичній теорії пневмоприводів приймають наступну схему спрацьовування приводу [7]. Циклограма пневматичного привода односторонньої дії з зворотною пружиною показана на рис. 3.

Рис. 3. Циклограма роботи пневматичного циліндра односторонньої дії з зворотною пружиною

В дану циклограму доцільно включати не тільки інтервали часу руху і час технологічного вистою поршня, але і відповідні їм періоди зміни тиску в робочій порожнині циліндра.

У вихідному положенні поршня (рис.3), початком роботи вважається момент подачі керуючого сигналу на переключення пневморозподільника, при якому поршень виконує прямий рух (час прямого руху tnx). Після можливого відстою (технологічний час ігехн) починається зворотній рух поршня (час tnx). Час повного робочого циклу tu= tnx + Ігехн + їпх.

Необхідно зазначити, що фази 5 і 6 приведені на рис. 3 важливі для роботи пневмоциліндрів з механічними захватними пристроями. На цих заключних фазах часу прямого ходу циліндра, поршень вже не рухається, але тиск в робочій порожнині зростає і відповідно збільшується зусилля, яке передається штоком на клиноподібний, важильний або рейковий передаточні механізми захватного пристрою.

Для досліджуваних пневмоциліндрів з вакуумними захватами фази руху 5,6 не важливі і їх можливо не враховувати, тобто прийняти повний час спрацювання циліндра який включає інтервали часу 1 - 4. Як показують розрахунки динамічних характеристик приводів односторонньої дії, час гальмування приводу незначний, але для пневмоциліндрів з вакуумними захватами доцільно проводити розрахунки по визначенню максимально припустимих сил інерції при гальмуванні.

Висновки

На підставі проведених досліджень можна стверджувати, що отримані результати моделювання динамічних параметрів приводу забезпечують ефективну роботу пневматичного циліндра односторонньої дії із вакуумними та механічними захватними пристроями.

Література

1. Костюк В. И., Гавриш А. П. Промышленные роботы: конструирование управление, эксплуатация - Київ. Вища шк. 1985. - 120 с.

2. Соломенцов Ю.М. Основи автоматизації машинобудівного виробництва: підручник для вузів - Київ. Вища школа, 2001. - 312 с-ISBN 5-06-003598-0.

3. Седач В. В. Исследование динамики циклового пневмопривода автоматического оборудования. Вестник Нац. техн. ун-та "ХПИ": сб. науч. тр. Темат. вып.: Технологии в машиностроении. - Харьков: НТУ "ХПИ", 2010. - № 54. - С. 119-124.

4. Стасюк В.М. Динамика подкритического режима пневмомеханических приводов машин ударного действия. Луцкий национальный технический университет «ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ», 2019. - № 15.- С.94-98.

5. Федорец В.О., Педченко М.Н. Гідроприводи та гідропневмоавтоматика./ В. О. Федорец, М. Н. Педченко//- Киев: Вища школа, 1995. - 463 с.

6. Донской А.С. Математическое моделирование в пневматических приводах / А.С. Донской / Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. - 121 с.

7. Федорець В.О., Педченко М.Н., Струтинський В.Б. Гідроприводи та гідропневмоавтоматика: Підручник. - Київ. Вища шк., 1995. - 463 с.

References

1. Kostyuk V.I., & Gavrish A.P. (1985). Industrial robots: design, management, operation [Industrial robots: design, management, operation]. Kiev: Vishcha school. [in Ukrainian].

2. Solomentsov, Yu.M. (2001). Fundamentals of automation of machine-building production: a handbook for universities [Fundamentals of automation of machine-building production]. Kiev: Vishcha School. [in Ukrainian].

3. Sedach, V.V. (2010). Study of the dynamics of a cyclic pneumatic drive of automatic equipment.[Study of the dynamics of a cyclic pneumatic drive of automatic equipment]. Kharkov: NTU “KhPI”. [in Ukrainian].

4. Stasiuk, V.M. (2019). Dynamics of subcritical mode of pneumomechanical drives of impact machines [Dynamics of subcritical mode of pneumomechanical drives of impact machines]. Lutsk National Technical University. [in Ukrainian].

5. Fedorets, V.O., & Pedchenko, M.N. (1995). Hydraulic drives and hydraulic pneumatic automation[Hydraulic drives and hydraulic pneumatic automation] Kyiv: Vishcha School. [in Ukrainian].

6. Donskoy, A.S. (2009). Mathematical modeling in pneumatic drives Textbook. allowance. [Mathematical modeling in pneumatic drives Textbook. allowance] St. Petersburg: Polytechnic Publishing House. University. [in Russian].

7. Fedorets, V.O, Pedchenko, M. N., & Strutynsky, V.B. (1995) Hydraulic drives and hydraulic pneumatic automation [Hydraulic drives and hydraulic pneumatic automation] Kyiv: Vishcha school. [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru