Приводы робототехнических систем

Оглавление

 

Введение. 4

Глава 1. Направления развития пневматических приводов робототехнических систем. 5

1.1. Требования к пневматическим приводам и устройствам. 5

1.2. Направления развития пневматических приводов роботов и требования к ним  10

1.3. Пневматические системы автоматизации. 20

Глава 2. Современные промышленные роботы с пневмоприводом. 25

2.1. Область применения пневматических роботов. 25

2.2. Роботы с пневмоприводом. 26

2.3. Электропневматические устройства. 30

Глава 3. Моделирование процессов в пневматических приводах робототехнических систем. 32

3.1. Особенности расчета динамики пневмоприводов. 32

3.2. Моделирование процессов в автоматизированных пневмоприводах. 32

3.3. Оценка результатов. 33

Заключение. 41

Список используемой литературы.. 42

Приложения. 43

 

 

 

Введение

 

Применение роботов в современном промышленном производстве и в строительстве обусловлено, прежде всего, с созданием принципиально новых технологических процессов, не связанных с весьма обременительными ограничениями, налагаемыми непосредственным участием в них человека. При этом имеется в виду как действительно очень ограниченные физические возможности человека (по грузоподъемности, быстродействию, точности, повторяемости и т. п.), так и требуемую для него комфортность условий труда. Сегодня необходимость непосредственного участия человека в технологическом процессе зачастую является серьезным препятствием при интенсификации производства и создании новых технологий. Универсальность роботов дает возможность автоматизировать любые операции, выполняемые человеком, а быстрота перестройки на выполнение новых операций при освоении новой продукции или иных изменениях в производстве позволяет сохранить за автоматизируемым с помощью роботов производством, по крайней мере, ту же гибкость, которую на сегодня имеют только производства, обслуживаемые человеком.

Для достижения указанной цели в работе последовательно рассмотрены основные определения, области применения, устройство, приводы и системы управления современными роботами.

 

 

 

 

Глава 1. Направления развития пневматических приводов робототехнических систем

 

1.1. Требования к пневматическим приводам и устройствам

 

Применение пневматического привода в ПР в качестве исполнительных устройств обусловлено рядом преимуществ, однако использование данного привода при различных схемах управления предъявляет определенные требования к конструкции привода. Задача расчета и выбора исполнительных устройств включает в себя несколько этапов, наиболее важными из которых являются:

  • определение физических параметров н свойств рабочей среды (рабочего тела) – сжатого воздуха;
  • получение исходных значений давления и расхода сжатого воздуха;
  • выбор типа исполнительных устройств и их конструктивных параметров;
  • определение динамических свойств исполнительных устройств н динамики системы управления.

Все пневмоприводы, пневмосистемы и входящие в их состав пневмоустройства должны проектироваться или выбираться с учетом требований стандартов ГОСТ Р 52869-2007, ГОСТ ИСО/ТО 12100-1, ГОСТ ИСО/ТО12100-2 и ГОСТ 18460 так, чтобы они обеспечивали безопасность и надежную работу в пределах ограничений и в предполагаемых случаях их использования, установленных при проектировании.

Особое внимание должно уделяться надежности тех устройств, которые могут вызвать аварийную ситуацию при выходе из строя или ненормальном функционировании.

Пневмоустройства должны выбираться, применяться и устанавливаться в соответствии с требованиями и рекомендациями разработчика этих устройств.

Пневмоприводы, пневмосистемы и входящие в их состав пневмоустройства должны быть спроектированы так, чтобы возможные повышения давления не создавали опасности.

Предпочтительными защитными пневмоустройствами против превышения максимально допустимого давления являются предохранительные клапаны, которые должны ограничивать увеличение давления во всех частях пневмоприводов или пневмосистем более 1,1 Рmax и кратковременные пики давления не более 1,3 Рmax, или должны быть использованы альтернативные устройства, например регуляторы расхода при обеспечении ими ограничения требуемого давления.

Безопасность разрушения пневмоустройств должна обеспечиваться при давлении не менее 2,0 Рmax, а пневмоаккумуляторов - при давлении не менее 4,0 Рном, если не оговорены специальные требования по безопасности разрушения.

Для пневмоустройств, подпадающих под требования ПБ 03-576-2003, следует для проверки прочности применять жидкости (например минеральное масло), не имеющие агрессивных свойств, класс чистоты которых не ниже 14 по ГОСТ 17216.

Все пневмоустройства с целью проверки прочности сборки и монтажа следует проверять пробным давлением (опрессовкой) – плавным повышением давления до величины 1,5 Рном, но не более максимального значения давления, а пневмоглушители, устанавливаемые на выхлопе в атмосферу, - при давлении не менее номинального значения давления в пневмоприводе. Время плавного повышения давления должно быть не менее 2 мин, выдержки под пробным давлением - не менее 3 мин, затем давление постепенно снижают до номинального и осматривают пневмоустройство без обстукиваний. При этом на деталях пневмоустройств не должно быть разрывов, видимых деформаций и других повреждений. По окончании осмотра давление плавно снижают.

Пневмоприводы, пневмосистемы и входящие в их состав пневмоустройства должны быть спроектированы так, чтобы возможные внешние и внутренние утечки не создавали опасности.

Значения внешних утечек (степень негерметичности) устанавливают в нормативной документации на испытываемые изделия в диапазоне значений давления от Рном до Рmax.

Неподвижные соединения, наружные стенки, сварные и резьбовые соединения пневмоустройств должны быть герметичными в диапазоне давлений от минимального до 1,5 (опрессовка), но не более максимального значения, оговоренного в нормативной документации на испытываемые изделия.

Герметичность проверяют методом, установленным в технической документации изготовителя и ГОСТ 24054.

Конкретное время из указанных временных интервалов проведения испытаний и способ контроля устанавливают в документации изготовителя. Проверка герметичности должна проводиться по окончании приемо-сдаточных испытаний.

Если при снижении давления создается опасность для обслуживающего персонала или существует угроза аварии машины, в состав которой входит пневмопривод (пневмосистема), то должна быть предусмотрена блокировка, обеспечивающая автоматическое прекращение работы машины (агрегата) с подачей светового или звукового сигнала. При этом не должны отключаться пневмоустройства (зажимные, тормозные устройства и т.п.), перерыв в работе которых может привести к травмированию обслуживающего персонала.

Пнеемопривод, пневмосистема и все входящие в них пневмоустройства не должны вызывать опасности при снижении параметров питающей энергии при включении и отключении энергоснабжения или управления. При включении все управляющие устройства должны находиться в исходном положении, не обеспечивающем подачу пневматической энергии к рабочему органу, а при отключении - останавливаться и возвращаться в исходное положение по команде оператора.

На пневмоприводах и пневмосистемах применяемое электрооборудование и заземление (в том числе устройства защитного отключения) должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.007.0.

Степень защиты электрооборудования пневмоприводов и пневмосистем определяется по правилам устройства электроустановок (ПЭУ).

Электрооборудование тех пневмоприводов (пневмосистем), где в качестве рабочей среды используются взрывоопасные газы, должно иметь степень защиты не ниже IP44 по ГОСТ 14254.

Система управления пневмоприводов (пневмосистем) должна быть спроектирована так, чтобы воспрепятствовать непреднамеренным опасным движениям, недопустимой последовательности функций приводов, что должно обеспечиваться на всех этапах производственного процесса конкретной машины (агрегата).

Конструкцией пневмоприводов, пневмосистем, входящих в их состав пневмоустройств и пневмолиний должно быть предусмотрено обеспечение доступности к органам управления, местам регулирования и настройки, наружного осмотра и обслуживания, а также возможности удобной замены быстроизнашивающихся деталей и проведения технического обслуживания в минимальное время.

Конструкцией пневмоприводов, пневмосистем и входящих в их состав пневмоустройств должно быть предусмотрено обеспечение надежной фиксации и возможности опломбирования или запирания регулирующих элементов встроенным замком для предотвращения постороннего вмешательства, самопроизвольного или случайного включения.

При возникновении опасной ситуации должно автоматически происходить полное отключение пневмоприводов (пневмосистем) устройствами аварийного отключения от источника энергии, обеспечение самофиксирования рабочих органов в выключенном состоянии и должна автоматически происходить нейтрализация накопленной в пневмоприводах (пневмосистемах) энергии при останове, не должен происходить самозапуск, а переключатель вида работ в сложившейся ситуации должен находиться в закрытом состоянии.

Для фиксирования в заданном положении выходных звеньев пневмодвигателей должны быть установлены фиксирующие устройства (если необходимо).

На пульте управления машин с пневмоприводами, для которых предусмотрен общий останов, должен находиться орган управления "Стоп общий" красного цвета.

При наличии нескольких пультов управления каждый пульт должен быть оснащен устройством для аварийного отключения, блокировками, исключающими возможность одновременного управления с различных пультов, и сигнализацией, указывающей использованное для выключения системы аварийное устройство.

При наличии нескольких командных устройств должны быть обеспечены условия однозначности подаваемых команд и безопасности пуска с любого из них.

Для световых сигналов или цветовой индикации на пульте управления следует применять следующие цвета:

  • красный - для обозначения аварийных и отключающих органов управления и для сигнальных элементов, извещающих о нарушении работы пневмоприводов или условий безопасности;
  • зеленый - для сигнальных ламп, извещающих о нормальной работе пневмоприводов.

На рисунке 1 приведена функциональная система манипулятора.

 

Вход

Механизмы движения

Аппаратура наблюдения

Механический схват

Источник питания

Запоминающие устройства

Устройство для управления вычислительной машиной

 

Рисунок 1 –  Функциональная система манипулятора

 

 

1.2. Направления развития пневматических приводов роботов и требования к ним

 

Пневмопривод – это привод, в состав которого входит пневматический механизм, в котором рабочая среда находится под давлением, с одним или более объемными пневмодвигателями. [ГОСТ 17752-81, статья 1]

Пневмопривод одной степени подвижности содержит двигатель, распределительное устройство и регулятор скорости. Двигатель может быть поступательного движения — пневмоцилиндр и поворотный. Пневмоцилиндр состоит из гильзы, выполненной из прецизионной трубы обычно с фторопластовой накладкой внутри, поршня с резиновым уплотнением, которое имеет малое трение по фторопласту, и штока. В пневмоцилиндры обычно встроен также тормоз, включающийся в конце хода поршня. Поршень со штоком, который присоединен к нагрузке двигателя, движется под действием сжатого воздуха, подаваемого в полость цилиндра с одной стороны поршня. Полость, расположенная с другой стороны поршня, соединяется с атмосферой для выпуска воздуха, сжимаемого движущимся поршнем. Направление движения поршня со штоком зависит от того, с какой стороны от поршня подается сжатый воздух. Поворотные пневматические двигатели, применяемые в роботах, имеют ограниченный угол поворота (неполноповоротные двигатели). Их подвижная часть представляет собой лопасть, укрепленную на выходном валу и расположенную в кольцеобразном корпусе. Внутри корпуса имеется перегородка, с двух сторон которой получаются полости для воздуха, разделенные подвижной лопастью. Существуют также поворотные пневматические двигатели, состоящие из пневмоцилиндров и механической передачи типа рейка-шестерня, которая преобразует поступательное движение рейки в поворот шестерни. Пневматические двигатели работают на сжатом воздухе давлением 0,3—0,6 МПа. Распределительное устройство пневмопривода служит для управления подачей воздуха в двигатель. Выполняют его из золотников или клапанов обычно с электромагнитным приводом, управляющие сигналы на которые поступают от устройства управления робота.

Регулятор скорости привода поддерживает заданную скорость его движения путем стабилизации расхода воздуха, подаваемого в двигатель (например, с помощью дросселя с обратным клапаном). Сжатый воздух поступает на приводы робота от общего блока питания, который состоит из аппаратуры подготовки воздуха и редуктора. Подготовка воздуха заключается в его очистке от влаги и механических примесей и внесении распыленного масла для смазки трущихся поверхностей в приводе. Редуктор обеспечивает поддержание определенного давления воздуха на входе привода. Сжатый воздух на вход блока питания поступает из общей пневмосети, сформированной на основе компрессора (компрессорной станции). Как было указано, в настоящее время подавляющее большинство пневмоприводов роботов имеют цикловое управление, которое еще называют управлением позиционным по упорам. При таком управлении привод перемещается из начального положения сразу в конечное, которое определяется механическим упором, установленным на подвижной части привода (на штоке пневмоцилиндра или выходном валу поворотного двигателя). Упор находит на демпфер, с помощью которого осуществляются гашение энергии движения и безударное торможение привода. Одновременно с этим прекращается подача воздуха в двигатель. Демпферы применяют в основном гидравлические, а для маломощных приводов — более простые пружинные. Прибегают также к способу торможения противодавлением, при котором демпфера не требуется, а торможение происходит за счет переключения подачи воздуха в момент торможения из одной полости двигателя в другую, выхлопную полость, т. е. встречно движению поршня (или лопасти в поворотном двигателе). Программирование перемещения осуществляется перестановкой упора.

Благодаря тому, что конечное положение двигателя определяется механическим упором, приводы с цикловым управлением имеют значительно более высокую точность, чем при обычном позиционном управлении (погрешность 0,1 мм и менее), повышенное быстродействие (скорость перемещения до нескольких метров в секунду).

Разработаны конструкции пневмоприводов с несколькими выдвижными упорами, которые последовательно по программе выставляются на пути упора, укрепленного на подвижной части двигателя. В результате осуществляются торможение и позиционирование привода в промежуточных точках, определяемых положением этих выдвижных упоров.

Такой способ позиционирования может быть реализован, например, с помощью размещенного вдоль пневмоцилиндра барабана с упорами. Упоры расположены по длине барабана со смещением относительно друг друга по углу в плоскости, перпендикулярной к оси барабана, как бы по винтовой траектории. В результате при повороте барабана на пути упора, перемещающегося со штоком двигателя, последовательно оказываются упоры барабана от первого до последнего. Движение барабана, естественно, должно быть строго синхронизировано с движением штока двигателя.

Существуют также конструкции подобных приводов с выдвижными упорами, снабженными индивидуальными приводами. Позиционирование пневмоприводов в промежуточных точках может осуществляться помимо выдвижных упоров с помощью обычного позиционного управления двигателем с применением обратной связи по положению. Однако точность при этом существенно ниже, чем в точках, фиксируемых упорами. Минимальная дискретность точек позиционирования пневмоприводов и, соответственно, наибольшее число таких точек на заданном пути ограничены конечным путем торможения, который при скорости около1 м/с может достигать 100 мм.

Для повышения точности позиционирования в промежуточных точках пневмоприводы снабжают тормозом (обычно электромагнитным). Пока в мире созданы всего несколько марок пневматических промышленных роботов с позиционным управлением.

Работа исполнительных приводов в составе манипуляционных роботов по сравнению с другими устройствами имеет ряд особенностей:

1. Момент инерции и величина нагрузки, прикладываемой к валу или штоку двигателей, взаимосвязаны с изменяющейся в процессе работы конфигурацией манипулятора.

2. Частые остановки создают неравномерный характер работы, и следовательно, необходимость смены режимов пуска и торможения. При этом должны выполняться требования, предъявляемые к быстродействию и точности работы манипулятора.

3. Конструкция манипулятора часто предполагает пространственное разнесение исполнительного двигателя и звена манипулятора, а также удаленность двигателя от управляющего устройства на значительные расстояния. Кроме этого, отработка перемещения звеньев должна иметь не колебательный характер, исключающий удары манипулятора по обслуживаемому оборудованию. Особенности работы исполнительных двигателей роботов связаны и с ограничениями, налагаемыми требованиями безопасности труда. При аварийной остановке манипулятор должен отключиться, а механическая рука — зафиксироваться в неподвижном состоянии.

Привод, как известно, включает в себя, прежде всего двигатель и соответствующее устройство управления. Кроме этого, в состав привода могут входить различные механизмы для передачи и преобразования движения (редукторы, преобразователи вращательного движения в поступательное и наоборот), тормоз и муфта.

К приводам, применяемым в роботах, предъявляют весьма жесткие специфические требования. В связи с необходимостью их встраивания в подвижные части робота — в манипуляторы и устройства передвижения — габариты и масса приводов должны быть минимальными. Приводы в роботах работают в основном в неустановившемся режиме и с резко переменной нагрузкой. При этом переходные процессы в них должны быть практически не колебательными.

Важными параметрами приводов роботов являются также надежность, стоимость, удобство эксплуатации. Требования, предъявляемые к их способу управления, быстродействию и точности, непосредственно определяются соответствующими требованиями к роботу в целом. В частности, обычно требуется, чтобы скорость поступательного движения приводов роботов на выходе составляла 0,5—1,5 м/с при погрешности отработки перемещения в долях миллиметра.

В роботах нашли применение практически все известные типы приводов: электрические, гидравлические и пневматические; с поступательным и вращательным движением; регулируемые (по положению, скорости и т. д.) и нерегулируемые; замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые; непрерывного и дискретного действия (в том числе шаговые).

Около 40 % роботов в мире выполнены на пневматических приводах, примерно столько же — на гидравлических, а остальные 20 % — на электрических, причем доля последних неуклонно растет. Широкое распространение пневматических приводов в робототехнике объясняется их простотой, дешевизной и надежностью. Правда, эти приводы плохо управляемы и поэтому используются в основном как нерегулируемые с цикловым управлением. Кроме того, пневматические приводы применяют только для роботов небольшой грузоподъемности—до10, реже 20 кг. Однако в связи с тем, что развитие робототехники, естественно, началось с освоения наиболее простых и легких роботов, пневматические приводы сразу же получили в них широкое распространение. А так как в промышленности, где используется основная часть парка роботов, такие простые и дешевые роботы оказались очень эффективны и требуются все в большем количестве, доля пневматических роботов в общем парке роботов продолжает сохраняться на указанном выше уровне, несмотря на появление и быстрое развитие более совершенных роботов других типов.

Гидравлические приводы наиболее сложны и дорогостоящи по сравнению с пневматическими и электрическими. Однако при мощности 500—1000 Вт и выше они обладают наилучшими массогабаритными характеристиками и поэтому являются основным типом привода для тяжелых и сверхтяжелых роботов. Гидравлические приводы хорошо управляются как в позиционном, так и в контурном режиме. Благодаря последнему обстоятельству гидравлический привод нашел применение и в роботах средней грузоподъемности, когда требуются высокие динамические характеристики.

Сравнительно скромные позиции, которые занимает на сегодня в робототехнике электрический привод, несмотря на его хорошую управляемость, простоту подвода энергии, значительно больший КПД и удобство эксплуатации, объясняются тем, что он имеет худшие массогабаритные характеристики, чем пневматический и гидравлический приводы. Увеличение в последние годы доли электромеханических роботов в общем парке роботов в мире продиктовано именно быстрым прогрессом в развитии новых типов электрических двигателей, специально предназначенных для роботов и позволяющих создавать для них все более компактные комплектные приводы всех требуемых типов.

Основная область применения электрических приводов в робототехнике на сегодняшний день — это роботы средней грузоподъемности (десятки килограмм), легкие роботы с позиционным и контурным управлением и тяжелые, прежде всего подвижные роботы, с цикловым и простым позиционным управлением, когда они оказываются выгоднее гидравлических.

Для иллюстрации сказанного на рисунке 1 и 2 приведены обобщенные сравнительные характеристики различных типов приводов роботов по удельной мощности и стоимости. При расчете удельной мощности пневмоприводов учитывалась масса аппаратуры подготовки воздуха, а гидроприводов — масса гидростанции, которые входят в конструкцию роботов.

 

Рисунок 1 – Удельная мощность электрических Э, гидравлических Г и пневматических П приводов в зависимости от их абсолютной мощности

 

Рисунок 2 – Стоимость электрических Э, гидравлических Г и пневматических П приводов в зависимости от их мощности

Пневмопривод – это привод, в состав которого входит пневматический механизм, в котором рабочая среда находится под давлением, с одним или более объемными пневмодвигателями. [ГОСТ 17752-81, статья 1]

Пневмопривод одной степени подвижности содержит двигатель, распределительное устройство и регулятор скорости. Двигатель может быть поступательного движения — пневмоцилиндр и поворотный. Пневмоцилиндр состоит из гильзы, выполненной из прецизионной трубы обычно с фторопластовой накладкой внутри, поршня с резиновым уплотнением, которое имеет малое трение по фторопласту, и штока.

В пневмоцилиндры обычно встроен также тормоз, включающийся в конце хода поршня. Поршень со штоком, который присоединен к нагрузке двигателя, движется под действием сжатого воздуха, подаваемого в полость цилиндра с одной стороны поршня. Полость, расположенная с другой стороны поршня, соединяется с атмосферой для выпуска воздуха, сжимаемого движущимся поршнем. Направление движения поршня со штоком зависит от того, с какой стороны от поршня подается сжатый воздух. Поворотные пневматические двигатели, применяемые в роботах, имеют ограниченный угол поворота (неполноповоротные двигатели). Их подвижная часть представляет собой лопасть, укрепленную на выходном валу и расположенную в кольцеобразном корпусе. Внутри корпуса имеется перегородка, с двух сторон которой получаются полости для воздуха, разделенные подвижной лопастью.

Существуют также поворотные пневматические двигатели, состоящие из пневмоцилиндров и механической передачи типа рейка-шестерня, которая преобразует поступательное движение рейки в поворот шестерни. Пневматические двигатели работают на сжатом воздухе давлением 0,3—0,6 МПа. Распределительное устройство пневмопривода служит для управления подачей воздуха в двигатель. Выполняют его из золотников или клапанов обычно с электромагнитным приводом, управляющие сигналы на которые поступают от устройства управления робота.

Регулятор скорости привода поддерживает заданную скорость его движения путем стабилизации расхода воздуха, подаваемого в двигатель (например, с помощью дросселя с обратным клапаном). Сжатый воздух поступает на приводы робота от общего блока питания, который состоит из аппаратуры подготовки воздуха и редуктора. Подготовка воздуха заключается в его очистке от влаги и механических примесей и внесении распыленного масла для смазки трущихся поверхностей в приводе. Редуктор обеспечивает поддержание определенного давления воздуха на входе привода.

Сжатый воздух на вход блока питания поступает из общей пневмосети, сформированной на основе компрессора (компрессорной станции). Как было указано, в настоящее время подавляющее большинство пневмоприводов роботов имеют цикловое управление, которое еще называют управлением позиционным по упорам. При таком управлении привод перемещается из начального положения сразу в конечное, которое определяется механическим упором, установленным на подвижной части привода (на штоке пневмоцилиндра или выходном валу поворотного двигателя). Упор находит на демпфер, с помощью которого осуществляются гашение энергии движения и безударное торможение привода. Одновременно с этим прекращается подача воздуха в двигатель. Демпферы применяют в основном гидравлические, а для маломощных приводов — более простые пружинные. Прибегают также к способу торможения противодавлением, при котором демпфера не требуется, а торможение происходит за счет переключения подачи воздуха в момент торможения из одной полости двигателя в другую, выхлопную полость, т. е. встречно движению поршня (или лопасти в поворотном двигателе). Программирование перемещения осуществляется перестановкой упора.

Благодаря тому, что конечное положение двигателя определяется механическим упором, приводы с цикловым управлением имеют значительно более высокую точность, чем при обычном позиционном управлении (погрешность 0,1 мм и менее), повышенное быстродействие (скорость перемещения до нескольких метров в секунду).

Разработаны конструкции пневмоприводов с несколькими выдвижными упорами, которые последовательно по программе выставляются на пути упора, укрепленного на подвижной части двигателя. В результате осуществляются торможение и позиционирование привода в промежуточных точках, определяемых положением этих выдвижных упоров.

Такой способ позиционирования может быть реализован, например, с помощью размещенного вдоль пневмоцилиндра барабана с упорами. Упоры расположены по длине барабана со смещением относительно друг друга по углу в плоскости, перпендикулярной к оси барабана, как бы по винтовой траектории. В результате при повороте барабана на пути упора, перемещающегося со штоком двигателя, последовательно оказываются упоры барабана от первого до последнего. Движение барабана, естественно, должно быть строго синхронизировано с движением штока двигателя.

Существуют также конструкции подобных приводов с выдвижными упорами, снабженными индивидуальными приводами. Позиционирование пневмоприводов в промежуточных точках может осуществляться помимо выдвижных упоров с помощью обычного позиционного управления двигателем с применением обратной связи по положению. Однако точность при этом существенно ниже, чем в точках, фиксируемых упорами. Минимальная дискретность точек позиционирования пневмоприводов и, соответственно, наибольшее число таких точек на заданном пути ограничены конечным путем торможения, который при скорости около1 м/с может достигать 100 мм.

Для повышения точности позиционирования в промежуточных точках пневмоприводы снабжают тормозом (обычно электромагнитным). Пока в мире созданы всего несколько марок пневматических промышленных роботов с позиционным управлением.

http://www.mani-bo.com/ru/gallery/Img_3255.jpg

Рисунок 3 – Манипулятор с пневматическим приводом

1.3. Пневматические системы автоматизации

 

Пневматика издавна играла важную роль как технология в выполнении механических работ. Он также используется при разработке решений автоматизации. Пневматические системы подобны гидравлическим системам, но в этих системах вместо гидравлической жидкости используется сжатый воздух.

Пневматическая система, это система которая использует сжатый воздух для того чтобы передать и проконтролировать энергию.

Пневматические системы широко применяются в различных отраслях промышленности, начиная от маломощных пневматических систем низкого давления, например, в оптическом оборудовании для проверки внутриглазного давления, и кончая системами большой мощности в пневматических прессах или пневматических бурах для работы с бетоном.

Области применения пневмосистем безграничны: машиностроение, электронная промышленность, автомобилестроение, судостроение, текстильная и легкая промышленность, транспорт, пищевая промышленность, горнодобывающая промышленность, индустрия упаковки, медицина, космические исследования и др.

Популярность пневматических систем объясняется их высокой надежностью, простотой эксплуатации, пожаро–взрывобезопасностью и низкой стоимостью. При этом воздух может использоваться как бесконтактный инструмент в технологических операциях и в операциях контроля и измерения.

В сочетании с электронными системами управления с помощью пневмосистем можно значительно проще решить многие задачи, которые решались ранее другими средствами. Однако низкое быстродействие пневматических систем и сложность реализации заданных законов движения с помощью пневматических приводов во многих случаях ставит под сомнение возможность их применения. Поэтому важно уже на этапе проектирования решить вопрос о принципиальной возможности и эффективности использования пневматической системы.

Преимущества пневматических систем

Пневматические системы широко используются в различных индустриях для управления автоматических машин. Пневматические системы имеют много преимуществ.

Высокая эффективность-неограниченный запас воздуха в атмосфере для производства сжатого воздуха. Также есть возможность удобного хранения в больших объемах. Польза обжатого воздуха не ограничена расстоянием, по мере того как ее можно легко транспортировать через трубы. После пользы, обжатый воздух можно выпустить сразу в атмосферу без потребности обрабатывать.

Высокая стойкость и надежность – пневматические элементы системы весьма прочны и не могут быть повреждены легко. По сравнению с электродвижущими компонентами, пневматические компоненты более долговечны и надежны.

Простая конструкция-конструкции компонентов пневматической системы относительно просты. Они таким образом более соответствующи для пользы в просто системах автоматического управления. Выбор движения как линейное движение или угловое вращательное движение с простыми и непрерывно переменными рабочими скоростями.

Аспекты безопасности-пневматические системы более безопасны чем электродвижущие системы потому что они могут работать в огнеопасной окружающей среде без причинять пожар или взрыв. Кроме того, перегрузка в пневмосистеме приводит только к скольжению или прекращению работы. В отличие от компонентов электродвижущей системы, компоненты пневматической системы не горят и не перегреваются при перегрузке.

Легкий выбор скорости и давления-скорости прямолинейного и колебательного движения пневматических систем легки для того чтобы отрегулировать и подвергнуть к немногим ограничениям. Давление и том обжатого воздуха могут легко быть отрегулированы регулятором давления.

Экологичность - работа пневматических систем не производит загрязняющих веществ. Пневматические системы экологически чисты и с правильной обработкой выхлопного воздуха можно установить к стандартам чистой комнаты. Поэтому, пневматические системы могут работать в окружающих средах которые требуют высокого уровня чистоты. Один из примеров-производственные линии интегральных схем.

Экономично - так как компоненты пневмосистемы не дорогие, то затраты на пневмосистемы довольно низкие. Кроме того, поскольку пневматические системы очень долговечны, стоимость обслуживания значительно ниже, чем у других систем.

Ограничения пневматических систем

Хотя пневматические системы обладают большим количеством преимуществ, они также подвержены нескольким ограничениям. Эти ограничения приведены ниже.

Относительно низкая точность, так как пневматические системы питаются силой, обеспечиваемой сжатым воздухом, их работа зависит от объема сжатого воздуха. Поскольку объем воздуха может изменяться при сжатии или нагревании, подача воздуха в систему может быть неточной, что приводит к снижению общей точности системы.

Низкая нагрузка-по мере того как цилиндры используемые в пневматических системах не очень большие, пневматическая система не может управлять нагрузками которые слишком тяжелы.

Обработка, требуемая перед использованием-сжатый воздух должен быть обработан перед использованием, чтобы обеспечить отсутствие водяного пара или пыли. В противном случае движущиеся части пневматических компонентов могут быстро изнашиваться из-за трения.

Шум-шум обычно производится, когда сжатый воздух освобождается от пневматических компонентов.

Компоненты пневматических систем

Пневматические цилиндры, роторные приводы и моторы воздуха обеспечивают усилие и движение для большой части из пневматических систем, для удерживания, двигать, формировать, и обрабатывать материалов. Для работы и управления этими исполнительными механизмами необходимы другие пневматические компоненты, такие как блоки подачи воздуха для подготовки сжатого воздуха и клапаны для управления давлением, потоком и направлением движения исполнительных механизмов. Основная пневматическая система состоит из следующих двух основных секций.

Система производства, транспортировки и распределения сжатого воздуха

Система потребления сжатого воздуха

Главные компоненты обжатой продукции воздуха, транспорта, и системы распределения состоят из компрессора воздуха, электрического двигателя и управления мотором, переключателя давления, задерживающего клапана, бака для хранения, манометра, автоматического стока, осушки воздуха, фильтров, трубопроводов, и разных видов клапанов.

Главные компоненты пневматической системы состоят из фильтра входа, компрессора, клапана взятия воздуха, автоматического стока, блока обслуживания воздушной среды, дирекционного клапана, приводов, и регуляторов скорости. Основные компоненты пневмосистемы показаны на рисунке 4.

http://ispatguru.com/wp-content/uploads/2015/11/Components-of-a-pneumatic-system.jpg

Рисунок 4 – Основные компоненты пневмосистемы

Фильтр входа также известный как воздушный фильтр использован для того чтобы фильтровать вне загрязняющие элементы от воздуха.

Компрессор воздуха преобразовывает механическую энергию электрического или двигателя сгорания в потенциальную энергию обжатого воздуха.

Электрический двигатель преобразовывает электрическую энергию в механическую энергию. Он использован для того чтобы управлять компрессором воздуха.

При анализе или проектировании пневматической схемы необходимо учитывать следующие четыре важных соображения:

  • Безопасность эксплуатации
  • Выполнение желаемых функций
  • Эффективность операций
  • Затраты

Применение пневматических систем: пневматические прессы, пневматические сверла, работа системной арматуры для воздуха, воды или химических веществ, разгрузка бункеров и бункеров, станки, пневматические трамбовки, подъем и перемещение объектов, покраска распылением, удержание в отсадках и приспособлениях, удержание для пайки или сварки, формовочные операции, клепка, работа технологического оборудования и др.

 

 

 

 

Глава 2. Современные промышленные роботы с пневмоприводом

 

2.1. Область применения пневматических роботов

 

Устройства можно классифицировать согласно условиям применения и особенностям конструкции. Не последнюю роль играет грузоподъёмность и выполняемые функции. Исходя из этих параметров, выделяют такие пневматические роботы:

  1. Консольные,
  2. Для тяжёлых изделий,
  3. Колонные,
  4. Пантографы,
  5. Полупантографы,
  6. Вакуумные подъёмники.

Каждое устройство имеет свои особенности и сферу применения. Некоторые модели созданы для работы в ограниченном пространстве, другие же способны выполнять сверхточные действия.

Пневматические манипуляторы нашли широкое применение в машиностроении. Их используют, чтобы перемещать детали весом до 200 килограмм от конвейера к обрабатывающему центру. Если речь заходит об автомобилестроении, то агрегаты применяют для переноса узлов, установки колёс, кресел, стёкол, дверей и так далее.

В химической отрасли пневматический робот также широко используется. Он незаменим, когда нужно работать с сыпучими материалами во взрывоопасных зонах. Даже в пищевой промышленности не обойтись без транспортировки мешков, коробок, исходного сырья и так далее. Консольный манипулятор идеально справляется с этой работой.

При производстве строительных материалов агрегат используют, чтобы перетаскивать продукцию или полуфабрикаты из одного места в другое. В деревообрабатывающей сфере манипуляторы помогают быстрее справляться с переносом листового материала.

Грузоподъёмность агрегатов в среднем колеблется в диапазоне от 80 до 250 килограмм. Длина консоли 2600—2700 миллиметров. Колонна может поворачиваться на 360 градусов. Питающее давление агрегата достигает 6,5 Бар.

Все роботизированные пневмоманипуляторы отличаются длительным сроком службы. Они устойчивы к высоким нагрузкам и могут работать в непрерывном режиме. Продвинутые модели соответствуют стандарту безопасности ATEX.

Пневматические роботы просты в обслуживании и могут удерживать груз в равновесии при вертикальном ходе. Система полностью автоматизирована: если неожиданно исчезнет электричество, груз не упадёт на землю, так как сработает тормозное устройство. Это позволит удержать захват в нужном положении.

 

 

2.2. Роботы с пневмоприводом

 

Пневмоприводом называется совокупность устройств, включающих пневматические двигатели, использующие энергию сжатого  рабочего газа под давлением. Принципиальная схема пневматических приводов в основном та же, что и схема гидропривода. Она  включает  в  себя  прежде всего источник  энергии  рабочего газа, потребитель энергии (пневмодвигатель) и устройства, обеспечивающие их связь и работоспособность: 

  • пневмолинии,
  • пневмоемкости,
  • пневмораспределители,
  • регуляторы давления,
  • пневмодроссели, 
  • кондиционеры  рабочего  газа  и  др.

Источником  энергии рабочего газа обычно служит воздушный компрессор, преобразующий механическую энергию электродвигателя в энергию сжатого воздуха. Особенностью схем пневмопривода является отсутствие сливных и дренажных магистралей, поскольку отработанный газ выбрасывается непосредственно в окружающую среду.  Принципы работы пневмопривода основывается на тех же законах, что и для гидропривода, но с учетом свойства сжимаемости газа.

Для реализации необходимых движений робот оснащается приводами. Приводные устройства соединены с кинематическими звеньями манипулятора и осуществляют эти перемещения под управлением программы. Для контроля движения используются соединенные с кинематическими звеньями манипулятора датчики.

Привод робота является составной частью его манипулятора. Он предназначен для преобразования подводимой энергии в энергию движения исполнительных звеньев манипуляционной системы и устройств передвижения робота в соответствии с сигналами, поступающими от системы управления.

В общем виде привод состоит из следующих компонентов: преобразователь энергии, двигатели и передаточные механизмы (передачи).

Пневмоприводы нашли широкое применение в робототехнике в силу ряда преимуществ:

  • простота конструкции и эксплуатации;
  • низкая стоимость устройств;
  • сжатый воздух не образует горючих и взрывоопасных смесей, что позволяет использовать привод в условиях с повышенными требованиями пожарной безопасности;
  • высокая надежность.

Основным недостатком пневмопривода следует считать использование дополнительных средств для обеспечения плавности и точности движения в силу сжимаемости газа. Пневмоприводы имеют более низкий коэффициент полезного действия по сравнению с гидроприводами и при равных габаритах развивают меньшую мощность.

В практике робототехники могут использоваться релейные исполнинельные пневмоприводы, работающие в разомкнутом режиме управления по упорам, функциональная схема такого пневмопривода для одной степени подвижности приведена на рисунке 5.

 

Рисунок 5 – Принципиальная  схема  разомкнутого  привода  ПР

В данном приводе требуемая величина позиционирования звена определяется установкой регулируемых упоров РУ. Шток поршня перемещается до тех пор, пока жесткий упор (ЖУ) не придет в столкновение с РУ. Поскольку скорость  перемещения  пневматических роботов  достаточна  высока  (до  1 м/с)  привод снабжен демпфирующим устройством (ДУ), позволяющим осуществлять торможение исполнительного органа робота до остановки в заданной точке. В момент торможения упор, связанный со штоком пневмодвигателя, наезжает на шток ДУ и, утапливая его, останавливается. Регулирование скорости движения двигателя производится с помощью дросселей Др, управление которыми может осуществляться как в ручной, так и в автоматическом режимах от управляющего устройства.

Воздух в потребитель (двигатель) попадает из блока подготовки  воздуха (БПВ), в который входит - влагоотделитель (ФВ),  маслораспылитель (МР)  и  регулятор  давления  (РД).  Фильтр - влагоотделитель предназначен для очистки сжатого воздуха от влаги и механических примесей. Маслораспылитель вносит в сжатый воздух распыленное масло для смазки трущихся поверхностей пневматических устройств. Необходимое давление питания обеспечивается настройкой  регулятора  РД.

В настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом разрабатываются промышленные роботы со следящим пневматическим приводом. Один из таких приводов представлен на рисунке 6.

 

Рисунок 6 – Принципиальная схема следящего пневмопривода ПР.

В области точки позиционирования по сигналу от датчика обратной связи (ДОС) встречным давлением осуществляется торможение привода, при котором скорость движения исполнительного устройства снижается. Величина этой минимально устойчивой («ползучей») скорости составляет 5-10% от максимальной рабочей. Непосредственное удержание двигателя в точке позиционирования обеспечивается тормозным устройством ТУ, управляемым от электромагнитного тормозного распределительного устройства ТРУ. Сопоставление стоимости одной степени подвижности гидравлического и пневматического роботов со следящими исполнительными приводами показало, что во втором случае стоимость оказывается почти в 3 раза меньше.

 

 

2.3. Электропневматические устройства

 

Элементы электропневматических приводов аналогичны по принципу действия элементам гидравлическим приводам и сходны по конструкции. Особенности работы электропневматических приводов в основном определяются различиями между свойствами жидкости и газа и почти полностью обусловлены лишь одним свойством газа – сжиматься под действием внешнего давления.

В электропневматических приводах применяются электромеханические преобразователи, усилители и исполнительные двигатели такого же принципа действия, как и устройства аналогичного назначения в гидравлических приводах. Электропневматические привода обычно имеют меньшую по сравнению с гидравлическими приводами мощность, поэтому в них широко используется однокаскадный пневматический усилитель после ЭМП. Схема электропневматического регулируемого привода приведена на рисунке 7.

 

А)

 

Б)

Рисунок 7 – Схема электропневматического регулируемого привода

 

 

 

 

Глава 3. Моделирование процессов в пневматических приводах робототехнических систем

 

3.1. Особенности расчета динамики пневмоприводов

 

Работа представляет геометрическую модель автоматизированного механизма захвата с 3 пальцами, выполненными при помощи программного обеспечения SolidWorks, используемого для схватывания цилиндрических заготовок той же длины, но с различными диаметрами. Применение действия вызывает к пневматическому цилиндрическому поршню механизма захвата для определенной цилиндрической заготовки, силы контакта между механизмом захвата и заготовкой определяются в модуле Движения SolidWorks. Кроме того, в том же модуле исследование методом конечных элементов выполняется для получения самого высокого значения напряжения von Mises, которое появляется в пальце механизма захвата. Это значение сравнивается со значением предела текучести материала пальца для проверки его структурной целостности в операции.

Ключевые слова: моделирование, моделирование, автоматизированный механизм захвата, пневматическое управление, SolidWorks.

Работа представляет моделирование эксплуатации механизма захвата. Таким образом сила действия, определенная давлением воздуха, применяется на пневматический моторный поршень; поршень передает движение и силу implicitely, к ясно сформулированным пальцам, которые схватывают заготовку.

 

 

3.2. Моделирование процессов в автоматизированных пневмоприводах

 

Модель автоматизированного механизма захвата, выполненного с программным обеспечением SolidWorks, показывают на рисунке 8. Поршневой стержень (2) из пневматического цилиндра (1) передачи движение, через соединительные стержни (3), к пальцам (4), которые схватывают заготовку.

 

Рисунок 8 – Модель автоматизированного механизма захвата

Материал компонентов механизма захвата считают алюминиевым сплавом, cплавом, выбранным из библиотеки материалов SolidWorks.

Рисунок 9 показывает модель автоматизированного механизма захвата в 2 положениях, открытых и близких, определенных штриховым значением поршня.

 

а) Разжат                                                  б) Зажат

Рисунок 9 – Положения автоматизированной модели механизма захвата

Моделирование захвата заготовки.

Цилиндрические заготовки той же длины, 120 [мм], но с различными диаметрами считаются схваченными механизмом захвата, как показано в рисунке 10. Массы заготовок обозначаются в числе, считая материал заготовки nвердым, выбранным из библиотеки материалов SolidWorks.

 

а) d = 50 [мм],

m = 0,306 [кг]

 

б) d = 52 [мм],

m = 0,331 [кг]

 

в) d = 54 [мм],

m = 0,357 [кг]

 

г) d = 56 [мм],

m = 0,384 [кг]

 

д) d = 58 [мм],

m = 0,412 [кг]

 

е) d = 60 [мм],

m = 0,441 [кг]

Рисунок 10 – Цилиндрические заготовки той же длины, но с различными диаметрами, схваченный механизмом захвата

Для схватывания заготовки воздух, в давление p = 4,5 [Па] = 0,45 [МПа], представлен в пневматическом цилиндре механизма захвата, как показано в рисунке 11.

 

 

Рисунок 11 – Пневматический цилиндр механизма захвата.

Давление действует на поверхность поршня, отмеченной на синем фоне (рисунок 11), значение поверхности вычисляется программным обеспечением SolidWorks:

S = S1 + S2 = 305,45 + 314,16 = 619, 61 [мм2]  

Для данного давления соответствующая сила действия дана отношением:

F = p · S = 0,45 · 619,61 = 278,82 [Н]  

Самый невыгодный случай рассматривают на моделировании, а именно, схватывание заготовки с более высокими размерами и массой, соответствуя случаю в рисунке 10, е.

Давление может быть оказано в SolidWorks структурные исследования. В изучении трудовых движений SolidWorks сила действия применяется на поршень, как представлено в рисунке 12.

 

Рисунок 12 – Сила действия применяется на поршень.

Гавитационное ускорение, со значением 9806,65 мм/сек2, установлено для моделирования.

Контакты твердого тела определяются между пальцами и заготовкой, принимая во внимание материалы, из которых они смоделированы.

После выполнения моделирования программное обеспечение SolidWorks дает возможность определения сил контакта между компонентами, где контакты были определены, как представлено в рисунке 12.

 

а) Связь с модулем силы по сравнению со временем - палец 1

 

б) Связь с модулем силы по сравнению со временем - палец 2

 

в) Связь с векторами силы

 

г) Связь с модулем силы по сравнению со временем - палец 3

Рисунок 13 – Определение контакта вызывает между пальцами механизма захвата и заготовкой.

 

Как видно из рисунка 13, модуль силы контакта стабилизируется вокруг значения 10 [N] для каждого пальца.

 

 

 

 

3.3. Оценка результатов

 

Для выбранного пальца анализ конечных элементов выполняется с помощью опции Simulation в изучении движений захвата в SolidWorks. Результат показывают в рисунке 14.

 

а) Палец в узле захватного устройства    б) Палец визуализируется отдельно

Рисунок 14 – Окрашенная карта напряжения von Mises.

На основе автоматизированного моделирования механизма захвата могут быть сделаны следующие выводы:

  • у сил контакта между пальцами и заготовкой есть относительно низкие значения, но достаточно гарантировать схватывание заготовки;
  • пальцы разрабатывают ту же силу контакта, из-за симметрии механизма;

- максимальное значение напряжения по фон Мизесу,

1,709 · 105 [Н/м2] = 0,1709 [Н/мм2], намного меньше, чем значение предела напряжения,  55,1485 [Н/мм2] нет никакой опасности для пальца для повреждения.

Для дальнейшего исследования:

  • длины ссылок механизма захвата могут быть изменены для увеличения схватывание силы в условиях поддержания того же давления воздуха в пневматическом цилиндре;
  • форма и толщина пальца могут быть оптимизированы для сохранения материала.

 

 

 

 

Заключение

 

В настоящее время разработка сложных автоматизированных сборочных систем практически невозможна без поддержки методов компьютерного моделирования. Для повышения надежности такого моделирования имитационные модели должны отображать реалистичное, физически правильное поведение сборочной системы. Таким образом, включение физических свойств элементов в модели позволяет повысить реалистичность моделирования.

Одним из сложных аспектов в этой области является физическое поведение пневматических приводов. Для моделирования правильного поведения пневмосистемы в виртуальном вводе в эксплуатацию, имитационная модель должна дополнительно удовлетворять требованиям реального времени. В этом работе представлена имитационная модель поведения пневмосистемы, которая может быть использована в виртуальном вводе в эксплуатацию.

На основе физики применяются возможности моделирования, основанные на CAD технологии, дополненные физическим моделированием с использованием термодинамических законов. Дополнительно, имитационная модель количественно оперирует понятиями точности по отношению к кинематике, динамике, и обжатому потреблению воздуха.

 

 

Список используемой литературы

 

  1. Донской А.С. Моделирование и расчет пневматических приводов: Учеб. пособие. – СПб.: 2017. – 87 с.
  2. Донской А.С. Математическое моделирование процессов в пневматических приводах: Учеб. пособие. – СПб.: 2008. – 126 с.
  3. Артемьева, Т.В. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод: Учебник / Т.В.Артемьева, Т.М.Лысенко, А.Н.Румянцева, С.П.Стесин. – М.: Академия, 2014. – 352 с.
  4. Catrina C., Pneumatic Driving in Material Handling Systems. Recent, vol. 15, no. 3 (43) November 2014, 155-159.
  5. Gogoneata M.-A., Proiectarea unui dispozitiv de prehensiune al unui robot industrial pentru manipularea pieselor având forme şi dimensiuni diferite, Bachelor degree thesis, scientifical coordinator Miclosina C.-O., „Eftimie Murgu” University of Resita, 2017.
  6. Stacey C., Practical Pneumatics. Routledge, 2015.
  7. Staretu I., Gripping Systems. Derc Publishing House, Tewksbury, Massachusetts, 2011.
  8. Staretu I., Structural Synthesis, Analysis and Design of the Modular Antropomorphic Grippers for Industrial Robots. 3rd International Conference “Research & Innovation in Engineering”, COMAT 2014, 16-17 October 2014, Brasov, Romania, 86-91.

 

 

 

Приложения