Романов П.И., Викторенкова С.В.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Сбалансированные манипуляторы для механизации сборочных работ

Перспективным универсальным средством механизации сборочных
работ являются сбалансированные манипуляторы (СМ). Наиболее высокими эксплуатационными свойствами, надежностью, безопасностью и низкой стоимостью обладают пневматические СМ. Особое достоинство пневматических СМ- возможность реализовать позиционный тип управления, при котором обеспечиваются высокая точность и плавность позиционирования, необходимые при выполнении сложных сборочных работ. Однако современные пневматические СМ с позиционным типом управления обладающие необходимым при сборке свойством, позволяющем оператору управлять
перемещением груза прикладывая управляющее
воздействие непосредственно к сборочной единице, обладают
низкими динамическими характеристиками,
значительным усилием управления, трудоемкостью настройки системы на
определенный вес груза.

Поэтому авторами разработана и запатентована структура устройства управления на основе комбинированного позиционно-астатического способа управления и автоматического уравновешивания веса груза. Предложенная система управления благодаря автоматической мгновенной настройке на вес объекта манипулирования и малому усилию управления (не более 1 Н) позволяет повысить динамические и точностные характеристики СМ до значений при которых основные характеристики эргатической манипуляционной системы СМ - человек оператор (а именно: точность позиционирования, максимальная скорость, длительность переходных процессов) определяются возможностями человека-оператора и практически не зависят от массы объекта манипулирования. Устройство управления (рис.1), может работать совместно с СМ, построенными по любым кинематическим схемам. Оно включает в себя: силовой пневматический цилиндр 1, к полостям которого подключены выходы редукционных пневматических клапанов с пропорциональным электрическим управлением 4 и 5; задающее устройство 2; устройство формирования сигналов управления 3. Задающее устройство состоит из датчика положения 21, рукоятки управления 22 и тормозного механизма 23.

Анализ методов расчета СМ показал, что существуют методы геометрического синтеза и силового анализа исполнительных устройств, позволяющие конструктору в зависимости от параметров рабочего процесса и рабочей зоны рассчитать и разработать конструкцию манипулятора.

а)

б)

Рис. 1. Принципиальная схема устройства управления СМ

с комбинированным управлением (а) и его задающего устройства (б)

Методов позволяющих выбрать рациональные параметры пневматической системы управления в зависимости от ее структуры и конструкции манипулятора не существует. Поэтому авторами в работе [1] разработан комплекс обобщенных математических моделей СМ описывающих процессы происходящие в устройстве управления и пневматическом приводе при позиционном режиме работы.

Обобщенная математическая модель СМ с комбинированным управлением в астатическом режиме имеет следующий вид:

Dy=y₃ –у, Dу £ Dy_mах , e=K_yаrcsin(Dy/l_p), U_n1=U_н1±eK₁, U₂=Uн₂+eK₂ ,

dр_у/dt =(K_руU_n –p_yп)/Т_ру; p_yп=(p_yп при р_yп<р_м, p_м при p_yп ³р_м), (1)

d²z_п/dt² = ((p_уп – p_рп)F_р – (N + Сz_п)) / М_р ;

z_п =(z_п при 0<z_п£z_м, 0 при z_п£0, z_м при z_п>z_м); f_рп^э=m_рпz_пpdр; dp_рп/dt =КkÖRT_м [f_рп^э(р_м^(3k–1)/2kj(s_рп) – р_рп^(3k–1)/2kj(s_мрп)) +

+f_п^э(р_п^(3k–1)/2kj(s_рп1)–р_рп^(3k–1)/2kj(s_1рп))–f_кл^эр_рп^(3k–1)/2kj(s_арп)Q];

Q = (1 при z_п = 0 и p_рп > р_yп , 0 при z_п= 0 и p_рп £ р_yп , 0 при z_п < 0 ),

s_рп =р_рп /р_м , s_мрп =р_м/р_рп , s_рп1=р_рп /р₁, s_1рп =р₁/р_рп, s_арп =р_а/р_рп.

dp₁/dt = КkÖRT_м f₁^э[р_р1^(3k–1)/2kj(s_1р1) – р₁^(3k–1)/2kj(s_р11)] : (2)

: F₁(x₀₁ + x) р_м^(k–1)/2k – р₁k(dx/ dt)/(x₀₁+ x) ;

dp₂/dt =КkÖRT_м f₂^э[p_a^(3k–1)/2kj(s_2a) – р₂^(3k–1)/2kj(s_a2))(.NOT.L) :

: p_a^(k–1)/2k+(p_р2^(3k–1)/2kj(s_2р2)–р₂^(3k–1)/2kj(s_р22))L/ p_м^(k–1)/2k] :

:F₂(S_п+x₀₂–x)+р₂k(dx/dt)/(S_п+x₀₂–x); s_р11=р_р1/р₁, s_р22=р_р2/р₂;

1 – обе полости цилиндра подключены к пневмосхеме,

L = 0 – тормозная полость соединена с атмосферой.

у = х i_{рj .} М_сjd²x/dt² + i_Vj(dx/dt)² = p₁F₁– p₂F₂– p_a(F₁– F₂)– P_cj . (3)

где U_н, U_п – начальный уровень и текущее значение напряжения в п-ом канале

управления; К_п – коэффициент усиления п-го канала управления, n = 1,2; l_p – длина рукоятки; Dy_mах – максимальное рассогласование; K_y – коэффициент преобразования угла отклонения рукоятки в напряжение e; K_ру, Т_ру – коэффициент усиления и постоянная времени редукционного клапана; p_yп – давление в управляющей полости п-го редукционного клапана с электрическим управлением; V_р – объем выходной камеры редукционного клапана; F_р – площадь мембраны; N, С – предварительный натяг и жесткость пружины; М_р– масса подвижных частей клапана; z_п, z_м – соответственно перемещение и ход основного клапана п-го редукционного клапана; d_р ,d_кл – диаметр основного клапана и клапана сброса; f_рп^э, f_п^э, f_кл^э – эффективные площади основного клапана, трубопровода и клапана сброса; m_рп, m_кл – коэффициенты расхода основного клапана и клапана сброса; р_рп , р_п – давление на выходе редукционного клапана и в n-ой полости силового пневмоцилиндра. Авторами в работе [1] получены зависимости, позволяющие определить значения коэффициентов уравнения (3) М_cj, P_cj , i_vj, i_рj для основных кинематических схем используемых в СМ.

Обобщенная математическая модель представляет собой жесткую систему нелинейных дифференциальных уравнений и решение ее требует значительных затрат машинного времени. Поэтому для обеспечения возможности автоматизированного проектирования СМ в диалоговом режиме получены аналитические зависимости. Разработана методика и пакет прикладных программ автоматизированного синтеза пневматических СМ

Результаты расчетов на ЭВМ по обобщенной математической модели позволили заключить, что разработанное устройство управления позволяет повысить выходные характеристики СМ при выполнении как транспортирующих, так и ориентирующих движений рабочего органа при сборке до рациональных значений.

Литература: Романов П.И. Развитие научных основ механизации общей сборки технологического оборудования лесозаготовительных машин. - СПб.: СПбЛТА, 2001. -208 с.