Исследование точности позиционирования автоматизированного пневмопривода с внешним тормозным устройством

*

**

Работа выполнена в рамках инициативной НИР.

***

Введение. В условиях современных производств возрастают требования к быстродействию и точности позиционирования пневмопривода. Данную задачу решает автоматизированный пневмопривод с оригинальным датчиком перемещения и внешним тормозным устройством. Использование указанной конструкции позволяет заметно улучшить качество управ- ления позиционным циклом.

Известно, что имеющие фиксированные структуры электропневматические позиционные приводы ограничены по мощности, точности и быстродействию. Это затрудняет их применение в условиях интенсификации технологических и рабочих процессов машин. При оценке эффективности рассматриваемого класса механизмов особые требования предъявляются к точности работы, быстродействию, устойчивости режимов функционирования. Главным образом учитываются такие параметры, как масса, скорость, координаты.

В качестве основных функциональных требований к позиционному пневмоприводу рассматриваются:

• —    регулирование и стабилизация скорости исполнительных движений;

• —    оптимальный режим перехода с ускоренных перемещений на рабочие;

• —    задание перемещений и их отработка с требуемой точностью в режиме установочных, вспомогательных и транспортных перемещений при изменяющихся нагрузках, скоростях;

• —    оптимальные рабочие процессы в заданном диапазоне силовых, кинематических и динамических параметров;

• —    фиксирование исполнительных механизмов в точке позиционирования для сохранения точности позиционирования при последующих внешних воздействиях на механизмы.

В настоящие время производители позиционных приводов (Camozzi, SMC, Festo, Pneumax, Air torque), как правило, обеспечивают торможение и позиционирование с использованием внутренних тормозных устройств, управляющих потоками сжатого воздуха [1, 2, 3, 4]. Основные недостатки таких систем связаны со сложностями управления потоками сжатого воздуха (как правило, нестационарно сжатыми) из-за изменяющихся свойств и параметров состояния рабочей среды. Итальянская компания Camozzi предлагает внешнее торможение в виде гидроамортизатора, гидродемпфера. Однако такие конструкции рационально применять для жестких позиционных циклов с ограниченным числом координат позиционирования. Что же касается многокоординатых перемещений, то в этом случае необходимы другие решения [5]. Основная часть. Для реализации обозначенных выше задач предлагается схемотехническое решение автоматизированного позиционного пневмопривода с оригинальным датчиком перемещения и внешним тормозным устройством — управляемым пневмомеханическим тормозом [6, 7]. Разработана обобщенная математическая модель такого привода, позволяющая моделировать процесс позиционирования и установить влияние основных параметров механизма на быстродействие и точность позиционирования [7, 8]. Адекватность процессов, описываемых данной моделью, подтверждается экспериментом. Решение соответствующей задачи дает возможность спланировать и осуществить многофакторный эксперимент для определения рациональных параметров быстродействия и точности настройки пневмомеханического привода (с учетом перемещаемой массы, скорости позиционирования, координат перемещения привода и управляемого давления тормоза).

Стенд-модель для исследования АПП представлена на рис. 1. Схема стенда исследования позиционного пневмопривода (рис. 1, в) поясняет принцип действия стендового привода, являющегося макетом реального позиционного пневмопривода.

а)

Машиностроение и машиноведение

б)

в)

Рис. 1. Стенд — модель АПП. Общий вид: 1 — энергическая подсистема; 2 — управляемые устройства; 3 — пневмоцилиндр;

• 4 — пневмомеханическое тормозное устройство; 5 — измерительный комплекс; 6 — электрическая панель (а). Автоматизированный управляемый комплекс: 7 — персональный компьютер; 8 — блок управления (б). Схема стенда: УПВ — узел подготовки воздуха; Рд1, Рд2 — регуляторы давления; YА1, YА2, YА3, YА4, YА5 — электромагниты; Р1, Р2, Р3, Р4 — пневмораспределители; Др1, Др2, Др3 — пневмодроссели с обратным клапаном; ДД1, ДД2, ДД3, ДД4 — датчики давления; ПЦ1 — силовой пневмоцилиндр; ПЦ2, ПЦ3 — пневмоцилиндры торможения; М — приведенная масса; МПМД — многопараметрический пневмомеханический датчик; ЭФ — электрическая фильтрация; ЭУ — электрический усилитель; ПЛК — программируемый логический контроллер; ДП — датчик перемещения; СР — система резисторов; ЦАП/АЦП Е20-10 — аналого-цифровой преобразователь; ПС — персональный компьютер (д)

Принцип работы схемы стенда описан в [6]. Стенд оснащен автоматизированным измерительным комплексом, обеспечивающим сбор и обработку информации о состоянии и функционировании привода. Программируемый логический контроллер (ПЛК) служит для: — организации позиционного цикла;

• —    задания координат для переключения управления циклом и остановом;

• —    формирования управляющих сигналов на электромагнитах пневмораспределителей в соответствии с заложенным алгоритмом управления позиционным циклом привода.

Многопараметрический пневмомеханический датчик передает информацию о перемещении исполнительного механизма стенда и позволяет преобразовать перемещение пневмоцилиндра в импульсные электрические сигналы.

Установлены два регулятора расхода для фиксирования давления, подаваемого на датчик и тормоз. Пневмомеханическая подсистема стенда позволяет исследовать представленные в табл. 1 параметры позиционного пневмопривода.

Таблица 1

Диапазоны варьирования основных параметров позиционного пневмопривода

Наименование параметров	Диапазон
Скорость позиционирования, мм/с	10–100
Рабочее давление в пневмосистеме, бар	2–8
Перемещаемая масса, кг	5–17
Координата точки позиционирования, мм	80–300
Температура в пневмосистеме, К	273–310
Скорость быстрого подвода привода м/с	До 0,4

Гидравлические и кинематические характеристики пневмоцилиндра измерялись датчиками. Выбег L в пневмоцилиндра определялся при преобразовании перемещения L в число импульсов давлений датчика. Давление в напорной, сливной линиях и цилиндрах торможения в нестационарном режиме исследовалось с помощью датчиков давления ДД2, ДД4 с погрешностью измерения 1 % от номинального диапазона. Рабочая температура — 273 0 K–323 0 K, влияние температуры — ± 3 % от номинального диапазона.

На рис. 2 представлены осциллограммы типового позиционного цикла АПП, фиксирующие изменение основных параметров привода.

Машиностроение и машиноведение

-8

а (t) , м / с ² 8

-2

-4

-6

0,2

0,4

0,6

0,8 В

1,4 t, c

1,0          1,2

С D О 1

O

б)

Рис. 2. Осциллограммы экспериментального автоматизированного пневмопривода с внешним тормозным устройством: V(t) — скорость привода; L(t) — перемещение привода; а(t) — ускорение привода

Исследуемый позиционный цикл характерен для горизонтального движения схвата промышленного робота. После подачи команды на начало рабочего цикла осуществляются: быстрый подвод движения OB, замедление до скорости позиционирования ВD, останов DO 1 .

С учетом результатов осциллографирования выполнялась статистическая обработка по методу наименьших квадратов. Результаты измерены в соответствии с известными критериями [9, 10].

Точность позиционирования привода определяется величиной выбега L_b и его рассеиванием AL_b при повторных перемещениях. При незначительном рассеивании AL_b принимали AL_n03 = L_b:

AL no3 = L b + AL b ,                                                (1)

где L_в — положительный выбег гидроцилиндра, мм; ∆L_в — рассеивание выбега, мм.

Результаты вычислительного и натурного экспериментов исследования позиционного цикла при различных значениях параметров позволили установить, каким образом управляющее давление Р toz влияет на точность позиционирования предлагаемого АПП. Влияние скорости позиционирования V_пзi на точность позиционирования оценивалось с помощью коэффициента замедления k_З , определяемого выражением:

• V .

k з =      ,                                                  (2)

• ^{V бп}

где V бп = 0,3 м/с — скорость быстрого подвода; V пзi — скорость позиционирования после замедления.

На рис. 3 представлены графики зависимости точности и длительности позиционирования от коэффициента замедления k_З при управляющем давлении тормоза Р toz = 5 бар. При удовлетворительном совпадении результатов вычислений и натурных экспериментов установлено их существенное влияние на длительность T_д и точность позиционирования L_в . Так, при увеличении скорости позиционирования в 4 раза (от 0,025 м/с до 0,1 м/с) длительность позиционирования уменьшается в 4,5 раза и точность снижается в 4,2 раза. В зоне устойчивого позиционирования АПП исследовано влияние скорости V_пзi на точность позиционирования (область Z 1 ).

к 3

а)

Tд, с

б)

Рис. 3. Влияние коэффициента замедления kз на процесс позиционирования: влияние на точность позиционирования (а); влияние на

длительность позиционирования (б); В — вычисления; Э — эксперимент

На рис. 4 представлены графики зависимости точности позиционирования привода от управляющего давления тормоза Р toz при скорости V пзi = 50 мм/с.

Машиностроение и машиноведение

Рис. 4. Зависимость точности позиционирования АПП от управляющего давления тормоза: В — вычисления, Э — эксперимент

На рис. 4 видно, что при увеличении тормозного давления в 3 раза точность позиционирования повышается в 2,95 раза. Зона устойчивого позиционирования определяется в области Z 2 .

Полученные результаты демонстрируют качественное и количественное решение задачи данного исследования. Таким образом, можно утверждать, что цель работы достигнута. Это, в свою очередь, позволяет предложить практические рекомендации для разработки и эксплуатации реальных позиционных автоматизированных пневмоприводов с внешним тормозным устройством.

В зонах устойчивого позиционирования автоматизированного пневмопривода (см. рис. 3, 4) точность позиционирования составляет 40–80 мкм, что в 1,25–2,25 раза выше, чем у серийно выпускаемых приводов (например, у компаний Camozzi, Festo она составляет 100 мкм).

Выводы. Экспериментальные исследования пневмопривода на стенде-модели подтверждают его работоспобность при реализации различных позиционных циклов.

Установлена зависимость точности позиционирования от основных параметров пневмопривода и внешнего тормозного устройства (скорость позиционирования, управляющее давление тормоза).

При удовлетворительном совпадении результатов вычислительного и натурного экспериментов подтверждается адекватность обобщенной математической модели привода. Определены зоны устойчивого позиционирования процесса автоматизированного пневмопривода, необходимые при разработке и настройке реальных автоматизированных пневмоприводов.

Библиографический список