При проектировании и создании средств робототехники с пневматическими приводами одним из принципиальных и проблема-тичных вопросов является обеспечение стабильности и точности пози-ционирования его исполнительных звеньев.
Опыт конструирования подобного рода устройств, как в оте-чественной, так и зарубежной практике, показывает, что крайне слож-но добиться высокоточного позиционирования исполнительных звень-ев привода без соответствующего механического стопора. Это объяс-няется особенностями сжатого воздуха как рабочего тела, которые не позволяют обеспечить стабильное повторение результата позициони-рования при сохранении одинаковых начальных условий подачи сжа-того воздуха в привод.
На рисунке 1 приведена первоначальная схема испытания пневматических цилиндров двухстороннего действия. Использовались два цилиндра с внутренним диаметром D = 63 мм с максимальным ходом L=300 мм и цилиндр с внутренним диаметром D = 100 мм с максимальным ходом L = 600 мм. Время перемещения измерялось электронным секундомером, давление на входе задавалось редукцион-ным клапаном и контролировалось манометром 1, давление на выходе измерялось манометром 3. Для цилиндра D = 63 мм внутренний диа-метр подающих и стравливающих шлангов равнялся d = 4 мм, а для цилиндра D = 100 мм, соответственно 6 мм.
Рисунок 1. Пневматическая схема испытаний низкоскоростных цилиндров.
В исходном состоянии избыточное давление 6 бар подавалось в штоковую полость, при этом безштоковая полость была соединена с атмосферой. При этом поршень находился в крайнем левом положе-нии. При переключении распределителя происходило движение порш-ня вправо и обратно. В данном эксперименте исследовалась повторяе-мость результатов перемещения по времени при движении поршня до упора и влияние сопротивлений нагнетательных и стравливающих магистралей на динамику привода.
Оба эксперимента показали достаточно высокую степень по-вторяемости результатов измерений с точностью порядка 0.5%, что дало возможность составить имитационную математическую модель данной схемы и определить обобщенные коэффициенты расходов на-гнетательной и стравливающих магистралей, используя показания ма-нометров 1 и 3. Подробно метод определения коэффициентов расхода изложен в литературном источнике [4].
На рисунке 2 приведены графики скоростей перемещений в зависимости от времени, построенные по результатам математической модели, где кривая 1 соответствует перемещению цилиндра с диамет-ром D = 63мм, а кривая 2, цилиндра с диаметром D = 100 мм. Точность совпадения модели и эксперимента составила 1%.
Как видно из графиков, в начальный момент времени имеет место некоторый переходный период, величиной порядка 0,4-0.5с. Далее скорость стабилизируется и остается неизменной, что и под-тверждает эксперимент. На данном этапе имеет место, очевидно, уста-новившийся режим течения воздуха, чем и объясняется достаточно высокая повторяемость результатов перемещения по времени.
Рисунок 2. График зависимости V=f(t).
Разброс результатов в указанном пределе – 0.5 % объясняется наличием, начальных участков разгона, где течение рабочего тела яв-ляется неустановившимся. Скорости перемещений, как видно из гра-фиков, невысоки и исследованные цилиндры, при данной схеме, можно отнести к низкоскоростным приводам, имеющих высокую сте-пень повторяемости результатов перемещений. Следует, однако, до-бавить, что скорости перемещения поршня можно значительно увели-чить, разгрузив выхлопную магистраль, например, установив клапа-ном быстрого выхлопа. Эксперимент показал, что это не ухудшает высокую повторяемость результатов перемещений.
Главный вывод из полученной серии экспериментов заключа-ется в том, что высокая стабильность результатов перемещений по-добного рода цилиндров, обусловлена установившимися режимами наполнения и опорожнения магистралей с малым, в процентном отно-шении, периодом переходного неустановившегося течения.
Приведенная выше схема и математическая модель может быть использована для точного расчета времени перемещения поршня цилиндра при различных длинах пневматических трактов, степени их загруженности пневматической аппаратурой, а также различных внешних нагрузок на поршень. Однако эта схема не позволяет произ-водить остановку поршня в промежуточных положениях без дополни-тельных внешних механических воздействий.
Библиографический список
- Электропневматический позиционер EFP-2. Каталог фирмы “BECKER” , Германия, 2005 г.
- Электропневматический позиционер с обратной связью по положению VP-200. Каталог фирмы “YOKOGAWA” , Япония, 2006 г.
- Электропневматические позиционеры серии ЭПП, ЭПП-Xx. Каталог фирмы
“ОАО Саранский Приборостроительный завод “, Россия, 2005 г. - Карпов М.П. Выбор начальных условий в имитационной математической модели динамики линейного пневмопривода / М.П. Карпов, И.А. Иванов – Оптимизация производственных процессов. Вып. 8: Сб научных трудов. Севастополь, 2005 г. с 6 – 14.