Проверка характеристик пневматического привода робота на соответствие техническим данным

Цель работы – изучение конструкции и прин­ципов работы пневма­тического привода робота, опреде­ление его характеристик.

Работа выполняется на базе промышленных роботов МП-9С. Работа позволит студентам получить практические навыки как по обслуживанию, так и по методике исследований и испытаний приводов роботов.

Пневматический робот МП-9С предназначен для автоматизации технологических процессов в промышлен­ности. При этом исполнительное устройство робота осу­ществляет захват, перенос и установку детали по задан­ным координатам рабочей зоны.

Технические характеристики:

Схема привода приведена на рис. 2.1. Функциональ­но пневматический привод данного робота можно разде­лить на следующие узлы:

— узел подготовки сжатого воздуха;

— узел распределения сжатого воздуха;

— узел исполнительных двигателей;

— система передачи сжатого воздуха между устрой­ствами привода.

Сжатый воздух через входной штуцер 1, запорный вентиль 2, влагоотделитель 3, регулятор давления 4, маслораспылитель 6 по магистралям поступает к соот­ветствующим распределительным устройствам.

С помощью регулятора давления 4 производится настройка давления сжатого воздуха, поступающего к лентам привода.

Маслораспылитель 6 обеспечивает распыление в потоке сжатого воздуха масла, необходимого для смазки трущихся элементов исполнительных двигателей и рас­пределителей. Контроль давления сжатого воздуха, поступающего к устройствам робота, выполняется визуально по маномет­ру 5. Манометр установлен за регулятором давления.

Блок подготовки воздуха выполняется автономно и входит в комплект манипулятора.

Рис. 2.1. Пневматическая схема привода

Блок распределения сжатого воздуха включает в себя устройства, с помощью которых по заданной про­грамме можно выполнять открытие или закрытие досту­па сжатого воздуха в рабочие полости исполнительных двигателей. В роботе МП-9С используются распредели­тели клапанного типа с электроуправлением, нормально закрытые. На каждое движение ИУ в роботе установлен автономный электроклапан. Для повышения надежности робота дополнительно установлен запасной электро­клапан.

В качестве исполнительных двигателей в схеме робо­та используются цилиндры с прямолинейным движением поршня одно- или двустороннего действия. На каждую степень подвижности предусматривается исполни­тельный двигатель, конструкция которого обеспечивает заданные линейные перемещения, скорости и усилия. Захватное устройство также имеет двигатель.

Подача сжатого воздуха в рабочую полость цилиндра осуществляется через открытый электроклапан, при этом выход воздуха из нерабочей полости цилиндра в атмо­сферу выполняется через другой открытый электро­клапан.

Регулировка скорости выходного звена двигателя в пневматических приводах осуществляется путем изме­нения расхода сжатого воздуха на входе или выходе двигателя. Конструктивно это выполняется в виде пнев­матического дросселя, где проходное сечение регулиру­ется в зависимости от требуемой скорости. В данной схеме каждый электроклапан снабжен дросселем на выходе, регулируемым поворотом регулировочного винта. Последовательность и число движений ИУ робота определяется набором программы на пульте ЭЦПУ-6030 (см. гл. 1, 3).

Сигнал о завершении заданного движения поступает с электромагнитных контактов (КЭМ). Срабатывание контактов происходит при приближении к ним постоян­ных магнитов, установленных на подвижных частях пневматического двигателя.

Торможение двигателя ИУ при подходе к конечному положению осуществляется гидравлическими демпфера­ми – при выдвижении и повороте, при подъеме или опускании – за счет дросселирования сжатого воздуха на входе и выходе из цилиндра.

В корпусе манипулятора размещены механизм подъе­ма и поворота ИУ, блок распределения воздуха, вы­полнены пневмо- и электроразводка. Для удобства обслуживания корпус имеет съемные кожух и две боко­вые крышки.

Механизм подъема (рис. 2.2) состоит из корпуса 4, штока 2, крышек 6, 7, 10. Рабочие полости цилиндра герметизируются манжетами 5, 9 и прокладками.

Особенностью механизма подъема является выполне­ние конструкции в виде неподвижного штока и под­вижного корпуса цилиндра. Для улучшения динамики работы при подъеме и опускании поршень имеет раз­личные рабочие площади.

Внутри штока на подшипниках 8 установлен вал 1 механизма поворота.

Рис. 2.2. Конструкция механизма подъема

Достижение заданного хода вертикального движения выполняется регулировкой механических упоров, которые установлены на неподвижной направляющей в корпусе манипулятора. На этих же упорах установлены КЭМы вертикального перемещения, на подвижном корпусе – соответствующие им постоянные магниты. Конструкция крепления КЭМов позволяет производить их точную ре­гулировку для обеспечения надежного срабатывания.

При подаче сжатого воздуха через прямое концевое соединение 3 в полость А или Б корпус цилиндра 4 пе­ремещается.

Механизм поворота (рис. 2.3) состоит из корпуса цилиндра 11, в котором перемещается шток 10. Средняя часть штока выполнена в виде рейки, зубья которой входят в зацепление с валом поворота, установленного в штоке механизма подъема. Шток 10 уплотняется ман­жетами 9, фланцами 1 с прокладками 2. На штоке 10 закреплена винтом 7 планка 8 с магнитом 6 на корпу­се и установлены планки 3 и платы 4 с КЭМами 5.

При подаче воздуха в пневмоцилиндр через отвер­стия А и Б поступательное движение штока-рейки 10 преобразуется во вращательное движение вала.

Рис. 2.3. Конструкция механизма поворота

В верхней части вала установлена муфта, предназна­ченная для соединения исполнительного устройства робо­та с валом механизма поворота. Муфта имеет упоры 2 (рис. 2.4), которые обеспечивают заданный угол поворо­та. Регулировка угла поворота выполняется с помощью упоров 4. При осуществлении поворота упор 2 касается выступа 3 гидравлического демпфера и дожимает его до конечного положения. Исполнительное устройство робота (рис. 2.5) обеспечивает выдвижение захватного устройства в рабочую зону. Конструкция ИУ содержит следующие основные детали: корпус 13, шток с поршнями 10, направляющую 17, основные упоры 8 и 15, ре­гулировочные упоры 7 и 14 с винтом 6, амортизатор 12. В корпусе 13 установлена гильза 2 с уплотнением 3, которая служит корпусом цилиндра исполнительного двигателя ИУ. В гильзе перемещается шток с порш­нем 10. Шток уплотняется манжетой 5. Сжатый воздух подводится к прямому концевому соединению 11. На­правляющая 17 служит ограничителем вращения штока захватного устройства вокруг оси. Смазка направляю­щей производится через масленку 16.

Под крышкой 1 корпуса установлены КЭМы 4, на упорах 8 и 15 – магниты 9.

При подаче сжатого воздуха в соответствующую полость цилиндра шток с направляющей 17 и упорами 7, 8, 14, 15 перемещается. На конечном участке движения упоры 8 или 15 касаются штока амортизатора 12 и пере­мещают его до конечного положения. Одновременно маг­нит 9 подходит к КЭМу 4, который срабатывает и выда­ет сигнал об окончании движения.

Перемещение ИУ регулируется соответствующей уста­новкой упоров 7, 8, 14, 15. С помощью микровинта 6 выполняется точная настройка хода штока. Гидравличе­ские демпферы угла поворота и выдвижения захватного устройства по принципу действия аналогичны: энергия движения механических элементов преобразуется в энер­гию дросселирования потока жидкости через зазор с переменным проходным сечением.

Схема демпфера представлена на рис. 2.6. Поршни 1 и 3 жестко соединены штоком 2. Шток исполнительного двигателя при подходе к заданному положению нажи­мает упором на поршень 1 демпфера. Поршни 1 и 3 под действием движущей силы перемещаются вправо, при этом из полости А жидкость вытесняется и поступа­ет в полость В через зазор а. Первоначальное заполненение полостей А и Б жидкостью производится из ем­кости С через каналы т и п, которые затем перекры­ваются поршнем демпфера при соответствующем направ­лении движения.

При перетекании жидкости через зазор а, который представляет собой местное сужение потока, происходит потеря энергии. Как видно из схемы, поток жидкости, движущейся из полости А в полость В, получает энер­гию от поршня 1. Чем больше вязкость жидкости и меньше площадь зазора а, тем больше требуется усилий и тем значительнее демпфи­рование.

Рис. 2.6. Принципиальная схема демпфирующего устройства

В качестве рабочей жидкости в демпферах исполь­зуется минеральное масло. Зазор а регулируется пере­мещением дросселирующей иглы 4.

Привод захватного устройства выполнен в виде ци­линдра с прямолинейным движением поршня односторон­него действия. При подаче воздуха в правую полость цилиндра (см. рис. 2.1) поршень движется влево, при этом скосами на внешней стороне поршня действует на рычаги захватного устройства, сжимая его. При снятии давления воздуха обратный ход поршня выполняется под действием возвратной пружины. При этом рычаги захватного устройства разжимаются под действием пру­жин рычагов. Размах рычагов можно регулировать специально предусмотренными винтами.

Некоторые сведения из теории и практики использования пневмоприводов

В роботах, использующих в качестве рабочего тела сжатый воздух, широко применяют конструкцию испол­нительных двигателей в виде цилиндров с прямолиней­ным поступательным движением поршня. Такие двигате­ли относятся к классу объемных машин, где рабочий процесс основан на попеременном заполнении рабочей камеры рабочим телом (в данном случае сжатым возду­хом) и вытеснением его из камеры.

В пневматических двигателях выходное звено – пор­шень со штоком – движется за счет энергии, полученной от потока сжатого воздуха.

Под рабочей камерой объемного двигателя понимает­ся ограниченное пространство внутри машины, периоди­чески изменяющее объем и попеременно сообщающееся с каналами входа и выхода рабочего тела.

В пневматических приводах в качестве рабочего тела используется газ – сжатый воздух. Основными характе­ристиками состояния газа являются: абсолютное давле­ние р, плотность q и абсолютная температура Т. В даль­нейшем для простоты расчетов принимается, что состоя­нием рабочего тела в пневматических приводах является состояние идеального газа, которое описывается урав­нением Клапейрона [3]:

где R – газовая постоянная; v = V/m; V—объем газа; Т – масса газа объемом V.

Возможны частные случаи этого состояния.

Для определения основных зависимостей при расче­тах конструкции и динамики пневматического привода принимается, что имеет место режим одномерного те­чения идеального газа без трения и теплообмена с окружающей средой.

Наиболее простым и распространенным способом ре­гулирования скорости в пневматических приводах яв­ляется регулирование посредством дросселя переменного сечения на выходе из двигателя.

В практических расчетах пневматических устройств для определения массового расхода газа через дроссели используют следующую зависимость:

, (2.1)

где μ – коэффициент расхода, учитывающий потери энергии потока при прохождении местных сопротивле­ний; на практике обычно принимают μ =0,6‑0,8; f – площадь проходного сечения дросселя; р₁ – давление на входе в дроссель; р₂ – давление на выходе из дросселя (p₂ = 0,1 МПа – атмосферное давление); R – газовая постоянная воздуха; R = 287,14 Дж/(кг-К); Т₂ – абсолютная температура воздуха после дросселя, К.

Данная зависимость справедлива для режима исте­чения газа при p₁/p₂<0,5, т. е. для докритического режима истечения.

Для надкритического режима истечения, когда p₂/p₁<0,5, массовый расход газа определяется зависи­мостью

(2.2)

На практике для пневматических роботов используют давление сжатого воздуха на входе в двигатель р = 0,4-0,5 МПа.

Скорость поршня двигателя и расход воздуха связа­ны прямой зависимостью

(2.3)

где х – скорость поршня; Q – объемный расход возду­ха; F – эффективная площадь поршня.

Из анализа зависимостей (2.1) – (2.3) можно устано­вить, что скорость поршня двигателя робота зависит (при прочих равных условиях) от площади проходного сечения дросселя на выходе, давления питания сжатым воздухом и перепада давления на поршне.

Для обеспечения заданной скорости необходимо вы­полнять настройку дросселя для каждого значения на­грузки.

Как показывают расчеты и условия эксплуатации, регулирование скорости поршня целесообразно выпол­нять путем дросселирования сжатого воздуха на выходе из двигателя. Это позволяет получить лучшие динами­ческие характеристики привода.