3.2. Особенности конструкции пневматических приводов

Использование энергии сжатого воздуха обеспечивает выходному звену пневмопривода высокую скорость. В приводах с цикловым позиционным управлением поршень исполнительного двигателя подходит к заданной точке останова с максимальной скоростью. Если не предусматривать специальных средств торможения, то останов поршня происходит за счет механического упора, что вызывает механические вибрации груза, повышенный уровень шума и резкие динамические нагрузки на конструкцию двигателя. Торможение поршня в конце хода выполняется различными способами:

- специальным дросселированием рабочего тела на выходе из полости опорожнения в конце хода поршня;

- торможением (демпфированием) поршня устройствами гидравлического или пружинного типа.

Торможение поршня с использованием рабочего тела. Плавное торможение поршня в конце хода путем уменьшения расхода воздуха из полости опорожнения выполняется конструктивно установкой специального дросселя на выходе из цилиндра (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема регулирования скорости привода

Сжатый воздух с давлением Р_пит и расходом Q_пит из магистрали через пневмораспределитель Пр4 и обратный клапан ОК2 поступает в правую полость рабочего цилиндра. Поршень движется из правого положения в левое. Воздух из левой полости через дроссель Др1 и пневмораспределитель Пр3 сбрасывается в атмосферу. При достижении положения I-I пневмораспределитель Пр1 переключается на дроссель Др2, имеющий повышенное сопротивление потоку. В левой полости цилиндра давление Р₂ увеличивается, перепад давления Δр = р₁ - р₂ уменьшается и происходит торможение поршня за счет преобразования энергии движения поршня в энергию сжатого газа или за счет механического упора, если силы эти не равны. Для полного торможения поршня в заданном положении II-II необходимо равенство сил, действующих на правую и левую площади поршня. Для совершения обратного хода поршня производится соответствующее переключение пневмораспределителей Пр1-Пр4.

Настройка дросселей Др1-Др4 выполняется перед началом работы на определенную нагрузку, при этом дроссели Др1, Др4 настраиваются на обеспечение заданной скорости, а дроссели Др2, Др3 - на демпфирование движения в конце хода поршня. Данный метод демпфирования движения конструктивно прост, но требует настройки дросселей при каждом изменении нагрузки. Кроме того, тормозной путь здесь составляет значительную часть от основного. Практически данный метод используется для роботов с грузоподъемностью до 5 кг.

Одним из способов демпфирования является способ, при котором используется схема создания противодавления в соответствующей полости двигателя. При достижении поршнем определенного положения в полость опорожнения подается основное давление магистрали. Схема такой конструкции представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема торможения двигателя противодавлением

Сжатый воздух из питающей магистрали поступает через пневмораспределители Пр1 и Пр2 в левую полость цилиндра, правая полость через Пр3 и Др2 сообщена с атмосферой. Поршень движется из левого положения в правое, при этом перепад давления на поршне Δр = р₁ - р₂. При достижении поршнем положения I-I пневмораспределитель Пр3 переключается в другую позицию, сжатый воздух из магистрали питания поступает в правую полость цилиндра. Давление в левой и правой полостях цилиндра уравнивается: р₁ = р₂. Из-за разности площадей левой и правой частей поршня F₁ и F₂ на поршень действует сила перемещения P = p₁(F₁ - F₂), под действием которой поршень будет двигаться, но с меньшей скоростью. Для создания равновесия сил на поршне одновременно с переключением Пр3 переключается Пр2, т. е. прекращается доступ сжатого воздуха в левую полость. В этом случае левая полость представляет собой замкнутый объем V, где для простоты расчета можно принять известное соотношение термодинамики

В случае равновесия на поршне

где N_вн - внешние силы.

Примем следующие обозначения: пусть N_вн - внешняя сила; D - диаметр поршня; d - диаметр штока. Выражая площади F₁ и F₂ через диаметр поршня, зависимость (3.2) представим в виде

или

Выражение (3.4) характеризует соотношение между давлением в левой и правой полостях цилиндра для получения равновесия сил на поршне и является условием для торможения поршня. При этом начальное давление в левой полости р_1н должно изменяться до величины р₁, а давление р_2н в правой полости возрастет до величины p₂ = p_пит. Перемещение поршня при замкнутом объеме воздуха приводит к изменению давления и объема газа. Из выражения (3.1)

где V₁ и х₁ - объем полости и координаты поршня после достижения равновесия сил, V_1н и х_1н - начальный объем и начальная координата поршня в момент закрытия левой полости цилиндра.

Используя выражения (3.4) и (3.5), получим

В реальных конструкциях цилиндров d/D ≈ 0,3÷0,7. В этом случае

Из выражения (3.7) очевидно, что при использовании рассмотренного метода торможения перемещение поршня после подачи сигнала на останов составляет 10-100% от первоначального положения поршня и зависит от конструкции исполнительного двигателя. Зависимость (3.7), однако, не отражает полностью реальные условия эксплуатации привода, так как не учитываются инерционность массы перемещающегося груза и поршня, процессы наполнения и другие факторы, показывается лишь приближенная основа процесса торможения пневматических приводов.

Рассмотренный метод торможения не является единственным и универсальным. Предложено много схем по реализации данного метода. Общим недостатком их является перенастройка схемы демпфирования при изменении нагрузки. Обычно метод применяют при малых нагрузках, т. е. грузоподъемность не превышает 1 кг.

Торможение поршня внешними устройствами. Другим наиболее простым способом демпфирования движения поршня исполнительного двигателя является способ, при котором предусматривается установка внешних демпферов - гидравлических или механических.

В механических демпферах энергия движущихся элементов привода и груза преобразуется в энергию сжатия пружины. Конструктивно демпфер выполняется в виде цилиндрической пружины, заключенной в корпус. Характеристики пружины выбираются по условиям движения исполнительного органа привода и груза. При высокой скорости и массе перемещающихся деталей размеры пружины достигают больших значений. Поэтому пружинные демпферы применяются для приводов с грузоподъемностью до 1 кг.

Гидравлические демпферы являются более универсальным средством торможения исполнительного органа двигателя. При этом энергия движения механических элементов преобразуется в энергию дросселирования потока жидкости через зазор с переменным проходным сечением. Схема демпфера представлена на рис. 3.4. Поршни жестко соединены штоком. Шток поршня исполнительного двигателя при подходе к заданному положению нажимает упором на поршень демпфера. Под действием движущей силы Р_дв поршни перемещаются вправо, при этом из полости А жидкость вытесняется, а в полость В жидкость поступает через зазор b. Заполнение полостей А и В жидкостью производится из емкости С через каналы тип, которые затем перекрываются поршнем демпфера при соответствующем движении поршня.

Рис. 3.4. Схема гидравлического демпфера: 1, 3 - поршни; 2 - шток; 4 - винт

При обратном ходе штока двигателя процесс демпфирования повторяется, при этом жидкость из полости B перетекает через зазор b в камеру А. Расход жидкости запертой в камере А и вытесняемой поршнем 1 через канал l, определяется зависимостью

где х - скорость поршня исполнительного двигателя;

d_д - диаметр поршня демпфера.

Вытесняемая жидкость проходит через кольцевой зазор b. Из условия неразрывности потока жидкости через зазор можно записать выражение

Если жидкость проходит через кольцевой равномерный зазор, то перепад давления на данном зазоре определяется по формуле гидродинамики

где μ - динамическая вязкость жидкости; L - длина демпфирующего зазора; b - радиальный зазор Усилие демпфирования выражается уравнением

Используя выражения (3.9) и (3.10), зависимость (3.11) может быть представлена в виде

Таким образом, сила, препятствующая движению поршня при постоянных конструктивных параметрах, зависит от зазора и вязкости жидкости. Предварительный зазор регулируется винтом (рис. 3.4). В качестве рабочей жидкости используется минеральное масло. Конструкция подобного демпфера применяется в роботе МП-9С.

Гидравлические демпферы удобны в эксплуатации, они устанавливаются для двигателя, имеющего значительные скорости выходного звена и грузоподъемность в широком диапазоне.

Устройства позиционирования пневмопривода. Пневмоприводы с цикловым управлением обеспечивают позиционирование исполнительного звена двигателя по двум крайним точкам ±x_max (максимальный ход штока при прямолинейном движении). В этом случае позиционирование в промежуточных точках осуществляется установкой дополнительных внешних механических упоров с соответствующим демпфированием при подходе в каждому упору. Как показывают расчеты и практика использования пневматических приводов, число таких точек позиционирования не превышает 6-9, что обусловлено сжимаемостью рабочего тела и высокой скоростью исполнительного звена двигателя.

Число точек позиционирования можно увеличить, если использовать так называемые позиционеры. В цилиндр двигателя последовательно установлены поршни (обычно 3-4), имеющие раздельные рабочие полости. Подавая сжатый воздух в одну или другую полость, можно заставить двигаться один поршень с ходом х₁ или два поршня с суммарным ходом х₁ + x₂ и т. д. Схема такого двигателя представлена на рис, 3.5, а. Левый поршень жестко закреплен на основании конструкции робота. Сдвоенный цилиндр может перемещаться относительно основания N на величину х₁; правый поршень перемещается относительно основания F на величину x₂. В зависимости от подачи сжатого воздуха в одну из полостей А или В и С или D через магистрали а или b, с или d выходное звено двигателя - правый поршень - займет положения I-IV. Для получения равноудаленных друг от друга каждого из положений I-IV ходы поршней должны относиться как 1:2. Для строенного цилиндра двигателя число точек позиционирования равно 8, а ходы поршней должны относиться как 1:2:4.

Рис. 3.5. Схема позиционеров пневматического двигателя: 1, 2 - левый и правый поршни; 3 - сдвоенный цилиндр

Данная конструкция позиционирования усложняет исполнительный двигатель, дает ограниченное число точек позиционирования.

Более простая схема позиционирования представлена на рис. 3.5, б. Двигатель выполнен в виде цилиндра двустороннего действия с двусторонним штоком. Питание подводится одновременно в полости А и В. При равенстве давлений в полостях поршень находится в положении покоя. Магистрали 1-7 служат для выхода воздуха в атмосферу. При открытии по команде одного из выходов давление в соответствующей полости понижается. Под действием разности сил поршень будет двигаться до тех пор, пока не перекроется выход и давления в полостях не достигнут равных величин. Закрытие выхода может осуществляться как пневмораспределителем, так и механическим путем. Так, поршень при движении перекрывает открытый выход и останавливается. Позиционное управление широко используется в ПР с пневматическими приводами. При создании устройств позиционирования необходимо учитывать сжимаемость рабочего тела.

Одним из решений, используемых в пневмоприводах для останова выходного звена в заданном положении, является применение внешнего механического тормоза. Это устройство может использовать вспомогательный электрический или пневматический двигатель для приведения в действие тормозных элементов. Торможение осуществляется в два этапа. На первом этапе уменьшается скорость выходного звена двигателя до 5-10% от максимальной. При этом с помощью датчика положения выходного звена определяются предварительные точки торможения, в которых движение начинается с уменьшенной скоростью. На втором этапе происходит останов выходного звена в заданной точке с помощью тормоза. Тормозное усилие определяется положением точки позиционирования и рабочей скоростью выходного звена двигателя.

На первом этапе можно уменьшить скорость путем создания противодавления в соответствующей полости двигателя, что уже было определено при рассмотрении схем демпфирования. Можно снизить скорость выходного звена путем использования основного тормозного устройства, при этом создается предварительное усилие торможения, затем в точке позиционирования тормозное усилие увеличивается и достигает значения, при котором происходит полное торможение выходного звена.

В ПР с пневмоприводами позиционное управление применяется для широкого диапазона грузоподъемности (0,1-20 кг) и скоростей (500-1000 мм/с).

Время (средняя скорость) перемещения выходного звена в пневмоприводах с цикловым и позиционным управлением изменяется при изменении расхода газа в связи с увеличением (уменьшением) проходного сечения пневмолинии на входе или выходе двигателя (см. рис. 3.2). В схеме имеются дроссели Др1 и Др2 с переменным сечением и обратные клапаны OK1 и ОК2. В зависимости от направленности действия обратных клапанов скорость может регулироваться за счет изменения сечения пневмолинии на входе или выходе. Настройка дросселей Др1 и Др2 производится для каждого значения нагрузки и заданного цикла работы. Это является одной из особенностей пневмоприводов ПР. Скорость выходного звена зависит от перепада давления на поршне. Меняя расход в той или иной полости цилиндра, можно изменять давление в ней. Это достигается за счет изменения площади проходного сечения дросселей. Обратные клапаны OK1 и ОК2 необходимы для прямого пропуска сжатого газа, минуя дроссель.

Как показывают расчеты и условия эксплуатации, регулирование скорости целесообразно осуществлять путем дросселирования на выходе воздуха из двигателя. При случайном увеличении нагрузки и замедлении движения выходного звена давление в полости нагнетания резко возрастает, в полости опорожнения - снижается. Увеличение перепада давления на поршне приводит к возрастанию скорости выходного звена.

При случайном уменьшении нагрузки движение выходного звена в первый момент ускоряется, одновременно уменьшается давление в полости нагнетания и увеличивается в полости опорожнения, поршень замедляет движение. Время ускоренного или замедленного движения выходного звена в случае дросселирования на выходе значительно меньше, чем при дросселировании воздуха на входе в двигатель, так как давление в полости нагнетания быстрее выравнивается с давлением питания при отсутствии дросселя на входе в цилиндр.

Структурный синтез пневматических приводов. Под оптимальностью состава пневмопривода понимается прежде всего минимальность его элементов. Задача может быть упрощена, если рассматривать приводы с дискретным управлением. В этом случае используются методы, основанные на законах математической логики. Действительно, в алгебре логики переменная может иметь только одно из двух значений - 0 или 1. Наличие управляющего сигнала при дискретном управлении также имеет два значения - "да" или "нет", положение распределительного устройства - "включено" или "выключено", положение выходного звена двигателя - "вперед" или "назад" и т. д. Согласно принятым условиям состояние элементов привода можно описать логическими функциями. Так, реализацию логических функций с помощью двухпозиционного распределителя можно представить двумя схемами (рис. 3.6). При этом примем следующее условие: наличие сигнала в устройстве за 1, отсутствие - за 0.

Рис. 3.6. Схема реализации логической функции НЕ распределительными устройствами

Под сигналом понимается: для двигателя - подача сжатого воздуха в полость цилиндра; для распределителя - наличие тока управления в обмотках электромагнита, механическое воздействие на кулачок распределителя или подача управляющего воздействия любого другого вида.

В исходном положении распределителя (рис. 3.6, а) ток управления I_у = 0, т. е. сигнал управления на входе распределителя отсутствует (х = 0). Сжатый воздух под давлением р_пит из магистрали питания 1 поступает в полость двигателя с давлением р_дв, т. е. на выходе 3 имеется сигнал в виде давления сжатого воздуха p_дв(f = 1)

В рабочем положении распределителя (рис. 3.6, б) ток управления I_у = I_max. На вход распределителя поступает сигнал управления (х = 1), при этом происходит переключение позиций распределителя. Магистрали 3 и 2 связаны с атмосферой. Сжатый воздух в полость двигателя не поступает, т. е. f = 0. Таким образом, при реализации операции логического отрицания на рассмотренных устройствах наличию сигнала на входе соответствует отсутствие сигнала на выходе и наоборот. Используя соответствующие распределители, можно реализовать и другие логические функции.

В некоторых схемах пневмопривода необходимо по условиям эксплуатации использовать в качестве управляющего сигнала пневматический сигнал. В схемах пневмоавтоматики данный выходной сигнал является обычно результатом выполнения ряда логических операций, которые определяются режимом работы привода.

В промышленности применяется универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). Основу ее составляют универсальные элементы мембранного типа, работающие при давлении сжатого воздуха 0,1-0,14 МПа. Рассмотрим способы реализации логических функций посредством пневматического реле.

Конструкция пневматического реле выполнена в виде трех камер, образованных гибкими мембранами с различными эффективными площадями (рис. 3.7). В одной из камер b или с создается давление подпора р_п = 0,3 или р_п = 0,8 р_пит.

Рис. 3.7. Схема пневматического реле: a, b, c, d - камеры реле; 1 - мембрана; 2 - шток; 3, 4, 6 - жесткие центры мембран; 5, 7 - сопло

Рассмотрим принцип действия пневматического реле на примере реализации логической операции НЕ. В камеру а подается давление питания из пневмолинии; в камеру b - давление подпора; в камеру с - управляющий пневматический сигнал р_у = х. При наличии управляющего сигнала х = 1, при отсутствии - х = 0. Камера d соединена с атмосферой и с камерой а. За выходной сигнал f принимается давление на выходе р_вых из камеры а. Если р_вых = р_пит, то принимается f = 1. При р_вых = р_ат принимается f = 0.

Эффективные площади центров 3, 4, 6 мембран 1, соединенных штоком 2, имеют следующие соотношения: F₃ = F₆; F₄ > F_3,6. Принцип действия реле основан на компенсации сил, возникающих при действии давления подпора р_п и давления управления в камерах b и с. При х = 0 давление в камере с устанавливается равным атмосферному. Равнодействующая сила направлена вниз, так как F₄ > F₃. Жесткий центр 6 закрывает сопло 7, при этом в камере а устанавливается давление, равное р_пит, выходной сигнал f = 1. При х = 1 в камере с давление устанавливается равным р_у. Равнодействующая сил направлена вверх, центр 3 закрывает сопло 5, в камере a устанавливается атмосферное давление, сигнал f = 0. Используя соответствующие камеры для давлений подпора и управления, можно реализовать различные логические функции. Так, для реализации операции повторения давление подпора р_п подается в камеру с, давление управления - в камеру b (x = 1), при этом шток опускается, закрывается сопло 7. Выходной сигнал f = 1.

Для реализации логической операции умножения входные сигналы x и y подаются на входы камер a и b, в камеру с поступает давление подпора. При одновременной подаче входных сигналов x и y шток опускается, на выходе f = 1.

Подобными методами можно реализовать различные логические операции.

Реализацию логических операций можно выполнить с помощью элемента струйной техники, где используется эффект взаимодействия струй сжатого воздуха. При этом используются низкие давления сжатого воздуха, поэтому для применения этих устройств в пневмоприводах требуется усиление выходных сигналов.