Сравнительный анализ приводов мехатронных систем

Сарваров А.С., Васильев А.Е., Даниленко К.В., Меньщикова Е.В.

Сравнительный анализ приводов мехатронных систем

В данной статье дан сравнительный анализ основных показателей гидро- и пневмоприводов и особенности применения их в мехатронной системе, а также приведены для сопоставления зависимости удельной мощности от абсолютной различных систем приводов.

Ключевые слова: мехатронные системы, гидропривод, пневмопривод, электропривод, рабочая среда.

Введение

Тенденции современного информационного общества, стремительное развитие техники и сплетение различных областей знаний воедино дают мощный толчок для использования системного подхода в разработке средств автоматизации вообще и систем управления движением в частности.

Базовым элементом мехатронных систем является мехатронный модуль, который выполняет движения по одной управляемой координате. Из таких модулей, как из функциональных кубиков компонуются сложные системы модульной архитектуры. Одним из ключевых модулей мехатронной системы является мехатронный модуль привода.

Основные проблемы и решения

Приводы - это «мышцы» мехатронной системы, которые принимают команды управления (в основном в виде электрического сигнала) и производят изменение в физической системе, генерируя перемещения и усилия на рабочем органе [1]. Как правило, гидро- и пневмоприводы оснащены питающим приводом (электродвигатели) и передаточными механизмами, что представляет собой единый приводной блок (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема приводного блока

Передаточный механизм действует как интерфейс между приводом и физической системой. Передаточные механизмы включают в себя зубчатые, червячные, ремённые, цепные и другие виды передач.

Основными типами приводов, применяемых в силовых модулях мехатронных систем, являются:

- электрические (электромеханические, электромагнитные);

- гидравлические;

- пневматические;

- комбинированные системы (электрогидравлические, электропневматические, электрогидропневмати-ческие).

На сегодняшний день в мехатронике применяются приводы нового поколения, такие как смартприводы (основаны на базе двигателей с интегрированной собственной управляющей электроникой, то есть с интегрированной коммутирующей электроникой, контроллером скорости, контроллером движения или сетевым интерфейсом), микроприводы (основаны на базе кол-

лекторных, шаговых, бесколлекторных электромагнитных двигателей мощностью от 0,1 до 530 Вт. Их диаметр варьируется от 3 до 95 мм, а длина от 2 до 275 мм), интегральные приводы МЭМС/НЭМС (основаны на высокоточных микро/нано электромеханических системах) и пьезоприводы (основаны на пьезомо-торах (муфта - ходовой винт) мощностью 500 мВт, длинной ходового винта 15-40 мм, усилием перемещения более 200 г).

При разработке мехатронных систем одной из основных задач является выбор типа привода. Данный вопрос является достаточно сложным ввиду широкого спектра решаемых задач, типов и видов привода. В этой связи необходимо сформировать обширную базу данных для принятия решений по выбору наиболее оптимальных систем приводов. Создание такой базы позволит проводить многокритериальную оценку и аргументировать принятие решений.

В данной статье приводятся сравнительные характеристики двух систем, а именно гидро и пневмопривода, первую очередь рассматривается сравнительный анализ и спектр применения гидро- и пневмоприводов. Это обусловлено тем, что данные варианты по своей структуре являются практически идентичными. Объёмный гидропривод представляет собой совокупность гидравлических устройств и гидролиний, предназначенных для передачи энергии и приведения в движение механизмов и рабочих органов машин посредством жидкости под давлением, а объёмный пневмопривод представляет собой совокупность элементов и устройств, обеспечивающих преобразование потенциальной энергии давления сжатого воздуха в механическую работу, выполняемую пневмодвигателем [2]. На рис. 2 приведены функциональные схемы гидро- и пневмосистем.

В простейшем гидравлическом приводе с возвратно-поступательным движением рабочего звена рабочая жидкость от насоса 1 (рис. 2, а) приводимого в движение электродвигателем (на схеме не показан), под давлением, настроенным напорным гидроклапаном 2, через обратный клапан 3 (исключающий изменение направления движения рабочей жидкости) и гидрораспределитель 4 поступает в левую (поршневую) полость гидроцилиндра. Под действием давления масла в этой полости поршень 6 перемещается вправо и связанный с ним штоком рабочий орган 7 также перемещается вправо. При этом рабочая жидкость из правой (штоковой) полости гидроцилиндра 5 через гидрораспределитель 4 вытесняется в бак. В конце хода рабочего органа на гидрораспределитель 4 подаётся управляющий сигнал У1, переключающий золотник. Тогда рабочая жидкость поступает под давлением от насоса 1, через обратный клапан 3 и гидрораспределитель 4 поступает в правую (штоковую) полость гидро-

цилиндра, а левая (поршневая) полость через гидрораспределитель 4 соединяется с баком. Рабочий орган реверсируется, поршень 6 со штоком и рабочим органом 7 перемещаются влево. В конце хода рабочего органа влево на гидрораспределитель 4 подаётся управляющий сигнал У2, золотник вновь соединит поршневую полость гидроцилиндра с нагнетательной, а штоковую - со сливной гидролиниями системы и рабочий орган вновь начнёт перемещаться вправо.

б

Рис. 2. Функциональные сземы систем: а - гидравлического; б - пневматического приводов

В простейшем пневматическом приводе с возвратно-поступательным движением рабочего звена сжатый воздух от источника питания 1 (рис. 2, б) через фильтр- влагоотделитель 2, редукционный клапан 3 и маслораспылитель 5 поступает на вход пневмораспре-делителя 6. Давление воздуха контролируется манометром 4. Далее сжатый воздух поступает в левую (поршневую) полость пневмоцилиндра 7. Под действием давления воздуха в этой полости поршень 8 перемещается вправо и связанный с ним штоком рабочий орган 9 так же перемещается вправо. При этом сжатый воздух из правой (штоковой) полости пневмоцилиндра через пневмораспределитель 6 выходит в атмосферу. В конце хода рабочего органа на пневмораспределитель 6 подаётся управляющий сигнал У, переключающий золотник. Тогда сжатый воздух поступает через блок подготовки воздуха и пневмораспределитель 6 в пра-

вую (штоковую) полость пневмоцилиндра, а левая (поршневая) полость через пневмораспределитель 6 соединяется с атмосферой. Рабочий орган реверсируется, поршень 8 со штоком и рабочим органом 9 перемещаются влево. В случае обратного переключения пневмораспределителя 6 полости пневмоцилиндра7 меняются и поршень возвращается в исходное положение.

Между гидравлическими и пневматическими приводами существуют глубокие аналогии (по принципу действия, по конструкции и функциям их элементов). Принципиально отличаются только рабочие среды, воздух, обладающий большей сжимаемостью и малой вязкостью, и вязкая, практически не сжимаемая жидкость. Различие рабочих сред существенно сказывается на динамических характеристиках приводов, прежде всего на характеристиках исполнительных устройств. В отличие от гидравлических аналогов пнев-модвигатели с возвратно-поступательным движением выходного звена являются типично дискретными устройствами. Движение поршня пневмоцилиндра характеризуется малой продолжительностью, высокими и нестабильными скоростями. Поршень имеет только два фиксированных (крайних) положения, определяемых жёсткими упорами. Точно остановить его в каком-либо промежуточном положении невозможно. Например, при прекращении подачи воздуха или запирании обеих полостей пневмоцилиндра движущий поршень останавливается не мгновенно из-за упругости рабочей среды. В гидроприводе остановка поршня возможна в любой точке траектории движения поршня с достаточно высокой точностью.

При простоте конструкции, хороших экономических показателях и достаточной надежности, но низких регулировочных свойствах, пневмоприводы не могут быть использованы в позиционных и контурных режимах работы, что несколько снижает привлекательность их применения в мехатронных системах. В реальных гидравлических приводах напряженность рабочей среды в направлении передачи движения составляет 6-100 МПа при гибком управлении за счет регулирования потока жидкости гидравлическими устройствами, имеющими различное управление, в том числе и электронное. Компактность и малая инерционность гидропривода обеспечивают легкое и быстрое изменение направления движения ИМ, а применение электронной аппаратуры управления обеспечивает приемлемые переходные процессы и заданную стабилизацию выходных параметров. В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить высокую надежность функционирования гидропривода, используют две насосные станции и соответственно две ветви гидросистемы [3]. На рис. 3 приведена принципиальная схема мехатронной системы извлечения фурмы, как пример реализации данных систем в промышленности. Согласно данной схеме в устройстве работают две насосные станции на единую систему, в которой имеются соответственно два регулятора потока и два гидроклапана. Вопросы надежности в данной системе обеспечиваются двумя гидронагнетателями, которые могут работать отдельно (независимо) или параллельно.

Рис. 3. Принципиальная гидравлическая схема устройства для извлечения фурмы

Питание гидроцилиндра 1 обеспечивает выдвижение устройства захвата и его поддержку. В нормальном режиме питание обеспечивается первой насосной станцией. Вторая станция, подключенная к группам цилиндров 2 и 3, обеспечивает питание непосредственно самих механизмов захвата. Для управления цилиндрами предусмотрены трехпозиционные гидрораспределители. Для управления гидроцилиндром 1 предусмотрено ручное управление гидрораспределителем и имеется дополнительный регулятор потока, обеспечивающий плавность выдвижения и втягивания гидроштока.

Группы цилиндров 2 и 3 являются, как отмечалось выше, исполнительными механизмами устройства захвата. Они выполняют вертикальный захват с внутренней поверхности фурмы. Для управления этими группами используется пропорциональный гидрораспределитель с регулируемым электромагнитным управлением, в совокупности с делителями потока и регуляторами потока. Это обеспечивает плавность захвата без деформации исполнительных механизмов.

В целом, сопоставляя гидро- и пневмоприводы, следует отметить, что каждый из этих систем приводов обладает определенной совокупностью достоинств и недостатков. Качественная оценка основных показателей приведена в таблице на основе анализа материалов, опубликованных в [4-6].

Сравнительный анализ приводов

№ п/ п Наименование показателей Характеристики показателей

гидропривода пневмопривода

1 Сложность конструкции и техническое обслуживание Высокая точность изготовления деталей, обусловленная необходимостью герметизации соединений и применения дополнительной возвратной гидролинии, а также дорогостоящих материалов при изготовлении трубопровода. Не требуется применение дорогостоящих комплектующих изделий высокой точности изготовления элементов соединений, отсутствие возвратных пневмолиний. Для изготовления трубопровода не требуются применение дорогостоящих материалов

2 Влияние утечек на систему Значительное(необ-ходим контроль за уровнем рабочий жидкости в системе), влияние утечек на КПД системы и расход рабочей жидкости Не значительное (легко восполняемы).

3 Габариты и масса Небольшие Значительные

4 Рабочее давление Высокое

5 Смазывающая способность среды Высокая Низкая

6 Энергоёмкость Высокая Низкая

7 Пожаро- и взрывобе-зопасность Низкая Высокая

8 Уровень шума Низкий Высокий

9 Срок службы 5-10 тыс. ч 10-20 тыс. ч

10 Регулирование скорости выходного звена Широкий диапазон регулирования Достаточно широкий диапазон регулирования

11 Частота реверсирования движения выходного звена До 1000 реверсов в минуту До 1500 реверсов в минуту

12 Реализация скорости рабочих движений Реализация больших скоростей ограничивается большей инерционностью (масса жидкости) и отсутствием демпфирующего эффекта Возможна реализация больших скоростей.

13 КПД привода Около 70% Обычно 5-15% и очень редко до 30%

14 Передача энергии на большие расстояния Невозможно вследствие больших потерь напора на единицу длины трубопровода Возможно на расстояния до нескольких километров, что позволяет использовать пневмопривод в качестве магистрального

15 Чувствительность к перепаду температур Чувствителен (нарушение герметичности вследствие изменения зазоров между деталями, изменение вязкости рабочей среды) Не чувствителен

Продолжение таблицы

№ п/ п Наименование показателей Характеристики показателей

гидропривода пневмопривода

16 Скорость передачи сигнала

17 Точность позициони-ро-вания исполнительного механизма Высокая точность

18 Стоимость рабочей среды Высокая Легко восполняема из окружающей среды

19 Эксплуатация рабочей среды Необходимость фильтрации рабочей жидкости, нагрева или охлаждения, а также замена Необходимость фильтрации, влагоотделения и повышения смазывающей способности рабочей среды

В таблице приведена совокупность основных показателей двух сопоставимых по составу основного оборудования систем приводов. Недостатки гидропривода отражены в позициях 1, 2, 4, 9. 11, 14, 15, 18, соответственно в этих позициях пневмопривод имеет преимущества. По ряду позиций, таких как 10, 12, и 19, показатели данных систем приводов совпадают. В других позициях пневмопривод имеет определенные преимущества по отношении к гидроприводу. В целом показатели гидропривода и пневмопривода сопоставимы и каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки при использовании в том или ином диапазоне мощности исполнительных устройств. Электропривод в этих системах играет косвенную роль, так как прямых рабочих действий не производит.

Отдельно рассматривая электропривод модулей в мехатронных системах, следует отметить, что данное направление развивается применительно к андроид-ным и им подобным роботам. Необходимо отметить, что электропривод исполнительных органов мехатрон-ных систем по многим показателям становится более предпочтительным в эксплуатации. На рис. 3 приведены кривые, характеризующие массогабаритную эффективность различных систем приводов, применяемых в мехатронных модулях [7].

Мощность. Вт

Рис. 3. Удельная мощность (отнесенная к весу) различных систем приводов в зависимости от абсолютной мощности

Анализируя данные зависимости, целесообразно отметить, что при мощности свыше 2 кВт (после пересечения характеристик в точке 1) массогабаритная эф-

фективность электропривода становится преобладающей. Точкой 2 обозначено пересечение характеристик пневмо- и гидропривода. Предварительно можно сделать вывод о том, что при значениях мощности свыше

5 кВт массогабаритные показатели пневмопривода становятся предпочтительными. Следует отметить, что оценка подобного типа является не полной для принятия решений по выбору той или иной системы электропривода в качестве базовой.

Основные выводы

1. Пневмопривод является наиболее простым, достаточно надежным и дешевым. В то же время данный тип привода является плохо управляемым и имеет ограниченные возможности по грузоподъемности (до 10-20 кг [6]).

2. Гидропривод является более сложным и дорогостоящим в сравнении с пневмо- и электроприводом. Однако в диапазоне мощностей до 1 кВт гидропривод обладает наилучшими массогабаритными показателями и успешно может применяться в системах, где требуется формирование значительных усилий исполнительными органами и высокая точность исполнения.

3. Электропривод исполнительных устройств в настоящее время становится основным в сфере меха-тронных систем. При этом на первый план выдвигаются такие показатели, как хорошая управляемость, высокий КПД и наилучшая массо-габаритная эффективность. Все эти позиции являются предпочтительными для применения электропривода в мобильных робото-технических системах с автономным питанием.

Заключение

В настоящее время мехатронные системы как объект исследований находятся в планах работ многих научных коллективов, и в этой сфере необходимо решать широкий круг задач. В первую очередь необходимо создание и постоянное пополнение баз данных по применению мехатронных систем в различных направлениях техники, развитие методик кинематических расчетов и выбора мощности двигателей для различных типов приводов. Проблемы развития систем управления находятся в отдельной сфере исследований.

Список литературы

1. Robert H. Bishop. Mechatronics. An introduction. Taylor

6 Francis Group, LLC, 2006. 285 p.

2. Гидроприводы и гидропневмоавтоматика станков / Федорец В.А., В.А.Педченко, А.Ф. Пичко, Ю.В. Пересадько, В.С. Лысенко. К.: Вища школ, 1987. 375 с.

3. Сарваров А.С., Гаджибалаев А.И. Разработка меха-тронного устройства для замены отработавших фурм доменной печи ОАО «ММК» // Наука и производство Урала. 2014. №10. С. 17-170.

4. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1976. 424 с.

5. Абрамов Е.И., Колиснеченко К.А., Маслов В.Т. Элементы гидропривода: справочник. К.: Техника, 1977. 320 с.

6. Берендс Т.К., Ефремова Т.К., Тагаевская А.А., Юдицкий С.А. Элементы и схемы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение, 1976. 246 с.

7. Юревич Е.И. Основы робототехники. 2-е изд. пере-раб. и доп. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 16 с.: ил.

Information in English

Comparative Analysis of Actuators for Mechatronic Systems

Sarvarov A.S., Vasilyev A.E., Danilenko K.V., Menshchikova E.V.

This article presents a comparative analysis of the main indicators of hydraulic and pneumatic actuators and application characteristics in mechatronic systems, and provides dependence of power density on the absolute of different actuators systems for comparison.

Keywords: mechatronic systems, hydraulic actuator, pneumatic actuator, electrical actuator, work environment.

References

1. Robert H. Bishop. Mechatronics. An introduction. Taylor & Francis Group, LLC, 2006. 285 p.

2. Fedorets V.A., Pedchenko V.A., Pichko A.F., Peresadko U.V., Lysenko V.S. Gidroprivody i gidro- pnevmo- avtomatika stankov [Hydraulic actuators and hydraulic and pneumatic automatic equipment of machines]. Kiev: Visha shkol, 1987, 375 p.

3. Sarvarov A.S., Gadzhibalayev A.I. Razrabotka mehatronnogo ustroistva dlya zameny otrabotavshih furm

domennoi pechi OAO "MMK" [Development of mechatronic device to replace the worn out tuyeres of a blast furnace at OJSC «MMK»]. Science and production of the Urals. Scientific and technical journal. 2014, no. 10, pp. 17-170.

4. Popov D.N. Dinamika i regulirovanie gidro i pnevmosistem [Dynamics and regulation of hydraulic and pneumatic systems]. Moscow: Mechanical engineering, 1976, 424 p.

5. Abramov E.I., Kolisnechenko K.A., Maslov V.T. Elementy gidroprivoda: spravochnik [Hydraulic actuator elements: reference manual]. Kiev: Engineering, 1977, 320 p.

6. Berends T.K., Efremova T.K., Tagayevskaya A.A., Yuditsky S.A. Elementy i shemy pnevmoavtomatiki [Elements and diagrams of pneumatic control components]. Moscow: Mechanical engineering, 1976, 246 p.

7. Jurevich E.I. Osnovy robototehniki [Fundamentals of robotic technology]. 2nd edition revised and enlarged. Saint Petersburg: BHV-Petersburg, 2005, 416 p.