СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ШТОКА КАМЕРНОГО ПРИВОДА
METHOD OF CONTROLLING MOVEMENT OF ROD OF CHAMBER DRIVE

Предлагаемое изобретение относится к управляемым приводам для преобразования энергии управления в механическую энергию перемещения рабочего органа и может быть использовано в машиностроении, робототехнике, медицине при создании гидравлических и пневматических приводов, работающих от воздействия газа или жидкости.
Наиболее эффективно применение способа в приводах с торообразной гибкой нерастяжимой герметичной оболочкой.
Известен способ управления камерных приводов (см. патент №2012535 МПК В66В 9/04, B66F 3/24 «Пневматический подъемник»). Устройство включает находящуюся под давлением торообразную камеру, расположенную в корпусе, а также тяговый элемент в виде гибких лент. Способ работы привода состоит в том, что на камеру создают внешнее силовое воздействие гибкой лентой, последовательно проходящей через центральное отверстие тора и охватывающей его наружную часть. Использование торообразной камеры позволяет уменьшить величину трения в сопрягаемых подвижных элементах путем устранения трения скольжения. Однако данный способ обладает сложностью реализации и узкими функциональными возможностями, так как камера выполняет только функцию направляющих и перемещение ее осуществляет дополнительный привод, а использование лент в качестве тянущего устройства ограничивает величину силового воздействия.
Известен способ управления камерных пневмоприводов (см. А.С. №1121132 «Рука манипулятора», МПК B25J 3/00, опубл. 30.10.84, Бюл. №40, А.С. №1364462 «Рука манипулятора», МПК B25J 3/00, опубл. 07.01.88, Бюл. №1). В приводах камера, находящаяся под постоянным давлением рабочей среды внутри ее, выполнена в виде торообразной герметичной оболочки и установлена в корпусе пневмоцилиндра, охватывая шток. Способ работы привода заключается в следующем. На камеру с внешней торцевой стороны создают распределенное силовое воздействие пневматическим давлением, приводящим к перемещению штока относительно корпуса. Величину силового воздействия регулируют величиной давления снаружи камеры.
Данный способ позволяет расширить возможность увеличения силового воздействия на рабочий орган использованием распределенной нагрузки. Однако создание давления рабочей среды снаружи торообразной камеры требует создания дополнительной рабочей камеры и ее герметизации, что усложняет работу способа. Кроме этого регулируется привод только величиной давления рабочей среды, что ограничивает его функциональные возможности.
Известен способ управления камерных приводов (см. А.С. №1103640 «Гидродвигатель» МПК F15B 15/10, опубл. 10.01.1996, А.С. №1021596, МПК B25J 1/02, «Хобот манипулятора», опубл. 08.06.83), в котором увеличивают давление рабочей среды внутри камеры. В результате стенки начинают расширяться, создавая усилие, соответствующее нагрузке, приложенной к поверхностям камеры. В способе используется упругая деформация оболочки, что снижает эффективность работы привода. Кроме этого регулирование привода только величиной давления рабочей среды ограничивает его функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности из известных является способ управления камерного привода (см. патент №2372056 «Искусственная мышца», МПК B25J 17/02, A61F 2/72, опубл. 10.11.2009, «Гибкие приводы в робототехнике/ Е.Г. Колесникова, Е.А. Савинская, В.И. Умнов. Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет). Данные приводы получили название «Мышца Маккибена». В них используется нерастяжимая гибкая камера торообразной формы, охватывающая растяжимый шток. Величиной давления рабочей среды внутри камеры получают силовое воздействие, растягивающее шток, создавая усилие, соответствующее нагрузке. Применение способа не позволяет получить значительных перемещений рабочего органа, а упругие деформации штока негативно влияют на эффективность его работы. Управление привода осуществляется только изменением величины давления рабочей среды в камере, что ограничивает его функциональные возможности.
Таким образом, данный способ и все известные имеют ограниченные функциональные возможности.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей камерного привода путем регулирования эффективной площади торцевых поверхностей камеры.
Поставленная задача достигается тем, что в способе управления перемещением штока камерного привода, включающим создание избыточного давления рабочей среды в торообразной герметичной гибкой нерастяжимой камере с кольцеобразными торцевыми поверхностями, охватывающей шток и связанной боковой поверхностью с корпусом, и управление перемещением штока относительно корпуса, управляют направлением перемещения и величиной хода штока путем изменения эффективной площади по меньшей мере одной кольцеобразной торцевой поверхности камеры.
Изменение эффективной площади торцевой поверхности камеры можно выполнять посредством силового воздействия на торцевую поверхность камеры с обеспечением изменения площади ее внутреннего кольца.
Изменение эффективной площади торцевой поверхности камеры также можно выполнять посредством силового воздействия на торцевую поверхность камеры с обеспечением изменения площади ее наружного кольца.
Возможно осуществление изменения величины давления рабочей среды в камере путем изменения ее объема.
эфф
Перемещение штока камерного привода относительно корпуса зависит от результирующей сил, действующих на него с двух противоположно направленных сторон. Силовым воздействием на шток управляют величиной давления p рабочей среды камеры или ее эффективной площадью S.
Площади колец торцевой поверхности камеры определяют ее эффективную площадь, а соответственно, и силовое воздействие от давления рабочей среды в камере.
эфф
Силовое воздействие F на торцевую поверхность камеры определяется произведением давления p на эффективную площадь S в соответствии с известным (см. Сысоев С.Н. Элементы гидравлического и пневматического оборудования: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т; Владимир, 2001. с. 32) выражением:
,
где: R - радиус торцевой поверхности камеры; r - радиус штока.
Таким образом, эффективная площадь торцевой поверхности камеры зависит от R и r, а эффективная площадь камеры определяется разностью ее эффективных торцевых площадей.
Примеры применения предлагаемого способа представлены на чертеже 1, где показаны схемы реализации способа.
л
п
л
п
л
п
0
Перед началом работы привода в корпусе 1 (фиг. 1, а) закреплена торообразная оболочка 2 фиксатором 3. Оболочка также закреплена фиксаторами 4 и 5 на штоке 6, образуя герметичную гибкую нерастяжимую камеру с полостью А, находящейся под давлением p рабочей среды, например воздуха. При одинаковых размерах торцевых поверхностей камеры, когда радиус наружного торцевого кольца слева R равен радиусу справа R, а радиус внутреннего торцевого кольца слева r равен радиусу справа r, силовое воздействие на шток влево F равно силовому воздействию, направленному вправо F. Шток в данной ситуации, независимо от величины давления p рабочей среды в полости А, может занимать любое положение x относительно корпуса в пределах возможного его рабочего хода.
Управление перемещением штока камерного привода осуществляют следующим образом.
Силовым воздействием на торцевую поверхность камеры изменяют площадь ее внутреннего кольца.
п
л
п
iп
Увеличение правой площади внутренней кольцевой торцевой поверхности камеры, когда r становится больше r (фиг. 1, б), приводит к увеличению F и перемещению штока вправо с текущей координатой относительно корпуса x.
л
п
л
iл
Увеличение левой площади внутренней кольцевой торцевой поверхности камеры, когда r становится больше r (фиг. 1, в), приводит к увеличению F и перемещению штока влево с текущей координатой относительно корпуса x.
Силовым воздействием на торцевую поверхность камеры изменяют площадь ее наружного кольца.
л
п
п
Уменьшение правой площади наружной кольцевой торцевой поверхности камеры, когда R становится больше R (фиг. 1, г), приводит к уменьшению F и перемещению штока влево относительно корпуса.
л
п
л
Уменьшение левой площади наружной кольцевой торцевой поверхности камеры относительно правой, когда R становится меньше R (фиг. 1, д), приводит к уменьшению F и перемещению штока вправо относительно корпуса.
Регулировка эффективной площади камеры позволяет управлять величиной и направлением силового воздействия на рабочий орган привода.
На фиг. 2 показаны графики силы на штоке в зависимости от эффективной площади камеры для давления 0,1 МПа.
При увеличении размера левой части штока увеличивается силовое воздействие на него (фиг. 2, а). Если при данных конечных размерах штока привода уменьшать размер правого торца камеры, то силовое воздействие на шток будет возрастать (фиг. 2, б).
Величина силового воздействия на зависит также от давления в полости А камеры, которое можно регулировать изменением ее объема например, изменением расстояния между фиксаторами 4 и 5 (см. фиг. 1, а), что позволяет использовать предлагаемый способ в безнасосных приводах.
Таким образом, предлагаемый способ управления камерного привода значительно расширяет функциональные возможности работы существующих известных приводов, включая управление приводом без изменения величины давления в рабочей камере, а также открывает перспективы создания новых камерных устройств с торообразными герметичными оболочками.
Диаметр наружного торцевого кольца регулируют путем установки камеры в корпус, выполненный в виде полого цилиндра с продольной прорезью. По краям корпуса закреплены устройства регулировки диаметров его торцов. Диаметры внутренних колец регулируют, применяя шток, имеющий аналогичное конструктивное исполнение. Изменением диаметров полости цилиндра осуществляют изменение объема камеры, что приводит к изменению величины давления рабочей среды в ней.
Моделирование, макетирование, проведенные натурные исследования предлагаемого способа подтвердили его работоспособность, эффективность и промышленную применимость.