ПРИВОД С РЕКУПЕРАЦИЕЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Предлагаемое устройство относится к области машиностроения и может быть применено при конструировании промышленных роботов и манипуляторов с преимущественно прямолинейным движением подвижного рабочего органа, используемых для автоматизации вспомогательных загрузочно-разгрузочных операций в промышленности. Например, в роботизированных технологических комплексах холодной листовой штамповки для транспортирования заготовок и изделий.
Известны способы позиционирования подвижного исполнительного органа на жесткий упор, заключающиеся в использовании колебательного переходного процесса при позиционировании (см. А.с. №992126, опубл. БИ №4, 1983 г. Сысоева С.Н., Черкасова Ю.В., «Методы позиционирования исполнительного органа на жесткий упор» Станки и инструмент, №8, с.12).
С использованием данных способов известны приводы, получившие название приводов колебательного, маятникового, резонансного типа, цикловые приводы с рекуперацией механической энергии (см. Сысоев С.Н., Глушков А.А. «Цикловые приводы колебательного типа» Владим. гос. ун-т. - Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. - 2010. - 186 с).
Функционально данный привод включает корпус, подвижный рабочий орган, аккумулятор механической энергии и устройства фиксации (расфиксации) рабочего органа на жесткие упоры, а также устройства добавления в привод энергии. Данные приводы по сравнению с традиционными отличаются повышенными скоростными и энергетическими характеристиками.
Недостатками данных устройств являются ограничения величины перемещения рабочего органа и высокие энергозатраты, связанные с постоянным его силовым взаимодействием с основанием привода.
Известно устройство, реализующее способ (см. пат. РФ №2266191 «Способ работы привода с рекуперацией механической энергии» Сысоева С.Н., опубл. 20.12.2005 г., Бюл. №35) работы привода. Способ включает добавление энергии рабочему органу, кинематически связанному с основанием, достаточной для преодоления диссипативных сил, разгон и перемещение его относительно основания в требуемом направлении, торможение с аккумулированием кинетической энергии при подходе к точке позиционирования. Отличие способа заключается в том, что рабочий орган после его разгона кинематически отсоединяют от основания, а перед торможением соединяют с ним.
Устройство, реализующее данный способ и получившее название «маниплан» (см. Сысоев, С.Н. Концептуальное проектирование манипуляционных механизмов с рекуперацией механической энергии / С.Н. Сысоев // Мехатроника. Автоматизация. Управление: труды I Всерос. конф. с межд. участ. - М, 2004. - С.259), состоит из корпуса, рабочего органа, аккумулятора механической энергии и устройств позиционирования. После разгона рабочего органа, его отсоединяют от основания, а при подходе к требуемой точке позиционирования - соединяют. Это позволяет снизить энергозатраты и увеличить рабочий ход. Однако, чем больше величина хода рабочего органа, тем труднее обеспечить сохранение требуемой его ориентации в пространстве из-за отсутствия силового взаимодействия рабочего органа с основанием. Кроме этого, с увеличением величины хода рабочего органа увеличивается изменение величины потерь запасенной вприводе энергии, что затрудняет безударную работу устройств позиционирования. Все это ограничивает эффективность работы привода.
Известно устройство «маниплан» (см. Пат. РФ на полезную модель №105852 «Привод с рекуперацией механической энергии (маниплан)» МПК B25J 9/00, заявка №201149127/02 заявл. 30.11.10 г., опубл. 27.06.11, Бюл. №2 Сысоева С.Н., Черкасова Ю.В., Плаксина А.С., Воздугана А.А.). В устройстве для сохранения требуемой ориентации подвижного рабочего органа в пространстве из-за отсутствия его силового взаимодействия с основанием на корпусе в хвостовой части устанавливают стабилизаторы.
Недостатком данного устройства является ограничения сохранения требуемой ориентации в процессе перемещения подвижного рабочего органа, связанные со скоростью его движения. Чем больше его неустойчивость, тем большие скорости он должен развивать.
Наиболее близким по технической сущности из известных является привод с рекуперацией механической энергии (маниплан) (см. Пат. РФ на полезную модель №116804 U1 «Привод с рекуперацией механической энергии (маниплан)» МПК B25J 9/00, заявка №2011151988/02 заявл. 19.12.11 г., опубл. 10.06.12, Сысоева С.Н., Черкасова Ю.В., Воздугана А.А., Подъячева П.Н.).
В приводе включающем корпус, подвижный рабочий орган с аккумуляторами механической энергии и устройства фиксации его на основании в крайних положениях, на подвижном рабочем органе дополнительно установлено по крайней мере одно несущее крыло. Этим достигается повышение эффективности работы привода за счет обеспечения возможности перемещения подвижного рабочего органа на достаточно большие расстояния с расширенным диапазоном величин скоростей перемещения подвижного рабочего органа. Однако недостатком данного устройства и всех известных является недостаточная эффективность работы приводов, которая обусловлена низкими точностными параметрами его позиционирования из-за отсутствия обеспечения организации требуемого направления в процессе разгона подвижного рабочего органа, задания необходимой траектории его движения. Кроме этого необходимость установки аккумуляторов механической энергии в зонах позиционирования подвижного рабочего органа усложняет конструкцию и ограничивает область его возможного применения.
Задачей полезной модели является повышение эффективности работы привода за счет повышения точностных параметров позиционирования подвижного рабочего органа и расширения области возможного его применения.
Поставленная задача достигается тем, что в приводе с рекуперацией механической энергии, включающем основание, подвижный рабочий орган с закрепленным на его корпусе по меньшей мере одним несущим крылом, аккумулятором механической энергии и устройством фиксации его в крайнем положении, на основании установлены направляющие перемещения по ним несущего крыла подвижного рабочего органа с возможностью ориентации в пространстве, а аккумулятор механической энергии встроен в корпус подвижного рабочего органа и выполнен в виде штока, подпружинено установленного в корпусе с возможностью перемещения вдоль него.
С целью повышения точностных параметров задания требуемого направления движения в процессе разгона подвижного рабочего органа от точки позиционирования, в отличие от используемых ранее трех присосок, где затруднено выполнение функции их одновременной работы, устройство фиксации подвижного рабочего органа включает присоску, закрепленную на штоке, периферийная часть уплотнительного элемента которой тросом связана с корпусом, на котором закреплены упоры, установленные с возможностью силового взаимодействия с поверхностью, на которую фиксируется подвижный рабочий орган.
С целью задания требуемого направления движения в процессе разгона подвижного рабочего органа от точки позиционирования и повышения точности позиционирования на корпусе закреплено не менее трех упоров, выполненных с возможностью регулировки положения относительно корпуса.
Пример реализации данного устройства показан на фиг.1, а (вид сбоку), фиг.1, б (вид сверху). На фиг.2 показана последовательность работы привода, где: а - исходное положение подвижного рабочего органа на основании; б - движение подвижного рабочего органа в требуемом направлении после его разгона; в - положение рабочего органа в требуемой точке позиционирования; г - движение подвижного рабочего органа в направлении основания. На фиг.3 - общий вид макета привода с рекуперацией механической энергии.
Привод включает основание 1 с установленным на нем подвижным рабочим органом 2, крайнее положение которого ограничено поверхностью 3, расположенной в точке позиционирования.
Подвижный рабочий орган состоит из корпуса 4 с встроенным аккумулятором механической энергии, включающим подпружиненный пружиной 5 шток 6, который выполнен с возможностью его фиксации относительно корпуса 4 устройством 7. На корпусе 4 закреплены упоры 8, установленные с возможностью силового взаимодействия с поверхностью 3, на которую фиксируется подвижный рабочий орган. Каждый упор закреплен через шаровой шарнир на корпусе подвижного рабочего органа с возможностью поворота и фиксации положения относительно него. Взаимное расположение упоров определяет угловое положение корпуса относительно поверхности, на которую фиксируется подвижный рабочий орган.
На штоке 6 закреплена присоска 9, периферийная часть уплотнительного элемента которой тросом 10 связана с корпусом 4. На корпусе 4 закреплено несущее крыло 11, расположенное на направляющих 12, закрепленных на основании 13 с возможностью их ориентации в пространстве поворотом относительно точки O приводными механизмами 14, установленными на основании. На направляющих 12 закреплен пусковой механизм 15, сообщающий подвижному рабочему органу требуемую энергию в процессе его разгона.
Привод с рекуперацией механической энергии работает следующим образом.
В исходном положении (фиг.1, а, фиг.2, а) подвижный рабочий орган 2, располагают на направляющих 12 и ориентируют их поворачивая относительно основания 13. Этим задается требуемые направление и траектория перемещения подвижного рабочего органа в направлении поверхности 3 точки позиционирования. Кроме этого настраивают положение упоров, поворачивая их относительно корпуса, задавая его требуемое угловое положение после фиксации на поверхности 3.
По команде на начало работы привода пусковым механизмом 15 сообщают энергию подвижному рабочему органу, достаточную для компенсации потерь энергии при его перемещении, позиционирования на поверхности 3 в требуемой точке и возврата в исходное положение.
В результате этого происходит разгон, разъединение с направляющими и свободное перемещение (фиг.2, б) подвижного рабочего органа в направлении к требуемой точке его позиционирования.
При подходе подвижного рабочего органа 2 к требуемой точке позиционирования происходит силовое взаимодействие с поверхностью 3 присоски 9. Движение ее прекращается и начинается процесс торможения корпуса 4 подвижного рабочего органа. Шток 6, перемещаясь относительно корпуса 4, сжимает пружину 5, в результате чего кинетическая энергия, которой обладал подвижный рабочий орган, преобразуется в потенциальную энергию сжатия пружины 5. В процессе торможения подвижного рабочего органа 2 продолжается перемещение упоров 8 к поверхности 3 и в момент их совместного силового взаимодействия устройством 7 фиксируется положение штока 6 относительно корпуса 4. Подвижный рабочий орган 2 занимает требуемое положение в точке позиционирования (фиг.2, в).
По команде на перемещение подвижного рабочего органа 2 в обратном направлении устройством 7 выполняется расфиксация положения штока 6 относительно корпуса 4. В результате силового воздействия пружины 5 происходит разгон подвижного рабочего органа 2. При этом присоска 9 занимает фиксированное положение на поверхности 3. Выдвижение штока 6 из корпуса 4 приводит к натяжению троса 10 и отведению периферийной части уплотнительного элемента присоски 9 от поверхности 3. Выполняется функция отпускания присоской 9 поверхности 3 и начинается процесс свободного перемещения подвижного рабочего органа 2 (фиг.2, г) в направлении основания.
В конце перемещения подвижный рабочий орган 2 несущим крылом 11 взаимодействует с направляющими и, перемещаясь по ним, занимает исходное положение (фиг.2, а).
Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с известными повышает эффективность работы привода.
В лабораторных условиях на кафедре автоматизации производственных процессов Владимирского государственного университета создан действующий образец привода с рекуперацией механической энергии модели СС-05 (фиг.3).
Натурные испытания подтвердили работоспособность и повышение эффективности работы привода за счет улучшения точностных параметров позиционирования подвижного рабочего органа и расширения области его применения путем увеличения количества возможных точек позиционирования и устранения необходимости установки в зонах позиционирования аккумуляторов механической энергии подвижного рабочего органа.