Исследование кинематических и динамических характеристик старт-стопных систем с рекуперацией энергии с целью повышения их быстродействия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Веретимус, Диана Константиновна

• Веретимус, Диана Константиновна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Веретимус, Диана Константиновна

Введение.

Глава 1. Обзор работ и анализ старт-стопных систем, работающих на основе принципа рекуперации энергии.

1.1. Цикловые системы с выстоями в двух позициях.

1.2. Цикловые системы, работающие в многопозиционном режиме.

1.3. Контурные системы.

1.4. Анализ и выводы по материалам литературного обзора.

Глава 2. Старт-стопная двухпозициоНная система с упругим звеном; анализ динамики и определение быстродействия.

2.1. Определение собственных частот и форм упругого звена манипуляционной системы как упругого стержня, совершающего поперечные колебания.

2.2. Определение кинематических и динамических характеристик и быстродействия манипуляционной системы

2.3. Определение второго крайнего положения упругого звена.

2.4. Начальный изгиб упругого звена.

2.5. Влияние геометрии упругого звена на быстродействие манипуляционной системы.

2.6. Экспериментальное исследование и оценка разработанных математических моделей.

2.7. Основные результаты.

Глава 3. Определение параметров манипуляционной системы с упругим звеном по заданным техническим условиям.

3.1. Определение параметров манипуляционной системы с упругим элементом при заданном быстродействии.

3.2. Выбор схемы для настройки манипуляционной системы с упругим элементом на заданное быстродействие.

3.3. Основные результаты.

Глава 4. Выбор схемы электромагнитного механизма манипуляционной системы с упругим звеном.

4.1. Выбор схемы и модели электромагнита.

4.2. Работа электромагнитного привода манипуляционной системы при импульсном питании.

4.3. Экспериментальный макет манипуляционной системы с импульсным питанием.

4.4. Основные результаты.

Глава 5. Старт-стопная двухпозиционная система с двумя упругими элементами; анализ динамики и определение быстродействия.

5.1. Определение начального изгиба упругого элемента.

5.2. Определение кинематических и динамических характеристик и быстродействия системы.

5.3. Экспериментальное исследование и оценка разработанной математической модели.

5.4. Демонстрационный макет манипуляционных систем.

5.5. Основные результаты.

Основные результаты работы и выводы.

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Веретимус, Диана Константиновна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных исследований разработаны методы и средства повышения быстродействия старт-стопных манипуляционных систем, которые показали, что применение упругого звена в качестве базового позволяет достичь значительно более высоких скоростей, чем в ранее используемых устройствах с жестким звеном и накопителем потенциальной энергии при практически одинаковых энергозатратах.

2. Установлена связь быстродействия с геометрией упругого элемента системы при условии равенства площадей, позволившая рекомендовать создание старт-стопной системы с формой упругого звена в виде прямоугольной трапеции, быстродействие которой примерно в 1,5 раза выше, чем у аналогичной - с прямоугольной формой звена.

3. Разработана методика определения параметров упругого элемента манипуляционной системы с упругим звеном, при которых реакция в заделке будет минимальна, позволяющая синтезировать механизм с требуемым быстродействием при заданных массе и положении груза.

4. Предложена схема управления электромагнитным механизмом старт-стопной системы с конденсатором, без дополнительного введения в нее переключателей и датчиков. При этом разряд конденсатора обеспечивает плавное понижение напряжения при переходе на режим удержания звена в крайних положениях. По сравнению с аналогичной схемой без конденсатора, она в 5 раз уменьшает скорость якоря в момент касания им сердечника и в 1,2 раза уменьшает среднюю силу тока, что улучшает тепловой режим работы электромагнита, повышает надежность и долговечность таких механизмов.

5. Создана двухпозиционная старт-стопная система параллелограммно-го типа. Выявлено, что у такой системы быстродействие в меньшей степени зависит от массы захватного устройства, чем у системы с одним упругим элементом, при одинаковой массе и жесткости упругого звена обеих систем.

6. Экспериментальная проверка подтвердила приемлемость математических моделей для оценки характеристик старт-стопных систем с упругим звеном.

7. Рекомендации, разработанные по полученным результатам исследований, переданы заинтересованным организациям: АО ЭНИКМАШ и ТОО " Рекупер" для использования в практике конструирования реальных механизмов. Результаты работы внедрены в НИР ИМАШ РАН им. А.А.Благонравова по проекту "Улучшение быстродействия и КПД роботов-манипуляторов путем использования собственных колебательных движений" (постановление Президиума РАН № 272 от 13.07.98). Работа, выполненная по проекту, стала призером конкурса на соискание медали РАН для молодых ученых в области проблем машиностроения и процессов управления в 1998 г. (см. приложение 4).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Веретимус, Диана Константиновна, 1999 год

1. Автоматические манипуляторы с программным управлением (промышленные роботы). Состояние, перспективы, проблемы /А.И.Корендясев, А.Е. Кобринский, Б.Л.Саламандра и др. // Станки и инструмент. - 1974. - № 11. - С. 4-11.

2. Агаронянц P.A. Динамика, синтез и расчет электромагнитов. М.: Наука, 1967. -269 с.

3. Акинфиев Т.С. Резонансные манипуляционные системы с электроприводом //Машиноведение. 1983.- № 6. - С. 18-23.

4. Акинфиев Т.С., Бабицкий В.И., Крупенин В.Л. Манипуляционные системы резонансного типа //Машиноведение. 1988. - № 4. - С. 3-8.

5. Андреенко С.Н., Ворошилов М.С., Петров Б.А. Проектирование приводов манипуляторов. Л.: Машиностроение, 1975. - 312 с.

6. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Наука, 1981. - 568 с.

7. Артоболевский И.И. Манипуляторы и их будущее //Научная мысль. Вестник АПН. 1970.- Вып. 7. - С. 1-7.

8. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е. Роботы //Машиноведение. -1970.-№5.-С. 3-11.

9. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин.-М.: Наука, 1988.640 с.

10. A.c. 1821353 СССР, МКИ B25J9/00. Манипулятор /С.В.Левин (СССР) //Б.И. 1993. - № 22.- 13211. Бабицкий В.И., Ковалёва A.C. Оптимальное управление в резонансных манипуляционных системах //Машиноведение. 1986. - № 2. -С.21-25.

11. Бабицкий В.И., Ковалёва A.C. Оптимальное управление шаговой системой резонансного типа //Изв. АН СССР. 1988. - № 4. - С.26-32.

12. Белянин П.Н. Промышленные роботы.-М.: Машиностроение, 1975.398 с.

13. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.

14. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1953. - 608 с.

15. Быстродействующий резонансный манипулятор /Т.С.Акинфиев,

16. B.И.Бабицкий, B.C. Кондратьев и др. //Станки и инструмент.-1986. № 2.-С. 9-11.

17. Веретимус Д.К. Численное определение параметров манипуляционной системы с упругим звеном//Компьютерная хроника.- 1998.- № 4.1. C. 53-62.

18. Веретимус Д.К. Определение зависимости приложенной силы от формы упругого звена манипулятора при помощи ЭВМ // Компьютерная хроника. 1999. - № 10. - С. 115-126.

19. Веретимус Д.К., Левин C.B. Расчет динамических характеристик манипуляционных систем с упругими звеньями // Компьютерная хроника. -1998.-№ 4. С. 37-52.

20. Веретимус Д.К., Левин C.B. Моделирование на ЭВМ работы электромагнитного привода манипулятора с упругим звеном // Компьютерная хроника. 1998. - № 9. - С. 35-62.

21. Вибрации в технике: Справочник, В 6 т. М.: Машиностроение, 1978. - Т.1. - 352 с.; 1979. - Т.2. - 351 с; 1980. - Т.З. - 544 с; 1981. - Т.4. - 509 с; 1981. - Т.5. - 496 с; 1981. - Т.6. - 456 с.

22. Вукобратович М., Стокич Д. Управление манипуляционными роботами: теория и приложения. М.: Наука, 1985. - 384 с.

23. Гончаревич И.Ф., Фролов К.В. Теория вибрационной техники и технологии. М.: Наука, 1981. - 319 с.

24. Гордон A.B., Сливинская А.Г. Электромагниты постоянного тока. -М.: Госэнергоиздат, 1960. 447 с.

25. Гулиа Н.В. Инерционные аккумуляторы энергии. Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та, 1973. - 236 с.

26. Гулиа Н.В. Инерционные двигатели для автомобилей. М.: Транспорт, 1974. - 60 с.

27. Дистанционно управляемые роботы-манипуляторы /Под ред. Е.П. Попова, М.Б. Игнатьева. М.: Мир, 1967. - 460 с.

28. Инструментальная головка с разгруженным приводом /И.В.Бабицкий, А.А.Котлячков, В.А.Чечуров и др. //Динамика станочных систем ГАП: Тезисы доклада III Всесоюзной научной конференции. Тольятти, 1988. - С. 76-77.

29. Казаков JI.A. Электромагнитные устройства радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1978. - 168 с.

30. Кобринский A.A. Вибрационные системы. М.: Наука, 1973. - 592 с.

31. Кобринский A.A., Кобринский А.Е. Манипуляционные системы роботов. М.: Наука, 1985. - 343 с.

32. Кобринский А.Е. Вот они роботы. - М.: Наука, 1978. - 176 с.

33. Кобринский А.Е., Степаненко Ю.А. Некоторые проблемы теории манипуляторов. // Механика машин. М. Наука, 1978. - 416 с.- 13434. Колебания сложных механических систем /K.M. Рагулькис, З.И. Ку-байтис, А.Л. Кумникас и др. Вильнюс: Минтае, 1969. - 246 с.

34. Корендясев А.И. Особенности кинематических схем автоматических манипуляторов с программным управлением// Станки и инструмент. -1981. № 2. - С.15-19.

35. Корендясев А.И., Ковалев В.Е. Автоматическое управление приводом в роботах с рекуперацией энергии //Сб. Всесоюзного совещания по робототехническим системам. Киев, 1987.- Часть I. - С. 27-32.

36. Корендясев А.И., Левин C.B. Быстродействующие цикловые манипуляторы с упругими звеньями на основе принципа рекуперации энергии //Робототехника и мехатроника. 1996. - № 1. - С. 61-66.

37. Корендясев А.И., Левин C.B., Веретимус Д.К. Варианты расчета на ЭВМ динамических характеристик консольно закрепленного упругого элемента // Компьютерная хроника. 1998. - № 5. - С. 63-76.

38. Корендясев А.И., Левин C.B., Веретимус Д.К. Варианты расчета на ЭВМ динамических характеристик консольно закрепленного упругого элемента (окончание) // Компьютерная хроника. 1998. - № 7. - С. 7594.

39. Корендясев А.И., Левин C.B., Веретимус Д.К. О повышении быстродействия упругих манипуляторов с рекуперацией энергии // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. - № 4. - С. 92-95.

40. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Маятниковые роботы //Изобретатель и рационализатор. 1990. - № 3. - С. 9-14.

41. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Цикловые роботы с аккумуляторами механической энергии. Многопозиционные системы с одной и несколькими степенями подвижности //Станки и инструмент.-1984.-№6.-С.4-8.

42. Кулешов B.C., Лакота H.A. Динамика управления манипуляторами. -М.: Энергия, 1971. 304 с.

43. Куликов Н.К. Использование энергии торможения для повышения экономических и динамических качеств автомобиля //Автомобильная и тракторная промышленность. 1951. - № 2. - С. 14-18.

44. Левин C.B. Уменьшение массогабаритных параметров захватных устройств на основе принципа рекуперации энергии: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1992. - 22 с.

45. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин: Учебное пособие для вузов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. - 592 с.

46. Литвиненко A.M. Быстродействующий электромагнитный манипулятор //Механика и автоматизация производств. 1986. - № 11. - С. 4-5.

47. Литвиненко A.M. Привод схвата с пружинным аккумулятором //Механика и автоматизация производств. 1986. - № 4. - С. 16-17.

48. Механика машин: Учеб. пособие для втузов /И.И. Вульфсон, М.Л. Ерихов, М.З. Коловский и др.,; Под. ред. Г.А. Смирнова. М.: Высшая школа, 1996. - 551 е.: ил.

49. Механика промышленных роботов, В 3 т. /Под ред. К.В. Фролова, Е.И. Воробьева. М.: Высшая школа, 1988. - Т.1. - 303 с; Т.2 - 366 с; Т.З.- 382 с.

50. Митропольский Ю.А. Метод усреднения в нелинейной механике. -Киев: Наукова думка, 1971. 440 с.

51. Ншситенко А.Г., Пеккер И.И. Расчет электромагнитных механизмов на вычислительных машинах. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 216 е., ил.

52. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1971.-240 с.

53. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем.- М.: Физматгиз, 1960. 193 с.

54. Патон Б.Е., Спыну Г.А. Задачи и пути создания промышленных роботов для сварки //Станки и инструмент. 1978. - № 8. - С. 6-7.

55. Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора. М.: Наука, 1976. - 104 с.

56. Попов Е. П., Верещагин А.Ф., Зенкевич С.Л. Манипуляционные роботы (динамика и алгоритмы). М.: Наука, 1978. - 398 с.

57. Преображенский A.A. Шамрай Б.В. Электромагнитные устройства информационно-измерительной техники. М.: Высшая школа, 1982. -264 с.

58. Принципы построения двигательной системы автоматических манипуляторов с программным управлением (промышленных роботов) /А.И.Корендясев, А.Е.Кобринский, БЛ.Саламандра и др. //Станки и инструмент.- 1976. -№ 4. С. 3-10.

59. Робототехника /Ю.Д. Андрианов, Э.П. Бобриков, В.Н. Гончаренко и др.; Под ред. Е.П. Попова, Е.И. Юревича. М.: Машиностроение, 1984. - 288 с.

60. Робототехника и гибкие автоматизированные производства, В 9 т. -М.: Высшая школа, 1986. Т. 7. Гибкие автоматизированные производства в отраслях промышленности /Под ред. И.М. Макарова. - 175 с.

61. Ротерс Г. Электромагнитные механизмы.- М.:Госэнергоиздат, 1949.524 с.

62. Ряшенцев Н.П., Мирошниченко А.Н. Введение в теорию энергопреобразования электромагнитных машин. Новосибирск: Наука, 1987. -160 с.

63. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. М.: Наука, 1989. -432 с.

64. Справочное пособие по электротехнике и основам электроники /Под ред. A.B. Нетушила. М.: Высшая школа, 1986. - 247 с.

65. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 223 с.

66. Теория механизмов и машин: Учебник для втузов /К.В. Фролов, С.А. Попов, А.К. Мусатов и др.; Под ред. К.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1987. - 496 е.: ил.

67. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967. -444 с.

68. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для втузов М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 512 с.

69. Фомин В.И. Исследование статических и динамических характеристик пьезоэлектрических преобразователей, имеющих форму пластин: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1976. - 22 с.

70. Цикловые роботы с аккумуляторами механической энергии. Основы построения привода /Л.М. Болотин, А.И. Корендясев, Б.Л. Саламандра и др. //Станки и инструмент. 1984. - № 4. - С. 7-10.

71. Чудаков Е.А. Пути повышения экономичности автомобиля. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1948. - 168 с.

72. Электромагнитный привод робототехнических систем /А.А.Афонин, Р.Р.Билозор, В.В.Гребеников и др. Киев: Наукова Думка, 1986. - 240 с.

73. Юдовский И.Д. Инерционный кинематический осциллятор и рекуперативные приводы на его основе: Автореф. дис. . докт. техн. наук. -Л., 1992. -24 с.

74. Юревич Е.И. Основы робототехники. JL: Машиностроение, 1985. -270 с.

75. Alisa J.M., Howell L.L., Leonard J.N. Design and evaluation of compliant constant-force mechanisms //Proceedings of DETCT96. The 1996 ASME Design Engineering Technical Conference. Irvine (California), 1996. - P. 19-24.

76. Ananthasuresh G.K., Howell L.L. Case studies and a note on the degrees-of-freedom in compliant mechanisms //Proceedings of DETCT96. The 1996 ASME Design Engineering Technical Conference. Irvine (California), 1996. - P. 54-60.

77. Citybus Flyer for London // Cooner. Met. 1984. - V. 160, № 4092 - P. 16.

78. Clare R.C. The Utilization of Flywheel Energy //SAE Transactions. 1964 -Vol. 72.-P. 112-117.

79. Compliant parallel-guiding mechanisms /J.M.Derderian, L.L.Howell, M.D.Murphy et con // Proceedings of DETC96. The 1996 ASME Design Engineering Technical Conference. Irvine (California), 1996. - P. 75-80.

80. Forrest L. Systems Analysis of Flywheels in automobile application //18th Intersoe. Energy convers. Eng. Conf.: Energy Marketplace: Proc. Orlando (Fla.), 1983 - Vol. 4 - P. 1828-1736.

81. Fuil Efficient Intecnal Combustion Engine Electrec Urban 153 Transport Vehicles / D.B.Gilmore, K. J.Bullock, I.V.Webb, M.K.Vint //ISATA 84: Int. Simp. Aulonpt. Techol. And Autom. - Milan, 1984 - P. 151-170.

82. Ganchei H.-J. Abel Ghomas. Ubertragundsfunktionen von ebenen Kurbelgetrieben Darstellen //Masihinenmarkt. 1981. - Bd. 87. - S. 1162-1165.

83. Hain Kurt. Anfgahren ohne Kupplung //Antiebstechnik. 1990. - Bd. 29, №1.-S. 41-43.

84. Hersteller wartet mit schnellem Industrieroboter //Werkstattstechnik.1984. Bd. 74, № 6. - S. 309-310.

85. Olmsted D.R. Development of Flywheel Energe Propulsion Syrtem for Transit Buses //28th Nat. SAMPL ymp. and Exib. Ausheom (California), 1983-Vol. 18. -P. 925-934.

86. Parkinson M.B., Howell L.L., Cox J.J. A parametric approach to the optimization-based design of compliant mechanisms // Proceedings of DETC'97. The 1997 ASME Design Engineering Technical Conference. -Sacramento (California), 1997. P. 94-102.

87. Rabenhorst D.W. The Allmechanical Electric Car //Phys. Technol. 1982. - V.13, №9. - P. 98-104.

88. Regar K.N., Scheider H.-D. Systemanalysy und Experriment die Entwecklung eines Hocheffizienten //Automobiltechn. Z.-1985.-Bd. 87, № 7-8-S. 351-355, 358.

89. Riveera Arhee M. Hedraulic Accumulator Technology Bools Transit Bas Fcul Economy // SAE Techn. Pap. Ser. 1983. - № 830648 - 24 p.

90. Saridacis N. Golf mit Otto-Electro-Hybrigantrieb //Automobiltechn. Z.1985. Bd. 87, №11. - S. 581-584.

91. Schwungnutzkupplung //Krafthand. 1983. - Bd. 56, № 17 - S. 1169.-141103. Scott D. Brake-power Buses //Pop. Sci. 1985. - V. 226, № 1. - P. 59.

92. Serban R., Haug E.J. Kinematic and kinetic in multibody system analysis //Proceedings of DETCT97 1997 ASME Design Engineering Technical Conference. Sacramento (California), 1997. - P. 209-214.

93. Stauffer R.N. ROBOTS 7: a look at the top developments. //Robotics Todey. 1983. - Vol. 5, № 3. - P. 33-36.

94. Thoolen Frans J.H. New Results of Flywhel Systems Application //Proc. 23rd Intersoc. Energy Convers. Eng. Conf.: Denver (Colo.), July 31 Aug. 5, 1988. - New Vork, 1988. - Vol. 2- P. 63-67.

95. Waldman H. AFP's FINISHING' 83 to cover robotics. // Robotics Todey. 1983. - Vol. 5, № 4. - P. 49-50.