Разработка и исследование пружинных аккумуляторов для мехатронных приводов с рекуперацией энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Янь Чуаньчао

• Янь Чуаньчао
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Янь Чуаньчао

Введение

1 Обзор научно-технической и патентной литературы

2 Разработка и исследование пружинных аккумуляторов на базе кулисного механизма

2.1 Разработка нелинейного пружинного аккумулятора на базе кулисного механизма для мехатронного пневматического привода

2.2 Реализация нелинейного пружинного аккумулятора с рекуперацией энергии для мехатронного пневматического привода

2.3 Математическая модель мехатронного пневматического привода с нелинейным пружинным аккумулятором и фиксаторами при компенсации энергии в конце хода

2.4 Потери энергии в мехатронных пневматических приводах с нелинейных пружинными аккумуляторами и фиксаторами

2.5 Факторы, влияющие на быстродействие и потери энергии мехатронного пневматического привода с фиксаторами и нелинейным пружинным аккумулятором

2.6 Алгоритмы компенсации энергии для мехатронного пневматического привода с фиксаторами и нелинейным пружинным аккумулятором

2.7 Выводы

3 Разработка и исследование пружинных аккумуляторов на базе гибких звеньев для мехатронного пневматического привода

3.1 Разработка схемных решений пружинных аккумуляторов на базе гибких звеньев

3.2 Реализация нелинейного пружинного аккумулятора с рекуперацией энергии на базе гибких звеньев, с использованием мехатронного пневматического привода в качестве компенсатора

3.3 Разработка математической модели мехатронного пневматического привода с пружинным аккумулятором и гибкими звеньями

3.4 Потери энергии в мехатронном пневматическом приводе с пружинными аккумуляторами и гибкими звеньями

3.5 Факторы, влияющие на быстродействие и потери энергии мехатронного пневматического привода с пружинным аккумулятором и гибкими звеньями

3.6 Выводы

4 Исследование динамических характеристик мехатронных пневматических приводов с пружинным аккумулятором

4.1 Анализ задержки сигнала в мехатронном пневматическом приводе с пружинным аккумулятором

4.2 Исследование явления скачка скорости в процессе движения выходного звена в мехатронном пневматическом приводе с пружинным аккумулятором

4.3 Проблема вибраций, возникающих при достижении выходным звеном конца направляющей в мехатронном пневматическом приводе

4.4 Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение А Программа для обработки экспериментальных данных

Приложение Б Патенты

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование пружинных аккумуляторов для мехатронных приводов с рекуперацией энергии»

Актуальность темы исследования

В связи с растущим спросом на энергосберегающие и высокоэффективные системы в промышленности разработка устройств с возможностью рекуперации и повторного использования энергии становится приоритетным направлением. Пружинные аккумуляторы (ПА) мехатронных устройств и робототехнических систем, являясь эффективными средствами накопления и высвобождения энергии, позволяют существенно снизить энергопотребление в процессе возвратно-поступательного циклического механического движения [20; 31; 47; 48; 85-89]. Особое внимание следует уделить мехатронным приводам с ПА, предназначенным для выполнения возвратно-поступательных движений, теория которых остаётся недостаточно разработанной. Снижение энергопотерь обычно приводит к снижению быстродействия и это представляет собой основное ограничение для широкого внедрения мехатронных приводов с ПА при автоматизации различных отраслей промышленности. Этим обусловлена необходимость разработки и исследования новых схемных решений таких приводов, направленных на повышение их быстродействия и снижение энергопотерь.

Степень разработанности темы исследования

В последние годы отечественные и зарубежные исследователи активно занимаются изучением ПА с функцией рекуперации энергии. Так, Мацко О.Н. исследовала линейные и нелинейные ПА, их конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики, подтвердив их высокую эффективность в накоплении энергии. В то же время, Жавнер В.Л. и Жавнер М.В. [18-33; 62-65; 85; 86; 88-90] сосредоточили внимание на практическом применении ПА, отмечая их преимущество в улучшении быстродействия. Наряду с отечественными учёными, зарубежные исследователи, такие как Pelupessy D.S., Wang Yongcun, Christian Hubicki и Won Dong Shin [62-65; 83; 87; 94], также внесли значительный вклад в развитие технологий энергосбережения, показав, что продуманный

конструктивный дизайн и оптимизация параметров пружины значительно повышают эффективность систем рекуперации энергии.

Несмотря на достигнутый прогресс в области теоретического моделирования и анализа, исследование ключевых факторов, влияющих на энергопотери и быстродействие мехатронных пневматических приводов с ПА энергии, включая нелинейность, остаётся недостаточно изученным. Эти факторы играют решающую роль в повышении эффективности и быстродействия в реальных условиях эксплуатации, что указывает на значительный потенциал для улучшения их энергоэффективности и динамических характеристик.

Цель и задачи работы

Целью диссертации является разработка основ проектирования мехатронных приводов с ПА для рекуперации энергии, а также исследование их быстродействия и уровня потерь.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие ключевые задачи:

1. Информационный поиск, определение перспективных схемных решений компактных мехатронных приводов с ПА и рекуперацией энергии с высоким быстродействием и коэффициентом полезного действия.

2. Разработка принципов построения ПА, интегрированного в мехатронный пневматический привод для обеспечения компенсации энергии.

3. Разработка математической модели мехатронного привода с ПА, учитывающей предварительную деформацию пружины, положение и размер участка траектории, на котором осуществляется компенсации энергии, конструктивные параметры передаточного механизма, жесткость пружины, давление подачи воздуха и другие параметры, что позволяет анализировать быстродействие, уровень энергопотерь и взаимосвязь между ними.

4. Оценка применимости различных алгоритмов компенсации энергии (в начале хода, в конце хода, в середине хода, в начале и конце хода).

5. Исследование системы управления мехатронным пневматическим приводом с интегрированным ПА и анализ различных технических решений для

уменьшения конечных вибраций и скачков скорости, возникающих в процессе движения выходного звена.

6. Создание экспериментальной модели для исследования быстродействия и энергопотерь мехатронного привода с ПА.

Объектом исследования являются мехатронные пневматические приводы с ПА на базе кулисных механизмов и механизмов с гибкими звеньями.

Предметом исследования являются методы повышения энергоэффективности ПА для мехатронных приводов за счёт быстродействия и потерь энергии.

Научная новизна

1. Предложены новые схемные решения мехатронных приводов с интегрированными нелинейными ПА с предварительной деформацией упругих элементов, электромагнитными фиксаторами выходного звена и различными алгоритмами компенсации потерь.

2. Разработаны математические модели предложенных мехатронных пневматических приводов с интегрированными нелинейными ПА на базе кулисных механизмов и гибких звеньев с предварительной деформацией упругих элементов, учитывающие силы трения в кинематических парах, динамику пневмопривода, фиксацию положения входного звена в крайних положениях и алгоритмы компенсации потерь.

3. Исследования математической модели мехатронного привода, построенного на базе кулисного механизма, показали, что применение ПА позволяет увеличить его быстродействие до 115%.

4. Установлено, что применение ПА в мехатронном приводе, построенном на базе механизма с гибкими звеньями, позволяет повысить его быстродействие до 26%.

5. Доказано, что применение фиксаторов выходного звена в его крайних положениях увеличивает быстродействие привода на 50-90%.

6. Установлено, что при компенсации потерь в средине хода в отличие от компенсации потерь в крайних точках положения рабочего органа

быстродействие и максимальная мощность привода возрастают, а энергозатраты уменьшаются.

7. Предложено для количественной оценки качества мехатронных пневматических приводов с ПА использовать коэффициент энергоэффективности, который определяется произведением времени цикла на величину участка хода цилиндра, на котором осуществляется компенсация энергии.

8. Установлено, что коэффициент энергоэффективности имеет экстремум, а величина участка хода цилиндра, на котором осуществляется компенсация энергопотерь, имеет оптимальное значение по критерию максимума быстродействия.

Теоретическая и практическая значимость исследования

1. Предложенные новые схемы и алгоритмы управления мехатронных приводов с интегрированными ПА способствуют повышению быстродействия и энергоэффективности современного технологического оборудования, в том числе и шагающих роботов.

2. Разработанные математические модели и результаты их исследования могут быть положены в основу методики проектирования энергоэффективных мехатронных приводов оборудования различного назначения.

3. Экспериментальное исследование макетов мехатронных приводов с ПА подтвердило корректность предложенных математических моделей и интерпретации результатов их исследования.

Методология и методы исследования

В работе использованы методы информатики, аналитической механики и пневмопривода. Математическое и компьютерное моделирование осуществлялось в пакете МаШСАО 15, в экспериментальных исследованиях применялись быстродействующая видеокамера с частотой 240 кадров в секунду, лазерный измеритель расстояния и акселерометр.

Положения, выносимые на защиту

1. Принципы построения и схемные решения ПА мехатронных пневматических приводов с фиксаторами рабочих органов в конце хода.

2. Основные направления повышения быстродействия пневматических мехатронных приводов с ПА и оценки их эффективности по критериям быстродействия и энергосбережения.

3. Метод количественной оценки энергоэффективности ПА и быстродействия мехатронного привода, построенного на его основе.

4. Алгоритмы управления компенсацией потерь энергии в ПА мехатронных приводов и результаты их верификации.

Степень достоверности полученных результатов

Научная обоснованность и достоверность результатов, полученные в диссертации, подтверждаются согласованностью результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными исследований кинематики мехатронных пневматических приводов с ПА. Для проведения экспериментальных исследований использовались современные измерительные комплексы. Достоверность изложенных в диссертационной работе результатов подтверждается сопоставлением с результатами исследований отечественных и зарубежных авторов в данной области, а также научной экспертизой на конференциях и при публикации материалов в рецензируемой научной печати.

Публикации и апробация результатов

Результаты работы опубликованы в журналах: Научно-технические ведомости СПбПУ: Естественные и инженерные науки (2019), Вестник международной академии холода (2019, 2022), Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство (2024), Наука и бизнес: пути развития (2024, 2025). Основные результаты по теме диссертации изложены в 17 научных работах, включая 8 статьей в международных журналах и журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК, 5 статьей в трудах конференций, а также получено 4 патента.

Основные результаты диссертации были представлены и обсуждены на международных научно-практических конференциях: 14-я Международных научнаых конференциях: «Современное машиностроение: Наука и образование (MMESE)» (Санкт-Петербург, 2019, 2025); Международной научно-практической

конференции «Перспективные машиностроительные технологии (Advanced Engineering Technologies) AET 2024» (Санкт-Петербург, 2024); 6th International ВАРТ conference «Power transmissions 2019» (Болгария, 2019); Научно-практической конференции «Неделя науки СПбПУ», (Санкт-Петербург, 2018).

Личный вклад автора

Соискателем предложены принципы построения и новые схемные решения ПА для мехатронных приводов; разработаны математические модели для них; приведены эксперименты для верификации и обработка их результатов. В совместных публикациях автор принимал непосредственное участие в постановке, решении задачи и в обсуждении результатов. Автор играл ключевую роль в получении всех данных и результатов, приведенных в статьях.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертационная работа выполнена в соответствии с паспортом специальности 2.5.4. «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» по пунктам:

- п.3 Развитие принципов и методов построения мехатронных устройств и систем как результата синергетического объединения узлов точной механики, электротехнических, электропневматических, электрогидравлических, электронных и компьютерных компонентов с целью проектирования и практического применения качественно новых машин, систем и модулей с высокоэффективным цифровым управлением их функциональными движениями.

- п.4 Математическое и полунатурное моделирование мехатронных и робототехнических систем, включая взаимодействие со средой, анализ их характеристик, оптимизация и синтез по результатам моделирования.

- п.5 Методы, алгоритмы, программные и аппаратные средства управления роботами, робототехническими и мехатронными системами, включая адаптивное, оптимальное, распределенное, интеллектуальное и супервизорное управление.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям - д.т.н. Волкову Андрею Николаевичу и д.т.н. Жавнер Виктору Леонидовичу за веру в

тематику, наставничество и многолетнюю, совместную научную работу. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Содержание работы изложено на 142 страницах, включает 71 рисунок и 15 таблиц. Библиографический список насчитывает 94 наименования.

1 Обзор научно-технической и патентной литературы

Несмотря на то, что приводы с ПА представляют собой перспективное направление исследований благодаря их потенциалу в области рекуперации энергии и быстрого отклика, их распространение в промышленности остаётся ограниченным. Это обусловлено, главным образом, сложностью конструкции и управления, проблемами точного контроля, вызванными нелинейными характеристиками, а также трудностями обеспечения стабильности при длительной эксплуатации. По сравнению с традиционными приводами, приводы с ПА сталкиваются с вызовами в области энергоэффективности и требуют значительных затрат на техническое обслуживание, что сдерживает их широкое применение в промышленности. Таким образом, несмотря на активные академические исследования, для достижения широкомасштабного применения таких приводов необходимо дальнейшее совершенствование их характеристик, разработка более совершенных алгоритмов управления и повышение надёжности.

Первым мехатронным приводом с функцией рекуперации энергии можно считать механическую руку для подачи заготовок на штамповочное оборудование, запатентованную в СССР в 1975 году [50]. Отметим, что в то время термин «мехатроника» еще не был введен [67]. Данный привод, использующий спиральную пружину, обеспечивал ускорение и торможение в горизонтальной плоскости. Потери энергии, вызванные трением, компенсировались с помощью двух электромагнитов с изменяемой полярностью, которые также выполняли функцию фиксаторов при технологических паузах. По мере совершенствования технологии производства пружин, спиральные пружины стали широко применяться в качестве ПА [7; 66]. С 1980 года в СССР и за рубежом появилось множество разработок мехатронных пружинных приводов с использованием спиральных пружин, часть из которых была запатентована [49-53; 69-73; 76; 84; 87]. В Институте машиноведения АН СССР также был разработан промышленный робот с мехатронным спиральным пружинным приводом поворота. Появилось большое количество работ [10; 13; 28-30; 40; 55], связанных

с использованием подобных приводов в цикловых роботах.

Рисунок 1.1 - Состав и взаимосвязь компонентов мехатронного устройства с

функцией рекуперации энергии

В дальнейшем были разработаны схемные решения ПА с использованием винтовых цилиндрических пружин в качестве ПА [4; 8-10; 12; 18-32; 34; 47-49; 58; 59-65; 81; 82; 86-92]. На Рисунке 1.1 представлен состав мехатронного устройства с функцией рекуперации энергии. В данной схеме автоматического управления предусмотрен внешний источник энергии для первичной зарядки, необходимой для накопления потенциальной энергии в ПА. Рабочий орган перемещается в крайнее положение и фиксируется с помощью управляющих фиксаторов или под воздействием усилия двигателя на заданное время. Затем запускается ПА, и рабочий орган начинает движение под его усилием. В процессе движения рабочего органа внешний источник энергии компенсирует диссипативные потери. На сегодняшний день многие разработчики и исследователи продолжают совершенствовать и изучать такие ПА. Среди них следует отметить работы Глушкова А.А., Семеноженкова В.С., Надеждина И.В., Сысоева С.Н., Мацко О.Н., Белкова Е.Г., Болотина Л.М., Корендясева А.И., Саламандры Б.Л., Тывеса Л.И., Акинфеева Т.С., Бабицкого В.И., Жавнера В.Л., Феоктистова Н.А. и других [8-10; 13; 18-34; 38-42; 47; 48; 50-52; 54-56; 69; 71-

73; 75; 77-81; 87; 90-92].

Характерной особенностью мехатронных приводов с рекуперацией энергии является наличие технологических пауз, вызванных технологическим процессом, в котором используется конкретный привод. На Рисунке 1.2 показаны законы движения выходного звена мехатронного пружинного привода с технологическими паузами. Продолжительность пауз определяется технологическим процессом, однако она может быть реализована различными способами: использованием различных фиксаторов, самофиксацией и др. Современные мехатронные пружинные приводы с рекуперацией энергии и управляемыми технологическими паузами представляют собой механизм параллельной структуры, к выходному звену которого подключены не менее двух двигателей [13; 37].

х

Рисунок 1.2 - Законы движения выходного звена мехатронного пружинного

привода с технологическими паузами

Для рабочих операций, при выполнении которых в крайних положениях отсутствует технологическая пауза, компенсация диссипативных потерь во время движения оказывается более предпочтительной. Если величина

компенсирующего воздействия соответствует усилию фиксации выходного звена в крайних положениях, то данный вариант также является более целесообразным. В работе [74] показано, что при воздействии возмущающей силы, заданной законом «прямоугольного синуса» (Рисунок 1.3), движение выходного звена практически совпадает с монохроматическим движением, вызываемым первой гармоникой разложения силы в ряд Фурье.

Рисунок 1.3 - Действие возмущающей силы типа «прямоугольный синус»: а) закон изменения силы; б) закон движения выходного звена

Поскольку в приводных элементах происходят потери энергии, связанные с диссипативными процессами, важно исследовать все такие потери для точного выбора характеристик двигателя, необходимого для их компенсации. В работе [92] показано, что ПА с рекуперацией энергии могут эффективно снижать энергозатраты до 2 раз. Для минимизации затрат на компенсацию энергии при периодическом движении следует свести к минимуму такие факторы, как трение, сопротивление воздуха и другие аналогичные явления.

Привод с двумя пружинами сжатия впервые был разработан Л. Сцилардом и А. Эйнштейном и запатентован в Германии [85]. Данный привод предназначался для использования в холодильных установках. Поршень, расположенный между двух пружин сжатия, одновременно выполнял функцию статора линейного электрического двигателя. Пружины сжатия обеспечивали ускорение поршня, а

энергия электрического двигателя преодолевала рабочую нагрузку, создаваемую сжатием холодильного агента, и компенсировала диссипативные потери [85]. Для привода компрессора холодильника технологические паузы не требуются.

На начальном этапе для компенсации диссипативных потерь в спиральных ПА с рекуперацией энергии применялись электромагниты. Впоследствии были предложены пневматические, гидравлические и электрические приводы для компенсации потерь энергии в мехатронных ПА с использованием стандартных винтовых цилиндрических пружин [14-16], что позволило увеличить массу перемещаемых объектов.

Во время работы мехатронного ПА с рекуперацией энергия потребляется только от внешнего источника. В механических часах с пружинным приводом для поддержания колебательной системы балансира также требуется подача энергии в колебательную систему. Эту задачу решил в XIX веке голландский математик Эри [7; 40]. Существуют два способа передачи дополнительной энергии выходному звену: первый - в соответствии с теоремой Эри, когда энергия передаётся движущемуся выходному звену в начале и конце хода либо на протяжении всего хода [41]; второй - путём смещения положения статического равновесия выходного звена во время технологической паузы [35; 36].

В работе [47] разработаны и изучены математические модели нелинейного ПА (Рисунок 1.4) при внешнем силовом воздействии на основании теоремы Эри. Установлено, что компенсационное силовое воздействие, приложенное в начале хода, увеличивает скорость реакции, а в конце хода - снижает её. В остальных случаях скорость реакции ПА остаётся неизменной. Наиболее предпочтительными являются алгоритмы 4 и 5 (Рисунок 1. 4). Важно отметить принципиальные отличия колебательных систем [11] в часовых механизмах и мехатронных ПА с рекуперацией энергии. В первом случае исследования ориентированы на точность отсчёта временных интервалов [7], а во втором - на снижение энергозатрат и обеспечение фиксации выходного звена.

Рисунок 1.4 - Компенсирующая система с двигателями для ПА

В работах [17; 45] исследованы математические модели, используемые при проектировании станков с ПА. В исследованиях [1-3; 12; 81] проведен подробный анализ принципов пружинных колебаний. Колебательная система с ПА, изображённая на Рисунке 1.5, показывает большие амплитуды, когда в нейтральном положении усилие пружины равно нулю; её поведение изучено в работах [5; 6; 19; 21; 23; 25-29].

Рисунок 1.5 - Схемное решение нелинейного ПА

При малых колебаниях потенциальная энергия пружины (с точностью до

малых величин) выражается через 51 пружины. При условии х«1 имеем:

,_ х2

д1=^е2+Х2-в ~ —, (1.1)

2е 4 у

О 7

Так что и=(р •х2)/(2е). Поскольку кинетическая энергия равна (т х )/2, то:

ю= ^ (и)

Частота малых колебаний вблизи положения равновесия определена. Время перемещения выходного звена [43; 44; 46] из одного крайнего положения в другое зависит от скорости:

Т _ Гхтах Лх .-,4

7 }—х I. ( .)

2 хтах х

Построены графики (Рисунок 1.6), демонстрирующие зависимость изменения полупериода колебаний системы от конструктивного параметра е в безразмерном виде. Доказано [47], что при увеличении значения е время перемещения из левого крайнего положения в правое уменьшается.

Рисунок 1.6 - Графики зависимости полупериода колебаний системы от

конструктивного параметра

Были проанализированы характеристики энергопотерь в ПА, применяемом для выполнения возвратно-поступательного движения. Основные источники потерь энергии включают трение в шарнирных соединениях, потери на трение в направляющих, а также внутренние потери на трение в самой пружине.

Рисунок 1.7 - Мехатронный пневматический привод с ПА протягивания упаковочного материала: 1 - пневматический цилиндр; 2 - пружина сжатия; 3 -боковые шарниры; 4 - направляющая; 5 - пневматический распределитель; 6 -датчик положения; 7 - система управления

В работе [81] предложена схема мехатронного пневматического привода с ПА на базе кулисного механизма для протягивания упаковочного лента в фасовочно-упаковочных автоматах (Рисунок 1.7). Пружина располагается в

штоковой полости пневматического цилиндра. В данной системе были исследованы диссипативные потери на преодоление силы сопротивления, обусловленной трением в шарнирных соединениях нелинейного ПА, приведенных к выходному звену, и в направляющих. Однако не была учтена предварительная деформация пружины и преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию ПА для передачи энергии кулисному механизму. В математической модели потерь энергии не учитываются потери в пневматическом приводе, вызванные взаимодействием поршня и цилиндра, а также другие факторы, влияющие на энергоэффективность. Показано, что при ходе штока 4050 мм в пневматическом цилиндре [57] с нелинейным ПА выходное звено может перемещаться на расстояние более чем в 2 раза превышающее таковое у линейных ПА при использовании одинаковой пружины. В работе [29] описан частный случай, при котором ПА на базе кулисного механизма приобретает свойства гармонического линейного осциллятора.

Был разработан мехатронный пневматический привод с ПА для реализации реверсивного и нереверсивного кругового пошагового движения (Рисунок 1.8) [62-65]. Проведен анализ геометрических и механических характеристик ПА, а также рассмотрено влияние различных геометрических параметров на его производительность. В ходе работы предложены несколько возможных вариантов конструктивных исполнений данного привода.

а

Рисунок 1.8 - Схема ПА для шаговых рекуперативных приводов

Его быстродействие можно оценить с помощью следующего уравнения:

Л-1.

2п dq

2 т^ (Ы)

Утах-УТ

где Утах - максимальная потенциальная энергия ПА;

УТ - текущая потенциальная энергия ПА;

J - приведенный момент инерции звеньев привода поворотного стола к выходному звену.

Предложен коэффициент для оценки потерь энергии в ПА, представляющий собой отношение потерь энергии к максимальной потенциальной энергии ПА, позволяющий определить уровень энергетических потерь. Исследования показали, что изменение диаметра шарнирного соединения и выходного звена позволяет эффективно снизить потери энергии.

Проведено исследование реверсивных и нереверсивных шаговых пружинных приводов с функцией рекуперации энергии, уделяя особое внимание компенсации потерь энергии и стратегиям динамического управления приводом в различных алгоритмах работы. Разработаны технические решения для нереверсивных шаговых пружинных приводов и изучена роль пневматического привода в компенсации диссипативных потерь в ПА. Предложен метод расчета параметров пневматического привода, обеспечивающего достаточную мощность для компенсации энергетических потерь ПА. Для дальнейшей проверки точности расчетов и эффективности конструкции был создан экспериментальный образец (Рисунок 1.9).

t

а) б)

Рисунок 1.9 - Экспериментальный образец пружинного шагового привода с рекуперацией энергии: а) - нереверсивный; б) - реверсивный

ATRIAS (Assume The Robot Is A Sphere) - это двуногий робот, разработанный Лабораторией динамической робототехники Университета штата Орегон с применением инженерных принципов ходьбы и динамического равновесия человека [83]. Отличительной особенностью конструкции ATRIAS является интеграция ПА в механическую систему ног (Рисунок 1.10), что значительно повышает энергоэффективность устройства и приближает его движения к естественной биомеханике.

ATRIAS (Assume The Robot Is A Sphere) - это двуногий робот, разработанный Лабораторией динамической робототехники Университета штата Орегон с применением инженерных принципов, направленных на воспроизведение динамики ходьбы и поддержание равновесия, аналогичных человеческим [83]. Уникальной особенностью конструкции ATRIAS является интеграция ПА в механическую систему ног (Рисунок 1.10), что значительно повышает энергоэффективность робота и делает его движения более естественными, приближая их к биомеханике человека.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Янь Чуаньчао, 2025 год

/ / / /

// / / / / 1 /

/ / / /

16

— Аппроксимирующая линия

0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

е,м

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Рисунок 3.17 - Графики зависимости потерь энергии от конструктивного параметра и предварительной деформации пружины

На первом графике наблюдается, что с увеличением конструктивного параметра доля потерь энергии постепенно возрастает, причём скорость прироста энергопотерь заметно ускоряется. Это объясняется тем, что увеличение конструктивного параметра приводят к увеличению сопротивления или трения, что, в свою очередь, усиливает энергопотери. Для аппроксимации используется logistic модель.

На втором графике показано, что с увеличением предварительной

деформации пружины процент энергопотерь сначала возрастает, а затем начинает снижаться. При дальнейшем увеличении предварительной деформации энергопотери продолжают постепенно уменьшаться. Этот нелинейный характер зависимости указывает на наличие критического значения предварительной деформации, превышение которого способствует снижению энергопотерь. Это связано с различными характеристиками возврата пружины при различных уровнях деформации, что оказывает влияние на эффективность использования энергии в приводе. Зависимость процента энергопотерь от предварительной деформации аппроксимирована с использованием 5-степенной полиномиальной модели.

На основе данных математической модели построены графики, отражающие влияние радиуса блока на быстродействие и энергопотери в мехатронном пневматическом приводе с ПА и гибкими звеньями (Рисунок 3.18).

Рисунок 3.18 - Графики зависимости быстродействие и потерь энергии от положения начала компенсации энергии и радиуса блока

Из графиков 3.18 видно, что по мере увеличения позиции компенсации энергии время быстродействия постепенно возрастает. Это указывает на то, что при более больших положениях начала компенсации энергии цикл движения выходного звена удлиняется, а скорость отклика замедляется. Увеличение радиуса блока приводит к сокращению быстродействия привода, что

свидетельствует о том, что больший радиус блока способствует повышению быстродействия. Область на графике, отмеченная как «движение не завершено», расположена в конце кривой и указывает на то, что при больших значениях позиции компенсации энергии выходное звено привода не достигает конца направляющей. Это явление свидетельствует о том, что при достижении определенного порога положения начала компенсации энергии рабочий ход привода может быть ограничен, что приводит к невозможности полного завершения движения.

Энергетические потери значительно снижаются с увеличением радиуса блока. При увеличении радиуса блока с 0,01 м до 0,03 м доля потерь энергии уменьшается с приблизительно 27% до 21%. Это свидетельствует о том, что увеличение радиуса блока способствует снижению потерь энергии в приводе. Больший радиус блока может уменьшать потери энергии. Красная линия на графике показывает устойчивую отрицательную корреляцию, демонстрируя близкую к линейной зависимость между радиусом блока и энергетическими потерями. Согласно представленной на графике тенденции, можно сделать вывод, что выбор большего радиуса блока способствует повышению энергоэффективности привода и снижению ненужных потерь.

Таймер, встроенный в систему управления, выполняет отсчёт времени. Система управления 4 передаёт сигнал на реле, которое отключает питание левого электромагнитных фиксаторов 14, что приводит к мгновенному разъединению выходного звена 3 с фиксаторами 14. Одновременно система управления 4 подаёт сигнал на электромагнитный распределитель 11, и сжатый воздух направляется в штоковую полость цилиндра 2. Под совместным воздействием силы натяжения пружины 1 и давления сжатого воздуха выходное звено 3 начинает быстро перемещаться вправо.

Когда выходное звено 3 достигает определённого положения на левом участке направляющей 8, включается датчик положения 12 (его место установки требует точной регулировки). После этого электромагнитный распределитель 11

отключается, и подача сжатого воздуха в цилиндр 2 прекращается. После прохождения центральной точки направляющей 8 выходное звено 3 через гибкий элемент 7 оказывает тяговое усилие на шток цилиндра, преобразуя кинетическую энергию в упругую энергию пружины 1 и энергию потерь, до тех пор пока выходное звено 3 не достигнет крайнего правого положения на направляющей 8.

Таким образом, математическая модель также разделена на три этапа:

Первый этап:

На первом этапе потенциальная пружинная энергия и сила преобразуются в кинетическую энергию выходного звена, поршня и других подвижных звеньев, а также в энергопотери. Соотношения энергетических преобразований на данном этапе представлены на Рисунке 3.19.

Рисунок 3.19 - Взаимосвязь преобразования энергии между объектами привода на

первом этапе

Силы трения в шарнирных соединениях, трение между блоком и осью, сопротивление внутри цилиндра, а также трение между выходным звеном и направляющей подробно определены и описаны в третьем разделе, что обеспечивает точность оценки энергетических потерь в приводе.

Второй этап:

На этом этапе, после прекращения подачи воздуха в штоковую полость цилиндра, остаточное давление может создавать разницу давлений по обе стороны поршня, что приводит к возникновению тягового или тормозящего

усилия. Потенциальная энергия пружины преобразуется в кинетическую энергию выходного звена, поршня цилиндра и других движущихся звеньев. Одновременно часть энергии рассеивается в виде потерь в приводе. Энергетические преобразования на втором этапе представлены на Рисунке 3.20.

Рисунок 3.20 - Взаимосвязь преобразования энергии между объектами привода на

втором этапе

Третий этап:

При движении выходного звена в правую часть направляющей его кинетическая энергия, а также энергия других подвижных звеньев преобразуются в упругую энергию пружины и рассеиваются в виде потерь. На этом этапе гибкий элемент постоянно находится в натянутом состоянии, а схема преобразования энергии представлена на Рисунке 3.21.

Рисунок 3.21 - Взаимосвязь преобразования энергии между объектами привода на

третьем этапе

Согласно формулу (3.40) определяется ускорение выходного звена, на Рисунке 3.22 представлены графики изменения скорости выходного звена мехатронного пневматического привода с пружинным аккумулятором и гибкими звеньями в зависимости от времени при компенсации энергии в начале хода.

^ 2.5 >"2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 20.06 *0.03

-- х=0 у-г / / ■

-----ХГ =-и?и!М /V ! / / !"

х ----------- —____——" / •

—------------- 1 1

1 1

0.00 -о.<& -0.06

х, -0,02 м -------х=-0,03м ---------х{=-0,04м хА ^ - У у" -- _ У "

__________' "

30 0. оз^е.т)б о. 39 0. 12 0.

15

Рисунок 3.22 - Графики зависимости скорости и положения выходного звена от времени при компенсации энергии в начале хода

С увеличением конечной точки завершения компенсации энергии рабочий ход цилиндра, находящегося под воздействием высокого давления воздуха, постепенно увеличивается. Это приводит к росту подводимой энергии, что, в свою очередь, обеспечивает существенное улучшение быстродействия привода.

На начальном этапе компенсации энергии завершение этого процесса в определённой точке практически не оказывает влияния на быстродействие привода. В связи с этим особое внимание необходимо уделить анализу параметров, влияющих на быстродействие (Рисунок 3.23).

Рисуно к 3.23 - Графики зависимости быстродействия привода от положения завершения компенсации энергии в начале хода при различных параметрах

С увеличением давления сжатого воздуха, жёсткости пружины и величины предварительной деформации пружины наблюдается значительное улучшение быстродействия привода. При этом предварительная деформация оказывает более заметное влияние на быстродействие по сравнению с давлением сжатого воздуха и жёсткостью пружины.

Увеличение конструктивного параметра приводит к снижению быстродействия. Это обусловлено тем, что при определённых значениях е может столкнуться с невозможностью завершения движения из-за механического дисбаланса, вызванного геометрическими ограничениями. При малых значениях деформации геометрические особенности могут изменять направление и точку приложения силы, что снижает её эффективность для преодоления внутреннего

сопротивления в приводе и внешних нагрузок, вызывая явление «неполного движения». Однако перед наступлением этого явления существует пороговая точка, на которой быстродействие привода достигает максимального значения.

Рисунок 3.24 - Графики зависимости скорости и положения выходного звена от времени при компенсации энергии в начале и конце хода и различных способах

компенсации энергии

Математическая модель алгоритма при компенсации энергии в начале и конце хода включает четыре этапа: первый и второй этапы идентичны первым двум этапам алгоритма компенсации энергии в начале хода, тогда как третий и четвёртый этапы соответствуют второму и третьему этапам алгоритма компенсации энергии в конце хода. На основе проведённого анализа построены графики, отображающие зависимость скорости и положения выходного звена от времени при компенсации энергии в начале и конце хода и различных способах компенсации энергии (Рисунок 3.24).

На Рисунке 3.24 представлены графики зависимости быстродействия привода от положения компенсации энергии для различных факторов влияния при компенсации на начальном и конечном этапах хода.

Ос н0.12

0.11

0.10

0.09

Т-Рп

—■— 1,5бар —•— 2бар

2,3бар —▼— 2,5бар

0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08

0.14

0.12

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 40.12

0.11 0.10 0.09 0.08

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.

Xt,M xt,M

Рисунок 3.24 - Графики зависимости быстродействия привода от положения компенсации энергии в начале и конце хода при разных параметрах

При компенсации энергии в начале и конце хода влияние различных парпметров на быстродействие привода аналогично их влиянию при компенсации энергии только в начале хода. При е=0,07м в приводе наблюдается явление самоблокировки, что препятствует завершению движения привода.

При компенсации энергии в середине хода уравнение движения также делится на четыре этапа: первый этап аналогичен первому этапу модели компенсации энергии в конце хода, второй этап совпадает с первым этапом модели компенсации энергии в начале хода, третий этап соответствует третьему этапу модели компенсации энергии в конце хода, а четвёртый этап идентичен третьему этапу модели компенсации энергии в начале хода. Для данного алгоритма компенсации энергии представлены зависимости скорости и положения выходного звена от времени, которые отражены на графике, приведённом на Рисунке 3.25.

Рисунок 3.25 - Графики зависимости скорости и положения выходного звена от времени при компенсации энергии в середине хода

Для данного алгоритма компенсации энергии зависимости быстродействия привода от положения компенсации при различных параметрах представлены на графике, приведённом на Рисунке 3.26.

0.088 0.03 Ч 0.12 н

0.11 0.10 0.09 0.08 0.07

0.04

0.05

0.06 0.03

0.04

0.05

0.06

1 \ \ ! Т-8, ' I —■— 0,01м —•— 0,02м ■ —0,03м —т— 0,04м ' — .

I N

^__^

— ^___

*

! ч —т—

0.03 0.04 0.05 0.06 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

х^м х1,м

0.11

0.10

0.09

0.08

0.14

0.12

0.10

0.08

Рисунок 33.2 6 - Графики зависимости быстродействия привода от положения компенсации энергии в середине хода при разных параметрах

Из графика 3.26 видно, что величина давления воздуха оказывает незначительное влияние на быстродействие привода. Закономерности воздействия остальных параметров в целом совпадают с результатами, полученными для других алгоритмов компенсации энергии.

Ч 0.12 н

—■— 0,01м .— •— 0,015м —А— 0,02м .—у— 0,025м —♦— 0,03м T-r

■ при г=0,025м движение не совершенно

0.09

0.08

-0.03

-0.02 а)

-0.01 0.00

х,м

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 б)

0.06 Х,м

в)

Рисунок 3.27 - Графики зависимости быстродействия привода от радиуса блока при различных способах компенсации энергии: а) - в начале хода; б) - в начале и

конце хода; в) - в середине хода

На основании разработанной математической модели построены графики зависимости быстродействия привода от радиуса блока для различных алгоритмов компенсации энергии (Рисунок 3.27).

С увеличением радиуса блока наблюдается постепенное повышение

быстродействия привода, причём для всех алгоритмов компенсации энергии прослеживается аналогичная закономерность. Однако при достижении радиусом блока г определённого критического значения выполнение движения становится невозможным. В алгоритме компенсации энергии в середине хода, при радиусе блока г=0,025м, на точке компенсации энергии 0,06м фиксируется экстремальная точка быстродействия.

Для различных алгоритмов компенсации энергии построены зависимости длины участка хода цилиндра от быстродействия привода (Рисунок 3.28), на котором осуществляется компенсация энергопотерь.

н"0.15

0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09

1-К

■ t И -

■ \ _.._>_.._ в К0Нце ------- в начале А в начале и конце - -т- - в середине -

\

■

Л \\ V4 Л 4 -

■ \ \ А _ \ч 4 -

■ ------- ■

0.01

0.02

0.03

0.04 Ьк,м

Рисунок 3.28 - Графики зависимости быстродействия мехатронного привода от длины участка хода при подаче высоконапорного воздуха для мехатронных

приводов с ПА на базе гибких звеньев

Её аппроксимация представлена уравнением (2.59), что позволяет провести оценку оптимального алгоритма компенсации энергии при одинаковом участке рабочего хода, на котором осуществляется компенсации энергопотерь. Такой подход обеспечивает возможность сопоставления различных алгоритмов с целью выбора наиболее эффективного в заданных условиях.

Для мехатронного привода с ПА, основанным на использовании гибких звеньев, на графике (Рисунок 3.29) представлены зависимости коэффициента энергоэффективности й от координаты выходного звена в различных алгоритмах компенсации энергии.

Рисунок 3.29 - Графики зависимости коэффициента энергоэффективности d от координаты выходного звена компенсации энергии для мехатронных приводов с

ПА на базе гибких звеньев

Для мехатронного привода с ПА, основанного на базе гибких звеньев, минимальное значение коэффициента энергоэффективности й достигается в алгоритме компенсации энергии в конце хода, при положении компенсации 0,05 м. Таблица 3.6 содержит оптимальные значения параметра й для различных алгоритмов компенсации энергии, а также соответствующие интервалы, что позволяет оценить эффективность каждого алгоритма.

Таблица 3.6 - Оптимальные значения коэффициента энергоэффективности й, максимальная мощность и диапазон компенсации энергии для различных алгоритмов

Алгоритм компенсации энергии d/с•м Максимальная мощность/Вт Диапазон компенсации энергии

В начале 0,00165 52,453 [-0,0625м, -0,03м]

В конце 0,00099 38,532 [0,05м, 0,0625м]

В начале и конце 0,00309 53,103 [-0,0625т, -0,03т], [0,03т, 0,0625т]

В середине 0,00112 53,103 [-0,03м, 0,03м]

Согласно данным Таблицы 3.6, можно заключить, что оптимальная точка компенсации энергии в начале хода характеризуется значением коэффициента й, которое превышает соответствующее значение для точки А в 1,7 раза. Для алгоритма одновременной компенсации энергии в начале и конце хода коэффициент й превосходит значение точки А в 1,1 раза. В случае компенсации энергии на середине хода коэффициент й превышает значение точки А в 1,6 раза.

3.6 Выводы

1) Предложены схемные решения мехатронного пневматического привода с пружинным аккумулятором и гибкими звеньями и разработана соответствующая математическая модель. Экспериментальная проверка подтвердила точность предложенной модели.

2) Проведено комплексное исследование быстродействия мехатронного пневматического привода с пружинным аккумулятором на базе гибких звеньев при различных алгоритмах компенсации энергии.

3) Выполнен анализ уровня энергопотерь привода. Исследовано влияние основных параметров, таких как жёсткость пружины, давление подачи воздуха, габаритные размеры, предварительная деформация пружины и радиус блока, на энергопотери.

4 Исследование динамических характеристик мехатронных пневматических

приводов с пружинным аккумулятором

В данной главе основное внимание уделено системе управления мехатронного пневматического привода с ПА. Подробно проанализированы ключевые динамические характеристики, которые проявляются в процессе управления и эксплуатации привода. Путем разработки экспериментального макета и методов исследования детально проанализированы такие явления, как запаздывание в начале компенсации энергии, скачки скорости в процессе движения выходного звена и вибрации при его достижении конечной точки на направляющей. Исследование данных динамических характеристик не только позволяет выявить потенциальные проблемы в работе привода, но и предоставляет теоретическую основу для последующей оптимизации привода и улучшения его эксплуатационных показателей.

4.1 Анализ задержки сигнала в мехатронном пневматическом приводе с

пружинным аккумулятором

В процессе эксперимента установлено, что при выполнении энергокомпенсации в конце хода теоретически следует начинать её, когда выходное звено находится в диапазоне [0, хтах]. Однако на практике часто требуется заранее активировать датчик положения, иначе процесс энерго-компенсации не будет завершен. В этих условиях система управления требует точного временного контроля. Для системы со значительной задержкой или запаздыванием выполняется коррекция фазы и усиления, чтобы компенсировать ошибки, вызванные задержкой или запаздыванием. В связи с этим введен алгоритм компенсации запаздывания, который на основе предшествующих данных системы оценивает задержку сигнала и компенсирует ее.

С использованием Mathcad разработан замкнутый контур системы управления, включающий выходное звено управляемого объекта. Путем

многократного моделирования и настройки параметров удалось добиться проектных требований к производительности системы. На основании экспериментальных данных дополнительно оптимизированы параметры позиции компенсации. Подробно документированы процесс проектирования компенсатора запаздывания, выбор параметров, результаты моделирования и данные полевых испытаний, что позволило сформировать полную проектную документацию.

Рисунок 4.1 - Активация датчика положения при достижении выходным звеном

определённых позиций

Спроектированный прямой компенсатор запаздывания внедрён в реальную систему управления. Через аппаратную настройку (регулировка положения датчиков) компенсатор интегрирован в контроллер (Рисунок 4.1). На Рисунке 4.1 отмечены пять позиций, соответствующие положениям выходного звена на 0, +0,01 м, +0,02 м, +0,03 м и +0,04 м, при которых датчики положения активируются и передают сигналы компенсации в контроллер ПЛК. Проведены тесты на реальной системе для оценки действия компенсатора запаздывания, а также для регистрации динамических характеристик и установившихся параметров системы. По результатам экспериментов выполнена окончательная корректировка параметров, чтобы обеспечить оптимальные характеристики

системы в условиях реальной эксплуатации.

На Рисунке 4.2 левая кривая представляет собой экспериментальные данные, демонстрирующие тенденцию изменения в эксперименте; правая кривая показывает предсказанные данные, рассчитанные на основе теоретической модели, что отражает прогнозируемую тенденцию поведения модели.

Рисунке 4.2 - Сравнение времени цикла при различных положениях выходного звена в момент начала компенсации энергии, полученное в результате эксперимента и вычислений по математической модели

Из Рисунка 4. 2 видно, что между экспериментальными данными и модельными расчётами наблюдается заметное запаздывание, выражающееся в различии положения компенсации энергии при одинаковом времени движения выходного звена. В эксперименте диапазон положений, в которых возможно компенсировать энергию, значительно шире — например, от -0,04м до 0м. Однако, если положение начала компенсации энергии меньше -0,04м, выходное звено не достигает конца направляющей. Это создаёт сопротивление движению звена, что не позволяет завершить рабочий цикл.

Согласно модели, если компенсация энергии начинается, когда выходное звено находится на позиции больше 0,02 м, это приводит к недостаточной

компенсации, и выходное звено также не достигает правого конца направляющей. Различия в диапазоне эффективных положений компенсации энергии между экспериментальной установкой и теоретической моделью вызваны расхождениями фактических и расчётных параметров, что влияет на уровень потерь энергии, например, из-за отличий в условиях смазки, давления воздуха в магистрали и других факторов.

4.2 Исследование явления скачка скорости в процессе движения выходного звена в мехатронном пневматическом приводе с пружинным аккумулятором

Для мехатронного пневматического привода с ПА компенсация энергии в конце хода осуществляется за счет мгновенной подачи сжатого воздуха большого давления в камеру цилиндра. Кинетическая энергия выходного звена в фазе замедления преобразуется в упругую потенциальную энергию пружины, что приводит к снижению скорости его движения. При запуске компенсации энергии сжатый воздух быстро заполняет камеру цилиндра, и поршень получает дополнительное усилие, оказывая ускоряющее воздействие на выходное звено. Это ускорение происходит практически мгновенно, вызывая резкий скачок скорости, формируя так называемую «ступень скорости».

Резкое изменение скорости вызывает колебания выходного звена и острый динамический отклик привода. Данный скачок скорости провоцирует ударные вибрации вприводе, где быстро меняющиеся силы и противодействующие силы вызывают интенсивные колебания ПА.

Кроме того, мгновенное ускорение, вызывающее скачок скорости, может приводить к самовозбуждающимся колебаниям. В ходе экспериментального исследования для оптимизации времени перемещения выходного звена при его фиксации в крайнем правом положении на направляющей и снижения энергопотребления выбрано минимально возможное давление воздуха для компенсации энергии (например: 2,3 Па). При данных условиях выходное звено движется вдоль направляющей слева направо, и точка начала компенсации

устанавливается в различных положениях (например, х=0, 0,01м, 0,02м, 0,03м) для анализа влияния каждого положения начала компенсации на ускорение выходного звена мехатронного пневматического привода с ПА и гибкими звеньями (Рисунок 4.3).

03

10 0 -10

-20

-30 -0.01

..... V

[х4=0,01м ■ =0,02м

о

20

5-Ю 0 -10 -20 -30 -40

ц.

/

1

_ - — Х=и \ -- х^0,01м ^ N

- х^0,02м -- - х.—0,03м 1 ! . . Ч ^

0.00 0.01

а)

0.02 0.03 х,м

-0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04

х,м

б)

(Й

'10 о -10 -20 -30

N

\ к=0 N. г —Г> П1

и, VI ж \ ;-----х=0,02м ......х=0,03м N ^

-0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04

х,м

в)

Рисунок 4.3 - Графики зависимости ускорения от положения выходного звена: а) без фиксаторов; б) с фиксаторами; в) с гибкими звеньями и фиксаторами

Как видно на Рисунке 4.3, ускорение выходного звена в мехатронном пневматическом приводе с ПА изменяется в зависимости от положения начала компенсации энергии. В определённых точках наблюдаются два явных скачка:

Первый скачок (в положении х=0): В этом положении величина ускорения изменяется незначительно, что обусловлено изменениями внешней конфигурации привода. Данный скачок вызван внешними изменениями и не приводит к

значительным ударам, отображая лишь легкий отклик привода в начальной или нулевой позиции.

Второй скачок (в положении компенсации энергии): С увеличением положения начала компенсации ускорение выходного звена возрастает, а амплитуда скачка значительно увеличивается. Особенно при более большом положении компенсации энергия скачка становится более выраженной, что указывает на увеличение упругих сил восстановления или внутренних сопротивлений. При подаче сжатого воздуха в камеру цилиндра шток воздействует на выходное звено, что приводит к усилению скачка ускорения.

Данный эффект имеет важные последствия для проектирования и управления приводом: при больших значениях координаты выходного звена в момент начала компенсации энергии стабильность привода может снижаться. Чтобы обеспечить плавную работу привода, рекомендуется выбирать положение компенсации энергии ближе к середине хода. Чем раньше осуществляется компенсация, тем ниже может быть требуемое давление подаваемого сжатого воздуха.

4.3 Проблема вибраций, возникающих при достижении выходным звеном конца направляющей в мехатронном пневматическом приводе

В идеальных условиях, когда выходное звено достигает конца хода по направляющей, его скорость должна снизиться до нуля, что означает полное преобразование кинетической энергии выходного звена в потенциальную энергию пружины. В этом случае пневматическому приводу требуется компенсировать только потери энергии в приводе. Однако на практике из-за изменений внешних условий компенсируемая энергия обычно не является постоянной, и могут возникнуть следующие ситуации:

1. Выходное звено достигает конца хода направляющей и его скорость становится равной нулю.

2. Выходное звено не доходит до конца хода направляющей и

останавливается раньше.

3. Выходное звено достигает конца хода направляющей, но сохраняет определённую скорость.

Для того чтобы выходное звено достигло конца хода направляющей, пневмопривод обычно требует компенсации энергии немного выше идеального уровня, то есть обеспечения некоторого запаса энергии. Это приводит к тому, что в реальных условиях выходное звено может сохранять определённую скорость при достижении конца хода направляющей, что гарантирует выполнение заданного перемещения при различных внешних условиях.

Если выходное звено продолжает движение с ненулевой скоростью при достижении конца хода по направляющей, это может нанести значительный ущерб пневматическому приводу. Во-первых, ударное воздействие приводит к дополнительной нагрузке на механизмы, вызывая усталостные повреждения или деформации ключевых компонентов, что сокращает срок службы оборудования. Во-вторых, пружина может подвергаться высоким напряжениям из-за чрезмерного сжатия или растяжения, что снижает её восстанавливающую способность и долговечность, что в конечном итоге влияет на производительность привода. Конечная скорость также вызывает интенсивные вибрации и шум, что не только ухудшает условия эксплуатации, но и может влиять на стабильность в высокоточных приложениях. Кроме того, увеличение рассеяния кинетической энергии приводит к росту энергозатрат, снижая общую эффективность привода. При длительной эксплуатации эти негативные эффекты могут значительно снизить надёжность оборудования и точность позиционирования, что ухудшает его эксплуатационные характеристики.

>

0.9 0.6 0.3 0.0 -0.3

-0.6

на базе кулисного механизма без фиксатора ■ на базе кулисного механизма с фиксатором на базе гибких элементов с фиксатором -

¡л- Л -

1 /V ■ 1 1 г I / г 1 № ГЦ ( Ц I / Н к ! \ 'Ол : ■ \ / '

| , ■ \ /' Г 1 V' г. / _ Г( И у у V V

■■ ? 1 \ V \ч

0.00

0.02

0.04

0.06 Ъс

а)

б)

Рисунок 4.4 - Графики изменения скорости и перемещения выходного звена после его достижения конца хода по направляющей от времени: а) скорость; б)

перемещение

Графики (Рисунок 4.6) построенные на основе экспериментальных данных, показывают изменение скорости выходного звена и его перемещения от времени в конце хода для трех различных случаев: для мехатронного пневматического привода с ПА на базе кулисного механизма (без фиксаторов и с фиксаторами), а также для мехатронного пневматического привода с ПА на базе гибких звеньев (с

фиксаторами).

В Таблице 4.1 представлены результаты анализа трёх вибрационных кривых, включая среднее значение, стандартное отклонение, максимальное и минимальное значения, а также пиковое значение.

Таблица 4.1 - Результаты анализа трёх вибрационных кривых

среднее значение, м стандартное отклонение максимальное значение, м минимальное значение, м пиковое значение, м

1 -0 0,000609 0,000812 -0,00112 0,001932

2 0,000131 0,000641 0,00107 -0,00076 0,001829

3 -0 0,000573 0,000651 -0,00116 0,001811

где 1 - на базе кулисного механизма без фиксатора;

2 - на базе кулисного механизма с фиксаторами;

3 - на базе гибких звеньев с фиксаторами;

На основании анализа графиков и Таблицы 4.1 можно сделать следующие выводы.

1. Кулисный механизм без фиксатора обладает большой амплитудой вибрации, но хорошей симметрией, что может быть полезно в случаях, когда важна именно амплитуда.

2. Кулисный механизм с фиксаторами имеет увеличенные стандартное отклонение и среднее значение, что делает её стабильность немного хуже по сравнению с другими вариантами.

3. Гибкие элементы с фиксаторами обеспечивают минимальное пиковое значение амплитуды и наиболее стабильную вибрацию. Среднее значение близко к нулю, что делает её подходящей для применения, где требуется высокая устойчивость к вибрациям.

По времени затухания вибрации можно отметить следующее.

1. Кулисный механизм без фиксатора обеспечивает наибольшую длительность вибраций с медленным затуханием амплитуды, что свидетельствует о наличии значительных остаточных колебаний в конечной позиции.

2. Кулисный механизм с фиксаторами имеет меньшую длительность вибрации, происходит затухание и позиция стабилизируется примерно через 0,04 секунды, что подтверждает эффективность фиксаторов в уменьшении времени вибрации.

3. Гибкие элементы с фиксаторами обеспечивают минимальную вибрацию с временем затухания меньшим 0,03 секунды. Конфигурация с гибкими звеньями и фиксаторами обеспечивает высокоэффективное подавление вибрации, что позволяет выходному звену быстро достичь устойчивого состояния.

Подводя итог, можно отметить, что в мехатронном пневматическом приводе с ПА комбинация гибких звеньев и фиксаторов обеспечивает наилучшие результаты по снижению амплитуды колебаний и сокращению времени затухания. Эта конфигурация позволяет выходному звену быстрее достигать стабильного состояния, что делает её наиболее эффективной с точки зрения гашения вибраций. В то же время схемные решения на базе кулисного механизма без фиксаторов характеризуется наибольшей амплитудой колебаний и продолжительным временем затухания, что указывает на её наименьшую эффективность в снижении вибраций.

4.4 Выводы

Мехатронный пневматический привод с гибкими звеньями и фиксаторами показывает отличные результаты в подавлении вибраций. Эта конфигурация значительно снижает амплитуду колебаний и сокращает время их затухания, позволяя выходному звену быстрее достигать стабильного состояния, что делает её наиболее эффективным решением для уменьшения вибраций.

Мехатронный пневматический привод на базе кулисного механизма без фиксаторов характеризуется высокой амплитудой вибраций выходного звена и

самым длительным временем их затухания, что указывает на его недостаточную эффективность в управлении вибрациями и поддержании стабильности. Этот вариант подходит для применения в условиях, где требования к вибрационным характеристикам не столь критичны. В то же время, привод с фиксаторами показывает улучшенные показатели в подавлении вибраций: скорость затухания вибраций выше.

В процессе движения выходного звена выявлены выраженные скачки скорости, особенно при высоких уровнях компенсации энергии, что приводит к более заметным скачкам скорости и увеличению ударных нагрузок. Оптимизация давления компенсации энергии и заблаговременное начало компенсации позволяют эффективно уменьшить эти скачки скорости.

Кроме того, внедрение алгоритма компенсации запаздывания в системе управления значительно улучшило динамическую реакцию системы, сделав прогнозы теоретической модели более соответствующими фактическим характеристикам.

Заключение

1. Предложены принципы построения и новые схемные решения для мехатронных пневматических приводов с ПА на базе кулисного механизма и гибких звеньев, которые позволили значительно повысить быстродействие и эффективно снизить энергопотери.

2. Разработаны математические модели для предложенных схемных решений, которые учитывают влияние конструктивных параметров, таких как трение, характеристики пружины и изменения давления внутри цилиндра.

3. Разработаны экспериментальные макеты и методика проведения эксперимента, а также создана система сбора и обработки данных с использованием высокоскоростной съёмки и алгоритма обработки оптического потока, что обеспечило высокую точность экспериментальных данных и стало надёжной основой для анализа характеристик приводов.

4. Проведен анализ явления скачков скорости, возникающих в процессе движения выходного звена. Исследования показали, что чем дальше положение компенсации энергии от центральной точки направляющей, тем более выражены скачки скорости.

5. Экспериментальные результаты показали, что схемные решения на базе гибких звеньев с фиксаторами показывает наилучшие результаты в виброгашении.

6. Для мехатронного привода с ПА разработана система оценки энергетической эффективности. Это позволяет на основе анализа эффективности компенсации энергии обеспечивать оптимизацию быстродействия привода и снижение энергопотребления.

7. Полученные результаты исследований могут быть использованы при проектировании мехатронных быстродействующих возвратно-поступательных механизмов средств автоматизации технологического оборудования различного назначения.

Список литературы

1. Акинфиев Т.С. Динамические свойства резонансной манипуляционной системы с односторонним пневмоприводом / Акинфиев Т.С., Пожаринский А.А. // М: Машиноведение. -1985. - №2. - С. 24-30.

2. Акинфиев Т.С. Резонансные манипуляционные системы с электроприводом / Акиыиев Т. С. // М.: Машиноведение. -1983. - №6. - С. 18-23.

3. Андронов А.А. Теория колебаний / Андронов А.А. Витт А.А., Хайкин С.Э. // М.: Физматгиз, - 1959. - 915 с.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя / Анурьев В.И. // Т.3.7-е изд. М: Машиностроение, - 1992. - 720 с.

5. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин/ Артоболевский И.И. // М.: Наука, - 1988. - 640 с.

6. Артоболевский И.И. Теория механизмов: Учебное пособие. / Артоболевский И.И. // М.: Москва: издательство «Наука», - 1967. - 719 с.

7. Баутин Н.Н., Динамическая теория часов: Стабилизация периода в колебательных системах с двумя степенями свободы / Баутин Н.Н. // М.: Наука, -1986. - 192 с.

8. Белков Е.Г. Результаты испытаний на выносливость пружин клапана двигателя ВАЗ-2112 / Белков Е.Г. Лавриненко Ю.А., Фадеев В.В. // Абразивный инструмент и металлообработка: сборник научных трудов Челябинск. - 2001. - С. 78-82.

9. Белогур В.П. Разработка и исследование мехатронных пружинных приводов с рекуперацией энергии для штанговых глубинных насосов / Белогур В.П., Жавнер В.Л., Жавнер М.В., Вэнь Чжао // Современное машиностроение. Наука и образование. - 2020. - № 4. - С. 476-486.

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

11. Вульфсон И.И. Колебания в машинах: учебное пособие для ВТУЗов /

Вульфсон И.И. // Вульфсон И.И., 2-е изд. Доп. -СПб: СПбГУТД, - 2006. -260 с.

12. Глазунов В.А. Пространственные механизмы параллельной структуры / Глазунов В.А., Колискор А.Ш., Крайнев А.Ф. // М. Наука, - 1991 - 95с.

13. Глушков А.А. Исследование и разработка быстродействующих поворотных цикловых проводов колебательного типа: дис. канд. тех. наук: 05.02.02 / А.А. Глушков - Владимир, - 2006.

14. ГОСТ 13766-86. Пружины цилиндрические. Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения I класса. разряда 1 из стали круглого сечения. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 21 с.

15. ГОСТ 13775-86. Пружины цилиндрические. Пружины винтовые цилиндрические сжатия III класса. разряда 2 из стали круглого сечения. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 8 с.

16. ГОСТ 13776-86. Пружины цилиндрические. Пружины винтовые цилиндрические сжатия III класса. разряда 3 из стали круглого сечения. - М.: Изд-во стандартов, - 1988. - 4 с.

17. Диксон. Дж. Проектирование систем: Изобретательство. анализ и принятие решений / Дж. Диксон // - М: Изд-во Мир, - 1969. - 440 с.

18. Жавнер В.Л. Мехатронные принципы проектирования технологического оборудования / Жавнер В.Л., Смирнов А.Б. // Конструктор-машиностроитель. - 2008. - №3. - С 12-15.

19. Жавнер В. Л. Мехатронные пружинные приводы с рекуперацией энергии в технологическом оборудовании: учеб. Пособие / Жавнер В. Л., Мацко О. Н., Жавнер М. В., Чжао Вэнь // - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, - СПб, - 2019. -77 с.

20. Жавнер В.Л. Мехатронные рекуперативные приводы для возвратно-поступательных перемещений на базе пневматических цилиндров с возвратными пружинами / Жавнер В.Л., Чжао В., Янь Чуаньчао, У Лун // Современное машиностроение. Наука и образование. 2019. № 4. С. 476-486.

21. Жавнер В.Л. Мехатронный рекуперативный привод для возвратно-поступательных перемещений / Жавнер В.Л., Жавнер М.В., Мацко О.Н. // СПб.:

Современное машиностроение. Наука и образование. - 2012. - № 2. - С. 304-310.

22. Жавнер В. Л. Мехатронные системы в фасовочно-упаковочном оборудовании: учеб. Пособие / Жавнер В.Л., Чжао Вэнь, Жавнер М.В., Янь Чуаньчао // - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, - 2019. - 80с.

23. Жавнер В.Л. Повышение эффективности работы рекуперативных приводов / Жавнер В.Л., Миничев А.В. // - М.: Неделя науки СПбГПУ СПб: Изд-во Политехн. ун-та, - 2014. - с. 8-10.

24. Жавнер В.Л. Применение пневматических двигателей для компенсации диссипативных потерь в пружинных приводах с рекуперацией энергии / Жавнер В.Л., Чжао В. // В сборнике: Гидравлические машины. гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития. Сборник научных трудов международной научно-технической конференции. - 2018. - С. 307-316.

25. Жавнер В.Л. Пружинные приводы для возвратно-поступательных перемещений / Жавнер В.Л., Мацко О.Н. // М.: Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2016. - № 1. - С. 3-7.

26. Жавнер В.Л. Пружинные приводы с рекуперацией энергии для цикловых перемещений с технологической нагрузкой / Жавнер В.Л., Мацко О.Н., Чжао Вэнь // М.: Инновации и перспективы развития горного машиностроения и механики: IPDME_2018: Сборник тезисов, Санкт-Петербургский горный университет. СПб. - 2018. - С.42.

27. Жавнер В.Л. Пружинные приводы с уравновешиванием для горизонтальных возвратно-поступательных перемещений / Жавнер В.Л., Мацко О.Н. // М.: Вестник научно-технического развития. - 2016. - № 5. - С. 12-17.

28. Жавнер В.Л. Рекуперативные приводы для цикловых перемещений. / Жавнер В.Л., Мацко О.Н., Жавнер М.В. // Deutschland. Saarbrucken. Palmarium Academic Publishing, - 2014. - 90 с.

29. Жавнер В.Л. Рекуперативные приводы для цикловых перемещений с пневматическим компенсатором диссипативных сил. / Жавнер В.Л., Мацко О.Н. //

СПб.: Современное машиностроение. Наука и образование. - 2014. - № 4. - С. 513-521.

30. Жавнер В.Л. Рекуперативные приводы с нелинейными аккумуляторами для цикловых промышленных роботов пищевой промышленности / Жавнер В.Л., Бойцов Ю.А. Феоктистова Н.А. // Интенсификация процессов. оборудование и управление пищевых производств: Меж. вуз. сб. науч. тр. - Л.: ЛТИХП, - 1991. - С. 77.

31. Жавнер М.В. Исследование пружинных аккумуляторов для мехатронных приводов с рекуперацией энергии в оборудовании пищевых производств / Жавнер М.В., Чуаньчао Я., Ли С. // Вестник Международной академии холода. - 2022. - № 1. - С. 68-75.

32. Жавнер М.В. Методы расчета и проектирования исполнительных устройств робототехнических систем на базе пружинных механизмов: дис. канд. тех. наук: 05.02.05 / Жавнер Милана Викторовна. - СПб., - 2003.

33. Жавнер М.В. Мехатронные рекуперативные приводы для шаговых перемещений на базе пневматических цилиндров с возвратными пружинами / Жавнер М.В., Янь Чуаньчао, Чжао В. // Вестник Международной академии холода. - 2019. - № 2. - С. 22-28.

34. Закиров Д.М. Исследование причин разрушения и отработка методики усталостных испытаний клапанных пружин / Закиров Д.М., Лавриненко Ю.А., Фадеев В.В. // Отчет по НИР. Г.Р. №01.2001.08424. Рук. Темы Белков Е.Г., Челябинск: ЮУрГУ, - 92 с.

35. Илюхин Ю.В. Создание высокоэффективных систем управления исполнительными движениями роботов и мехатронных устройств на основе технологически обусловленного метода синтеза: дис. д-ра тех. наук. 05.02.05. / Илюхин Юрий Владимирович, - М., - 2001.

36. Качан В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движений / Качан В.Г. // - М.: Энергия. - 1975. - 240 с.

37. Колчин Н.И. Механика машин / Колчин Н.И. // Т. 2. Машиностроение.

- 1972. - 456 с.

38. Корендясев А.И. Манипуляционные системы роботов. / Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. и др // Машиностроение. - 1989. - С. 279-286.

39. Корендясев А.И. Теоретические основы робототехники / Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. // В 2 ки. -М.: Наука. - 2006. -376 с.

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

41. Крупнин В.Л. Манипуляционные системы резонансного типа / Крупенин В.Л., Акинфеев Т.С., Бабицкий В.И. // Машиностроение. -1982. -№1.-С 2-8.

42. Лавриненко Ю.А. Разработка технологии изготовления опытной партии пружин ВАЗ 2112-1007020 / Лавриненко Ю.А., Фадеев В.В. // Раздел 1 отчёта по НИР «Исследование причин разрушения и отработка методики усталостных испытаний клапанных пружин» Рук. темы Белков Е.Г. № гос. регистр. 01.2001.08424. Челябинск. ЮУрГУ. - С. 8-28.

43. Ландау Л.Д. Краткий курс теоретической физики / Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. // Книга 1. Механика. Электродинамика. - М.: Машиностроение, -1978. - 184 с.

44. Ландау Л.Д. Теоретическая физика / Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. // М.: В 10 т. Т. 1: Механика. Москва. Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., - 1988. - 216 с.

45. Левин А.И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков / Левин А.И. // М.: Машиностроение. - 1978. - 184 с.

46. Лысов Н.Ю. Разработка и исследование быстродействующих интеллектуальных приводов мехатронных систем / Лысов Н.Ю. // Мехатроника. -2001. - №2. - С. 35-43.

47. Мацко О.Н. Мехатронные рекуперативные приводы для возвратно-поступательного движения: Автореферат диссертации на соискание степени

кандидата технических наук: 05.02.05 / Мацко Ольга Николаевна - СПб, - 2011.

48. Мацко О.Н. Нахождение периода колебаний нелинейного пружинного аккумулятора с поступательной парой / Мацко О.Н., Жавнер М.В. // Современное машиностроение. Наука и образование. - 2013. - № 3. - C. 205-209.

49. Мехатронный пружинный привод: пат. 2742446 Российская Федерация МПК B25J 9/10 / Жавнер В.Л., Чжао Вэнь, Янь Чуаньчао № 2020122271: Заявил. 06.07.2020: опубл. 05.02.2021. Бюл. № 4.

50. Механическая рука: пат. 1006208 СССР: МПК B25J 9/00 / Болотин А.И., Корендясев Б.Л., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. №3368826/25-08: Заявил. 24.12.1981: опубл. 23.03.1983 Бюл. № 11.

51. Механическая ручка: пат. 1077779 СССР: МПК B25J 1/00 / Болотин

A.И., Корендясев Б.Л., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. № 3482850/25-08: Заявил. 09.08.1982: опубл. 07.03.1984 Бюл. № 9.

52. Механическая ручка: пат. 1323378 СССР. МПК B25J 18/04 / Зайцев

B.В., Болотин Л.М., Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. № 4024456/31-08: Заявил. 20.02.1986: опубл. 15.07.1987 Бюл. № 26.

53. Механическая рука: пат. 568346 СССР. МПК B25J 9/00 / Геран Арвид Хеннинг Риддерстрем (Швеция) № 2111127/08: Заявил. 18.02.1975: опубл .05.08.1977. Бюл. № 29.

54. Надеждин И.В. Высокодинамичные механизмы вспомогательных операций автоматизированных сборочных производств / Надеждин И.В. // Москва: Машиностроение. - 2008. - 270 с.

55. Надеждин И.В. Исполнительные механизмы цикловых машин-автоматов и мехатронных систем / Надеждин И.В. // LAP LAMBERT Academic Publishing. Deutschland. - 2015. - 280 с.

56. Надеждин И.В. Энергоэффективные приводы мехатронных загрузочных устройств автоматизированных сборочных систем / Надеждин И.В., Молчанов А.А. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. -2018. - № 1. - С. 86-95.

57. Наземцев А.С. Гидравлические и пневматические системы. Часть 1. Пневматические приводы и средства автоматизации: Учебное пособие. / Наземцев А.С. - М.: ФОРУМ. - 2004. - 240с. ил.

58. Никитина К.А. Приводы для поворотных столов / Никитина К.А., Пелупесси Д.С., Жавнер М.В. // Науч. форум «Неделя науки СПбПУ»: ИММиТ СПбПУ. Ч.1. Изд-во Политехн. ун-та. - 2015. - С. 67-69.

59. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний / Пановко Я.Г. // - М.: Наука. - 1991. - 256 с.

60. Пелупесси Д.С. Использование пружинных приводов в средствах грузопереработки / Пелупесси Д.С., Жавнер М.В. // Национальная ассоциация ученых «Ежемесячный научный журнал» - № 5(10) - 2015. - С. 65-68.

61. Пелупесси Д.С. Пружинные аккумуляторы для шаговых приводов / Пелупесси Д.С., Жавнер М.В. // Современное машиностроение. Наука и образование: Материалы 5-й Междунар. науч. -практ. конф. (30 июня - 01 июля 2016 г.). -СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. - 2016. - С. 499-509.

62. Пелупесси Д.С. Пружинные аккумуляторы с выходным поворотным звеном для шаговых перемещений / Пелупесси Д.С., Жавнер М.В. // Известия высших учебных заведений. Машиностроение - № 10 (679). - 2016. - С. 9-17.

63. Пелупесси Д.С. Пружинные аккумуляторы с выходным поворотным звеном / Пелупесси Д.С., Жавнер М.В. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. -Т 18 - № 1(2). -2016. -С. 256-259.

64. Пелупесси Д.С. Снижение энергозатрат с помощью использования шагового рекуперативного привода / Пелупесси Д.С., Петровская К.В., Жавнер М.В. // Науч. форум «Неделя науки СПбПУ»: ИММиТ СПбПУ. Ч.1. Изд-во Политехн. ун-та. - 2015. - С.69-71.

65. Петровская К.В. Применение пружинных механизмов в технологическом оборудовании / Петровская К.В., Пелупесси Д.С., Жавнер М.В. // Науч. форум «Неделя науки СПбПУ»: ИММиТ СПбПУ. Ч.1. Изд-во Политехн. ун-та. - 2015.- С. 64-66.

66. Пипуныров В.Н. История часов с древнейших времен до наших дней: Книга. / Пипуныров В.Н. - М.: Москва: издательство «Наука». - 1982. - 492 с.

67. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы. методы. применение: учебное пособие для студентов вузов / Подураев Ю.В. - М.: Машиностроение. - 2006. -256 с.

68. Полищук М.Н. Механизмы шаговых перемещений: Учебное пособие. / Полищук М.Н., Попов А.Н., Тимофеев А.Н. - СПб.: Изд-во СПбГТУ. - 1998. -50 с.

69. Привод перемещения звеньев: пат. 1283083 СССР: МПК B25J 9/00 / Жавнер В.Л., Феокстистова Н. А., Ежов Г.Г. № 3898817/25-08: Заявил. 22.05.1985: опубл. 15.01.1987 Бюл. № 2.

70. Привод робота: пат. 1303399 СССР. МПК B25J 9/00 / Акинфиев Т.С. № 3984264/25-08: Заявил. 06.12.1985: опубл. 15.04.1987 Бюл. № 14.

71. Промышленный робот: пат. 1768381 СССР: МПК B25J 9/00, B25J 11/00. / Зайцев В.В., Корендясев А.И., Литовченко А.П., Саламндра Б.Л., Тывес Л.И., Шишков В.С. и Сачков Л.Б. №4366574: Заявил. 21.01.1988: опубл. 15.10.1992 Бюл. №38.

72. Резонансный привод: пат. 1544550 СССР. МПК B23J 9/00 / Бабицкий В.И., Котлячков А.А., Чечуров В.А., Шипилов А.В. № 4405308/25-08: Заявил. 07.04.1988: опубл.23.02.1990 Бюл. № 7.

73. Рекуперативный привод: пат. 158169 Российская Федерация МПК B25J 19/00 / Мацко О.Н., Миничев А.В. № 2015136046/02: Заявил. 25.08.2015: опубл. 20.12.2015 Бюл. № 28.

74. Рудченко Ю.А. Составление математической модели стенда испытания упругих элементов на основе автоколебательной электромеханической системы / Рудченко Ю.А., Козлов А.В. // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2013. - №4 (41). - С. 120-124.

75. Семеноженков В.С. Разработка теории. методов проектирования и создание рекуператорных средств механизации кузнечно-штамповочного

производства: дис. д-ра техн. наук: 05.03.05 / Семеноженков Владимир Степанович - Воронеж, - 1999.

76. Стенд для испытаний пружин на усталость: пат. 953518 СССР. МПК G01N 3/34 / Мягков А.Т. № 3241635/25-28: Заявил. 29.01.1981: опубл. 23.08.1982. Бюл. № 31.

77. Сысоев С.Н. Повышение эффективности вспомогательных операций в автоматизированных производствах на основе создания быстродействующих цикловых механизмов агрегатно-модульного типа: дис. д-ра тех. наук: 05.13.07 / Сысоев Сергей Николаевич - М., - 1999.

78. Сысоев С.Н. Цикловые приводы колебательного типа: монография / Сысоев С.Н., Глушков А.А. - Федер. агентство по образованию. Владимир. гос. ун-та, - 2010. - с 184.

79. Тимошенко С.П. Теория колебаний в инженерном деле / Тимошенко С.П. - М.-Л.: ГНТИ, - 1932. - 344 с.

80. Феоктистова Н.А. Гидромеханические рекуперативные приводы промышленных роботов для механизации погрузочно-разгрузочных работ: дис. канд. тех. наук: 05.02.05 / Феоктистова Наталья Анатольевна. - Л., - 1988.

81. Чжао В. Применение пневматических цилиндров с возвратными пружинами в мехатронныхт рекуперативных приводах / Чжао В., Жавнер В.Л., Смирнов А.Б., Янь Ч. // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. - 2019. - Т. 25. - № 1. - С. 111-123.

82. Юдовский И.Д. Рекуперативный механичный привод для непрограммируемых автоматических манипуляторов / Юдовский И.Д. // Вестник машиностроения. - 1985. - №4.

83. Christian Hubicki ATRIAS: Design and validation of atether-free 3D-capable spring-mass bipedal robot / Christian Hubicki, Jesse Grimes, Mikhail Jones, Daniel Renjewski, Alexander Sprôwitz, Andy Abate1 and Jonathan Hurst // - The International Journal of Robotics Research. 2016. Vol. 35(12) 1497-1521.

84. Constant rate float intake: patent 4094338 U.S. Int. Cl. G01F 11/00, E03B

11/0 / Williams J. Bauer. Appl.№:798.988. Fild: May 20, 1977. Pub.: June 13, 1978.

85. Elertromagnetische Vorrichtung zur erzeugung einer oszillierenden bewegungen: patent: 562040 / Leo Szilard und Albert Einstein - 1933 Prioritatsdatum 1. Juni 1928.

86. Milana V. Zhavner Research of Spring Accumulators with Output Rotary Link Used in Technological Equipment to Reduce Energy Consumption / Milana V. Zhavner, Sen Li, Chuanchao Yan // Advances in Mechanical Engineering Selected Contributions from the Conference "Modern Engineering: Science and Education". Saint Petersburg. Russia. - June 2019. - p. 221-232.

87. Shin W D, Stewart W, Estrada M A, et al. Elastic-actuation mechanism for repetitive hopping based on power modulation and cyclic trajectory generation[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2022, 39(1): 558-571.

88. Victor L. Zhavner Research and Development of a Spring Drive with Recovery Energy in the Presence of a Variable Inertial Load / Victor L. Zhavner, Wen Zhao, Chuanchao Yan, Long Wu // Advances in Mechanical Engineering Selected Contributions from the Conference "Modern Engineering: Science and Education". Saint Petersburg. Russia. - June 2019. - p. 209-220.

89. Yan Chuanchao The use of pneumatic cylinders with return springs when creating mechanical drives with recuperative energy / Yan Chuanchao, Zhao Wen // 6th international BAPT conference "POWER TRANSMISSIONS 2019" - 2019. -VARNA. - vol. 1. - p 163-167.

90. Zhao Wen The use of pneumatic cylinders with a return spring to compensate for balance losses in mechanical regenerative drives for reciprocating movements / Zhao Wen, Zhavner Victor Leonidovich // 6-th international BAPT conference "POWER TRANSMISSIONS 2019" - 2019. -VARNA. - vol. 1. - p 107112.

91. Zhavner V.L. Comparative Analysis of Mechatronic Drives for Reciprocal Motion / Zhavner V.L., Matsko O.N., Zhavner M.V. // International Review of Mechanical Engineering (I.RE.M.E.) - №12. - 2018. - c. 784-789.

92. Zhavner V.L. Spring drives for reciprocal motion / Zhavner V.L., Matsko O.N. // - M.: Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2016. Vol.45. No.1. pp.1-5. Allerton Press. Inc., - 2016.

93. m^ /

// - L^^^M d^) , - 2009. - 39. - №4. - c 102-106. fJ^M, 2006 (1): 21-23.

Приложение А Программа для обработки экспериментальных данных

(Описание и листинг) Данная программа работает в среде PyCharm и предназначена для обработки видео движения выходного звена, снятого высокоскоростной камерой. Основная функция программы заключается в вычислении вектора перемещения для каждого пикселя в последовательности изображений (обычно между соседними кадрами). Эти векторы описывают смещение пикселей в плоскости изображения (в единицах измерения - пикселях). Конечная цель - на основе этой информации о движении на уровне пикселей, в сочетании с данными калибровки камеры и геометрическими параметрами сцены, рассчитать реальную скорость перемещения выходного механизма в физическом мире. import cv2 import numpy as np import pandas as pd import matplotlib.pyplot as plt from scipy.interpolate import make_interp_spline

def calculate_speed(flow, time_interval, pixel_to_meter, positive_direction='x'):

к и и

Calculate speed along the rail direction with sign.

:param flow: Optical flow array.

:param time_interval: Time interval between frames.

:param pixel_to_meter: Conversion factor from pixels to meters.

:param positive_direction: 'x' or 'y' indicating positive rail direction.

:return: Speed along the rail direction with sign. и и и

if positive_direction == 'x':

flow_component = flow[..., 0] else: