Создание и определение основных конструктивных параметров сбалансированных манипуляторов пантографического типа с разработкой нового способа уравновешивания груза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.05, кандидат технических наук Кузнецов, Вячеслав Матвеевич

• Кузнецов, Вячеслав Матвеевич
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузнецов, Вячеслав Матвеевич

Введение I. Состояние вопроса и задачи исследования. -Ш I.I. Описание и область применения сбалансированных манипуляторов РМ, основные требования. 12 Г.2. Описание и характеристика способов уравновешивания груза в РМ,

С.З. Обзор работ по исследованию РМ,

С.4. Задачи исследования.

-у.» 2. Исследование статического уравновешивания стрелы и груза

1.1. Задача статического уравновешивания стрелы как идеального механизма с тяжелыми звеньями с одной и двумя степенями подвижности

2. Исследование точности некоторых механизмов уравновешивания стрелы и оптимизация их параметров 47 .3. Исследование влияния функциональной неточности ' механизма уравновешивания груза, упругого деформирования, точности изготовления и монтажа элементов конструкции РМ на условия равновесия стрелы с грузом 56 .4. Разработка метода определения сил статического сопротивления при управлении FM с учетом трения в подвижных соединениях 68 .5. Выводы ; 3. Создание и теоретическое исследование РМ с новым способом уравновешивания груза.

I. Синтез пружинных механизмов с постоянной отрицательной жесткостью

3.2. Синтез пружинных механизмов с нулевой дифференциальной жесткостью и исследование возможности их применения для уравновешивания груза в РМ

3.3. Сравнительная оценка динамических нагружений стрелы и стойки РМ без механизма уравновешивания груза и с механизмом уравновешивания груза при жестком кинематическом воздействии привода для случая подъема и опускания груза на весу

3.4. Описание некоторых возможных областей применения пружинных механизмов с нулевой дифференциальной жесткостью

5. Выводы №

4. Постановка и решение задачи .определения основных конструктивных параметров стрелы РМ

1. Постановка задачи параметрической оптимизации стрелы Юз

2. Вывод аналитических зависимостей для критериев качества от варьируемых параметров

3. Метод решения задачи параметрической' оптимизации стрелы

4. Выводы 5. Экспериментальные исследования натурных образцов РМ. 1x5 ,1. Описание РМ грузоподъемностью 100 , '25032СКг конструкции НПО "ВИТсгройдормаш" черт. 61.26.00.000; 61.20.00.000; 61.22.00.

2. Экспериментальное определение сил статического сопротивления РМ грузоподъемностью 25ДОг:. Сравнение экспериментальных данных с теоретическими.

5.3. Экспериментальное определение сил статического сопротивления РМ грузоподъемностью 100кг. Сравнение экспериментальных данных с теоретическими,

5.4. Экспериментальное определение динамических нагрузок РМ грузоподъемностью ЮОкг. Сравнение результатов эксперимента с'теоретическими данными

5.5. Выводы Хо

6. Экономическая эффективность применения РМ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание и определение основных конструктивных параметров сбалансированных манипуляторов пантографического типа с разработкой нового способа уравновешивания груза»

Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятые на ХГО съезде КПСС, предусматриваю* существенное увеличение производства машин и оборудования, автоматических манипуляторов с программным управлением, позволяющих исключить применение ручного, малоквалифицированного и монотонного груда, ускоренное развитие мощностей по изготовлению средств механизации и автоматизации подъ-емно-гранспоргных, погрузочно-разгрузочных и складских работ. Эти решения направлены в первую очередь на экономию человеческого груда, являющуюся, как отметил академик Г.И.Марчук, ^i] , одной из важнейших современных тенденций в развитии научно-технического прогресса.

В настоящее время в качестве средств механизации тяжелого ручного груда, например, при загрузке деталями технологического оборудования, часто применяются консольно-поворотные краны, монорельсы, кран-балки и другие традиционные подъемно-транспортные машины. Эти машины имеют существенные недостатки, которые отмечаются многими авторами: Мишкиндом С.И. в работах [2, Иоффе Ф.С. ^4,5}, Бенуа Э.Ф.£б|, Петуховым П.'3.[7|, Х.Фриц Галановым С.А., Дячуным В.К. [9] и др. Главные из них это: гибкий подвес груза, что позволяет транспортировать груз только в подвешенном состоянии, грудная управляемость, так как требуется занятость обеих рук рабочего, большая физическая нагрузка при строповке и рассгроповке груза, малая производительность. Поэтому нередко рабочие не применяют эти средства механизации и транспортируют грузы массой до 20.40 кг вручную с суммарным грузопотоком до 5000 кг в смену на одного рабочего, что, как показано в работах Г6,10^,вредно для здоровья. В го же время градационные средства механизации имеюг малую стоимость, просты по конструкции, не требуют высокой квалификации при обслуживании и ремонте.

Новым видом подъемно-транспортной техники, предназначенной для механизации тяжелого ручного груда, являются гак называемые сбалансированные манипуляторы '[i], для широкого внедрения в производство которым огводигся важная роль в постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР об увеличении производства и внедрении в народное хозяйство автоматических манипуляторов с программным управлением в I98I-I985 годах. В настоящее время в литературе используются и другие названия подобных устройств, например, балансиры-манипуляторы, уравновешенные манипуляторы, грузовые манипуляторы, стреловые краны-манипуляторы, манипуляторы с ручным управлением (РМ) и др. Основными отличительными особенностями'сбалансированных манипуляторов, в дальнейшем РМ, определяющих перспективу их широкого внедрения в производство, являются универсальность, высокая производительность и легкая управляемость человеком. Эти преимущества РМ по сравнению с другими подъемно-транспортными машинами, во многом определяются выполнением несущей стрелы в виде рычажного механизма пантографа, что позволяет при наличии только одного привода управлять перемещением грузов, по крайней мере, по четырем степеням подвижности, при этом обеспе^шваегся жесткий подвес груза з возможностью кантования и выноса на консоль, совмещение места положения ручки управления и грузозахвата. Эти и др. преимущества дозволяют уменьшить вспомогательное время, например, при загрузке зганков примерно в два раза [б]. Кроме этого, из-за более удобной заботы с манипулятором снижается физическая нагрузка на рабочего. 1ри неустановившихся и малых грузопотоках такие манипуляторы оказывается экономически выгоднее авгооперагоров и промышленных роботов. Статистика показывает £з чго доля РМ в общем выпуске промышленных роботов и манипуляторов всех видов возрастает и уже в 1978 году составила 15%. В го же время доля РМ в стоимостном выражении падает, чго свидетельствует об относительном (по отношению к среднему промышленному роботу) и абсолютном удешевлении РМ и является важнейшим стимулом к их распространению. Как отмечено Мишкиндом С.И. £з|,в настоящее время число организаций в стране, разрабатывающих РМ, превысило 10, а число сконструированных и опробованных ими моделей и типоразмеров РМ превысило 20 ед.За рубежом число фирм, выпускающих РМ, составляет более 25, а число выпускае-шх ими моделей и типоразмеров РМ превысило 50. Это подтверждает растущую, потребность предприятий во внедрении РМ. Вертикальная балансировка (уравновешивание) грузов, применяемая в этих РМ для легкого управления, осуществляется двумя способами: пневмоприводом за зчег регулирования давления воздуха, электроприводом с помощью ги-рисгорного управления скоростью и движущим моментом ротора. Такие зпособы балансировки увеличивают стоимость РМ, требуют более высокой квалификации обслуживающего персонала, увеличения энергозатрат. Хроме того, до настоящего времени не разработаны научно обоснование рекомендации по инженерной методике расчета РМ, чго препягсгву-5г повышению технического уровня РМ, в первую очередь уменьшению зил, требуемых для управления, снижению материалоемкости, повышению грузоподъемности РМ.

В качестве нового вида подъемно-транспортной техники, 1редназначенной для механизации тяжелого ручного груда, успешно грименяюгся сбалансированные манипуляторы с новым способом уравновешивания груза, разработанные в НПО "ВИТсгройдормаш" на основе созданного автором совместно с'Г.Г.Сынчей изобретения ^Il^j и плано-юй гемы 04-80 (Госрегисграционный номер 80075420). Ноше РМ отличаются экономичностью, высокой производительностью, плавностью работы, легкостью управления, простотой конструкции и эксплуатации , благодаря разработке и применению в РМ пружинного механизма, осуществляющего уравновешивание грузов переменной массы, применению в качестве привода настройки механизма уравновешивания груза простого корогкозамкнугого асинхронного электродвигателя, разработке и применению при проектировании научно-обоснованных рекомендаций по инженерной методике расчета РМ.

Целью работы является: создание, исследование и внедрение в производство сбалансированных манипуляторов пантографического типа с разработкой нового способа уравновешивания груза, основанного на разработке и применении пружинных механизмов с нулевой дифференциальной жесткостью и регулируемой силой упругости; разработка научно обоснованных рекомендаций по инженерной методике расчета, учитывающей особенности достижения легкости управления, снижения материалоемкости; создание, исследование и внедрение в производство РМ без балансировки груза повышенной грузоподъемности с простым асинхронным приводом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан метод определения сил статического сопротивления при управлении РМ, учитывающий статическую неуравновешенность тяжелых звеньев стрелы, их упругость и точность изготовления, а также грение в подвижных соединениях;

- установлена взаимосвязь между структурой, параметрами кинематических схем наиболее часто применяемых механизмов уравновешивания стрелы и показателями ее статической неуравновешенности, юзволяющая определить и максимально уменьшить величины этих показателей;

- установлено, что упругость звеньев, шарниров стрелы и других элементов конструкции, а также погрешность исполнения некоторых геометрических размеров звеньев существенно увеличивает неуравновешенность стрелы под действием рабочей нагрузки, особенно у РМ повы-иенной грузоподъемности, а сама неуравновешенность проявляется в виде увода конца стрелы в ее плоскости от заданного положения с некоторой силой;

- установлена количественная взаимосвязь между характеристиками /пругосги элементов конструкции, погрешностями геометрических разменов звеньев, положением груза в рабочей зоне РМ с одной стороны и зилой увода стрелы с другой;

- установлено, что трение в подвижных соединениях приводит к образованию зоны нечувствительности конца стрелы к управляющим сипам в ее плоскости;

- зона нечувствительности, в силу кинематических свойств згрелы, имеет форму выпуклого десятиугольника, имеющего центральную зиммегрию и параллельные противолежащие стороны; количество пар траллельных сторон этого выпуклого многоугольника равно числу независимых взаимных подвижносгей звеньев стрелы и ее опор;

- установлена взаимосвязь между параметрами подвижных соедине-шй, положением, величиной груза в рабочей зоне с одной стороны и еонфигурацией, размерами зоны нечувствительности с другой, позволяю-1ая определить сопротивление трения при перемещении конца стрелы в азличных направлениях;

- установлено, что многоугольная форма зоны нечувствительности [ значительные силы неуравновешенности стрелы приводят, во-первых, несовпадению, в общем случае, направления управляющей силы и вызы-$аемого ею перемещения, во-вторых, управляющие силы, необходимые [ля квазистатического перемещения конца стрелы в различных направле-[иях, имеют различную величину. Это должно учитываться при управлении 'М;

- установлено, что более экономичным, по сравнению с известными, является новый способ уравновешивания груза в РМ, основанный на разработке и применении пружинных механизмов с нулевой дифференциальной жесткостью и регулируемой силой упругости;

- разработан метод синтеза 5?аких механизмов;

- установлено, что нулевая дифференциальная жесткость может быть получена путем сложения характеристик линейно-упругой пружины и синтезированного'пружинного механизма с постоянной отрицательной жесткостью, а регулирование силы упругости - за счет изменения натяжения линейно-упругой пружины;

- произведена оценка точности характеристики пружинного механизма с посгояшгой отрицательной жесткостью, позволяющая рационально выбрать его структуру и рабочий диапазон;

- для сравнительной оценки динамической нагруженносги РМ с нерегулируемым асинхронным приводом, оснащенным механизмом уравновешивания груза и без механизма, разработана приближенная динамическая .модель РМ;

- установлено, что малая жесткость конструкции РМ и возникаюцие из-за этого интенсивныеколебания при переходных режимах приво

• * да не позволяют реализовать большие скорости подъема груза при отсутствии механизма уравновешивания; при наличии же этого механизма динамические явления в несущих конструкциях (стреле, стойке и др.) практически отсутствуют, а возможная скорость движения груза может быть значительно увеличена;

- указаны некоторые области возможного эффективного применения пружинных механизмов с нулевой дифференциальной и постоянной отрицательной жесткостью;

- разработан и применен при цроекгировании метод оптимизации эсновных конструктивных параметров стрелы (координат рабочей зоны относительно места крепления стрелы, длин и размеров поперечных сечений звеньев)-из условия минимизации сил управления РМ и материалоемкости стрелы.

На защиту выносятся:

- метод определения сил статического сопротивления при перемещении грузов сбалансированным манипулятором пантографического типа, позволяющий из условия ограничения этих сил установить требования к функциональной точности механизмов уравновешивания стрелы и груза, к жесткости несущих конструкций манипулятора, к точности изготовления и монтажа его элементов, к совершенству подвижных соединений;

- новый способ вертикальной балансировки груза в сбалансированном манипуляторе и пружинные механизмы для его осуществления, обеспечивающие экономию энергии, повышение скорости манипулирования грузами, значительное снижение динамических нагрузок, предохранение от перегрузок несущих конструкций, упрощение конструкции и эксплуатации манипулятора;

- метод определения основных конструктивных параметров стрелы, построенный из условий максимального снижения массы стрелы и сил статического сопротивления, максимального увеличения жесткости стрелы.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

I.I. Описание и область применения сбалансированных манипуляторов, основные требования.

FM исследуемого типа состоит из несущей стрелы I (Рис.1), выполненной в виде плоского рычажного механизма пантографа, установленного в вертикальной плоскости своими опорными шарнирами А и Е в вертикальных и горизонтальных направляющих оголовка 2, который, в свою очередь, установлен на поддерживающей конструкции, например, на колонне 3 с возможностью поворота вокруг вертикальной оси.

В горизонтальных направляющих опорный шарнир установлен обычно свободно, а шарнир, установленный в вертикальных направляющих, кинематически связан с приводом подъема. На конце стрелы закрепляется захват 4 с ручкой или кнопочным пультом управления.

В силу известных кинематических свойств механизма пантографа (см., например, [i2])перемещение шарнира А приводом механизма додъ-ема вызывает вертикальное перемещение захвата при любом начальном положении стрелы. При обратимости движения вертикальное перемещение захвата приводит к перемещению шарнира А в его направляющих. Аналогично, при изменении вылета стрелы шарнир Е перемещается в горизонтальных направляющих. Окружное движение захвата производится поворотом стрелы и оголовка вокруг вертикальной оси. Таким образом, зона обслуживания манипулятора (ЗОМ) представляет собой цилиндрическую область {3,4}, а сам маницулягор имеет три степени подвижности, если не учитывать степени подвижности захвата относительно згрелы (сечение ЗОМ вертикальной диаметральной плоскостью будем зазывать рабочей зоной РМ). Часто захват на конце стрелы усганав*-' швается с возможностью поворота вокруг вертикальной оси. Горизонтальные перемещения захвата производятся небольшим усилием операгора, приложенным к ручке управления, захвату^ грузу или сгреле, в плоскости стрелы это достигается балансировкой (статическим уравновешиванием) звеньев стрелы специальным механизмом.

По способу вертикальных перемещений все РМ рассматриваемого типа делятся на две группы. К первой группе 'относятся РМ с жестким перемещением опорного шарнира стрелы, расположенного в вертикальных направляющих, при этом положение шарнира, а значит и конца стрелы, определяется приводом. Такие РМ будем называть частично (в горизонтальной плоскости) сбалансированные, а их режим работы -крановым.

Ко второй группе огносягся РМ, привод подъема которых создает лишь приложенную к опорному шарниру вертикальную нагрузку, необходимую для статического уравновешивания стрелы с грузом, а положение этого шарнира кинематически приводом не задается. При приложении оператором к ручке уцравления небольшого вертикального усилия стрела легко перемещается вверх или вниз, в зависимости от направления усилия. Такие РМ будем называть сбалансированными или уравновешенными.

Наибольшее распространение в промышленности получили РМ грузоподъемностью от 50' до 160кг" в связи с тем, чго для загрузки большинства единиц технологического оборудования не требуется большей грузоподъемности. Например, в [б] приведены следующие данные: около 2А% рабочих мест требуют операций по перемещению груза массой до 25 кг, 65% - от 25 до 100 кг и 11% - свыше 100 кг. В связи с развитием тяжелого машиностроения возникает необходимость в создании РМ грузоподъемностью до 500кг и выше Зарубежные фирмы .Mobda, "bQitiichiklko (Япония) , JndusizitscuiA и др. серийно выпускают манипуляторы грузоподъемностью от 50 до 500КГ, а фирма Це^егг(фрг) - до 600К1?, [14].

РМ применяются на производственных предприятиях и складах, в основном, для загрузки станков, прессов и др.оборудования, сборки изделий, межоперационного транспортирования деталей, загрузки и разгрузки магазинных устройств робототехнологических комплексов [2-6, 8-10, 14-22 и др.]. РМ применяются для выполнения некоторых технологических операций, например, для разливки жидкого металла в формы 23], для постановки тяжелых стержней в литейные формы \з], для обрубки литников и облоя отливок и штамповок, для выполнения операций, требующих постоянного давления инструмента вверх или вниз при сверловке отверстий \23], нарезании резьбы метчиками, зачистке поверхностей и др.

Характер применения РМ в указанных областях предопределяет требования к ним, основными из которых являются [3,8,10 и др.} : I. РМ должны иметь возможность быстрого захвата грузов, в том числе лежащих навалом; 2. РМ должны направляться и управляться от руки; 3. управление РМ не должно требовать больших физических усилий; 4. затраты при использовании РМ должны быть минимальными. Выполнение первого и второго требований обеспечивает универсальность, производительность и плавность работы РМ; выполнение первого требования достигается приданием РМ комплекта бысгросъемных грузозахватных приспособлений: фирма Mirtocfe предлагает 15 различных захватов для комплектования своих РМ [б], фирма fucks (ФРГ) применяет 13 типов -захватов для комплектования РМ типа "Позимат" [.24], )5ирма ЪгЬпес (Италия) предлагает свыше 20 типов захватов для вы-золнения различных операций с применением своих РМ [25]; объединением "ВИТстройдормаш" Минсгройдормаша разработаны 7 захватных устройств к РМ своей конструкции [2б]; выполнение второго требования достигается статической балансировкой (уравновешиванием) звень-зв стрелы и груза, в том числе и в вертикальном направлении, йшолнение третьего требования обеспечивает легкость управления РМ и достигается определением и исследованием влияния важнейших факторов аесовершенсгва конструкции на величины сил статического сопрогивле-гтия при управлении РМ, реализацией конструктивных мероприятий, основанных на этих исследованиях и направленных на снижение сил сопротивления. Выполнение четвертого требования сокращает сроки окупаемости РМ, способствует более широкому и быстрому распространению ах в промышленности и, в основном, достигается упрощением конструкция и эксплуатации РМ, повышением экономичности их приводов при сохранении основных достоинств РМ.

1.2. Описание и характеристика способов уравновешивания груза в РМ.

Как было отмечено выше, по способу уцравления перемещением грузов рассматриваемые РМ подразделяются на полностью сбалансированию и сбалансированные в горизонтальной плоскости (частично сбалан-;ированные).

РМ первой группы характеризуется позиционным способом правления, т.к. перемещение груза осуществляет непосредственно шерагор^прикладывая небольшие управляющие усилия к ручке, стреле еж грузу. Многие авторы отмечают преимущества этого способа управ-сения. Так, в работе [27] главным достоинством его считается мнемо-ичносгь управления, что обеспечивает простоту обучения оператора. ! работах [3,5,17,28 и др.] отмечается высокая производительность 'М,.имеющих возможность балансировать груз, большая плавность работы аких РМ, исключающая его динамическую нагруженносгь. В работе [29] фониным В.А. и др. отмечается, что максимальная естественность и ффективность работы оператора с манипулятором достигается, если рнамические стереотипы, выработанные человеком при выполнении заданных операций непосредсгвено руками, не претерпевают изменений при выполнении заданных операций с помощью манипулятора. Для сбалансированных РМ это достигается тем, чго: а) управление не накладывает никаких ограничений на перемещения рук оператора в пределах всей рабочей зоны; б) при выполнении рабочих движений не требуется дополнительно корректирующих движений; в) оператор находится на месте выполнения работ исполнительными органами РМ, поэтому исключаются всевозможные помехи цри передаче зрительной и другого рода информации от места выполнения работ. Скорость работы приближается к скорости работы человека без манипулятора.

РМ второй группы характеризуется смешанным способом управления. В горизонтальной плоскости управление позиционное, т.к. перемещение исполнительного органа стрелы выполняет оператор. В вертикальном направлении управление может быть астатическим (интегральным) или с помощью кнопочного пульта. Асгагическое управление реализуется рукояткой, угол отклонения ог горизонта которой пропорционален скорости вертикального перемещения захвата, при этом направление огкло-эения рукоятки совпадает с направлением перемещения. ИЛ такого типа шеюг привод подъема с плавным или ступенчатым регулированием скорости. Хотя мнемоничносгь астатического управления уступает позиционному, однако физическая нагрузка на оператора снижена [27]. 1оэтому -некоторые конструкции полностью сбалансированных РМ имеют I асгагическое управление вертикальным перемещением [ 3,4,14 и др^.

Вертикальная балансировка (уравновешивание) груза в известных ЭМ достигается двумя способами: пневмоприводом за счет регулирова-шя давления воздуха [з,5,30,31 и др.*] и электроприводом с помощью ?ирисгорного управления частотой вращения и движущим моментом рогоза \32\. Согласно работе [l4] для статического уравновешивания определенного груза в любой точке ЗОМ к опорному шарниру стрелы, расположенному в вертикальных направляющих, необходимо приложить постоянную вертикальную силу пропорциональную силе тяжести груза. В РМ с пневмоприводом это достигается созданием и поддержанием в полости приводного цилиндра такого давления, которое требуется для уравновешивания груза в произвольной точке J3CM. Настройка пневмо-системы на заданное давление осуществляется либо автоматически с помощью датчика веса и повторителя-усилителя [3,30], либо ручной регулировкой регулятора давления 3 . Пневмопривод первого вида имеют РМ типа КШ-63, КШ-100ПК, КШ-160, КШ-250 и др., ето схема показана на рис. 2 [з].

Датчик веса 2, устанавливаемый на конце стрелы РМ, состоит из следующих основных узлов: толкателя 4, воспринимающего силу тяжести груза ; плоской мембраны 5; клапана I, связывающего канал входа воздуха с камерой давления CL ; пружины 3, которая поставлена с предварительным натяжением. Уравновешивание груза происходит следующим образом. Под действием усилия Е( мембрана 5 прогибается и открывает клапан I, через который воздух из сети поступает в камеры 8 и о. . Давление в камере О. датчика будет расти до тех пор, пока мембрана 5 не вернется в исходное положение, при этом клапан I закроется и прекратит подачу воздуха. В полости й и 6 установится определенное давление, соответствующее силе Q. . Сигнал (давление) эг датчика веса из камеры & поступает в повторитель-усилитель. Его мембрана II в свою очередь, прогибаясь, открывает клапан 10, через который воздух из магистрали поступает под поршень цилиндра. Воздух Зудег нагнетаться в полость цилиндра 9 до тех пор, пока давление с эбеих сторон мембраны не уравновесится, при этом клапан 10 перекро-зт подачу воздуха в полость цилиндра. Давление воздуха в цилиндре уравновесит усилие от груза О, . При необходимости переместить ?руз вверх, оператор своим усилием снимает часть нагрузки со штока цилиндра, равновесие нарушается, поршень сдвигается вверх; происходит уменьшение давления в полости цилиндра. В связи с этим мем-Зрана II прогибается вниз и открывает подачу воздуха из магистрали в полость цилиндра. Пока оператор ведет груз вверх .пневмосистема эгслеживаег это движение, уравновешивая . массу груза в каждой точке траектории движения вверх. При движении груза вниз усилием оператора шток цилиндра догружается и смещается вниз. Давление под поршнем и мембраной повторителя-усилителя растет. Мембрана II прогибается вверх, сбрасывает верхний клапан 8, и избыток воздуха из [юд поршня уходит в атмосферу. При установке груза на опору мембра-за 5 прогибается вверх и воздух из полостей 6 , а через зазор между дембраной и прокладкой стержня клапана 12 уходит в атмосферу, при этом мембрана II прогибается вверх и через открытый клапан 8 воздух 13 полости цилиндра уходит в атмосферу.

Пневмопривод второго вида вместо датчика веса имеет регулятор давления, который необходимо настраивать вручную при взятии груза.

Уравновешивание груза в РМ с помощью пневмопривода имеет существенные недостатки, главные из которых следующие:

I. Использование в качестве энергоносителя сжатого воздуха геэкономично. Действительно, в пневмоприводе воздух совершает рабо-?у при неизменном давлении, поэтому легко подсчитать, что без учета югерь энергии на воздушные сопротивления работа, совершаемая I м3 !жагого воздуха при избыточном давлении 5*10^ Н/м^, равна 5*10^ Дж. :ли 0,14 квт.час. Стоимость I м3 сжатого воздуха составляет по санным заводов отрасли строительного и дорожного машиностроения в реднем 0,5 коп. Стоимость же 0,14 квт.час. электроэнергии состав-иег всего 0,14 коп. при ее стоимости I коп. за I квт.час. [зз]. 'аким образом, затраты на сжатый воздух в пневмоприводе примерно (3,5 раз выше затрат на электроэнергии в электроприводе той же мощности.

2. Б связи со сравнительно малыш проходными сечениями для воздуха и большойЗйерционносгъга системы регулирования давления, максимальная скорость манипулирования грузом с помощью РМ мала и, как правило, не превышает 0,5 м/с.

3. Для использования РМ требуется сеть сжатого воздуха, чго ограничивает область его применения.

4. Усилие, требуемое для вертикального перемещения груза, велико из-за большой силы трения в уплотнениях цилиндра и ограниченной чувствительности системы регулирования давления.

5. Присутствие в сжатом воздухе влаги при высокой точке росы препятствует применению РМ при отрицательных температурах.

6. Применение сравнительно сложной нестандартной пневмоаяпа-ратуры требует частого периодического обслуживания.

7. Выбросы сжатого воздуха в атмосферу, как правило, сопровождаюся сильным шумом, чго значительно увеличивает уровень шума на производстве.

8. Автоматическая балансировка груза с помощью датчика веса делает невозможным перемещение груза непосредственно оператором (оператор может приложить управляющее усилие только к ручке управления или стреле), чго делает работу менее удобной, особенно при точном позиционировании грузов, например, при сопряжении-деталей с помощью РМ.

РМ с регулируемым по скорости электроприводом имеют, как правило, астатический способ управления, [3], балансировка ротора двигателя здесь выполняется для кратковременного удержания груза за весу без наложения механического тормоза, чем достигается боль-' пая плавность и производительность [3,5]. Однако имеются РМ с электроприводом реализующие, кроме того, позиционное управление 1з2].

Вертикальная балансировка груза электроприводом достигается путем создания, с помощью электронного регулирования двигателя, момента для статического уравновешивания груза независимого от его скорости движения [32]. Блок-схема устройства электромеханического привода подъема с электронным управлением согласно [32] изображена на рис. 3. При замыкании кнопки сигналы блока задания скорости и датчика скорости сравниваются и результат подается на операционный усилитель I. Сигналы с выходов операционного усилителя I и датчика тока подаются на входы операционного усилителя 2. Преобразователь тока регулирует ток, подаваемый на двигатель М, соответствующий сигналу на выходе операционного усилителя 2. Груз Q поднимается двигателем М, кинематически связанным с блоком Б. Подавая с помощью блока задания скорости соответствующие сигналы на двигатель М, опускают или поднимают грузы. Если сигнал соответствует' "нулевой скорости", ток двигателя имеет значение соответствующее статическому моменту, необходимому для поднятия груза и запоминается в операционном усилителе 2. Для стабилизации значения тока двигателя на операционный усилитель 2 с выхода датчика тока подается сигнал, соответствующий значению тока двигателя. Устройство управления моментом, состоящее из операционного усилителя 2, преобразователя, тока и датчика тока, формирует выходной сигнал, соответствующий весу груза Q. . Создавая статический момент, необходимый для удержания груза 0, , двигатель как бы балансирует груз Q эквивалентным грузом Q . Устройство управления скоростью, состоящее из блока задания скорости, датчика скорости, точки суммирования и операционного усилителя I, подает на двигатель выходную мощность, необходимую для перемещения груза Q с заданной скоростью.

К недостаткам электронной балансировки груза следует отнести: повышенные затраты энергии, что выражается, например, в необходимости установки в приводе электродвигателя с большой избыточной мощностью; высокую стоимость привода с электронным управлением, необходимость его квалификационного обслуживания при эксплуатации; повышенную инерционность системы груз- стрела- привод, что объясняется большим приведенным маховым моментом ротора электродвигателя и других кинематически связанных с ним вращающихся частей.

Для оценки экономичности использования подводимой к приводу энергии введем понятие диссипагивных свойств РМ. Согласно работам [35, Зб]под диссипагивными свойствами будем понимать неспособность системы привода накапливать потенциальную энергию. Эти свойства можно охарактеризовать энергией W , подводимой извне к приводу для перемещения груза оператором в вертикальной плоскости по замкнутой траектории при сбалансированном грузе. Будем считать режим движения квазистагическим, т.е. в любой момент времени выполняются условия статического равновесия. Рассмотрим траекторию опускания и подъема груза на одну и ту же высоту аЬ. При этом потенциальная энергия груза не изменяется. Идеальным с точки зрения диссипагивных свойств будет являться привод, не требующий подвода внешней энергии.

Рассмотрим пневмопривод. Из описания пневмопривода следует, что при перемещении груза по заданной траектории к приводу подводит-зя внешняя энергия, которая без учета к.п.д. преобразования энергии зжагого воздуха в потенциальную энергию груза равна Wn ^ Q-лЬ . При неподвижном удержании груза энергия сжатого воздуха расходуется в малой степени для компенсации утечек воздуха.

Перемещение вверх или вниз или удержание груза, сбалансированного с помощью электронного регулирования электродвигателя, сопровождается непрерывной подачей на него тока, необходимого для созда-шя момента,- уравновешивающего статический момент от груза. Таким эбразом, при перемещении оператором груза вниз и вверх на Л к к электромеханическому приводу, балансирующему груз, подводится внешняя энергия (с точностью до КПД) При опускании груза возможна ; рекуперация энергии, тогда расход энергии снизится.

Таким образом, диссипагивные свойства электромеханического привода хуже, чем пневматического, гак как потери энергии происходят при подъеме и опускании груза, а также при его удержании.

Особую актуальность приобретают диссипагивные свойства РМ при продолжительной манипуляции одним и тем же грузом, например, при разливке металла в кокили, подаче изделий на сборку, сверлении отверстий и т.д.

Рассмотренные два способа уравновешивания груза относятся к активным, т.к. их действие связано с практически непрерывным „ использованием энергии внешнего источника. Известен также пассивный способ уравновешивания груза, при котором уравновешивающие -силы создаются преимущественно пружинами. При манипулировании грузом здесь подвода внешней энергии не Требуется, однако требуется предварительное заневоливание пружин для создания запаса потенциальной энергии. Примером устройства с пассивным способом уравновешивания является пружинный балансир, широко применяемый в промышленности для подвески механизированного инструмента, прессовых скоб и т.п. [37 и др.]. Балансир выполняется обычно в виде конусного барабана I (см. рис.4), на который намотан канат 2с грузом 3 на конце. Бара-5ан вращается на оси 4, жестко закрепленной на корпусе 5. Барабан удерживается от проворачивания грузом спиральной пружиной 6, наружным концом скрепленной с барабаном, а внутренним - с осью. Принцип уравновешивания груза здесь заключается в уравнивании моментов, яриложенных к барабану со,стороны груза и пружины при произвольном угле поворота барабана.

Недосгагком этих устройств является невозможность точного уравновешивания грузов с силой гягкести отличной от Ц . Устройства уравновешивают груз по вертикали. Для осуществления манипуляций с грузом в пространстве необходима установка устройства на механизм, обеспечивающий кинематическую подвижность в горизонтальной плоскости.

Для уравновешивания силы тяжести грузов в просгрансгвенной зоне в работах [23,38,39*] предлагается использовать параллелограм-мный уравновешивающий механизм. Устройство, показанное на Рис.5 в соответствии с [39], состоит из шарнирного параллелограмма I, соединенного со стрелой 2, через которую передается уравновешивающее усилие Ц. Это усилие создается упругими элементами 3,6, соединенными через кулачки 4,5 со звеньями параллелограмма.

Согласно [23,38] сила Ц создает относительно точки 0 грузовые -моменты м,=ц-1,-5Ы, ; м2»(На-stnA,, приложенные к звеньям ОД и Об соответственно. Эти моменты уравнове-. шиваюгся моментами К,Мсил растяжения пружины 3,6 относительно гоч

1 1 ки 0. Профилируя кулачки из условия М1=М1, ^Zi приходим к равновесию механизма при произвольных углах o^i0^, г.е. при произвольном положении груза -в рабочей зоне. Синтез функционального кулачкового механизма с гибкой нитью рассматривался в работах ^40 и

Рассмотренные две схемы пассивного уравновешивания груза эбладаюг очень малой диссипацией энергии, т.к. затраты энергии при хвазисгагическом манипулировании грузом необходимы только для преодоления незначительных сил сопротивления, связанных с несовершенством конструкции. Большим недосгагком указанных схем, не позволяющим использовать их в РМ для уравновешивания грузов, является большая сложность перенастройки на грузы различной массы. РМ с новым способом уравновешивания груза разработан автором совместно с Г.Г.Сынчей

И.

1.3. Обзор работ по исследованию РМ.

Одно из первых сообщений о применении пятизвенного плоского рычажного механизма пантографа Шейнера [42] в качестве несущей стрелы грузоподъемного устройства содержится в работе [43]. Изобре-вние основано на использовании определенных свойств пантографов. Некоторые схемы механизмов пантографов Шейнера приведены на Рис.6. У этих механизмов опорные шарниры А и Е и концевой шарнир 0 всегда лежат на одной прямой. При закреплении одного из шарниров, например, Е, вектор перемещения U.e шарнира 0 всегда параллелен и противоположно направлен вектору перемещения шарнира к , а отношение длин векторов постоянно и равно отношению расстояний НО/еЛ~Л При закреплении шарнира А - U0 Ц , но направление векторов совпадает, Аналогичные соотношения справедливы для скоростей шарниров А, Е, 0. Из кинематических соотношений следует условия равновесия механизма пантографа при действии сил Р« , ? , Р0 , приложенных к шарнирам А, Е, соответственно (см. рис.6).

ЛuPtUр. ; Р^.р0; P6»ft4)-P0l (1.Э

РЕ противоположен Рд , Р0 .

Устанавливая механизм пантографа в вертикальной плоскости опорными шарнирами А и Е в вертикальных и горизонтальных направляю-цих и прикладывая к шарниру 0 вертикальную силу Q тяжести груза, получим, что реакции направляющих на опорные шарниры гоже вергикаль-зы и равны: RA= VQ \ Р^-ЦнМ , (1.2),

V ^ ' + > т.е. реакции опор зависят только от Q. и соотношения длин звеньев механизма. Горизонтальное перемещение груза 5 сопровождается перемещением опорного шарнира в горизонтальной направляющей и не требует совершения работы (силы трения и другие несовершенства здесь не учитываем), поэтому достигается небольшим усилием. Вертикальное перемещение груза Q достигается перемещением опорного шарнира, расположенного в вертикальных направляющих, и здесь необходимо совершить работу приводом, кинематически связанным с этим шарниром.

Содержание изобретения [44] аналогично [43], однако,содержит новые положения. Согласно [43] безразличное положение опорного шарнира в горизонтальных направляющих достигается, если внешней нагрузкой является вертикальная сила Q , приложенная в точке 0. Если сила Й смещается в плоскости стрелы от вертикали, проходящей через г.0, го вертикальной реакции горизонтальных направляющих для равновесия стрелы недостаточно. Момент, равный Q'A , где Л -величина смещения силы Q , вызывает увод опорного шарнира, а значит и конца стрелы (точки 0) в сторону, противоположную смещению А . Эго обстоятельство препятствует жесткому закреплению захвата на конце стрелы, чго ограничивает возможности манипулятора. В [44] для устранения этого недостатка в конструкцию пантографа-стрелы вводятся дополнительные тяги MW,KL и качалкаМСК (Рис. 7). Внешние сига, приложенные к звену 0L и создающие момент в плоскости стрелы относительно точки 0, передаются на опорную часть (оголовок) расгя-кением-сжагием звеньев Вертикальная сила б. , приведен

1ая к точке 0,уравновешивается способом, изложенным выше.

Силы тяжести.звеньев стрелы приложены в соответствующих центрах масс и потому не могут быть уравновешены лишь вертикальными реакциями опорных шарниров. Это следует из того, что при изменений вылета высота центра масс всей стрелы изменяется. В связи с известными эргономическими ограничениями, усилия горизонтального перемещения захвата РМ не должны превышать 40.60Н, [3,18,45*], поэтому силы инерции не играют существенной роли на условия уравновешивания звеньев. Будем считать режимы движения стрелы квазисгэтическими ^Зб] и в любой момент времени выполняются условия статического равновесия. Для статического равновесий стрелы и сохранения безразличного положения опорного шарнира в горизонтальных направляющих к одному или нескольким звеньям необходимо приложить дополнительную уравновешивающую нагрузку. В существующих конструкциях РМ применяются различные механизмы для создания дополнительной уравновешивающей нагрузки. Отсутствие такого механизма приводит к уводу конца стрелы с горизонтальной силой до 1,5 кН [l8], отсюда следует не. только обязательность механизма, но и высокая точность создания им дополнительных уравновешивающих нагрузок.

В изобретении \4б] для уравновешивания стрелы, выполненной по схеме Рис. 66, устанавливается противовес на продолжении звена СА. Противовесы установлены в некоторых РМ, например, фирмы „BciLamcin" (Япония)Д14], типа ПМС-180 (ЧССР) [18}, КШ-63, КШ-160[47], кузнечном манипуляторе г/п 100кг, [18] и др.■

В работе ^48]Попов М.В. рассмотрел условия статического уравновешивания звеньев стрелы РМ с помощью пружин растяжения для одной схемы стрелы согласно Рис. 66. Задача решалась с помощью принципа возможных перемещений при условии снятия горизонтальной загрузки Т с ручки управления, Т = 0 (Рис.8). Полученные условия равновесия заключаются в требовании выполнения стрелы в виде механизма пантографа Шейнера, совпадении начала деформирования пружины с точкой креплениям, требовании соблюдения жесткости с пружины равной с^СЯ-L -L /L*G-L-G-L-L Л)Д- L (1.з)

1 BE ом/ 2 Екг з АКЗ 4 вЕ 4KV 46/ 4п ДШ > где L tok<f. - длины соответствующих звеньев или их участков. Здесь же отмечается, что при отклонении центров тяжестей звеньев стрелы от осевых линий требуется компенсация перемещением точки т. Не компенсируется поперечное смещение точки .

Других исследований по уравновешиванию стрелы РМ в литературе автором не обнаружено.

Задачи по уравновешиванию тяжелого звена, качающегося на шарнире в вертикальной плоскости, близкие к рассматриваемой, исследовались несколькими авторами.

Статическое уравновешивание рычажных перфораторов рассмотрено Волковым А.Н. и др. в работе [49]. Здесь статическое уравновешивание рычажных перфораторов применяется для обеспечения легкого ручного наведения расположенной на манипуляторе сравнительно тяжелой Зурильной машины в пространстве перед забоем. Задача сведена к згагическому уравновешиванию в произвольном положении тяжелого зве-за, установленного шарнирно на опоре с возможностью поворота в вертикальной плоскости. Уравновешивание производится.с помощью упругого элемента, воздействующего на тяжелое .звено через передаточный плоский механизм: кривошипно-коромысовый, кулисный или кривошипно-голзунный. В зависимости от угла поворота тяжелого звена приведены зыражения силы, которую должен развивать упругим элемент при точном уравновешивании для различных схем передаточных механизмов. Отмечается, что характер изменения этих сил зависит от соотношения незави-шмых параметров механизма: для кривошипно-коромыслового - от пяти, 1ля кривошипно—ползунного - от четырех, для кулисного - ог двух.

Предлагается методика подбора этих параметров из условия наименьшей разницы между располагаемой и требуемой характеристикой упругого элемента. Методика требует большого объема вычислений.

В работе [50] Тывес Л.И. и Пурцеладзе Г.К. предлагают алгоритм построения пружинно-уравновешивающих механизмов. Отмечается малая пригодность уравновешивания звеньев манипулятора с помощью противовесов" в силу ухудшения массовых, габаритных и инерционных параметров. Основываясь на известной [51] теореме о равновесии материальной системы, которая требует стационарности потенциальной функции, авторы приходят к уравнению равновесия

Llp = -Lln , (i.4.)

Up>Un- потенциальная функция руки и пружинно-уравновешивающего механизма, Up - есть сумма некоторых нелинейных функций обобщенных координат. Метод основан на разложении нелинейной функции обобщенных координат по системе таких функций, которые будучи потенциальными легко реализуются известными пружинными устройствами. В связи с этим рассматриваются две схемы пружинных механизмов (Рис.9). Для схемы по Рис.9а приведена формула для вычисления момента силы упругости пружины относительно точки А:

M-a^-C^^^-rTjtnJ^-C-Stnf-^^J^^-Stn?]/!,, (J.5) t~z-—--• где: L~\1г +Cttlb) -z-'(z+zb)-Cosyl/ - длина пружины;

- жесткость и предварительный натяг пружины;

Ч - длина кривошипа; - расстояние между шарнирами.

Отмечается, что при М являегсялнрмонической функцией; т.е. при этом условии пружина может точно уравновесить тяжелое звено, качающееся относительно точки А,при условии в Условие fy для сравнительно мощных пружин растяжения трудновыполнимо. Поэтому приводится аналогичная схема, построенная на пружине сжатия.

Огмечаюгся больше габариты устройства по схеме Рис. 96.

Аналогичные схемы уравновешивания рассматриваются в изобретениях \52,53]. Некоторые схемы уравновешивания звеньев манипуляторов промышленных роботов рассмотрены Егоровым И.Н., Умновым Б.П. в работе [54], Авегиковым Б.Г. и др. в работе [55]. Возможность применения описанных методов статического уравновешивания отдельных звеньев манипулятора для уравновешивания всей стрелы РМ не исследовалась.

В изобретении [5б]рассмагриваегся привод линейного перемещения в уравновешенном рычажном кране, стрела которого выполнена в виде механизма пантографа Шейнера. Вместо установки противовесов для снятия горизонтального усилия с ручки управления предлагается перемещение опорного шарнира, установленного в горизонтальных направляющих, производить с помощью приводных цилиндров, а разгрузку их от больших усилий выполнять с помощью пружин двухстороннего действия, . сдерживающих смещение этого шарнира от среднего положения. Так как пружины уравновешивают стрелу лишь приблизительно, горизонтальное перемещение захвата усилием оператора невозможно и РМ теряет важное свое достоинство - управляться от руки оператора.

В настоящее время в теории груподъемных машин хорошо разработаны методы оптимального структурного и параметрического синтеза уравновешивающих устройств портальных кранов [57т63]. Зада9 ча уравновешивания стреловых систем портальных кранов, которая по сути является близкой к задаче'уравновешивания стрелы РМ, сводится к определению параметров механизма уравновешивания, который обеспечил бы уравновешивание стреловой системы на всем диапазоне вылетов с заданной точностью. В качестве уравновешивающих механизмов применяют в основном чегырехзвенные и шесгизвенные механизмы с прогивовесом. Использование противовесов диктуется большими статическими моментами силы тяжести стрелы.

Комплексный метод оптимального синтеза механизма уравновешивания портального крана рассмотрен в работе Жермунского Б.И., Ми-сюры В.П. [бЗ].

В качестве кинематического критерия совершенства, рассмотрением которого ограничимся, принимают грузовой неуравновешенный момент в положении стрелы под углом и его функции

2. - 2 |лд ; z/=( sm'jУг; MHi, а.6) где Хп - вектор - столбец компонент Х^. Х„ в л -мерном

Евклидовом пространстве; к - количество расчетных положений. Задача сводится к определению сочетаний параметров механизмов, мини-, визирующих критерий (1.6). Ее формулируют как задачу нелинейного программирования и ставят следующим образом: минимизировать Z 0О , * £ Е , при ограничениях ^ О f j т 9

J. 4 Х- 4 В; , U 1. п.

Выбор метода решения задачи нелинейного программирования определяется конкретным содержанием задачи.

В связи с тем, чго РМ, установленный неподвижно на основании, <ак правило, имеет три степени подвижности для регионального перемещения груза (две - в плоскости стрелы, третья - поворот стрелы зокруг вертикальной оси) и одну-локальную (поворот захвата вокруг зергикальной оси), в общем случае необходимо определять силы сопротивления по всем степеням подвижности. Однако, для определения сил )опрогивления при повороте стрелы и захвага вокруг вертикальных )сей могут быть использованы известные метода, применяемые при растете грузоподъемных кранов, имеющих механизмы поворота, [64-68]и др. и погому не вызывают затруднений. Сопротивления при перемещении груза в плоскости стрелы в силу особенностей кинематической схемы стрелы, условий ее статического равновесия, повышенных требований к легкости управления и др. не могут определяться этими методами и погому требуют специальных исследований. Поэтому будем рассматривать лишь силы сопротивления при перемещении груза в плоскости, параллельной плоскости стрелы.

При расчете сил статического сопротивления,кроме неточности уравновешивания тяжелых звеньев стрелы необходимо учитывать упу; . -гость конструкции РМ, точность изготовления и установки^стрелы," функциональную точность механизма балансировки груза, трение в подвижных соединениях. Механизм образования дополнительных сил увода згрелы от исходного положения покажем на примере стрелы по рис. 7. Приложим внешнюю силу Q в точке 0. Пусть .вследствие упругих деформаций или неточности, изготовления звена СО,,фактическое положение точки 0 сместится влево на величину ^ . Так как точка 0 уже не тежиг на прямой АЕ, требование равновесия механизма пантографа под действием вертикальной силы Q нарушится и равновесие стрелы также трушаегся. Момент R-A , приложенный к звену СО против часовой стрелки, вызывает увод стрелы в сторону увеличения вылета. Аналогич-ю можно рассмотреть влияние деформации или неточности изготовления фугих звеньев. Влияние сил трения в подвижных соединениях стрелы и з ее упорах на силы статического сопротивления очевидно.

По исследованию сил статического сопротивления при управлении 'М имеется очень мало работ, хотя этот вопрос приобретает решающую оль при создании все более тяжелых РМ, требуемых промышленностью. !ама возможность реализации по эщионного способа управления в ешающей степени зависит от погребных сил управления.

В работе Запятым В.П. Раджаповой Н.А. рассматриваются пути повышения точности позиционирования погрузочного манипулятора с механизмом пантографа. Указывается, что точность позиционирования во многом зависит от жесткости конструкции, складывающейся из собственной жесткости отдельных звеньев и контактной жесткости шарниров. Очевидно, что точность позиционирования зависит от жесткости конструкции у манипуляторов с автоматическим адресованием. Для РМ точность позиционирования практически не зависит от деформаций конструкций, т.к. управление выполняет оператор, находящийся в зоне работы вблизи захватного органа. В го же время, как было отмечено выше, ограниченная жесткость конструкции РМ под действием внешней нагрузки вызывает появление дополнительного сопротивления.

В работах [70,7l] Тихоненковым С.М. и Кацем Я.Д. рассматриваются вопросы минимизации усилия оператора за счет повышения .функциональной чувствительности системы пневматической балансировки при манипулировании грузом с помощью РМ. Отмечается, что в силу функци-энальной особенности системы управления, усилия манипулирования возрастают пропорционально массе груза и при массе 100 кг составляют I20H, что не отвечает эргономическим требованиям при работе. 1оэгому оператор вынужден использовать ручку астатического управле-ш [31,72]. Для снижения усилий при позиционном управлении авторы забот [70,71] предлагают повысить чувствительность пневмосисгемы за ;чег введения чувствительного элемента усилия непосредственно в лесге крепления пневмоцилиндра. Авторы рассматривают узкий'вопрос ювышения точности балансировки груза.

Выбор конструктивных параметров звеньев стрелы во многом шределяег жесткость конструкции, нагрузки на шарниры и, тем самым, влияет на силы статического сопротивления при управлении перемещением грузов, на металлоемкость конструкции.

Увеличение размеров поперечных сечении звеньев увеличивает жесткость стрелы и, тем самым, уменьшает силы сопротивления, но увеличивает материалоемкость стрелы и трение в подвижных соединениях. Выбор длин звеньев еще более затруднен. Так, максимальное укорочение звеньев с одной стороны ведет к их облегчению, с другой -, в связи увеличением углон между звеньями в точке рабочей зоны, максимально удаленной от сголовка РМ, увеличивает максимальные нагрузки в звеньях и потому увеличивает материалоемкость. Кроме того, расположение вертикальных и горизонтальных направляющих оголовка относительно рабочей зоны также в значительной степени влияет на жесткость конструкции, на нагрузки в шарнирах и, тем самым, на силы сопротивления и материалоемкость. Таким образом, для правильного определения основных конструктивных параметров стрелы необходима постановка и решение оптимизационной задачи. Для РМ такие задачи в литературе не рассматривались. Частный вопрос выбора длин звеньев рассмотрен Бенуа Э.Ф. и др. в работах [б,48] . Авторы рассматривают выбор соотношений звеньев стрелы с кинематической схемой по рис.66 а принимают Д£=Д0',ДЕ/&Е=Я./12, внутренний угол между осями звеньев ДО иДЕ в пределах 30. .150°. Принимая кроме этого верхний срез рабочей зоны на уровне горизонтальной направляющей оголовка РМ, зыводяг формулу, связывающую соотношение At/L , H/L , U/AC (см. Рис. 8).

Геометриееский синтез погрузочных манипуляторов рассмотрен в заботах [36,73,74 и др.].

В теории грузоподъемных машин глубоко рассмотрены вопросы синтеза стреловых устройств портальных кранов [75.78].

Наиболее полно векторный оингез стрелового устройства (СУ) портальных кранов перспективного ряда рассмотрены Ермоленко В.Н. и др. в работе [75] на примере СУ со стрелой, шарнирно-сочлененной с прямым хоботом и грузовым канатом, расположенным под углом к оси стрелы. При решении задачи оптимизации варьируются 15 конструктивных параметров этой схемы, необходимых для выполнения кинематических, прочностных и динамических расчетов и образующих вектор X. Параметры связаны между собой ограничениями, вытекающими из условия собираемости,и априорными ограничениями вида fyg = .П.

Кроме этого на параметры стрелового устройства наложены ограничения по прочности, деформагивносги и колебаниям. Условия работы определя-отся грузоподъемностью, максимальным вылетом, диапазоном вылета, расстоянием по вертикали от оси качания стрелы до оси грузового Злока на консоли хобота, назначением крана, режимом его работы и комбинациями нагружения.

Задачу поиска оптимального СУ среди множества допустит,шх авторы формулируют как задачу векторного синтеза по совокупности восьми юказагелей качества.

Выбор параметров стрелы Ш в связи с противоречивыми 'ребованиями к ней по легкости управления, жесткости, магериало-мкосги также может быть рассмотрен как задача векторного синтеза га группе важнейших критериев качества стрелы или РМ в целом при иполнении определенных ограничений.

Вопросы динамики исследуемых. РМ в литературе не рассматривались, учное перемещение грузов с помощью РМ сбалансированного типа прак-ически исключает динамическую нагруженносгь конструкции. Процесс арасгания нагрузки в пневмоцилиндре при уравновешивании груза перед го захватом или процесс уменьшения нагрузки при установке груза в сбалансированном пневматическом РМ продолжается 0,3.О,5 сек. Поэтому переходные процессы выполняются достаточно плавно и не вызывают сколько-нибудь заметных колебаний конструкции.

Электромеханические РМ сбалансированного типа могут работать в режиме задания скорости подъема, поэтому нарастание нагрузки в приводе зависит от скорости отклонения рукоятки управления от нейтрального положения. При правильной эксплуатации такие РМ практически не подвергаются динамическим нагрузкам от привода. При резком отклонении рукоятки управления к приводу практически мгновенно прикладываются максимальные движущие моменты электродвигателя. Аналогичные нагружения возможны при аварийном наложении тормоза. Такие режимы вызывают интенсивные механические колебания механизма подъема и несущих конструкций, которые в связи с большими скоростями подъема груза (до 0,5 м/с) значительно превосходят интенсивность колебаний традиционных грузоподъемных машин (мостовых, 1 козловых, консольных, стреловых и других кранов).

Работа механизма подъема РМ с электромеханическим нерегулируемым или сгупенчагорегулируемым приводом при разгоне или торможении постоянно сопровождается резким приложением движущих или тормозных сил и поэтому вызывает интенсивные колебания. Введение механизма балансировки груза согласно работе 1п]и устранение жесткой связи между электроприводом и грузом приводит к снижению динамических нагрузок в связи с тем, что механизм балансировки имеет дифференциальную жесткость,близкую к нулевой, что препятствует развитию колебаний. Для сравнения -динамической нагруженносги РМ без балансировки груза и РМ, имеющего балансировку груза, необходимо рассмотреть динамические колебания обоих РМ при переходных режимах привода.

РМ имеют, как правило, четыре степени подвижности, но оборудуются лишь одним приводом подъема груза, кроме того,кинематические схемы стрел однотипны. Поэтому достаточно рассмотреть экстремальные динамические явления в переходных режимах по одной степени подвижности - по вертикали. При этом могут быть использованы хорошо разработанные в теории грузоподъемных машин методы динамического исследования'механизмов и несущих конструкций [79,80 и др.] .

1.4. Задачи исследования.

Работа со сбалансированным РМ предполагает возможность ручного перемещения груза по любой пространственной траектории в пределах ЗОМ, что достигается ограничением величин сил статического сопротивления движению. Для рассматриваемых РМ со стрелой пангогра-фического типа ограничение сил сопротивления может быть достигнуто точной балансировкой груза, точным статическим уравновешиванием звеньев стрелы, ограничением деформируемости конструкции РМ, выдерживанием требуемой точности исполнения расстояний между шарнирами звеньев стрелы, ограничением сил трения в подвижных соединениях. Анализ опубликованных работ по исследованию РМ показывает следующее. Рассмотрены лишь отдельные задачи статического уравновешивания звеньев стрелы. Точность применяемых в РМ механизмов уравновешивания стрелы не рассматривались. Результаты хорошо разработанных задач уравновешивания стреловых систем портальных кранов без необходимой переработки не могут быть использованы по следующим причинам: для уравновешивания стрелы крана используется противовес, что мало пригодно для РМ; кинематическая схема стрелы крана резко эгличаегся от схемы стрелы РМ; требуемая точность уравновешивания згрелы крана недостаточна для РМ.

Влияние на силы статического сопротивления упругости конструкции, точности изготовления и трения в подвижных соединениях

РМ не учитывались, хотя приближенные оценки показывают, что это влияние в некоторых случаях, например при увеличении грузоподъемности или повышении рабочих напряжений в звеньях стрелы за счет применения материалов повышенной прочности, может привести к невозможности ручного перемещения груза. Таким образом, дальнейшее совершенствование конструкции РМ, в первую очередь облегчение управляемости, ювышение грузоподъемности, снижение материалоемкости РМ, требует разработки метода определения сил статического сопротивления при управлении РМ, учитывающего функциональную точность механизма балансировки груза, статическую неуравновешенность тяжелых звеньев стрелы, их упругость и точность изготовления, трение в подвижных соединениях; разработки метода определения основных конструктивных шраметров стрелы из условия удовлетворения противоречивым гребова-шям по легкости управления, материалоемкости и жесткости РМ.

Анализ существующих способов уравновешивания (балансировки) 7руза в РМ с помощью пневмопривода и электропривода с электронным правлением, показывает, что эти способы обладают рядом'существенных [едосгагков, результатом действия которых является: усложнение кон-!грукции и эксплуатации РМ, снижение экономичности их приводов по :равнению с приводами традиционных подъемно-транспортных машин, [еобходимосгь преодоления значительных сил сопротивления при позици-•нном управлении РМ. В/тоже время введение автоматической балйнси-овки груза позволяет значительно повысить производительность РМ и добсгво работы с ним, резко снизить динамическую нагруженносгь, мплигуды колебаний несущих конструкций. Поэтому создание РМ с новым пособом уравновешивания груза, позволяющим при сохранении основных ачесгв снизить силы статического сопротивления, энергозатраты, начигельно упростить конструкцию и эксплуатацию РМ за счет примене-ия простых пружинных механизмов и асинхронных корогкозамкнугызс при водов, является актуальной задачей.

В связи с изложенным главными задачами диссертационной работы являются:

- исследование условий статического уравновешивания стрелы с тяжелыми звеньями, выбор наиболее простых механизмов уравновешивания стрелы, исследование и повышение их точности;

- исследование влияния несовершенств конструкции РМ, в том числе упругих деформаций, точности изготовления звеньев стрелы, трения в подвижных соединениях на условия равновесия стрелы и на силы статического сопротивления при позиционном управлении.РМ;

- разработка на базе проведенных исследований метода определения сил статического сопротивления, применение его при проектировании РМ грузоподъемностью 100 и 250кг:., экспериментальная проверка метода, разработка рекомендаций по снижению сил сопротивления;

- создание, теоретическое и экспериментальное исследование РМ с новым способом балансировки груза, обеспечивающим снижение энергозатрат, упрощение конструкции и эксплуатации;

- создание и исследование пружинных механизмов с нулевой' дифференциальной жесткостью и регулируемой приводом силой упругости и применение их в РМ для реализации нового способа балансировки груза;

- разработка приближенной динамической модели РМ и сравнигель-аая оценка динамической нагруженносги РМ с жестким перемещением груза приводом и РМ, оснащенного пружинным механизмом балансировки груза;

- разработка и применение при проектировании РМ метода оптимизации основных конструктивных параметров стрелы из условия постижения легкости управления, снижения материалоемкости стрелы;

- определение экономической эффективности применения новых РМ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ СТРЕЛЫ И ГРУЗА.

2.1. Задача статического уравновешивания стрелы как идеального механизма с тяжелыми звеньями с одной и двумя степенями подвижности.

Из всего многообразия плоских рычажных механизмов пантографов Шейнера [42], которые могут быть использованы в качестве несущей стрелы, будем рассматривать, применяемые в подавляющем большинстве существующих РМ, два типа пантографов, показанных на рис. 6а, б.

Число подвижносгей свободного механизма пантографа Шейнера в его плоскости определим по известной формуле [81] .

W*3n-2Pf=3'4~2-4:=4, (2.1) где: Г) - число подвижных звеньев,/? = 4;

Pf - число одно подвижных пар, Pf = 4.

Условия опирания пантографа на оголовок РМ могут быть различными. Будем рассматривать схемы опирания по рис. 10. Опорный шарнир в горизонтальных направляющих установлен свободно. Опорный шарнир, установленный в вертикальных направляющих, либо кинематически связан с приводом, либо к нему со стороны привода приложена вергикаль-1ая сила, необходимая для уравновешивания стрелы с грузом, а жесткая кинематическая связь отсутствует. Опорные связи уменьшают число юдвижностей механизма пантографа в первом случае до одной, во зтором - до двух.

1исло подвижносгей свободного механизма пантографа с дополнигель-шми звеньями для стабилизации захвата в вертикальной плоскости, гапример, по схеме рис.7, определяется также по формуле (2.1),

40

W=3n ~2Pi =3■ 9 -2-11=5. (2.2)

Различные схемы опирания пантографа по рис. 6а со стабилизированным захватом показаны на рис. II. Установка опорных шарниров А, Е аналогична рис. 10, (захват крепится к звену01 и на рис. II не показан). Схемы опирания пантографа по рис. 66 аналогичны рис. 10, II.

Введем обобщенные координаты X и {/ или#,^(см. рис. 10, II), однозначно определяющие положение точки 0. Начало системы координат Х,У совместим с точкой А. Взаимно-однозначная зависимость между Х,у ж%р дается формулами:

X^Ac'CosJf+kSinoCt . (2,3) y=lco-CQsa-tM-SinJ)<

Выражения для элементарных приращений обобщенных координат ОС, jS цля случаев горизонтального $Х и вертикального Л/ перемещения точки 0 имеют соответственно следующий вид: мп-.Cosfi-dx . н» Sjnocdx т~ lCDCos(o(-p) ' lAC-Cosl(x-fi) ■ {2А) do(=J.J>inML- • dj),P ^ lco-Cps«x-J}) - lkc'Cos(oi^) ' (2-5)

1з кинематических и силовых свойств механизма пантографа, описанных з гл. I, следует, что для статического или квазисгагического равно-зесия механизма под действием силы Q , приложенной в точке 0 вертикально, необходимо к опорным шарнирам А, Е приложить вертикальные реакции, определяемые выражениями:

Ъг; . (2.6) выражения справедливы для любого механизма пантографа Шейнера. Из 2,6) следует, что условия равновесия не зависят от обобщенных координат (XtP , т.е. справедливы при произвольном положении точки 0. Пусть опорный шарнир, установленный в вертикальных направляющих оголовка или каретки (см. рис. 10, II), кинематически соединен с приводом подъема. Механизм стрелы будет иметь одну степень подвижности, например, горизонтальное перемещение точки 0. Одна из 1 реакций (2.6) в зависимости от схемы опирания механизма, создается приводом, а другая - оголовком или горизонтальными направляющими оголовка, которые будем считать гладкими. Независимо от величины силы А горизонтальное перемещение точки 0 достигается небольшим усилием,'необходимым для преодоления сил сопротивления, возникающих о г несовершенства конструкции.

Рассмотрим условия статического равновесия стрелы под действием сил тяжести ее звеньев, приложенных в соответствующих центрах масс. Будем .'считать сначала, что центры масс лежат на осе-зых линиях, соединяющих4 концевые шарниры звеньев.

Для равновесия стрелы п<? рис. 6а, б в общем случае необходимо галожить четыре связи, для равновесия стрелы со стабилизированным захватом - пять. Введем в рассмотрение основные и дополнительные )вязи. Основными будем считать вертикальные связи опорных шарниров L, Е, необходимые для равновесия механизмов по рис. 6а, б под дей-;гвием некоторой вертикальной силы Q , приложенной в точке 0; [ля схем со стабилизированным захватом, кроме этого, основной связью >удем считать опорную связь, препятствующую повороту звена AM ;м. рис. 7. К дополнительным - отнесем остальные связи, необходимые [ля равновесия стрелы под действием системы вертикальных сил, лежа-[их в ее плоскости.

В соответствии с различными обобщенными перемещениями юханизма пантографа с основными связями возможны разные сочетания вух дополнительных связей. Механизм пантографа с наложенными

1Госудйрст»сииг.в I

I БИБЛИОТЕКА

СССР

I им. В. и. ЛеЯИКЯД связями должен быть геометрически неизменяемым и статически определимым. Наложение основных связей приводит к взаимной зависимости перемещений СХ и /} , поэтому в качестве дополнительных I т£1 связей могут быть выбраны следующие сочения: устранение горизонтального перемещения одного из шарниров А, Е, 0 и устранение углового перемещения одного из звеньев пантографа или устранение горизонтальных перемещений любых двух из трех шарниров А, Е, 0. В связи с тем, чго внешние силы вертикальны, реакция горизонтальной та связи при первом сочении тождественно равна нулю. Кроме того, устранение поворота одного звена механизма пантографа эквивалентно устранению поворота другого параллельного звена. Поэтому вместо' пятнадцати сочетаний дополнительных связей будем рассматривать лишь следующие:

I. Устранение перемещений по (X звена АС, реактивный момент связи Г%( ; 2. Устранение перемещений по fi звена СО, реактивный момент связи Mj ; 3. Устранение горизонтальных перемещений шарниров А и Е, реакций Хд,Х^; 4. Устранение горизонтальных перемещений шарниров А и 0, реакции 5. Устранение горизонтальных перемещений шарниров Е и 0, реакции Xf,Xg. Соответствующие схемы уравновешивания сил тяжестей Gf.G+ звеньев стрелы по рис. 6а, б показаны на рис. 12а-К.

Схемы уравновешивания силя тяжестей G/. звеньев стрелы со стабилизированным захватом показаны на рис. 12 а-к.

Для определения реакций связей можно воспользоваться уравнениями равновесия или принципом возможных перемещений. Приме-зение этих методов в общем случае связано с выполнением большого объема математических выкладок, что видно из работы [48] , где рассмотрено уравновешивание стрелы по схеме рис. 126. Для построения ipocroro метода определения реакций связей воспользуемся свойствами механизма пантографа и правилом разложения силы на две параллельные. Рассмотрим пантограф на рис. 14 с внешними силами приложенными в соответствующих центрах масс звеньев. С помощью элементарных преобразований внешнюю нагрузку можно привести к четырем шарнирам: опорным А, Е, концевому 0, промежуточному С. Для этого введем обозначения: kf-l-Kio/Lco > К^^К^/^СА > > ^-lKltE/tdE .

Здесь K-f-.кц. - коэффициенты деления центрами масс длин звеньев. Силу Gf заменим двумя параллельными силами и приложенными в точках С и 0. Аналогично, преобразуем силы QZj •

Получим систему сил CAfGe,G0)£jc , эквивалентную внешней нагрузке. При этом

2.7)

Пдя стрелы со стабилизированным захватом (рис. 15) выражения для эил момента Мд^ , приведенного к звену

AM запишутся:

5десь: А^ад/'mi' k6<n6l/LU ; ' ^I-KioAOL ■

Силы СА t Q£ воспринимаются непосредственно основными связями. Сила G0 вертикальна, приложена в точке 0 и потому также уравнове-шиваётся реакциями основных связей, определяемыми по формулам (2.6), где вместо Q необходимо написать G0 .

Уравновешивание силы Gc зависит от вида, дополнительных связей, рассмотренных выше.

1) Наложена связь на поворот звена АС. Реакцию связи М^ можно определить, перенося силу Gc в шарнир А. Имеем:

I%SGC-IAC-CosJ). (2.9)

Тогда суммарные (с учетом GAfGt,G0) реакции основных связей определяется

Ya'-Ga-Gc*^-A; %=-Qe-G0-l\*i) ■ (2.10)

Подставляя в (2.10) выражение (2.7) и преобразовывая, получим

ЩШ-кЦ-i-GA, Угё^-к^^ПгШ,) (2.И),.

2) Наложена связь на поворот звена СО. Реакцию связи Мц определим, перенося силу Gc в точку 0. Имеем:

Mof-'^'lcgSlnCX. % (2.12)

Суммарные реакции основных связей будут:

Yr-GAH0c+Coh\: Ys=-~Gr(Gc<HM), или (2.13)

Для определения реакций связей от силы Gc в остальных случаях воспользуемся принципом возможных перемещений и кинемаги-гескими свойствами механизма пантографа. Рассмотрим, например, )хему рис. 12д. Для определения реакции Х^ дадим перемещение dX£ 1арниру Е. Так как шарнир А считаем неподвижным, условие равновесия :грелы запишется (вместо'внешних сил действует сила С в

•очке С):

-GciAC-dfi'Cosfi+Xt-d)(E^0; (2.i5)

Используя дифференциальные соотношения (2.4) вместо (2.15) будем иметь: :

Yr-G-(M) • Sin ct-Cosje/Cos (cx-Jl). (2.16) /

Аналогично определяются остальные реакции связей для схем по рис. 12д,ж,и; 13д,ж,и.

Из кинематической и силовой идентичности пантографов по рис. 6а, б следует, что'выражения реакций связей этих пантографов для одинаковых условий опирания одинаковы. Имеются небольшие отличия в выражениях для сил Вместо выражений (2.7) для пантографа по рис. 66 будем иметь:

G^iHikG^x+Hl/X; н^ымПЛЛм)-^, «л?)

Пдя этого же пантографа со стабилизированным захватом вместо (2.8) Зудем иметь:

Здесь K^^a/Ub • Для схем по рис. 13 M0ftDL'(G606%) .

Сводка формул для определения реакций связей стрелы для зазличных условий опирания приведена в таблице- I. Анализ таблицы I показывает: реакции основных связей в схемах по рис. 12 а-г, 13 а-г не зависят от обобщенных координат <Х?Р или X,!/ ; горизонтальные реакции связей опорных шарниров А, Е для этих схем равны нулю, при этом к звену АС, (ЕД) должен быть приложен момент Мр или к звену GO, (BE - рис.12, АВ- рис. 13) - . Приложение этих моментов достигается механизмом уравновешивания стрелы (МУС) без наложения опорных связей. В остальных случаях вертикальные и горизонтальные реакции шарниров А, Е зависят от <Х . и Р . Выражения для Х0 определяют те горизонтальные усилия, которые возникают на ручке управления от сил при отсутствии МУС. Выражения для в схемах по рис. 12д, е, рис. 13д, е определяют усилия, которые должен развивать привод изменения вылета стрелы при отсутствии МУС.

Если центр масс звена АС смещен на некогоре расстояние hz от линии АС, цейтр масс звена СО - на Л2 от линии СО, выражения для М^ и Mfi в табл. I для случая кинематической связи шарнира, расположенного в вертикальных направляющих с приводом подъема (для РМ с одной степенью подвижности стрелы).запишутся:

Мр=GcLAcCos(fi -Gi'h • ^ Cosfi'Ctg(X или сглэ)

M^-Ec'lco'Sinfa-a^)%'h2igP-SlnoclcoAAc, (2.20) где: tgo(-GA/C^co; Мс. , Vk «1; три этом 0( и fi связаны вторым выражением (2.3) при y^COHSt. Выражения (2.I9, 2.20) получены из принципа возможных перемещений. 1ля случая отсутствия жесткой кинематической связи привода с шар-шром, расположенным в вертикальных направляющих, (для стрелы с свум степенями подвижности) уравновешивание стрелы достигается :еакциями УА , У£ и моментами M^Gf'hf'CoSCX , Mfi=GcifiC*C0S(fi),

2.21) или УА}%, M^'CclcffSLnfa-ot J, My-Gfhi-Sinfi^ ' (2.22).

Выражения для Уд Vf приведены в габл. I.

Некоторые результаты приведенного исследования изложены автором в работам 18, 82 .

Заключение диссертации по теме «Подъемно-транспортные машины», Кузнецов, Вячеслав Матвеевич

Основные результаты работы доложены и обсуждены

I. На Всесоюзной научно-технической конференции "Комплексная еханизация и автоматизация погрузочно-разгрузочных, подъемно-ранспортных и складских работ в машиностроении", г.Ульяновск, ктябрь, 1980 г.

2.-Еа семинаре Ленинградского дома научно-технической пропаганды [рименение промышленных роботов и манипуляторов на гранспортно-ладских и перегрузочных работах в П-гой пятилетке", г.Ленинград, нь Г981 г.

3. На Всесоюзном научно-гехническом семинаре "Опыт разработки а внедрения автоматических манипуляторов и технологических комплексов", Москва, ВДНХ СССР, май 1982.

4. На региональном научно-гехническом семинаре по проблеме 'Повышение надежности, эффективности эксплуатации и механизации знугризаводского транспортного оборудования и систем", г.Ростов-на-1ону, май, 1983. . .

5. На научно-технических конференций различных организаций в :980-1983 г.г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Отмечено, чго сбалансированные манипуляторы пангографичес-есого гипа (РМ) являются новым эффективным средством механизации тяжелого ручного груда, позволяющим значительно сократить время, затрачиваемое рабочим на транспортирование и манипулирование тяжелыми грузами, инструментами и приспособлениями.

2. Установлено, чго существующие РМ имеют резервы повышения технического уровня: по легкости управления, производительности, (кономичносги привода подъема, простоте конструкции и эксплуатации, [егаллоемкосги несущих конструкций. Совершенствование конструкции •М сдерживается отсутствием-их исследований., необходимых для выра-огки практических рекомендаций по расчету и проектированию, недостаг-ами существующих способов вертикальной балансировки груза.

3. Установлено, чго легкость позиционного управления РМ в лоскосги изменения вылета в основном определяется точностью урав-овешивания тяжелых звеньев стрелы и груза, упругой деформагивностыо точностью изготовления звеньев, шарниров стрелы и других элементов энсгрукции, трением в подвижных соединениях.

4. Разработан мегод определения сил статического сопротивления ш управлении РМ, учитывающий особенности конструкции.

5. Установлены условия статического равновесия стрелы как сального механизма с тяжелыми звеньями при всех возможных способах :епления на оголовке.

6. Исследована точность применяемых в РМ механизмов уравнове-вания тяжелых звеньев стрелы, предложен и разработан мегод повыше-я точности без усложнения конструкции механизмов.

7. Установлено, чго погрешность уравновешивания сгрелы и груза, упругие деформации, погрешность изготовления и монтажа элементов конструкции приводят к образованию неуравновешенности стерли, которая проявляется в уводе конца сгрелы ог исходного положения с некоторой силой Ти . Упругость элементов конструкции, погрешность исполнения геометрических размеров звеньев под действием рабочей загрузки существенно увеличивает неуравновешенность.

8. Установлены аналитические зависимости силы увода Тн от саракгерисгик упругости элементов конструкции, ог погрешностей геометрических размеров звеньев, ог функциональных погрешностей меха-гизмов уравновешивания сгрелы и груза, от координат положения груза i рабочей зоне и величины груза.

9. Установлено, чго трение в подвитых соединениях приводит образованию зоны нечувствительности сгрелы к управляющим силам, а ама зона нечувствительноеги имеет форму выпуклого десятиугольника, меющего центральную симметрию и параллельные противолежащие сгоро-ы.

10. Выведены формулы, устанавливающие количественную зависи-эсгь между параметрами подвижных соединений, положением, величиной руза в рабочей зоне и конфигурацией, размерами зоны нечувсгвигель-эсги, чго позволяет определять сопротивление трения при перемещении энца сгрелы в различных направлениях.

11. Установлено, чго многоугольная форма зоны нечувствительности значительные силы неуравновешенности приводят, во-первых, к не-шпадению, в,общем случае, направления управляющей силы и вызываемо ею перемещения; во-вторых, к резкому изменению величины управ-зощей силы при изменении направления квазисгагического перемещения релы в ее плоскости.

12. Установлено, чго для манипулирования грузами с помощью РМ, в целях экономии подводимой энергии, уменьшения инерционности непрерывного уравновешивания груза при квазисгагическом перемещении по требуемой траектории и повышения таким образом скорости манипулирования, а также для упрощения конструкции и эксплуатации РМ, целесообразно создание нового способа уравновешивания груза, основанного на использовании предварительно накапливаемой от привода югенциальной энергии упругих сил пружин.

13. Установлено, что для этих целей можег быть использован тружинный механизм с нулевой дифференциальной жесткостью, величина гпругих сил которого регулируется простым асинхронным корогкозамк-. гугым приводом.

14. Установлено, чго такие механизмы могут быть получены [угем параллельного соединения пружинного механизма с постоянной •грицагельной жесткостью и линейно-упругой пружины.

15. Разработан мегод построения пружинных механизмов с :осгоянной отрицательной жесткостью.

16. Применение нового механизма уравновешивания груза в РМ озволяег отказаться от установки привода подъема с плавным регу-ированием скорости, заменив его на простейший нерегулируемый при-од, обеспечить вертикальную балансировку груза и при этом:

- сохранить высокую точность и плавность транспортировки, энипулирования и установки грузов;

- для случаев длительной работы РМ с одним грузом получить а счет отключения привода экономию электроэнергии, например, при' здаче узлов на сборку и их сопряжении, при обработке.изделий инсгру-5НГом, установленном на РМ (сверление отверстий, зачистка поверх-)сгей и т.д.);

- при переходных режимах привода практически полностью устранить динамические явления в несущих металлоконструкциях;

- значительно упростить конструкцию и эксплуатацию РМ, повысить его надежность, снизить стоимость РМ;

- за счет значительного снижения инерционности системы уравновешивания грузв увеличить скорость манипулирования груза и, сем самым, повысить производительность работы РМ;

- обеспечить автоматическое предохранение РМ от перегрузок з связи с ограниченной грузоподъемностью пружинного механизма урав-ювешивания; г устранить шум и вибрацию РМ при работе со сбалансированным •рузом за счет отключения привода.

17. Разработаны приближенные. динамические модели РМ, читывающие упругость стойки и стрелы, что позволило оценить свер-:у динамические нагрузки на несущие конструкции РМ при наиболее яжелом кинематическом воздействии привода при отсутствии у РМ ме-анизма уравновешивания груза. Эти оценки позволяют выдать рекомен-ации 'по выбору скорости подъема груза и назначению жесткости стрелы з условия ограничения амплитуд колебаний и динамических нагрузок эсущих конструкций РМ не имеющего регулирования скорости подъема и ■ эханизма балансировки'груза.

18. С целью обоснования и определения значений основных энсгрукгивных параметров стрелы поставлена и реализована задача химизации этих параметров по критериям качества: массе стрелы, ;илию статического сопротивления при управлении, жесткости РМ. пимизация параметров позволила снизить материалоемкость стрелы того РМ типа 61.26.00.000 на 20$. Усилия управления - в два раза I сравнению с базовым РМ типа 61.II.00.000.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузнецов, Вячеслав Матвеевич, 1984 год

1. Марчук Г.И. Наука и технический прогресс. "Экономика и организация промышленного производства", № 5, 1982, с.14-40.

2. Мишкинд С.И. Манипуляторы с ручным управлением. "Механизация и автоматизация производства". № 7, 1980 г., с.10-11. ,

3. Мишкинд С.И., Вечтомова Д.Г., Щетинин С.Ф. Манипуляторы с ручным управлением и автоматической балансировкой груза для машиностроения. Обзор. М., НИИМаш, 1981, 76 с.

4. Иоффе Ф. С. Манипуляторы с ручным управлением. "Механизация и автоматизация производства", 1980, № 8, с.10-12.

5. Иоффе Ф.С. Современные конструкции манипуляторов для механизации погрузочно-разгрузочных работ. НИИинформгяшмаш, 6-78-41, 1978.

6. Бенуа Э.Ф. и др. Новые передающие устройства для внутрицеховых перемещений. "Промышленный транспорт", 1979 г., № 7, с.9.

7. Петухов П.З. Проблемы автоматизации подъемно-транспортных машин. "Промышленный транспорт"". 1981, 16 12, с. 15.

8. Kanke F. Mit monuell gesleuezien Gezciien Wezkstucke

9. SLchez hondhpSeri „ MaSchinenrrtazkl". (1976), 82,76. '

10. Галанов С. А., Дячун В. К. Манипуляторы для погруз очно-раз груз очных работ. -"Механизация и автоматизация производства", 1980, № 2, с.29-30.

11. MosktMelto hjalpLufate eti ~ezgonomtbki Sehov J^qnspo^tngtt" , (1977), 20, № 4.

12. С. Кузнецов B.M., Сынча Г.Г. Кран-манипулятор. Авт.свид. № 9336221. БИ, 1982, В 21.

13. Кожевников С.Н.и др. Механизмы. Справочник. М. Машиностроение. 1976, 784 с.

14. А. Самойлов И.И. Манипуляторы с ручным управлением "Организация автомобильного производства" ЭИ, Тольятти, НИИНавгопром, 1980, вып. 13, с.21-39.

15. Зпдегкаг S, Mampt/ iaioren and JndmiziezoSoien in Sandfoimiessezein Qies^ezei" , (1978), 65, № 7.

16. Приймак Б.З. Харакер Л.М. Внедрение автоматических манипуляторов в тяжелом и транспортном машиностроении. "Механизация и авгомаизация производства" № 2, 1980.

17. Кузнецов В.М. Стреловые краны-манипуляторы. "Строительное, дорожное и коммунальное машиностроение". ЭИ, серия 15, вып. 8, ЦНИЙТЭс тр оймаш, 1981, 16с.

18. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. М: Машиностроение, 1983-376с.

19. Хаханов I0.A., Сологуб П.С., Петрига В.Н. Уравновешивающие устройства и механизмы (Аналитический обзор с 1957 по 1977 г.г.) Деп. № 1879, ВДШинформация, 1977. 67 с.

20. Проспекты манипуляторов типа Позимаг BI00, В500 фирмы ФРГ. 1982.

21. Проспекты маницулягоров фирмы " dalfties », Италия, 1982.

22. Бравеман Г.В., Гусев В.П., Кобринский: А.Е. Ручное управление манипулятором в кн: "Теории и устройство манипуляторов".М., Наука, 1973, с.78-84.

23. Гладков Ф.А., Черныш В.И. Манипуляторы для обслуживания металлорежущих станков и механизации операций производственных процессов.-"Кузнечно-прессовое машиностроение", М.НИИМаш, 1979, Вып. 5.

24. Э. Афонин В.Л., Лакога Н.А., Лобачев В.И., Моисеенков В.А. Исследование некоторых особенностей человека-оператора как элемента биотехнической системы "Операгор-манипулятор". -В кн: "Теория и устройство манипуляторов". М., Наука, 1973, с.9-14.

25. Колосов P.M., Глухов В.И. Система управления уравновешивающим подъемником. Авт. свид. № 655638 БИ, 1979, № 13.

26. Колосов P.M., Глухов В.И. и др. Уравновешивающий подъемник. Авт.свид. № .751787 БИ, 1980, № 28.

27. Ъгаки М.} Yonekuia S., Kaweno S. /Inoozdncng Jo'z ott }Lyitae'n last. Патент Швеции, 387317, 1976.

28. Прейскурант № 09-01 M., Прейскурашщздат,.;1982, 48 с.

29. Ястребов B.C. Исследование динамики рабочих органов манипуляторов. В кн: "Механика машин". М., Наука, 1967, вып. 7-8, с.24-32.

30. Кобринский А.Е. Степаненко Ю.А. Некоторые проблемы теории манипуляторов. В кн.: "Механика машин". М., Наука, 1967, вып. 7-8, с. 4-24.

31. Жавнер В. Л., Крамской Э.И. Погрузочные манипуляторы. Л: Машиностроение, 1975, 160с.

32. Орлов П.В. Устройство для, подъема и опускания груза. Авт.свид. В 759452 БИ, 1980, 32.

33. Хаханов Ю.А., Пегрига В.Н. и др. Имитатор пониженной гравитации для ходовых испытаний транспортных машин. Изв. вузов "Машиностроение", 1976, Л 7.

34. Хаханов Ю.А. Уравновешивающий механизм. ШГ, $ 75 - 1217 ВИМИ, 1975.

35. Литвин Ф.Л. Проектирование механизмов и деталей приборов. Л., Машиностроение 1973, 696с.

36. С. Плотников B.C., Кузнецов В.М. и др. Кран-манипулятор. Авт. свид. № 614015, БИ, 1978, № 25.

37. Болотинский Л.С. К вопросу о теории и классификации пантографов. -В кн: "Механика машин". М., Наука, 1981, вып. 58, с.47-55.

38. Устройство для балансировки грузов в подъемных механизмах. Патент Японии 49-21935, 1974.

39. Motoda do К. km mechanism foz moving кеЩ wofeWs ina Iwa, dimensional plane.

40. Патент США, 3.965.770, 1976.

41. Шмид M. Эргономические параметры. Перевод с чешского под ред. В.М.Мунипова. М., Мир, 1980, 239с.

42. Н.О.Шгпег. JmpweivenAs Lnoi relating io load fondling oppciTatutes. Английский патент 1482227, 1977; .

43. Жирнов E.A. Опыт применения манипуляторов на предприятиях Минсельхозмаша. -"Станки и инструмент", 1982 № I, е.- 14-17.

44. Попов М.В. Выбор параметров звеньев и параметров уравновешивания ручного манипулятора. В кн.: "Проектирование механизмов и динамика /машин". Межвузовский сборник научных трудов. М., ВМ, 1980, вып. 14, с.5-7.

45. Э. Волков А.Н. Кириллов А.В. Легкие буровые манипуляторы супругими аккумулирующими элементами и методика синтеза их параметров. В кн.: "Механизация проведения выработок малого сечения". "Илим" 1978, с.54-81.

46. Тывес Л.И., Пурцеладзе Г.К. К статическому уравновешиванию -звеньев механических рук. "Машиноведение". 1981, № 5, с.47-53.

47. Бухгольц Н.Н. Основной курс теоретической механики. M.-j£., ОГИЗ, 1945.

48. Петров Л.Н. Механизм уравновешивания поворотного рычагаЛвт.свид. J& 369096. БИ, 1973, IS IS.

49. Максимов В.П. и др. Механизм уравновешивания поворотного рычага. $ 617255. Бй 1978, В 28.

50. Егоров И.к., Умнов В.П. Некоторые вопросы уравновешивания задающих органов манипуляторов. В кн.: Общие вопросы теории механики роботов и манипуляторов. Сек. I. Тольятти, 1976.

51. Авегиков Б.Г., Корыгко;; О.Б. и др. Метод выбора уравновешивающих пружин манипулятора промышленного робота. В кн: "Промышленные роботы и маницулягоры и их применение". Сек. I. Тольятти, 1976.

52. Икэда Тосимити, Ивада Норио

53. Привод линейного перемещения в уравновешенном рычажном кране. Японский патент 53-26893, 1978.

54. Шгейнберг Л. Б. Об уравновешивании стреловых систем кранов. -"Вестник машиностроения" 1967, № 12, с.47-48.

55. Дукельский А.И. Портовые грузоподъемные машины. Л., "Машиностроение", 1970, 440с.

56. Жермунский Б.И. Уравновешивание подвижного верхнего строения кранов. -"Вестник машиностроения" 1962, № I, с.31-34.

57. Юрухин Б.Н., Ермоленко В.Н. и др. Метод синтеза уравновешивающего механизма при знакопеременном характере приведенного неуравновешенного момента. Сб.трудов ВПИ, вып. 3, Воронеж., 1972, с.33-36.

58. С. Лепшени И.И., Серлин Л.Г. Оптимальный синтез устройства для уравновешивания стреловых систем кранов. -Труды ЛПИ вып. 347, Л., 1975, с.77-84.

59. Жермунский Б.И., Мисюра В.П. Оптимальный синтез механизмов.

60. В кн.: "Подъемно-транспортные машины", Тула, 1978, с.103-111.

61. Жермунский Б.И., Мисюра В.П. К'синг.езу уравновешивающих устройствпортальных кранов методом статических испытаний. -"Вестник машиностроения". 1978 J6 10, с.38-43.

62. Казак С.А., Котов В.И., Петухов П.З. и др. Расчеты металлургических кранов. М., "Машиностроение", 1973.

63. Дукельский А.И. Справочник по кранам, г.1, Л., "Машиностроение" 1971, 400с.

64. ШИИШМаш. Расчеты крановых механизмов и деталей подъемно-транспортных машин. М., Машгиз, 1959, 495с.

65. Петухов П.З. Методические указания по курсу: "Специальные краны" по разделу "Стреловые краны" для студентов всех видов обучения специальности 0510 Подъемно-транспортные машины и оборудование. Свердловск, УПИ, 1975, 64с.

66. Вайнсон А.А. Строительные краны. М., Машиностроение, 1969, 488с.

67. Запятой В.П., Раджанова Н.А. Пути повышения точности позиционирования погрузочного манипулятора с механизмом пантографа. "Новое в подъемно-транспортной технике". Тезисы всесоюзной научно-технической конференции, 1980, Горький, с.22-23.

68. Колосов P.M., Глухов В.И., Алешинцева С.Е. Уравновешивающий подъемник. Авт.- свид. № 759449 БИ 1980. № 32.

69. Жавнер В.Л. Геометрический синтез манипулятора. В кн.: "Теория и устройство манипуляторов".М., "Наука", 1973, с.126-131.

70. Виноградов И.Б., Кобринский А.Е., Степаненко Ю.А. и др. Особенности кинематики манипуляторов и метод объемов. В кн.: "Механика машин". М., "Наука", 1971, вып. 27-28, с.5-16.

71. Ермоленко В.Н., Турбабин А.С., Юрухин Б.Н. Векторный синтез стреловых устройств портальных кранов. В кн: "Исследование механизмов и металлических конструкций". Воронеж, 1977, с.3-11.

72. Юрухин Б.Н., Ермоленко В.Н., Турбабин А.С. Модель оптимизациио векторному критерию в приложении к синтезу стрелового механизма крана. -В кн: "Механика машин". М., Наука, 1976, вып. 51, с.37-45.

73. Серлин Л.Г. Оптимальный вес коробчатых металлоконструкций сгрелы и хобога портального крана. Трубы ЛПИ, № 328, 1972.

74. Серлин Л.Г. Исследование и оптимизация шарнирно-сочлененных стреловых устройств с прямым хоботом для портальных кранов. Автореферат канд. диссертации. I: 1973.

75. Э. Башенные краны/ Л.А.Невзоров, А.А.Зарецкий и др. М: Машиностроение, 1979т 292с. '

76. Руденко Н.Ф, Грузоподъёмныемашины. М.-.,Матгиз, 1957, •••. •

77. Левигский Н.И. Теория механизмов и машин. М: Наука, I979-576C.

78. Кузнецов В.М. Оптимальный синтез механизма уравновешивания сгрелы крана-манипулятора.-:Вестник машиностроения" 1983, № 2, сг. 44-47.

79. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике, М: Наука, 1967, 608с.84. .Кузнецов В.М. Эффективные средства механизации.-Промышленныйтранспорт", 1981, № 6, с.20-21.гр,у зошдъемных

80. Правила устройства и безопасной эксплуатации кранов. М: Недра, 1971.

81. Ачеркан Н.С. Детали машин. Расчет и конструирование: Справочник. T.I., М: Машиностроение, 1968 , 440с.

82. М. Рабогнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М: Наука, 1979, 743с.

83. Бейзельман Р. Д., Цыпкин Б. В., Пер ель Л. Я. Подшипники качения: Справочник. М., Машиностроение, 1972, 572 с.

84. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М: Машиностроение, I98I-392C.

85. С. Манипулятор с уравновешиванием груза. -Проспект межотраслевой тематической выставки на ВДНХ СССР "Специальное технологическое оборудование, изготовляемое отраслями машиностроения". М., ЦНИИТЭстроймаш, 1982.

86. Комаров М.С. Динамика грузоподъемных машин. Москва-Киев. Машгиз. 1962, с.267.

87. Казак С.А. Динамика мостовых кранов. М: Машиностроени. 1968, 332с.

88. Ковальский Б. С. О динамической нагрузке подъемных канатов. Доклады АН СССР. т. ХСУ1, 1954, № 6, с.ШЗ-Шб,

89. Справочник машиностроителя. т.З. Под ред. Серенсена С.В. М: Машиздат, 1963, 651 с.'

90. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М., Наука, 1967, 368 с.

91. Кузнецов В.М. Оптимальный синтез стрелового устройства крана-манипулятора. Деп. ЦНИИТЭстроймаш, 1981, № 325, 24 с.

92. Зайдель А.Е. Элементарные оценки ошибок измерений. Л., Наука, 1968, 96 с.

93. Трение, изнашивание и смазка. Сцравочник, Т2.

94. Под ред. Крагельского И.В. и Алисина В.В. М., Машиностроение, 1979, 357 с.

95. Колчин Н.И. Механика машин, М-Л, Машшз, 1963, 536 с.

96. Отраслевая инструкция по определению экономической эффективности, новой техники, изобретений и рационализаторских предложений для подъемно-транспортного машиностроения, М: ВНЙИПТмаш, 1979.

97. Инструкция по опредлению экономической эффективности новых строительных, дорожных, мелиоративных машин, противопожарного оборудования, лифтов, изобретений и рационализаторских предложений. М: ЕНИИстройдормаш, 1978.1J\ \ Л \ N

98. Рис.1. Сбалансированный манипулятор (Щ) пантографического. типа1. БП5Q