УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОЗИЦИОННОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА С АДАПТИВНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

Приведено описание предлагаемого позиционного пневматического привода. Показана принципиальная схема устройства. Описана конструкция многопараметрического датчика. Пояснен принцип работы адаптивной системы управления.

Ключевые слова: позиционный пневматический привод, адаптивная система управления, многофункциональный датчик, инверсное тормозное устройство.

Введение

Пневматический привод обладает рядом преимуществ (простота, высокая динамика разгона, быстродействие). Но из-за сжимаемости газа пневмопривод проигрывает в точности. Поэтому основная тенденция развития пневмоавтоматики заключается в повышении точности позиционирования пневматического привода при повышении быстродействия. [1, с. 27]

Описание работы привода

На основе анализа требований к характеристикам  современных пневматических систем, было предложено решение, направленное на повышение точности позиционирования пневматического цилиндра путем применения интеллектуальной системы управления, которая позволяет адаптировать привод к изменению скорости поршня и нагрузки на шток силового цилиндра, на ходу меняя координату переключения управления на остановку. На рис. 1 представлена схема предлагаемого позиционного пневматического привода.

Рисунок 1. -Принципиальная схема позиционного пневматического привода

ПЦ1 – силовой пневмоцилиндр; ПЦ2, 3 –пневмоцилиндры инверсного тормозного устройства;  Р1-4 – распределители; YA1-4 – электромагниты; Г1-4 глушители; БПВ- блок подготовки воздуха; ДР1 – дроссель; УВ-Устройство ввода; ПЛК – программируемый логический контроллер; МПД – многофункциональный пневматический датчик; ИМ – исполнительный механизм.

Через устройство ввода УВ на программируемый логический контроллер ПЛК задается координата перемещения привода в миллиметрах. ПЛК переводит координату в число электрических импульсов и угол поворота внешней втулки 5. Электрический импульс - это сигнал, определяемый программируемым логическим контроллером  при помощи датчика давления 2, появляющийся при резком изменении значения давления, которому способствует переменное соединение полости датчика давления 7 с напорной полостью 6 и со сливной полостью 8 цилиндра ПЦ1. Угол поворота внешней втулки 5 –это значение, определяющее точную установку координаты перемещения привода. [2, с. 64]

После ввода координаты перемещения, внешняя втулка 5 поворачивается валом 10 шагового двигателя 9. Подается команда на включение электромагнитов YA1, YA2 и YA3.  Газ поступает от блока подготовки воздуха БПВ через распределитель управления пневмодвигателем Р4 в бесштоковую полость цилиндра ПЦ1 и через распределитель Р2 в штоковые полости тормозных цилиндров ПЦ2,3. Тормоз постепенно разжимается. Поршень пневмодвигателя ПЦ1 начинает выдвижение в режиме быстрого хода, вращая внутреннюю втулку 12, через шестерню 3 – рейку (рейка жестко привязана к штоку  цилиндра ПЦ1). При смещении втулки 12 на угол поворота внешней втулки 5, происходит совпадение отверстий  втулок. Датчик давления 2 фиксирует импульс и посылает сигнал на ПЛК, который сохраняет сигнал как первый импульс,  записывая его значение. При повороте внутренней втулки 12 на 90̊, ПЛК фиксирует второй импульс. Во время движения ПЦ1, ПЛК с помощью многофункционального пневматического датчик считает количество импульсов, определяя координату перемещения.  Вычисляет частоту импульсов, определяя скорость. Находит нагрузку на валу пневмодвигателя ПЦ1, фиксируя давления в полостях цилиндра. При подходе к координате остановки снимается сигнал с электромагнита YA2. [3, с. 7] Привод переходит в режим замедления. На пониженной скорости происходит корректировка координаты совмещения отверстий внешней 5 и внутренней 12 втулок в зависимости от значения скорости движения поршня, нагрузке на штоке ПЦ1 и давлению в напорной полости пневмодвигателя ПЦ1. Корректировка на ходу угла «b» поворота внешней втулки 5 определяется по формуле (2), которая получается из уравнения баланса энергии (1).

                                                 1)

Где m - масса тела, кг;  – сила газа, действующая на поршень в напорной полости, Н;  – сила газа, противодействующая поршню в выхлопной полости, Н;  – сила трения поршня, Н;  – сила торможения поршня, Н; x – перемещение поршня, м; v – cкорость поршня, м/с; a – ускорение поршня, м/с2;  – площадь поршня, ;  – площадь поршня минус площадь штока, м2;  –площадь тормозного поршня, ;  – первая производная от перемещения;  – вторая производная от перемещения;  – коэффициент трения поршня о гильзу;  – коэффициент трения тормозных колодок о шток силового цилиндра;  – давление в напорной полости цилиндра, Па; – давление в выхлопной полости цилиндра, Па; g – ускорение свободного падения = 9.8 м/; L – выбег поршня при торможении (тормозной путь), м; b – угол поворота внешней втулки при корректировке на ходу с учетом выбега цилиндра, ̊; d – диаметр внутренней втулки 31, м; π – 3, 14

В итоге:

                                         2)

На «ползучей» скорости при подаче предпоследнего импульса перед конечным, снимается сигнал с электромагнита YA1. Время, за которое контроллер примет импульс, обработает его, отправит сигнал на переключение пневматического распределителя тормозной системы Р2, отверстия многофункционального пневматического датчика разойдутся и необходимое для торможения количество газа не поступит в бесштоковые полости цилиндров ПЦ2,3 инверсного пневмомеханического тормоза , до тех пор, пока не произойдет конечное совмещение отверстий втулок  внешней 5 и внутренней 12. После соединения напорной полости силового цилиндра ПЦ1  и бесштоковых полостей инверсного пневмомеханического тормоза ПЦ2,3, происходит сжатие штока  пневматического двигателя ПЦ1. Одновременно с этим при подаче конечного импульса снимается сигнал с электромагнита YA3.

Тормозные цилиндры инверсного пневмомеханического тормоза ПЦ2,3 с помощью пружин фиксируют шток пневматического двигателя  ПЦ1.  Привод останавливается в заданной координате.  После выполнения рабочей операции, подается сигнал на электромагниты YA1, YA2 и YA4.  Цилиндр ПЦ1  совершает возврат в первоначальное положение. При обратном ходе шаговый двигатель повернет внешнюю втулку 5 обратно на такой же угол, на котором она повернулась в прямом направлении. [4, с. 117]

Рисунок 2. - Конструктивная схема многофункционального датчика

Состав МПД: 1 – крышка; 2 – датчик давления; 3 – шестерня; 4 – корпус; 5 – внешняя втулка; 6 – напорная полость; 7 – полость датчика давления; 8 – сливная полость; 9 – шаговый двигатель; 10 – вал шагового двигателя; 11 – задняя крышка; 12 – внутренняя втулка; 13 – шпонка; 14 – напорный фитинг; 15 – сливной фитинг.

Заключение

Интеллектуальная система управления позволяет адаптировать привод к изменению скорости поршня и нагрузки на шток силового цилиндра, на ходу меняя координату переключения управления на остановку, что сокращает область рассеивания выбега и повышает точность. Тормозные цилиндры с пружиной в бесштоковой полости позволяют фиксировать шток силового цилиндра, не допуская опускание груза под собственным весом или осевые колебания штока при внешних воздействиях. Объединение силового и информационного сигнала  обеспечивает наименьшее время от подачи команды на остановку до начала торможения привода.

Таким образом, предлагаемая схема привода позволяет позиционировать исполнительный механизм с высокой точностью,  независимо от изменения нагрузки на штоке.

Список литературы:

1. Сидоренко В. С. Синтез гидромеханических позиционирующих устройств металлообрабатывающего оборудования. Дис.док. техн. наук - М., 2000. 423с.
2. Навроцкий К.Л. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов: учеб. для студентов вузов по спец. «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» / К.Л. Навроцкий. – М.: Машиностроение, 1991. – 384 с.
3. Ле Чунг Киен, Сидоренко В.С., Дымочкин Д.Д. Мехатронный измерительный модуль параметров исполнительных движений станочных систем // Инженерный Вестник Дона, 2013, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1747.
4. Дао Тхе Ань Пневмомеханический датчик для позиционных приводов и машин повышенного быстродействия и точности. / Дао Тхе Ань, Д.Д. Дымочкин, В.С. Сидоренко// сб. трудов V Меж. студ. науч. прак. конф. / ДГТУ. Ростов н/Д, 2014 с. 134- 142.