Гидравлические приводы роботов с дистанционным управлением

Определения, области применения и основные типы гидравлических систем дистанционного управления

Гидравлические системы дистанционного управления (ГДСУ) относятся к классу следящих систем и являются их разновидностью. Также как и следящие системы, ГДСУ должны изменять управляемую величину в соответствии с переменной, заранее неизвестной входной величиной.

Особенность гидравлических дистанционных систем управления состоит в наличии передающего блока, т. е. линии передачи. Линии передачи обеспечивают передачу гидравлического сигнала по относительно длинным трубопроводам (рис. 7.1).

Структура дистанционных систем управления

Рис. 7.1. Структура дистанционных систем управления

Назначение гидравлических дистанционных систем управления — передать управляющий сигнал на значительное расстояние или в стесненное, неудобное место промышленного робота.

Например, ГДСУ применяются:

  • • в промышленных роботах со значительными вылетами руки;
  • • в самолетах — от кабины пилота к хвосту, где руль;
  • • в экскаваторах — от водителя через поворотный механизм к колесам;
  • • в автомобилях.

Передача сигналов гидравлическим путем имеет существенные конструктивные преимущества по сравнению с передачей сигнала посредством механических трансмиссий (валов, ременных, цепных передач). Однако ГДСУ уступают электрическим дистанционным системам по дальности и скорости передачи сигнала, особенно при работе во взрывной атмосфере.

В технике нашло применение много разновидностей гидравлических дистанционных передач. Они сочетаются со следящими гидроприводами и иногда входят в состав более сложных автоматических систем, например программных машин.

Из всего имеющегося многообразия гидравлических дистанционных систем выделим два типа, которые отличаются принципом действия (рис. 7.2).

Классификация гидравлических дистанционных систем по принципу действия

Рис. 7.2. Классификация гидравлических дистанционных систем по принципу действия

Дистанционные системы с передачей объема жидкости

Простейший пример ГДСУ с передачей объема жидкости показан на рис. 7.3.

Структура дистанционной системы с передачей объема жидкости

Рис. 7.3. Структура дистанционной системы с передачей объема жидкости:

  • 1 — задающий сильфон; 2 — воспринимающий сильфон;
  • 3 — длинная гидролиния

На рис. 7.3 длинный трубопровод соединяет задающий сильфон 1 с воспринимающим сильфоном 2. При сжатии сильфона 1 в направлении X вытесняется некоторый объем рабочей жидкости, который поступает в сильфон 2 и повышает в нем давление, за счет которого увеличивается сила, действующая в направлении У.

Рассмотрим схему гидравлической дистанционной системы управления со следящим приводом (рис. 7.4).

Схема гидравлической системы дистанционного управления со следящим гидроприводом

Рис. 7.4. Схема гидравлической системы дистанционного управления со следящим гидроприводом

Управление следящим гидроприводом осуществляется посредством передачи потока жидкости по управляющим (не силовым) гидролиниям, обозначенным на схеме номерами 3 и 4. Это длинные гидролинии. Задающим и воспринимающим устройствами дистанционной системы служат двухштоковые гидроцилиндры с поршнями 1 и 2. Для предварительной настройки и регулировки дистанционной системы в верхнем гидроцилиндре установлен регулируемый дроссель 18. При закрытом дросселе 18 полости 20, 23 задающего 20 и принимающего 24 гидроцилиндров, связанные гидролинией 3, образуют заполненный рабочей жидкостью замкнутый объем. Аналогичный объем образуется полостями 24 и 21 гидроцилиндров, связанных гидролинией 4. Поэтому положения поршней 1 и 2 в своих гидроцилиндрах строго взаимосвязаны. Положение поршня 1 задающего гидроцилиндра определяется положением рукоятки 19. Таким образом, угловое перемещение рукоятки 19 является входным (управляющим) воздействием всей гидравлической системы управления. При частичном открытии площади проходного сечения регулируемого дросселя 18 часть рабочей жидкости, вытесняемой из полости 20 или полости 22 задающего гидроцилиндра, перетекает не в полость 23 или 24 воспринимающего гидроцилиндра, а в полость 21 или 20 того же, задающего, гидроцилиндра через канал 22. Этим достигается уменьшение хода поршня 2 относительно хода поршня 1. При полном открытии дросселя 18 вся рабочая жидкость, вытесняемая поршнем 1 из одной его камеры, перетекает по каналу 22 в другую его камеру. Поэтому при поворотах управляющей рукоятки 19 движется только поршень 1, а поршень 2 и все остальные звенья системы остаются неподвижными — система выключена.

Пружинный компенсатор 15 возмещает изменения объема рабочей жидкости в двух упомянутых выше замкнутых пространствах, вызываемые утечками и температурными колебаниями. Клапан 15 служит для автоматической подпитки дистанционной системы управления рабочей жидкостью, а вентиль 17 — для удаления скопившегося в ней воздуха. Система управления питается от насосной станции (линия 16); на схеме не показана.

Источником питания управляемого следящего гидропривода служит насосная установка, содержащая бак, насос, предохранительный клапан, фильтр.

Следящий гидропривод включает в себя дросселирующий распределитель 25 с затвором, выполненным в виде тела вращения, — золотником 7, перемещающимся в неподвижном корпусе 25.

При повороте рукоятки 19 вниз поршень 1 задающего цилиндра опускается, вытесняя часть рабочей жидкости к воспринимающему цилиндру 24 и часть — через дроссель 18 в противоположную полость задающего цилиндра. Рабочая жидкость, поступив из задающего цилиндра по длинным гидролиниям (3 и 4) в правую полость воспринимающего цилиндра, поднимает в нем давление. Одновременно левая полость воспринимающего цилиндра соединена гидролинией 3 с верхней полостью задающего цилиндра, где давление рабочей жидкости уменьшилось за счет перемещения поршня. За счет создавшейся разницы сил, действующей на поршень воспринимающего цилиндра 24, поршень 2 начинает перемещаться вместе с рычагом 5, который, в свою очередь, смещает золотник 7.

Смещаясь относительно кромки корпуса распределителя 25, кромка золотника 7 изменяет ширину дросселирующей щели, и рабочая жидкость под давлением от насосной станции поступает в левую полость силового цилиндра 8, а правая полость 9 соединяется со сливом. За счет возникшей разницы сил поршень 10 начинает перемещаться вправо, как показано по стрелке на рис. 7.4. При этом шток 11 поршня 10 перемещает ползун 12, который поворачивает рычаг 13 в соответствии с угловым перемещением управляющей рукоятки 19. Рычажная система 5 и тяга 6, соединенная с золотником 7, обеспечивает жесткую отрицательную обратную связь золотнику 7. Сначала точка С на рычаге 5 перемещается, смещая кромку золотника относительно неподвижного корпуса, от смещения поршня воспринимающего цилиндра — это входное управляющее воздействие на сумматоре. Потом рычаг 5 нижним концом перемещается поршнем 10 в противоположную сторону. При этом точка С занимает первоначальное положение — это выходное воздействие. Изменение ширины щели на распределителе — это сигнал на выходе сумматора.

Составим математическую модель гидравлической дистанционной системы с передачей объема рабочей жидкости (рис. 7.5).

Схема гидравлической дистанционной системы

Рис. 7.5. Схема гидравлической дистанционной системы

Статическая характеристика данной системы

где кх коэффициент передачи, X — перемещение поршня задающего цилиндра, У — перемещение поршня воспринимающего цилиндра. Для идеального случая

где Рх и Ру площади цилиндров.

Данная система не дает усиления входного сигнала по мощности. В реальных системах присутствует ошибка (ДУ) передачи сигнала из-за наличия утечек АУутечки, деформации металла ДУдеформац’ сжимаемости жидкости.

ГДР ДУ = ДУ _|_ ДУ

где 1Л1 утечки ?А1деформац>

Объем, вытесняемый из задающего цилиндра, — Ух = Рх ? X, объем жидкости, поступивший в воспринимающий цилиндр — Уу = Ру • У. Но, с другой стороны, в воспринимающий цилиндр не может поступить больше, чем вытеснено из задающего цилиндра, из-за сжимаемости металла и жидкости и утечек. Поэтому У у = Ух - ДУ, откуда

Потери объема из-за деформации и сжимаемости

потери объема из-за утечек жидкости

где кс — коэффициент сжимаемости рабочей среды; ку коэффициент утечек жидкости; р — рабочее давление в системе управления.

В коэффициенте сжимаемости учитываем деформацию стенок трубопровода, сжимаемость жидкости в цилиндрах и трубопроводе по общему объему рабочей жидкости:

где Ужид — объем рабочей жидкости; Уст — внутренний объем, ограниченный стенками трубы; Угаз — объем нерастворенных газов при давлении р; Ежид — модуль объемной упругости жидкости; Ест — модуль упругости стенок трубы; п — коэффициент адиабатного процесса.

Коэффициент утечек считаем, как перетечки внутри цилиндров:

где с1х и с1у внутренние диаметры поршней гидроцилиндров; 8Х и 5у — зазоры между поршнями и гильзами цилиндров; ц — динамическая вязкость рабочей жидкости; 1Х и 1у длины щелей, т.е. ширина поршня.

Для уменьшения ошибки передачи сигнала рекомендуется обеспечить избыточное давление и подпитку системы управления, а также периодически устанавливать систему в исходное положение.

Опишем динамические процессы в гидравлических системах дистанционного управления.

Пренебрегаем утечками при использовании эластичных уплотнений или сильфонов. Уравнение расходов рабочей жидкости

СД. — расход рабочей жидкости, вытекающей из задающего гидроцилиндра, 0_у расход рабочей жидкости, поступающей в воспринимающий гидроцилиндр,

Уравнение сил на выходном звене

или

где Кгр — коэффициент вязкого трения скорости выходного звена; С — жесткость пружины; У — перемещение выходного звена; Ру площадь поршня.

Преобразуем уравнение расходов (7.1) и уравнение сил (7.2) в изображения Лапласа:

Выразим из уравнения (7.3) изображение давления

и подставим в уравнение (7.4):

К

Умножим правую и левую части уравнения (7.5) на —для то-

Ру

го, чтобы коэффициент при У(5) был равен единице и обозна-р

чим Кх = —:

Ру

Перегруппируем уравнение (7.6):

Для приведения к стандартной форме записи введем обозначения

получаем уравнение, описывающее поведение системы в изображениях Лапласа в стандартной форме записи:

Передаточная функция по управляющему воздействию

передаточная функция по нагрузочному воздействию

Рассмотрим другие схемы гидравлических систем дистанционного управления с передачей объема рабочей жидкости. Для ознакомления с принципом действия таких систем достаточно рассмотреть работу следящего гидропривода с дистанционной передачей силового потока жидкости в цепи обратной связи. Схемы на рис. 7.6 и рис. 7.7 отличаются управляющим устройством. В схеме рис. 7.6 исполнительный механизм 4 (силовой цилиндр) управляется шестилинейным распределителем. В зависимости от открытия щелей гидрораспределителя, вызванного перемещением затвора 1 на величину X, рабочая жидкость от источника питания с давлением р0 поступает в одну из полостей силового гидроцилиндра 4, как в обычной следящей системе. Для этого служат две центральные кромки золотника 1. Рабочая жидкость, вытесняемая из исполнительного гидроцилиндра 4, направляется через распределитель во вспомогательный гидроцилиндр 2, шток 3 которого связан с корпусом распределителя для осуществления обратной связи. Таким образом, в качестве обратной связи служит поток жидкости, вытесняемой из камеры противодавления гидроцилиндра 4 через соответствующие щели управляющего распределителя во вспомогательный гидроцилиндр 2.

Схема гидравлической системы дистанционного управления с передачей потока рабочей жидкости одним распределителем

Рис. 7.6. Схема гидравлической системы дистанционного управления с передачей потока рабочей жидкости одним распределителем

Схема гидравлической системы дистанционного управления с передачей потока рабочей жидкости двумя распределителями в одном корпусе

Рис. 7.7. Схема гидравлической системы дистанционного управления с передачей потока рабочей жидкости двумя распределителями в одном корпусе

Управляющее устройство рис. 7.7 выполнено в виде двух трехлинейных трехпозиционных распределителей в одном корпусе. Входное воздействие X перемещает одновременно два затвора 1 и 5. При этом рабочая жидкость под давлением поступает в одну из полостей силового цилиндра 4, а из противоположной полости рабочая жидкость через распределитель вытекает не в бак, а полость вспомогательного цилиндра 2, противоположная полость которого соединена в этот момент с баком. Из-за возникшей разницы сил поршень со штоком 3 начинает перемещаться и передвигает корпус распределителя в противоположную сторону по сравнению со входным воздействием X, тем самым закрывая щели.

В этих схемах уменьшение величины относительного перемещения поршня вспомогательного цилиндра относительно перемещения силового цилиндра достигается благодаря различию площадей поршней цилиндров, при этом площадь силового цилиндра должна быть меньше площади вспомогательного.

Недостатком этих схем является двойное дросселирование. На сливе давление возрастает до 30 %.

Манипулятор, схема гидравлической системы которого показана на рис. 7.8, представляет собой комплекс механической дистанционной передачи следящих дистанционных гидроприводов.

Схема гидравлической системы манипулятора для дробеструйной обработки деталей

Рис. 7.8. Схема гидравлической системы манипулятора для дробеструйной обработки деталей

Механическая дистанционная передача включает скрытые в трубопроводах пять тросов, которые передают управляющие сигналы элементарным дросселирующим распределителям.

Гидравлические следящие приводы манипулятора выполнены в виде унифицированных узлов. Назначение и работа отдельных приводов таковы.

1. Следящий привод 4 (см. рис. 7.8) управляет исполнительным гидроцилиндром 15, служащим для поворота соплодержа-теля 9 вокруг горизонтальной оси. Поворот осуществляется через рычажно-шестеренные передачи 7, 8, получающие движение от штока 18.

  • 2. Следящий привод 5 воздействует на исполнительный гидроцилиндр 19, обеспечивающий вертикальное перемещение соплодержателя 9. Шток 20 гидроцилиндра 19 передает движение на полую штангу 16, с которой связан гидропривод 5. Поскольку вертикальное перемещение имеет значительную длину хода, следящий гидропривод 5 выполнен мультиплицирующим.
  • 3. Следящий гидропривод 3 воздействует на исполнительный гидроцилиндр 22, обеспечивающий поворот соплодержателя 9 вокруг горизонтальной оси.
  • 4. Следящий гидропривод 2 воздействует на исполнительный гидроцилиндр 21, обеспечивающий поворот соплодержателя 9 вокруг вертикальной оси.
  • 5. Следящий гидропривод 1 воздействует на исполнительный гидроцилиндр 11, при движении штока 10 которого через реечно-шестеренную передачу 12 перемещается труба 13 со специальным пазом 14. С помощью последнего шток 16 и корпус 6 соплодержателя 9 поворачиваются вокруг оси трубы 17 при неизменном положении остальных элементов установки.

Весь манипулятор, за исключением управляющей рукоятки, расположен в бронированной камере. Рукоятка расположена вне камеры и соединена тросовой дистанционной передачей с затворами гидроусилителей следящих приводов, поршни которых являются задающими устройствами для гидравлической дистанционной системы. Вытесняемая рабочая жидкость поступает в исполнительные гидроцилиндры по шлангам. Манипулятор имеет пять степеней свободы.

Рассмотрим один фрагмент гидросистемы манипулятора, показанный на рис. 7.9. Остальные работают аналогично.

Рабочая жидкость поступает в полость вспомогательного цилиндра 2 и одновременно сливается через следящий распределитель 5 и клапан, настроенный на невысокое давление, в бак. Металлическим тросом смещаем затвор в распределителе 5 и прерываем слив рабочей жидкости через клапан 4. Теперь рабочая жидкость под давлением поступает только в полость вспомогательного цилиндра с площадью Г4. Поршень вспомогательного цилиндра начинает перемещаться, вытесняя рабочую жидкость через длинный трубопровод в полость силового цилиндра 1 с площадью Р2. Шток 3 вспомогательного цилиндра связан с корпусом распределителя, поэтому дросселирующаящель открывается. В штоковой полости силового цилиндра постоянное давление Рн, но за счет разницы площадей сила, действующая со стороны поршня с площадью Р2, будет больше, и поршень силового цилиндра начинает двигаться.

Фрагмент гидравлической схемы манипулятора

Рис. 7.9. Фрагмент гидравлической схемы манипулятора

Сравнивающим устройством является дросселирующий распределитель, где сравнивается перемещение кромки затвора 5 (входное воздействие) с перемещением кромки корпуса распределителя от поршня штока 3, в результате изменяется ширина дросселирующей щели, а следовательно, площадь щели и, как следствие, расход, проходящий через щель.

Для работы силового исполнительного гидроцилиндра необходимо, чтобы соблюдались следующие неравенства:

при этом во вспомогательном гидроцилиндре, для того чтобы некоторый объем вытеснялся в силовой гидроцилиндр, необходимо, чтобы

или

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >