ПОЗИЦИОННЫЙ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД Российский патент 1997 года по МПК F15B11/12 F15B9/03 

Изобретение относится к пневмогидравлическим приводам и может быть использовано в промышленных роботах, манипуляторах и станках.

Известно устройство для измерения мгновенной скорости вращения вала [1] содержащее диск с метками и устройство считывания и обработки информации. Для измерения скорости вращения вала в определенный момент времени фиксируются коды, пропорциональные текущему и предыдущему периодами, и код, пропорциональный интервалу времени от момента прихода импульса запроса до окончания текущего периода. Устройство позволяет определять угловую скорость вала, связанного с диском.

Недостатком устройства является низкое быстродействие и зависимость результата измерения от величины эксцентриситета диска относительно вала.

Известен позиционный пневмогидравлический привод [2] состоящий из исполнительного пневмоцилиндра и управляющего гидроцилиндра. Полости гидроцилиндра связаны между собой через регулируемое дроссельное устройство. Дроссельное устройство состоит из корпуса с каналом для подвода и отвода жидкости, цилиндрического сердечника и резьбовой втулки, выполненной из постоянного магнита. Резьбовая втулка взаимодействует с внутренней резьбовой поверхностью корпуса и электромагнитными обмотками, охватывающими последний. Устройство снабжено обратной связью по скорости и положению. Устройство позволяет плавно перемещать инерционную нагрузку при выполнении технологической операции.

Недостатком устройства является снижение качества управления привода при многократном измерении инерционной нагрузки на рабочем органе. Заранее неизвестное изменение инерционной нагрузки на рабочем органе приводит к изменению динамических характеристик привода. Изменяется время выполнения технологической операции, что в ряде случаев недопустимо по требованиям технологического процесса.

Наиболее близким к предлагаемому является позиционный пневмогидравлический привод [3] состоящий из пневмо- и гидроцилиндров, электроуправляемого дросселя и системы управления. Штоки пневмо- и гидроцилиндров жестко связаны между собой. Полости гидроцилиндров сообщены через электроуправляемый дроссель. Дроссель снабжен двумя дисками с эксцентричными отверстиями. Диски установлены в корпусе с возможностью торцевого контакта и совмещения отверстий. Дроссель снабжен кольцевыми постоянными магнитами, жестко связанными с дисками и расположенными с возможностью взаимодействия с управляющими электромагнитными обмотками. Устройство управления снабжено обратной связью по положению и скорости перемещения привода. Устройство позволяет плавно перемещать инерционную нагрузку.

Недостатком известного устройства является снижение качества управления при многократном изменении инерционной нагрузки. Заранее неизвестное изменение инерционной нагрузки вызывает изменение динамических характеристик привода. Нарушается плавность перемещения, появляются рывки и удары в зоне позиционирования.

Целью изобретения является адаптация привода к заранее неизвестному, многократному изменению инерционной нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит пневмо- и гидроцилиндры, штоки которых жестко соединены один с другим, а полости гидроцилиндра сообщены между собой через электроуправляемый дроссель.

Электроуправляемый дроссель содержит установленные в корпусе электромагнитные обмотки и снабжен двумя дисками с эксцентричными отверстиями, установленными в корпусе с возможностью торцевого контакта и совмещения отверстий и кольцевыми постоянными магнитами, жестко связанными с дисками и расположенными с возможностью взаимодействия с электромагнитными обмотками.

Устройство управления подключено к датчикам положения и скорости штоков и к обмоткам дросселя. Устройство управления снабжено электромеханическим фазовращателем, подключенным к его выходу. Устройство управления позволяет формировать напряжения на обмотках дросселя при разгоне и торможении привода по результатам определения третьей и четвертой производных обобщенной координаты.

Датчик положения снабжен носителем эталонного сигнала фиксированной частоты и системой обработки сигнала, модулированного перемещением привода.

На фиг.1 представлена полуконструктивная схема привода на фиг.2 представлена блок-схема устройства управления; на фиг.3. представлена полуконструктивная схема датчика.

Позиционный пневмогидравлический привод (фиг.1.) содержит исполнительный пневмоцилиндр 1, гидроцилиндр 2, штоки 3 и 4 которых жестко связаны один с другим. Полости 5, 6 гидроцилиндра 2 сообщены между собой через электроуправляемый дроссель 7.

Электроуправляемый дроссель 7 содержит установленные в корпусе 8 электромагнитные обмотки 9 и снабжен двумя дисками 10 с эксцентричными отверстиями 11, установленными в корпусе 8 с возможностью торцевого контакта и совмещения отверстий 11. Кольцевые постоянные магниты 12, жестко связаны с дисками 10 и расположены с возможностью взаимодействия с электромагнитными обмотками 9.

Устройство управления 13 подключено к датчику 14 положения и скорости штоков 3, 4 и к обмоткам 9 дросселя 7. Устройство управления 13 (фиг.2.) снабжено электромеханическим фазовращателем 15, блоком обратной связи 16, блоком контроля обработки программ 17, блоком памяти 18 и блоком управления 19.

Датчик положения 14 (фиг.2.) состоит из корпуса 20, в котором установлен диск 21 и считывающая головка 22. Датчик 14 содержит систему обработки сигнала.

Система обработки сигнала состоит из линейного усилителя 23, сумматора 24, таймеров 25, 26, 27, 28 вычислителей 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 и устройством сброса 39.

Позиционный пневмогидравлический привод работает следующим образом. При подаче воздуха в одну из рабочих полостей исполнительного пневмоцилиндра 1 шток 3 и связанный с ним шток 4 гидроцилиндра 2 начинает перемещаться. При этом жидкость вытесняемая из полости 5 перетекает в полость 6. Скорость перемещения привода определяется расходом жидкости через дроссель 7. Изменяя проводимость дросселя 7 можно изменять скорость привода от нуля до максимального значения.

Проводимость дросселя 7 определяется взаимным положением отверстий 11 в дисках 10. При их перекрытии она равна нулю, а при их совмещении она максимальна.

Для разгона привода на обмотки 9 дросселя 7 подается управляющее напряжение с устройства управления 13. При подаче на правую обмотку 9 (Фиг.1.) напряжения определенной полярности в последней возникает магнитный поток, взаимодействующий с магнитным потоком постоянного кольцевого магнита 12. В результате этого магнит 12 повернется на 180^o и займет новое устойчивое положение. Поворот магнита 12 происходит одновременно с диском 10, при этом взаимное положение отверстий 11 изменяется.

Плавное изменение проводимости дроссель 7 реализует при совместной работе дисков 10 в режиме сравнения сдвига фаз питающего переменного напряжения. На одну обмотку 9 подается опорное напряжение с определенной частотой, а на другую обмотку управляющее напряжение с той же частотой. При сдвиге фаз от 0 до 180^o дроссель 7, при относительном движении дисков 10 отслеживает этот сдвиг фаз в виде изменения площади перекрытия отверстий 11 дисков 10, а следовательно и проводимости дросселя 7. В соответствии с программой и сигналами с датчика 14 в устройстве управления вырабатывается требуемый закон изменения сдвига фаз питающего напряжения.

Параметры переходных процессов в приводе при многократном, непредсказуемом изменении инерционной нагрузки на рабочем органе контролируется датчиком обратной связи 14. Информация о численном значении третьей и четвертой производной обобщенной координаты является управляющим параметром на переходном участке и определяет рабочие характеристики дросселя 7.

Датчик обратной связи 14 работает следующим образом (фиг.3). При повороте диска 21 относительно считывающей головки 22 в последней формируется сигнал, с частотой пропорциональной угловой скорости поворота диска. Сигнал снимаемый со считывающей головки 22 поступает на вход линейного усилителя 23 и далее на сумматор импульсов 24, вычислители 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, и таймеры 25, 26, 27, 28. Сигнал, формируемый сумматором импульсов 24, пропорционален пути, пройденному диском, а соответственно и рабочим органом, а сигналы, снимаемые с вычислителем 29, 30, 32, 35, пропорциональны скорости, ускорению, третьей и четвертой производной обобщенной координаты рабочего органа.

Сигнал прямоугольной формы, записанный на диске, имеет максимум амплитуды через угол fi. Угловая скорость диска W(1) в момент t(1) определяется из соотношения:

где fi(1) угол поворота диска;
t(1) время этого поворота.

Аналогично определяется угловая скорость W(2) в момент времени t(2).

Угловое ускорение диска E(1) в момент t(2) определяется из выражения:

Аналогично определяется угловое ускорение диска E(2) в момент времени t(3).

Третья производная обобщенной координаты E'(1) вычисляется в момент t(3) из выражения:

Аналогично определяется третья производная обобщенной координаты E'(2) в момент времени (4).

Четвертая производная обобщенной координаты E"(1) вычисляется в момент времени t(4) из выражения:

Таким образом, вычислители 29, 30, 32, 35 производят вычисления по приведенным выше формулам и выдают информацию о значениях скорости, ускорения, третьей и четвертой производной обобщенной координаты рабочего органа. Таймеры 25, 26, 27, 28 запускающиеся по сигналам, поступающим с диска дают значения интервалов времени для расчета. По окончании одного цикла вычислений устройство сброса 39 сбрасывает значение времени t(1) и смещает вычисления на один шаг.

При этом устройство управления 13 работает следующим образом (Фиг.3.).

Блок управления 19 вырабатывает два управляющих сигнала, один из которых поступает на дроссель 7 непосредственно, а другой через фазовращатель 15. Работа привода контролируется блоком обратной связи 16 посредством сигналов, снимаемых с датчика 14. Для отработки следующего шага программы блок контроля 17 дает команду блоку управления 19 на считывание информации о законе движения из блока памяти 18. Блок памяти 18 содержит информацию о параметрах работы привода, полученную в результате работы эталонной модели привода.

Реверс привода обеспечивается подачей воздуха в рабочую полость 5 исполнительного пневмоцилиндра 1.

В зависимости от состояния дросселя 7 при остановке (проходное сечение равно нулю) привод может работать в режиме торможения при выключении питания, что исключает перемещения исполнительных органов под действием их веса или случайной внешней нагрузки, не потребляя при этом внешней энергии.

Применение в системе управления приводом информации о третьей и четвертой производной обобщенной координаты позволяет достичь адаптации к изменяющейся внешней инерционной нагрузке, а также увеличить быстродействие привода, за счет построений управляющей программы по наиболее динамично изменяющимся параметрам движения привода.

Использование: в промышленных роботах, станках и манипуляторах. Сущность изобретения: в позиционном пневмогидравлическом приводе, содержащем пневмо- и гидроцилиндры, штоки которых жестко связаны один с другим, а полости гидроцилиндра сообщены между собой через электроуправляемый дроссель, включающий установленные в корпусе электромагнитные обмотки, а также устройство управления, подключенное к датчикам положения и скорости штоков и к обмоткам дросселя, который снабжен двумя дисками с эксцентричными отверстиями, установленными в корпусе с возможностью торцевого контакта и совмещения отверстий и кольцевыми постоянными магнитами, жестко связанными с дисками и расположенными с возможностью взаимодействия с электромагнитными обмотками, а устройство управления снабжено электромеханическим фазовращателем, подключенным к его выходу, датчик положения выполнен с возможностью определения третьей и четвертой производных обобщенной координаты, а система управления выполнена с возможностью формирования напряжения на обмотках дросселя при разгоне и торможении привода по результатам определения третьей и четвертой производных обобщенной координаты. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Позиционный пневмогидравлический привод, содержащий пневмо- и гидроцилиндры, штоки которых жестко связаны один с другим, а полости гидроцилиндра сообщены между собой через электроуправляемый дроссель, включающий установленные в корпусе электромагнитные обмотки, а также устройство управления, подключенное к датчикам положения и скорости штоков и к обмоткам дросселя, который снабжен двумя дисками с эксцентричными отверстиями, установленными в корпусе с возможностью торцевого контакта и совмещения отверстий, и кольцевыми постоянными магнитами, жестко связанными с дисками и расположенными с возможностью взаимодействия с электромагнитными обмотками, а устройство управления снабжено электромеханическим фазовращателем, подключенным к его выходу, отличающийся тем, что датчик положения выполнен с возможностью определения третьей и четвертой производных обобщенной координаты, а система управления выполнена с возможностью формирования напряжения на обмотках дросселя при разгоне и торможении привода по результатам определения третьей и четвертой производных обобщенной координаты. 2. Привод по п.1, отличающийся тем, что датчик положения снабжен носителем эталонного сигнала, модулированного перемещением привода.