СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА И МЕХАТРОННЫЙ ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОД С ПРУЖИННЫМ АККУМУЛЯТОРОМ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2025 года по МПК F03G7/08 

Изобретение относится к устройствам для получения механической энергии, принцип действия которых основан на рекуперации энергии тел, совершающих возвратно-поступательное движение, а именно к мехатронным пневматическим приводам с гибкими элементами и пружинными аккумуляторам [F03G 7/08, F16H 33/20].

Из уровня техники известен ПРУЖИННЫЙ ПРИВОД [Жавнер В., Мацко О. Пружинные приводы для возвратно-поступательных перемещений. Журнал «Проблемы машиностроения и надежности машин» 2016 г., №1, с. 3-7. Издательство: Российская академия наук (Москва), ISSN: 0235-7119], содержащий основание, подвижную каретку, пневматический цилиндр с пружинной сжатия, расположенной в его штоковой полости, пневматический распределитель, датчик положения и систему управления.

Недостатком аналога является невозможность обеспечить большие перемещения каретки из-за ограниченного штоковой областью пневматического цилиндра рабочего хода пружины, а также низкая надежность пружинного привода, обусловленная ассиметричностью пружины, что может привести к повреждению штока и поршня пневматического цилиндра.

Наиболее близким по технической сущности является РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ПРИВОД [RU 158169 U1, опубликовано: 20.12.2015], содержащий корпус с закрепленной направляющей, на которую установлена каретка с возможностью возвратно-поступательного движения, аккумулятор механической энергии в виде пружины растяжения и блок управления, при этом каретка оснащена фиксатором, соединенным с блоком управления, и шарнирно соединена с одним концом пружины растяжения, а другой конец пружины растяжения соединен с корпусом, при этом на корпусе установлен двигатель, соединенный с блоком управления, отличающийся тем, что он снабжен датчиками положения каретки, расположенными на корпусе и соединенными с блоком управления, а между корпусом и пружиной установлено приводное звено, соединенное с двигателем.

Недостатком аналога является низкая надежность привода, обусловленная сложностью конструкции, низкая эффективность и функциональность привода, обусловленные малым ходом рабочего органа двигателя и необходимостью приложения значительных усилий к пружинному аккумулятору для приведение его в работу, обусловленные особенностью крепления рабочего органа двигателя к верхнему основанию пружинного аккумулятора. Кроме того, аналог обладает низкой надежностью, которая обусловлена тем, что пружина в аналоге вынуждена воспринимать на себя нагрузки, которая испытывает на себе каретка.

Задача изобретения заключается в устранении недостатков аналогов.

Технический результат заключается в обеспечении возможности создания надежного, быстродействующего пневматического привода со сниженным энергопотреблением.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения возвратно-поступательного движения выходного звена пневматического привода, характеризующийся тем, что поступательное движение выходного звена пневматического привода по направляющей обеспечивают за счет силы притяжения электромагнитных фиксаторов, смонтированных у направляющей у крайних правого и левого положений выходного звена, а возвратное движение выходного звена по направляющей обеспечивают за счет потенциальной энергии пружины пружинного аккумулятора, соединяющей своими концами дистальный конец штока и неподвижный корпус пневматического цилиндра, которая преобразуется в кинетическую энергию перемещения штока, дистальный конец которого соединен с выходным звеном гибким элементом, при этом потенциальную энергию пружинам пружинного аккумулятора сообщают при перемещении штока при воздействии на него энергией сжатого воздуха.

Указанный технический результат достигается за счет того, что мехатронный пневматический привод с пружинным аккумулятором, включающий пневматический цилиндр, смонтированный своим корпусом на опорном основании ортогонально по отношению к направляющей, смонтированной со стороны дистального конца штока упомянутого цилиндра, выходное звено пневматического привода смонтировано на направляющей с возможностью возвратно-поступательного перемещения, пружинный аккумулятор, представляющий собой пару симметричных пружин растяжения, размещенных вдоль по обе стороны пневматического цилиндра и соединяющих собой дистальный конец подвижного штока пневматического цилиндра и его неподвижный корпус с возможностью возврата штока за счет потенциальной энергии, накопленной в пружинах при их деформации при движении штока при воздействии на поршень штока энергией сжатым воздухом, при этом для возвратного перемещения выходного звена за счет потенциальной энергии, накопленной в пружинном аккумуляторе, дистальный конец штока соединен с выходным звеном пневматического привода гибким элементом, проходящим через опорный блок с возможностью изменения направления перемещения гибкого элемента, у направляющей смонтированы электромагнитные фиксаторы выходного звена, выполненные с возможностью обеспечения поступательного движения выходного звена в крайнее правое и крайнее левое положения за счет силы притяжения электромагнитов фиксаторов, пневматический цилиндр снабжен датчиками положения поршня и подключен через пневмораспределитель к блоку подготовки воздуха, фиксаторы, пневмораспределитель и датчики положения поршня подключены к блоку управления.

В частности, пневматический цилиндр выполнен односторонним.

В частности, пружины пружинного аккумулятора выполнены в виде пружин растяжения.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 показана схема мехатронного пневматического привода с пружинным аккумулятором энергии,

На фиг.2 показан вариант реализации мехатронного пневматического привода с пружинным аккумулятором энергии,

На фигурах обозначено; 1 - пневматический цилиндр, 2 - направляющая, 3 - каретка, 4 - опоры, 5 - пружины растяжения, 6 – опорные блоки, 7 - гибкий элемент, 8 - фиксаторы, 9 - пневмораспределитель, 10 - блок подготовки воздуха, 11 - датчики положения, 12 - блок управления.

Осуществление изобретения.

Мехатронный пневматический привод с пружинным аккумулятором энергии содержит пневматический цилиндр 1 (см.Фиг.1), смонтированный своим корпусом на опорном основании ортогонально по отношению к направляющей 2, смонтированной неподвижно со стороны штока упомянутого цилиндра 1.

На направляющей 2 смонтировано подвижно выходное звено пневматического привода, выполненного в виде каретки З, выполненной с возможностью перемещения по направляющей 2 как в одну сторону относительно оси пневматического цилиндра 1 (оси перемещения штока пневматического цилиндра 1), так и в другую.

На корпусе пневматического цилиндра 1, преимущественно у его торца и на дистальном конце штока пневматического цилиндра 1 симметрично смонтированы поперечные упомянутому цилиндру 1 опоры 4, выполненные, например, в виде стержней, концы которых расположены по обе стороны упомянутого цилиндра 1. К упомянутым опорам 4 с двух сторон от пневматического цилиндра 1 смонтированы симметричные пружины растяжения 5. Две симметричные пружины растяжения 5, смонтированные по обе стороны от пневматического цилиндра 1 выполнены с возможностью исключения деформации штока пневматического цилиндра 1. Упомянутые пружины 5 по своей сути представляют собой пружинный аккумулятор энергии.

Между пневматическим цилиндром 1 со стороны дистального конца штока и направляющей 2 по обе стороны от оси симметрии штока упомянутого цилиндра 1 смонтирована пара опорных блоков 6. Ось, проходящая через оси вращения опорных блоков 5, ориентирована преимущественно параллельно направляющей 2 и ортогонально оси перемещения штока пневматического цилиндра 1.

Дистальный конец штока пневматического цилиндра 1 соединен с кареткой 3 гибким элементом 7, выполненным в виде, например, троса, проходящим между опорными блоками 6. Опорные блоки 6 выполнены с возможностью изменения направления перемещения гибкого элемента 7.

С торцов направляющей 2 или на направляющей 2 в зависимости от длины направляющей 2 и хода штока пневматического цилиндра 1 смонтированы фиксаторы 8 каретки 3, обеспечивающие фиксацию каретки 3 в ее крайнем левом или правом положении.

Фиксаторы 8 выполнены преимущественно в виде электромагнитов.

Для обеспечения фиксации к фиксаторам 8 каретка 3 выполнена из магнитных материалов или на каретке 3 с торцов, обращенных к фиксаторам 8, смонтированы элементы из магнитных материалов с возможностью магнитного взаимодействия с фиксаторами и удержания каретки 3 в одном из крайних положений.

Пневматический цилиндр через пневмораспределитель 9 подключен к блоку подготовки воздуха 10.

Пневматический цилиндр 1 снабжен датчиками положения 11 с возможностью определения крайних положений поршня пневматического цилиндра 1 и передачи сигнала в блок управления 12 для управления пневмораспределителем 9, обеспечивающем подачу сжатого воздуха от блока подготовки воздуха 10 в бесштоковую полость пневматического цилиндра 1.

К блоку управления 12 также подключены фиксаторы 8.

На начальном этапе шток пневматического цилиндра 1 находится в крайнем верхнем положении, то есть втянут, а каретка 3 находится в среднем положении на направляющей 2, совпадающем с ось перемещения штока пневматического цилиндра 1. Блок управления 12 получает сигнал от верхнего датчика положения 11 о нахождении поршня пневматического цилиндра 1 в верхнем положении. Пружины 5 находятся в состоянии предварительной деформации.

Для перемещения каретки 3 в одно из крайних положений, например, левое положение, с блока управления 12, управляя пневмораспределителем 9, подают воздух в бесштоковую полость пневматического цилиндра 1 и активируют фиксатор 8 (подают ток в катушку электромагнита фиксатора 8), расположенный слева от каретки 3. За счет выдвижения штока пневматического цилиндра 1 и магнитного воздействия фиксатора 8 на каретку 3, каретка 3 притягивается к фиксатору 8 и фиксируется в своем крайнем левом положении.

При движении каретки 3 по направляющей 2 гибкий элемент 6 опирается на опорный блок 7, расположенный слева от оси перемещения штока и упомянутый опорный блок 7 вращается при перемещении каретки 3, обеспечивая скольжение гибкого элемента 6. В момент начала перемещения штока пневматического цилиндра 1 пружинный аккумулятор начинает накапливать потенциальную энергию.

При достижении поршня штока пневматического цилиндра нижнего датчика положения 11, упомянутый датчик 11 передает соответствующий сигнал в блок управления 12, который управляя пневмораспределителем 9 прекращает подачу сжатого воздуха в бесштоковую полость пневматического цилиндра 1 и обеспечивает в этот момент сообщение бесштоковой и штоковой полостей пневматического цилиндра 1 через пневмораспределитель 9 или клапаны сброса (на фигурах не показаны) с атмосферой.

При нахождении каретки 3 в крайнем положении пружины растяжения 5 находятся в состоянии максимальной деформации и в пружинном аккумуляторе накапливается максимальный запас потенциальной энергии.

Для движения каретки в обратную сторону (вправо) по сигналу от блока управления 12 отключают левый фиксатор 8 и каретка 3 мгновенно отсоединяется от упомянутого фиксатора 8 и шток пневматического цилиндра 1 за счет энергии пружинного аккумулятора (силы пружин растяжения 5) начинает втягиваться и за счет гибкого элемента 6, соединяющего шток пневматического цилиндра 1 с кареткой 3 приводит в движение каретку 3 вправо. То есть потенциальная энергия пружинного аккумулятора преобразуется в кинетическую энергию движения штока и каретки 3. Когда каретка3 достигает среднего положения на направляющей 2, а поршень пневматического цилиндра 1 достигает верхний датчик положения 11, с упомянутого датчика положения 11 соответствующий сигнал поступает на блок управления 12 который включает управляющим сигналом пневмораспределитель 9 и активирует правый фиксатор 8. Пневмораспределитель 9 подает сжатый воздух в бесштоковую полость пневматического цилиндра 1 обеспечивая движение штока из пневматического цилиндра 1. Каретка 3 при прохождении через среднее положение на направляющей 2 продолжает свое движение за счет силы инерции.

При движении каретки 3 по направляющей 2 вправо гибкий элемент 7 опирается на опорный блок 6, расположенный соответственно справа от оси перемещения штока и упомянутый опорный блок 6 вращается при перемещении каретки 3, обеспечивая скольжение гибкого элемента 7. В момент начала перемещения штока пневматического цилиндра 1 пружинный аккумулятор начинает накапливать потенциальную энергию.

За счет выдвижения штока пневматического цилиндра 1 и магнитного воздействия правого фиксатора 8 на каретку 3, каретка 3 притягивается к фиксатору 8 и фиксируется в своем крайнем правом положении, при этом пружины растяжения 5 находятся в состоянии максимальной деформации и в пружинном аккумуляторе накапливается максимальный запас потенциальной энергии.

Цикл перемещения каретки 3 из крайнего правого в крайнее левое положения повторяется.

В заявленном мехатронном пружинном приводе пружинный аккумулятор выполняет роль компенсатора энергии, рассеиваемой в системе на трение между кареткой 3 и направляющей 2, поршня со стенкой корпуса пневматического цилиндра 1 и снижает потребление энергии сжатого воздуха на перемещение каретки 3 из крайнего в среднее положение.

Надежность мехатронного пневматического привода с пружинным аккумулятором энергии обеспечивается за счет выполнения пневматического цилиндра в отличии от аналогов неподвижным, что в свою очередь снижает количество движущихся элементов и узлов, обеспечивающих их движение, при этом перемещение каретки 3 вместе с пневматическим цилиндром 1 обеспечивается пружинами растяжения 5 и фиксаторами 8, управляемыми блоком управления 12 по сигналам от датчиков положения 11.

Быстродействие привода обеспечивается за счет применения пружин растяжения 5, обеспечивающих движение каретки 3 с высокой скоростью и управления приводом с помощью блока управления 12, который обеспечивает синхронное управление пневмораспределителем 9, фиксаторами 8 по сигналам от датчиков положения 11.

В 2024 году автором был изготовлен макет заявленного мехатронного пневматического привода с пружинным аккумулятором (см.Фиг.2) для изготовления которого использованы:

пневматический цилиндр Pneumax 1280-1294 (mir),

пружины растяжения с360 Н/м,

электромагниты в качестве фиксаторов LEQINGSHIYILAIKE ELE Р-30/22,

датчики положения FESTO SME-8-k-LED-24,

программируемый логический контроллер в качестве блока управления LS XBM-DR16S,

источник питания POWER SUPPLY S-100-24,

реле для управления фиксаторами TONGLING JQC-3FF-S-Z,

насос в качестве источника сжатого воздуха (блока подготовки воздуха) СИБРТЕХ BL1100/6,

пневмораспределитель Pneumax 488 5/2.

Изготовленный мехатронный пневматический привод с пружинным аккумулятором по сравнению с аналогичным мехатронным пневматическим приводом без фиксаторов при одинаковых параметрах и внешних условиях продемонстрировал улучшенное (увеличенное) быстродействие, а также возможность управления временем задержки каретки 3 в крайних положениях, Кроме того, изготовленный привод показал улучшенное (увеличенное) быстродействие по сравнению с аналогичным приводом без пружин сжатия, в котором перемещение штока пневматического цилиндра осуществляется исключительно сжатым воздухом. В изготовленном приводе наблюдается снижение энергопотерь на трение и энергии воздуха на перемещение штока за счет пружинного аккумулятора.

Указанные преимущества обеспечивают достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к устройствам для получения механической энергии, принцип действия которых основан на рекуперации энергии тел, совершающих возвратно-поступательное движение. Технический результат - обеспечение возможности создания надежного быстродействующего пневматического привода со сниженным энергопотреблением - достигается способом получения возвратно-поступательного движения выходного звена пневматического привода, в котором поступательное движение выходного звена пневматического привода по направляющей обеспечивают за счет силы притяжения электромагнитных фиксаторов, смонтированных у направляющей у крайних правого и левого положений выходного звена, а возвратное движение выходного звена по направляющей обеспечивают за счет потенциальной энергии пружины растяжения пружинного аккумулятора, соединяющей своими концами противоположный поршню конец штока и неподвижный корпус пневматического цилиндра, которая преобразуется в кинетическую энергию перемещения штока, противоположный поршню конец которого соединен с выходным звеном гибким элементом, при этом потенциальную энергию пружине растяжения пружинного аккумулятора сообщают при перемещении штока при воздействии на него энергией сжатого воздуха. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения возвратно-поступательного движения выходного звена пневматического привода, характеризующийся тем, что поступательное движение выходного звена пневматического привода по направляющей обеспечивают за счет силы притяжения электромагнитных фиксаторов, смонтированных у направляющей у крайних правого и левого положений выходного звена, а возвратное движение выходного звена по направляющей обеспечивают за счет потенциальной энергии пружины растяжения пружинного аккумулятора, соединяющей своими концами противоположный поршню конец штока и неподвижный корпус пневматического цилиндра, которая преобразуется в кинетическую энергию перемещения штока, противоположный поршню конец которого соединен с выходным звеном гибким элементом, при этом потенциальную энергию пружине растяжения пружинного аккумулятора сообщают при перемещении штока при воздействии на него энергией сжатого воздуха.

2. Мехатронный пневматический привод с пружинным аккумулятором энергии, включающий пневматический цилиндр, смонтированный своим корпусом на опорном основании ортогонально к направляющей, смонтированной со стороны конца штока противоположного поршню упомянутого цилиндра, выходное звено пневматического привода смонтировано на направляющей с возможностью возвратно-поступательного перемещения, пружинный аккумулятор, представляющий собой пару симметричных пружин растяжения, размещенных вдоль по обе стороны пневматического цилиндра и соединяющих собой конец подвижного штока пневматического цилиндра и его неподвижный корпус с возможностью возврата штока за счет потенциальной энергии, накопленной в пружинах при их деформации при движении штока при воздействии на поршень штока энергией сжатого воздуха, при этом для возвратного перемещения выходного звена за счет потенциальной энергии, накопленной в пружинном аккумуляторе, конец штока соединен с выходным звеном пневматического привода гибким элементом, проходящим через опорный блок с возможностью изменения направления перемещения гибкого элемента, у направляющей смонтированы электромагнитные фиксаторы выходного звена, выполненные с возможностью обеспечения поступательного движения выходного звена в крайнее правое и крайнее левое положения за счет силы притяжения электромагнитов фиксаторов при воздействии на поршень штока энергией сжатого воздуха, пневматический цилиндр снабжен датчиками положения поршня и подключен через пневмораспределитель к блоку подготовки воздуха, фиксаторы, пневмораспределитель и датчики положения поршня подключены к блоку управления.

3. Привод по п. 2, отличающийся тем, что пневматический цилиндр выполнен односторонним.