В настоящее время в связи с появлением новых материалов и технологий стало возможным создание оригинальных конструкций, которые могут быть применены в качестве силовых частей исполнительных двигателей (ИД) систем приводов (СП) линейного и углового перемещений. Усилия разработчиков, направленные на создание новых (нетрадиционных) силовых элементов, вызваны желанием получить силовую часть ИД, обладающую более выгодными техническими, эксплуатационными и экономическими показателями.
Большинство эксплуатируемых на сегодняшний день ИД линейного действия основываются либо на пневмо-, либо на гидроцилиндрах [1, 2, 3, 4]. Разработка СП на их основе сравнительно несложна в связи с простым типом конструкции и наличием достаточно полной математической модели подобных СП. Однако, такой классический исполнительный механизм, помимо достоинств, обладает и рядом недостатков. К основным недостаткам можно отнести сравнительно большую массу и трение в механизме. А высокое качество обработки внутренних поверхностей обуславливает значительную стоимость изделий. Объемные потери в таких механизмах прямо пропорциональны времени эксплуатации.
В качестве элементов, улучшающих те или иные характеристики гидравлических и пневматических ИД, явились такие известные изделия как мембраны, сильфоны, а также различные оболочки. Рабочий ход силового элемента упомянутых конструкций сопровождается изменением конфигурации образующей поверхности. При этом исключается возможность утечек рабочей среды, могут быть повышены развиваемые усилия, снижена цена и масса изделий, улучшены динамические показатели. Рассмотрим эти конструкции.
Мембраны.
В ряде случаев, когда в качестве ИД используются короткоходовые пневмоцилиндры, они, как правило, могут быть заменены мембранными пневмодвигателями (рисунок В.1) [5]. Перемещение мембраны достигается за счет нагнетания рабочей среды в ее полость. Возвращение мембраны в исходное состояние осуществляется пружиной, установленной внутри изделия.
Мембранные двигатели просты и дешевы в изготовлении, исключают протечки и трение, характерные для поршневых пневмодвигателей. Однако обычно у них существенно снижается надежность вследствие действующих в мембране больших напряжений. Кроме того, надежность резиновых мембран сильно зависит от температурного режима.
Сильфон — упругая однослойная или многослойная гофрированная оболочка из металлических, неметаллических и композиционных материалов, сохраняющая прочность и плотность при многоцикловых деформациях сжатия, растяжения, изгиба и их комбинаций под воздействием внутреннего или внешнего давления, температуры и механических нагружений [6].
Сильфоны по сравнению с мембранами в качестве ИД применяются реже. Они практически всегда одностороннего действияусилие возврата может создаваться как силами упругости самого сильфона, так и дополнительной пружиной.
В качестве примера изделий, используемых в качестве силовых элементов, приведем сильфонный цилиндр СопНТесЬ [7]. Такие сильфонные цилиндры обладают относительно большим развиваемым усилием и могут быть использованы для подъема груза и прессования, обеспечивая величину возможного хода до 40 мм. При этом конструкционные материалы,.
Гидкая мембрана Поббоб рабочего тела.
I ПодЬижныи шток Возвратная прижина Рисунок В. I1. Мембранный пневмодвигатель.
Сильфоны используемые при производстве изделиям позволяют применять, их в агрессивной среде при температурах, достигающих 120 °C.
Оболочки.
В.' последнее время большое распространение стали получать конструкции в виде мягких и сетчатых оболочек (оболочки, с надувным®каркасом, воздухоопорные оболочкирезинокордные оболочки) — Особенность подобных конструкцийкоторые изготавливают, из пленок и тканевых материалов, состоит в том, что они приобретают жесткость только после предварительного нагружения. Нагнетание рабочей средыв полостьоболочки? сопровождаетсядеформацией ее поверхности" и возникновением' больших по величине давящих или тянущих усилий: Изменение геометрии, оболочкиопределяется: геометрией ее исходного состоянияприменениемтех или иных конструкционных материалов, а’также характером? возможногоармирования^ее поверхности: Использование армирования оболочки? позволяет придать силовому элементу, — выполненному на основе оболочки, — определенные свойствавыраженные принятием оболочкой. определенных конфигураций т направлением развиваемых усилий? Таким образом, 1, все оболочкиможно-разделить на два подкласса: с армированием .и без армирования поверхности.
В случае, если оболочка не армирована, с возрастанием давления рабочей среды внутри ее полости происходит расширение оболочки во всех направлениях, сопровождающееся возникновениемраспирающих усилий: В качестве примера данного типа силовых оболочковых, элементов: можно привести*так называемые надувные подушки, выпускаемые фирмой, — ВШив АС [8]. Подобные изделия могут обладать квадратнойпрямоугольнойили круглой формой/ ш иметь, линейные размеры от 0.1 м до Г мИспользуемые для прессования, подъемов и других операцийтакие силовые оболочки позволяют достигать усилийлежащих в диапазоне [0.2.20]кНобеспечивая при этом величину хода от [45. .500] мм.
Силовые оболочковые элементы.
Рассмотрим более подробно армированные силовые оболочки — силовые оболочковые элементы (СОЭ). Боковаяповерхность СОЭ представляет собой осесиммтричную эластичную оболочку, армированную системой нерастяжимых нитей (НН). Торцы оболочки герметично закреплены в присоединительных элементах.
Для армированных оболочек характерны, ограничения в изменении размеров поверхности оболочки, определяемые характером укладки НН (сетки) на ее поверхность. Во время деформации^ подобного силового элемента, увеличение одних, линейных размеровкак правило, сопровождается уменьшением другихВ случае, если армированная, оболочка представляет собой осесимметричное тело, то во время нагружения ее избыточным давлением рабочей среды, она развивает либо тянущие, либо давящие усилия [9, 10].
Слои НН могут располагаться, как навнешнейповерхности эластичной оболочки, так и внутри материала оболочкиПри этом НН. могут быть уложены крест-накрест или под некоторым углом. • :
Роль армирующихслоев нитей заключается в придании СОЭ определенной формы в процессе ее" сокращения под действием нагнетаемойв нее рабочей среды поддавлением р, а функция эластичной! оболочкигерметизация полости СОЭ.
К СОЭ, разработанным и выпускаемым фирмой 'ТезШ" (Германия), относятся: баллонный цилиндр (БЦ) [И], пневматический мускул (ПМ), [12]. К СОЭ фирмы «Пневмотроника» (РФ) — механическая мышца (ММ). [13, 14]. Принцип действия работы этих элементов во всех трех случаях схожий, различие заключается лишь в технической реализации. Во всех трех разработках рабочей средой является сжатый воздух. Принцип работы подобных СОЭ весьма проствнутри силового элемента' создается избыточное давление рабочей среды, создающее силу, действующую на торцы СОЭ и армированную оболочку. Силу развиваемую СОЭ, можно представить в виде соотношения:
F =.
FF -F об торца пот" где F^ - сила, действующая на присоединительные элементы со стороны оболочки-орца-сила, действующая со стороны торцов СОЭFnmпотери развиваемой силы, направленные на поддержание конфигурации оболочки в деформированном состоянии.
В первую очередь на упомянутые выше составляющие развиваемой силы FC03 влияют конструктивные особенности СОЭ. Силу, действующую на присоединительные торцы FTopua, можно найти из выражения [15]: где ¿-/соэ — текущее значение внутреннего диаметра СОЭ.
Таким образом, растягивающее усилие, создаваемое силой давления на торцы присоединительных элементов тем больше, чем больше внутренний диаметр самого СОЭ. Поэтому СОЭ, с большим диаметром, в которых длина оболочки СОЭ /соэ сравнительно мала, развивают давящие усилия, и, наоборот, — при условии /"""^соэ, СОЭ развивают тянущие усилия. Разработки фирмы «Festo» — БЦ и ПМ соответственно являются примерами подобных реализаций.
Баллонный цилиндр фирмы «Festo» .
Благодаря своей геометрии баллонный цилиндр является «давящим» СОЭ. На рисунке В.2 приведено изображение БЦ фирмы «Festo» .
Рисунок В.2. Баллонный цилиндр фирмы «Festo» .
В качестве примера, иллюстрирующего технические показатели БЦ, в таблице В.1 приведем характеристики БЦ ЕВ-145−100 фирмы «Festo», заявленные производителем [11].
Таблица В. 1.
Число секций 2.
Внешний диаметр 145 мм.
Ход 100 мм.
Высота 140 мм.
Рабочий диапазон давлений 0.0,8МПа.
Рабочий диапазон температур -40.+70°С.
Масса изделия 1,07 кг.
Эффективная сила при 0,6МПа 3,6кН.
Усилие возврата при минимальной высоте 200Н.
Благодаря относительно большим развиваемым усилиям, сферой применения БЦ является зажим деталей. Для подобного подкласса устройств также имеется возможность использовать их для управления угловыми перемещениями объекта управления (ОУ) (рисунок В. З).
Фирмой заявлено, что в таком режиме эксплуатации, БЦ могут работать под углом 15. .20° секция.
Чулочная мембрана фирмы «Festo» В ряде случаев требуются изделия, обладающие большой величиной хода, при сравнительно малом диаметре оболочки. В качестве примера, иллюстрирующего получение такого изделия, можно привести так называемую, чулочную мембрану, выпускаемую фирмой 'Тезіо" (рисунок В.4).
Рисунок В.4. Чулочная мембрана фирмы «Festo» .
Эксплуатационные характеристики ее таковы, что подобный силовой элемент с диаметром оболочки, равным 80 мм, развивает усилие при максимальном давлении рабочей среды в 0,8МПа до величины, равной 1,4кН, обеспечивая при этом величину хода до 110 мм. Примененные конструкционные материалы, позволяют эксплуатировать изделие в диапазоне температур [-40.+70]°С [И].
Пневматический мускул фирмы «Festo» Другой реализацией СОЭ фирмы «Festo» является ПМ (рисунок В.5).
Рисунок В.5. СОЭ типа ПМ.
ПМ конструктивно представляет собой трубчатую эластичную армированную оболочку, края которой герметично закреплены в присоединительных элементах (рисунок В.6).
Рисунок В.6. Присоединительные элементы ПМ.
Фирма 'Теви)" выпускает ПМ трех типоразмеров: с внутренними диаметрами оболочки 10, 20 и 40 мм. Технические характеристики ПМ, заявленные фирмой «Ревіо» [12], приведены в таблице В.2.
Таблица В.2.
Типоразмер оболочки ПМ, мм 10 20 40.
Минимальная длина оболочки, мм 40 60 120.
Максимальное рабочее давление, МПа 0,8 0,6 0,6.
Максимальное рабочее усилие, кН 0,63 1,5 6,0.
Максимальное рекомендуемое сокращение, % 25.
Максимальное рекомендуемое растяжение, % 3 4 5.
Рабочий диапазон температур, °С -5.+60.
Длина оболочки ПМ может достигать 9 м. Оболочка армирована НН, образующими ромбическую сетку. При таком способе укладки нитей вместе с расширением оболочки происходит также увеличение угла между армирующими нитями, что приводит к уменьшению развиваемого ПМ усилия, и, по достижению определенного диаметра оболочки, сокращение ПМ прекращается, поскольку усилие, которое развивает оболочка ПМ, уравновешивается приложенной нагрузкой или силой, действующей со стороны торцов ПМ (рисунок В.7). Такой способ армирования снижает возможную величину хода, но при этом ограничивает деформацию материала оболочки и возникающие в нем напряжения, что позволяет повысить срок службы СОЭ.
Рисунок В.7. ПМ в исходном и сокращенном состоянии.
На рисунках В.8-В.10 приведены семейства статических силовых характеристик, заявленных фирмой 'Тевк)", для различных типоразмеров ПМ:
800 700Ж.
500-?00 300 200 100 0 ш ш Л,.
V.
1 N рт V «' V.
Л 1 V оомп. 0 1 МП. 0 2 МП. 0 3 МП. 0 4 МП. г • • Л • > г. і'- V «к N ч 1 ч. ч > ч и • ¦ V N ч. Ч ч ч N N V > 0 (МП. ч * N «к «> ч. ¦ч 0 8 МП.
Л ¦V V * % 'ч.
V ч '— ¦ч.
•• * •ч.
•• -. *- Ч І".
— 3.
10 и [%].
20 ш.
Рисунок В.8. Семейство силовых статических характеристик ПМ фирмы 'ТезК)" с диаметром оболочки 10 мм.
2 000 180 016 001 500 033 719 367 368 704 600 і00 200 0.
V.
1 к V и >
V ч ч.
V «s * ч V 0 ОМП. 1 МІ1″ 2 МП» 3 МП".
V • к ч к. 0 ч ч ч, Ч, 1 й.
Ч и.
V Ч, ч. — V ч ч ч 0 6 МП"——- уч. ч ч 'ч ч *Ч •• •• ч.
Ч • - -. — «.
— і.
— ш.
Рисунок В.9. Семейство силовых статических характеристик ПМ фирмы 'Тезіх)" с диаметром оболочки 20 мм.
8000 7000 6000' 50 004 000 3000 2000 1000 0.
ПН.
1 ч.
• «.
N ч > •ч 0 0 МПа — ч у ч.
V ч 0 3 МПа ——————.
Ч Ч 0 4 МПа 0 5 МПа.
1 ч Ч «Ч V 4 ч, V Ч ч N ч > к ч.
•• •• Ч >
•• ч ч — - - - ял: 1а.
5 10 15 20 2.5.
1 [%] ш.
Рисунок В. 10. Семейство силовых статических характеристик ПМ фирмы.
Теви)" с диаметром оболочки 40 мм.
На приведенных графиках рабочая область ПМ представлена областью серого цвета и находится в границах, обусловленных:
Т] максимальной действующей на ПМ внешней нагрузкой (Н);
2] максимальным рабочим давлением (МПа);
3] максимальной деформацией (%);
4] максимальным растяжением (%).
Все эти четыре ограничения связаны с прочностными параметрами ПМ. Как видно из приведенных выше графиков, ПМ является элементом с нелинейными силовыми характеристиками. При малых деформациях оболочки ПМ развивает весьма значительные тянущие усилия. В связи с тем, что оба армирующих слоя уложены под углом к оси оболочки, то под воздействием нагрузки оболочка ПМ способна растягиваться (отрицательная область характеристик на оси абсцисс). Величина допустимого растяжения, оговоренная производителем, составляет 3% от длины оболочки ПМ.
Механическая мышца фирмы «Пневмотроника» .
Аналогом ПМ является разработка российской фирмы «Пневмотроника» -механическая мышца (ММ). На рисунке В. 11 показана трех секционная ММ с диаметром оболочки 20 мм в сокращенном состоянии.
Рисунок В. 11. Механическая мышца в сокращенном состоянии.
Основное отличие СОЭ в виде ММ от СОЭ фирмы «Реей)» типа ПМ заключается в особенностях армирования оболочки. Для ММ осуществляется продольное армирование эластичной оболочки системой НН. Возможны варианты, когда армирование осуществляется под небольшим углом укладки НН (до 15°).
Принципиальная разница в методике армирования определяет различия в подобных СОЭ. Так, в отличие от ПМ, профиль оболочки ММ не содержит горизонтального участка.
Ограничение конструктивных размеров оболочки ММ связано с допустимой деформацией эластомера, из которого изготовлена оболочка. Наибольшая деформация эластомера наблюдается в экваториальном сечении.
Предельная величина радиуса экватора оболочки ММ пропорциональна длине оболочки (НН). Поэтому целесообразно для ограничения деформаций делить одну длинную оболочку на секции, как показано на рисунке В.11. Такой подход ведет к снижению развиваемых усилий СОЭ, но позволяет ограничить радиус экваториального сечения и, следовательно, деформацию эластомера.
Фирмой — изготовителем приводится следующая информация по выпускаемым ею ММ (таблица В. З).
Таблица В.З.
Параметр Величина.
Рекомендуемая величина сокращения, % До 20.
Диаметр армированной оболочки, мм 20, 38, 50.
Длина механической мышцы, мм 50.300.
В отличие от ПМ, производителем, выпускающим ММ, не приводятся силовые характеристики. Это, по видимому, связано с тем обстоятельством, что для силовых характеристик ММ, в отличие от характеристик ПМ, прослеживается еще и их зависимость от длины секции, на которые разбивается.
Варианты построения силовой части ИД, выполненных на базе СОЭ типа ПМ.
Различные варианты возможного применения СОЭ в качестве элементов силовой части ИД приведены на рисунке В. 12 .
Рисунок В. 12. Варианты построения силовой части ИД: подъем груза (а), с возвратной пружиной (б), дифференциальный привод: поступательного действия (в), вращательного действия (г).
Наиболее простым вариантом применения СОЭ в ИД является использование его для подъема и опускания груза. Здесь сила, развиваемая СОЭ, уравновешивается силой тяжести груза (рисунок В. 12а)., На практике такой вариант построения ИД не получил широкого распространения.
Наибольшее применение получили варианты использования ИД для управления ограниченным линейным перемещением ОУ (рисунок В.126, в). В связи с тем, что СОЭ является элементом одностороннего действия, то возможность двустороннего действия сил на ОУ достигается либо введением в силовую часть ИД возвратной пружины (рисунок В.126), либо добавлением второго СОЭ (рисунок В.12в), действующего встречно (дифференциальное.
ММ включение). Для варианта ИД с возвратной пружиной сила, действующая, на ОУ, равна: рр -Г ид соэ ¦ пр' где У’вд — сила, приложенная к ОУ со стороны ИДРир — сила, действующая со стороны возвратной пружины.
Для дифференциального ИД имеем: г • = /г р? ид соэ1. соэ2' ,.
Трансформацией варианта, приведенного на рисунке В. 12 В, является ИД ограниченных угловых перемещений (рисунок В.12г). В дальнейшем, все выкладки будем приводить, для ИД линейных перемещений, так как все полученные результаты могут быть легко адаптированы дляИД угловых перемещений.
Достоинства и недостатки оболочковых ИД.
Из приведенных выше силовых элементов, именно: СОЭ позволяют развивать значительные усилия при сравнительно большой величине хода. Это достоинство позволяет рассматривать СОЭ в качестве привлекательного элемента, входящего в состав силовой части ИД систем управления. Такой ИД в ряде случаев способен заменить электромеханические редукторные привода, так как обладает значительно большей удельной мощностью или гидравлические ИД, если требования к развиваемым усилиям не высоки.
Помимо малой массы и, отсутствия трущихся поверхностей, СОЭ обладают еще и низкой стоимостью. Однако широкое применение СП, основанных на СОЭ, сдерживается из-за отсутствия достаточнодостоверных математических моделей не только для ИД на СОЭ, но и непосредственно самих СОЭ.
Достоинства и недостатки ИД, выполненных на СОЭ, по сравнению с ИД, базирующихся на силовых пневмоцилиндрах, можно свести в таблицу В.4.
Таблица В.4.
Достоинства Недостатки.
1. Значительно большие развиваемые 1. Большая длина силовой части ИД по усилия по сравнению с ИД на базе сравнению с аналогичным по пневматического цилиндра при величине перемещения силовым одинаковом диаметре силовых цилиндромчастей (особенно в начале 2. Меньший температурный диапазон диапазона сокращений). эксплуатации особенно в области.
2. Существенно меньшая масса. низких температур.
3. Более высокое быстродействие за 3. Низкая величина показателя счет малой массы подвижных демпфирования (из-за отсутствия частей СОЭ. вязкого трения).
4: Большой диапазон регулирования скоростей.
5. Отсутствия эффекта неплавности на ! малых скоростях.
6. Отсутствие вязкого трения между подвижными частями.
7. Отсутствие утечек и перетечек.
8. Большая удельная мощность.
9. Существенно меньшая стоимость изделия.
Таким образом, ИД, выполненные на базе СОЭ, обладают значительными преимуществами над ИД, базирующихся на применении силовых пневмоцилиндров. При этом только недостатки 1 и 2 таблицы В.4 могут ограничивать сферу применения подобных ИД.
Силовой бесштоковый пневмоцилиндр Поскольку применения СОЭ всех рассмотренных видов невозможно без использования электропневматических дроссельных распределителей (ДР) или регуляторов давления в случае отработки СОЭ заданного усилия без учета его перемещения-и принимая во внимание принцип работы ИД на основе СОЭ, используем технический термин силовой бесштоковый пневмоцилиндр (СБПЦ). СБПЦ представляет собой совокупность двух элементов — ДР и СОЭсиловой части (СЧ) СБПЦ (рисунок В. 13).
Рисунок ВИЗ: Функциональная схема СБПЦ.
ЭМУ — электромагнит управленияЗМ — золотниковый механизм- ?/у (/у)-напряжение- (ток)? управлениях, х, Гкоордината, скорость и усилие на выходе СБПЦ соответственно.
Поскольку в качестве СЧ СБГЩ выступает СОЭ, то СБПЦ обладает, всеми достоинствами и недостатками присущими используемому СОЭ и схеме его включения (рисунок В. 13). В то же время СБПЦ более удобный термин для математического анализа, поскольку включает в себя не только < сам СОЭ и устройство управления им (как правило ДР), но учитывает также схему включеиия СОЭ действующую на него нагрузку, и: возмущающее воздействие.
Выше рассматривались СОЭ различных, конструкций и различных. названий, которые были даны этим СОЭ в основном изрекламных соображений. Между тем если оценивать их действие с терминологических позицийприменяемых в. теории тидрои пневмоприводов, то упомянутые СОЭ являются СБПЦ. Более подробная детализация позволяет ввести следующую классификацию:
• СБПЦ одностороннего действия невозвратного типа (рисунок В. 12. а);
• СБПЦ одностороннего действия с возвратной пружиной (рисунок В. 126);
• СБПЦ двустороннего действия (рисунок В. 12 В, г).
В дальнейшем будем придерживаться именно такой строгой классификации.
Примеры применения СОЭ в технике.
СОЭ достаточно широко применяются в разомкнутых приводах, в качестве тянущих и давящих ИД с возвратной пружиной или дифференциального типа. Их высокие динамические показатели позволяют применять их в системах стабилизации, активной виброзащиты, в различных испытательных стендах, имитирующих динамические нагрузки. Примером такого стенда может служить стенд для имитации нагрузок возникающих при движении автомобиля (рисунок В. 14) [11].
Рисунок В. 14. Стенд, имитирующий динамические нагрузки при движении автомобиля.
Применение СБПЦ на основе СОЭ возможно в ракетной или торпедной технике как для обеспечения малых габаритов, так и придания высоких динамических показателей СП соответствующих изделий. При этом немаловажным фактором в пользу таких ИД выступают их малая масса, высокая динамика, значительные развиваемые усилия и низкая стоимость.
Отдельно следует отметить применение СОЭ при создании антропоморфных манипуляторов и педипуляторов. Популярность применения СОЭ в данной области объясняется тем, что в настоящий момент камнем преткновения становится сложность или иногда даже невозможность создания робототехнических устройств нового уровня на базе конструкторских решений, которые использовались 10−20 лет назад. Характерным примером тому является практика создания манипуляционных систем на электромеханических редукторных приводах. А, учитывая прогресс в развитии искусственного интеллекта, можно говорить об определенном разрыве между запросами по внедрению (перспективах развития) и возможностями технической реализации некоторых сложных робототехнических систем.
Положительные качества СОЭ, такие как малая масса, высокая динамика возможность работы на «ползучих» скоростях не остались незамеченными разработчиками робототехнических систем. Так, компания «Shadow robot company» (Англия), представила свою разработку — манипулятор «Shadow С5 Dextrous Hand», выполненный на ПМ, повторяющий по своим функциональным возможностям работу кисти человека (рисунок В. 15) [20].
Рисунок В. 15. Манипулятор «Shadow С5 Dextrous Hand». Похожий манипулятор разработала и фирма «Festo» (рисунок В. 16) [21].
Рисунок В. 16. Разработка компании «Festo» .
Позже фирма «Festo» усовершенствовала конструкцию своего манипулятора, назвав его «Airic's arm» (рисунок В. 17) [22]. Это рука и прилегающий к ней «кусок» спины. Длина «Airic's arm», когда рука распрямлена, составляет 0,85 метра, а её вес равен 6,3 килограмма.
Рисунок В. 17. Манипулятор «Airic's arm» .
Также встречаются и другие разработки с использованием СОЭ, например, педипулятор, разработанный в «Vrije Universiteit Brussel», где в качестве силовой части использовались СОЭ «Pneumatic Artificial Muscle» собственной разработки (рисунок В. 18) [23].
Рисунок В. 18. Pneumatic Artificial Muscle.
Принцип работы данных СОЭ аналогичен принципу работы ММ, отличие заключается только в технической реализации самих элементов. Внешний вид педипулятора («Robot Lucy») [23] представлен на рисунке В. 19.
Рисунок В. 19. Внешний вид педипулятора («Robot Lucy»).
Вышеперечисленные внедрения в робототехнические системы СОЭ в качестве ИД все же носят скорее единичный характер, в то время как большая часть внедрений СОЭ относится к области разомкнутых приводов. Достаточно редкое использование СБПЦ на базе ПМ в робототехнических системах объясняется почти полным отсутствием доступного для широкого круга разработчиков математического аппарата, достоверно описывающего его работу. Так опираясь на доступную техническую литературу по приведенным выше разработкам [20, 21, 22, 23, 24] хорошо видно, что при разработке и моделировании СП проводился достаточно большой объем экспериментальных исследований. Указанная необходимость в экспериментальных данных существенно снижает возможности для внедрения оболочковых СБПЦ в различные СП.
В [15] уже предпринимались попытки описания динамики работы ПМ, однако достоверность полученных результатов не достаточна ввиду неучета особых свойств сжатого газа для построения сложных робототехнических систем. Существуют и другие исследования, например [24], однако данные материалы далеко не всегда доступны к использованию в инженерных расчетах и требуют дополнительных исследований. Помимо этого на сегодняшний день в каталогах приводится очень мало исходных данных для СОЭ. Например, фирма «Festo» в своих каталогах приводит только силовые характеристики [12], a «Shadow robot company» не дает практически никаких данных для своих СОЭ, в то время как для построения динамической математической модели требуется значительно большее количество исходных данных.
Достоверное определение динамических процессов в СОЭ, связанных с изменением конфигурации оболочки, развиваемым ею усилием и действующим давлением рабочей среды, требуют привлечения теории газодинамики. В противном случае неучет особых свойств рабочей среды резко снижает достоверность динамических моделей СОЭ и СБПЦ так как неучет сжимаемости газа, изменения его свойств в зависимости от температуры и давления, а также от процессов, связанных с характером расширения газа (изотермический, адиабатический), не позволит спрогнозировать выходные параметры СОЭ в динамике, а, следовательно, не обеспечит создание высококачественной СП.
При этом динамические процессы, непосредственно учитывающие течение газа в полости СОЭ при его математическом описании, не столь интересны, поскольку скорость протекания этих процессов значительно превосходит по величине скорость динамических процессов в оболочке самих СОЭ. В то же время для получения корректных результатов при описании работы СОЭ в составе СБПЦ необходима математическая модель, связывающая изменение давления и плотности рабочей среды и взаимодействие рабочей среды с гибкой оболочкой СОЭ при ее расширении при различных термодинамических процессах.
Огромную роль в работе оболочкового СБПЦ играет сжимаемость газов, которая с одной стороны делает СП более устойчивой к ударным нагрузкам, с другой стороны в значительной степени влияет на её жесткость (способность сохранять положение выходного звена под воздействием нагрузки).
Большинство монографий и статей (см. например [16, 17, 18, 19]), посвященных теории газодинамики, рассматривают вопросы движения тел в воздушной среде или течения газов в различных условиях и связанных с этим газодинамических процессов. При этом, как правило, предполагается рассмотрение некоторого малого объема среды (или нескольких объемов), для которого определяются плотность, скорость среды, внутренний момент количества движения, внутренняя энергия частицы и тензор напряжений (для описания механического напряженного состояния частицы). Такой подход не конструктивен для описания работы оболочкового СБПЦ, поскольку * не дает возможность установить связь между значительной по величине входной координатой для СОЭ — объемным расходом среды через ДР и выходными координатами СОЭ — изменением внутреннего объема оболочки, развиваемым усилием и величиной ее линейного сокращения.
Указанными обстоятельствами определяется актуальность, разработки математических моделей оболочковых СБПЦ на основе теории газодинамики, • учитывающих упомянутую выше специфику и достоинства ИД на СОЭ представленные в таблице В.4.
Обобщая вышеизложенное, можно констатировать, что на данный момент отсутствует общая методология проектирования СП на базе оболочковых СБПЦ, что создает существенное препятствие для болееширокого распространения СОЭ в технике. Таким образом, целями данной работы является теоретическое и расчетно-экспериментапьное обоснование возможности широкого применения СБПЦ на базе СОЭ в технике, путем разработки достоверных математических моделей, пригодных для широкого применения в инженерных расчетах при разработке современных, высококачественных СП.
Круг исследований в данной диссертационной работе ограничен классом СОЭ типа ПМ, которые в настоящее время наиболее востребованы в различных областях техники.
Достижение указанных целей носит инновационный характер и предусматривает решения в данной работе следующих основных задач:
1. Создать статическую математическую модель СОЭ типа ПМ, объясняющую возникновение тянущих усилий, а также установить связь между величиной тянущих усилий, давлением внутри оболочки СОЭ и его сокращением.
2. Разработать динамические математические модели СБПЦ различных типов на базе СОЭ типа ПМ с учетом особенностей, связанных с применяемой в них рабочей средой — сжатым воздухом, обеспечив при этом возможность их использования в инженерных расчетах и высокую достоверность.
3. Оценить достоверность разработанных динамических математических моделей оболочковых СБПЦ одностороннего действия невозвратного типа и СБПЦ двустороннего действия путем оценки их ЛАЧХ, полученных расчетным и экспериментальным путем.
4. Разработать методику выбора СОЭ типа ПМ для СБПЦ различных видов по условиям технического задания на проектирование системы управления.
5. На ряде расчетных примеров показать перспективность создания высококачественных систем управления на основе оболочковых СБПЦ на базе ПМ различных типов в разнообразных областях техники.
ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.
1. Геометрическая интерпретация связи давления и объема оболочки СОЭ с изменением его конфигурации и развиваемыми усилиями, рассмотренная в диссертации, позволяет идентифицировать статические характеристики СОЭ, а также формализовать полученные данные в виде таблиц и графиков для дальнейшего упрощения процедуры расчетов.
2. Разработанная в диссертации процедура расчета квазистационарной динамической математической модели СЧ СБПЦ невозвратного типа с использованием элементов теории газодинамики и опыта инженерной практики позволиляет корректно учесть влияние газодинамических процессов, протекающих в СЧ СБПЦ.
3. На основе упомянутых выше теоретических процедур разработана методика выбора СОЭ, являющихся СЧ СБПЦ.
4. Созданный для экспериментальных исследований специальный стенд и программа автоматизированной обработки опытных данных дают возможность выполнить большой объем испытаний для оболочкового СБПЦ одностороннего действия невозвратного типа. Полученные экспериментальные результаты полностью подтверждают достоверность научных положений, представленных теоретическими расчетами.
5. Универсальная методика выбора и расчета статических характеристик СЧ оболочковых СБПЦ и численных параметров ПФ оболочковых СБПЦ по перемещению, возмущению и усилию удобно формализована и вполне доступна для широкого круга инженеров-разработчиков современных СП.
