Погрузочно-транспортное оборудование, используемое в современном портовом хозяйстве, не решает в полной мере вопросов механизации погрузо-разгрузочных работ. Остаются значительные объемы операций, выполняемых с использованием ручного труда. Определенную роль в механизации этих работ могут сыграть средства робототехники. Однако для создания условий, конкурирующих с ручным трудом, необходимо провести комплекс работ по адаптированию в. техническом и экономическом аспектах традиционного робототехнического оборудования к условиям конкурентного использования в портовых погрузочно-разгрузочных комплексах.
Использование робототехники позволяет решить ряд актуальных вопросов: повышение производительности оборудованиязамена ручного труда механизированным на основных и вспомогательных технологических операцияхувеличение загрузки оборудования за счет сокращения организационных потерь, упорядочения планирования и диспетчеризации, повышения ритмичности производства и сокращения простоевснижение повреждаемости обрабатываемых грузов, повышение стабильности процесса погрузо-разгрузочных работ.
Наибольший эффект роботизации можно достигнуть в условиях интеграции двух направлений: автоматизация обработки информации с помощью ЭВМ, что на сегодняшний день является наиболее развитой областью, и автоматизация технологии производства в направлении создания гибких производственных систем, что является актуальным вопросом и сегодня. Последний компонент позволяет придать погрузочно-разгрузочному процессу свойства технологической и технической гибкости. В случае технологической гибкости появляется возможность перенастройки техпроцесса на погрузку грузов произвольной номенклатуры в пределах установленных значений их характеристик, а в случае обеспечения технической гибкостибыстроты перенастройки перегрузочного процесса на новый вид грузов.
Одним из направлений внедрения робототехники является создание специализированных и специальных промышленных роботов (ПР) модульной конструкции под определенные технологические задачи, что позволяет решать вопросы по таким функциональным элементам как ПР (манипуляторы, устройства передвижения, устройства управления) и роботизированные технологические комплексы (технологические приспособления, оснастка, транспортные системы, системы управления).
Что касается внедрения промышленной робототехники, то эта задача решена на достаточно высоком уровне в машиностроении на обслуживании основного технологического оборудования и на выполнении таких основных технологических операциях, как сварка, нанесение покрытий, сборка и т. д. В речных портах же эта тенденция только начинает приобретать свою актуальность и дальнейшее развитие ее будет зависеть от адаптации существующих робототехнических комплексов (РТК) к условиям портового хозяйства.
Действительно, как показывают исследования с целью возможности использования робототехники на перегрузочных работах в портах [1], здесь появляется ряд вопросов, требующих решения для снижения трудозатрат при выполнении перегрузочных работ на ручных операциях, которые в среднем составляют 25-К30% (а иногда достигают и 50%). С одной стороны, это вызывает необходимость совершенствовать технологию перегрузочных работ, модернизировать эксплуатируемую технику, механизировать неблагоприятные с точки зрения использования ручного труда отдельные стадии разгрузки различных транспортных средств. Но, вместе с тем, остается большое число непосредственных, а так же даже механизированных ручных операций со значительными физическими и психологическими усилиями, ликвидация которых может быть решена средствами автоматизации и механизации.
Однако создание новых систем с учетом требований современных транспортно-погрузо-разгрузочных технологий требует использования более производительного, надежного и менее ресурсоемкого оборудования, позволяя повысить экономическую эффективность и снизить сроки окупаемости робототехнического оборудования от внедрения. А это, в свою очередь, зависит от того, насколько эффективно, производительно и адаптировано к конкретным условиям эксплуатации используемое оборудование.
Наметить пути снижения потерь, энергии при работе манипуляционной системы робота-погрузчика и уменьшить динамическую нагруженность элементов конструкции возможно только при анализе динамики движения механизмов манипулятора и выборе эффективных режимов его работы.
Целью настоящей диссертационной работы является создание приводного звена манипуляционной системы промышленного робота поступательного типа с минимальной энергоемкостью за счет снижения вредных динамических нагрузок системой компенсации энергии, аккумулирующей энергетические всплески поступательного привода в момент остановки с отдачей накопленной энергии системе «цилиндр-компенсатор». В качестве компенсирующего энергию элемента используется механические накопители.
Целью исследований является модернизация и адаптация к условиям эксплуатации современных портов пневматических роботов погрузчиков на базе углубленного их исследования и создания дополнительных модулей к стандартному оборудованию, повышающих основные технологические показатели.
Работа носит теоретико-экспериментальный характер.
Научная новизна работы:
1. Составлены модели и дано математическое описание с учетом упруго-гистерезисных свойств рабочей среды поступательных кинематических звеньев манипуляторов с пневматическим приводом, оснащенных пружинным накопителем энергии и рекуперативно-тормозным блоком, разработана методика компьютерных исследований динамики этих моделей.
2. Разработана компьютерная методика расчета, выбора эффективных режимов работы и проектирования поступательных кинематических звеньев манипуляторов с пневматическим приводом, оснащенных модулем рекуперативно-тормозного блока.
3. Разработана методика компьютерных исследований с использованием аналого-цифрового преобразователя динамики промышленного робота, обработки и сопоставления с результатами математического эксперимента полученной информации в цифровом виде.
Достоверность результатов исследований подтверждена адекватностью (корреляцией) результатов теоретических исследований экспериментальными данными, полученными на натурном образцепоступательном звене механизма выдвижения руки манипулятора пневматического промышленного робота ПР10И с цикловой системой управления.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
— решен комплекс проблем и созданы практические предпосылки для обеспечения эффективного использования РТК в портовом погрузо-разгрузочном комплексе;
— разработана система компенсации динамических нагрузок в момент остановки системы;
— разработан рекуперативно-тормозной блок для модернизации существующих систем и дана методика расчета таких систем;
— сформирована инженерная методика и программный продукт, адаптированный к уровню проектировщиков, для выбора параметров пневмопривода поступательных кинематических звеньев роботов-погрузчиков.
В принципиальном плане практическое значение работы состоит в том, что реализация выполненных разработок способствует решению проблемы эффективного использования роботизации погрузо-разгрузочных технологий в портовом хозяйстве. На защиту выносится:
1. Решение комплекса вопросов (проблем) по обеспечению условий эффективного применения пневматических роботов-погрузчиков в портовом хозяйстве.
2. Разработка модели и математическое описание поступательных кинематических звеньев манипуляторов с пневматическим приводом, оснащенных пружинным накопителем энергии и рекуперативно-тормозным блоком, разработанная методика компьютерных исследований динамики этих моделей.
3. Разработка компьютерной методики расчета, выбора эффективных режимов работы и проектирования поступательных кинематических звеньев манипуляторов с пневматическим приводом, оснащенных модулем рекуперативно-тормозного блока.
4. Разработка методики компьютерных исследований с использованием аналого-цифрового преобразователя динамики промышленного робота и обработки полученной информации в цифровом виде.
5. Созданная методика расчета пневматических приводов поступательного типа с учетом упруго-гистерезисных характеристик рабочей среды и компенсационных свойств накопителя энергии.
6. Решенный комплекс проблем и созданые практические предпосылки для обеспечения эффективного использования РТК в портовом погрузо-разгрузочном комплексе.
7. Разработанная система компенсации динамических нагрузок в момент остановки системы.
8. Разработанный рекуперативно-тормозной блок для модернизации существующих систем и дана методика расчета таких систем.
9. Программный (оригинальный) продукт для расчета и выбора эффективных режимов работы поступательных кинематических звеньев роботов-погрузчиков с пневматическим приводом.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены на:
— Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1997 года в МГТУ им. Н. Э. Баумана;
— Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1998 года в МГАВТ;
— Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъемно-транспортная техника» 1999 года в МГУПС (МИИТ);
— XXI научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московской Государственной академии водного транспорта 1999 года в МГАВТ;
— Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортная техника» 2000 года в МГСУ;
— Заседании технического совета Московского Южного речного порта. Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций:
Достоверность результатов исследований динамики движения поступательного звена робота погрузчика с пневматическим приводом и компенсационной рекуперативно-тормозной системой обусловлена использованием современной компьютерной программы Math Cad и результатами экспериментальных исследований на промышленном роботе ПР10И, выполненных с использованием аналого-цифрового преобразователя и последующего сравнения на PC ЭВМ результатов математического и натурного экспериментов в цифровой форме.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
1. В результате проведения комплекса натурных экспериментальных и математических исследований разработаны методы повышения эксплутационной эффективности портовых манипуляционных пневмопогрузчиков с пневматическим приводом в отношении повышения быстродействия, грузозахватности, снижения энергопотребления и динамической нагруженности.
2. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования на промышленном пневматическом манипуляторе по определению рабочих параметров системы поступательных перемещений кинематического звена с пневмоприводомэксперименты проведены с использованием комплекса датчиков регистрации основных параметров процесса (перемещения, скорости, ускорения, давления, точности позиционирования и др. расчетно-экспериментальные), аналого-цифрового преобразователя и компьютерной обработки полученной информации. Экспериментальные исследования позволили выявить основные недостатки традиционной системы и сформулировать главные задачи ее модернизации.
3. Разработана принципиально-конструктивная схема рекуперативно-тормозного блока и сформирована компьютерная программа его расчета и выбора эффективных режимов работы пневматических манипуляционных погрузчиков в условиях погрузо-разгрузочного портового хозяйства.
Сравнение характеристик пневматического манипуляционного погрузчика традиционного типа без рекуперационно-тормозного блока и модернизированного варианта с системой рекуперации энергии показывает, что модернизированная модификация как при гармоническом возбуждении, так и при бигармоническом отличаются плавностью в работе и существенно более низкими динамическими нагрузками. Анализ показывает также, что модернизированный пневматический погрузчик имеет также существенно более низкий расход энергии. При одинаковом уровне динамической нагруженности у него также выше быстродействие.
1. Составлены расчетные модели и дано математическое описание поступательных пневматических звеньев манипуляторов с пневмоприводом, учитывающие упруго-диссипативные свойства рабочей среды (сжатого воздуха) — рассмотрены как традиционные системы, так и комплексы оснащенные пневмо-пружинными накопителями энергии и рекуперативным блоком. С использованием динамических моделей разработана компьютерная методика и сформировано программное обеспечение для выбора эффективных режимов работы и проектирования поступательных кинематических звеньев манипуляционных погрузчиков с пневматическим приводом как традиционной компоновки, так и с рекуперативно-тормозным блоком. Разработанные методы адаптированны к требованиям инженерных расчетов.