Даниил Андреевич Коротыч, ассистент и аспирант кафедры гидравлики, гидропневмоавтоматики и тепловых процессов
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Daniil A. Korotych, Teaching assistant and Postgraduate student of the Hydraulics, Hydropneumoautomatics and Heat Management Department
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003
Валентин Сергеевич Сидоренко, доктор технических наук, профессор кафедры гидравлики, гидропневмоавтоматики и тепловых процессов
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Valentin S. Sidorenko, Dr.Sci. (Eng.), Professor of the Hydraulics, Hydropneumoautomatics and Heat Management Department
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003
Сергей Павлович Приходько, ассистент и аспирант кафедры гидравлики, гидропневмоавтоматики и тепловых процессов
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Sergey P. Prikhodko, Teaching assistant and Postgraduate student of the Hydraulics, Hydropneumoautomatics and Heat Management Department
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003
Introduction. Long-stroke movements in automated pneumatic drives account for a significant number of executive movements in coordinate tables, automated warehouses, cutting machines, etc. Long-stroke movements degrade the dynamic quality and positioning of the drive. This is due to the friction of the piston and the nonlinear characteristics of the compressed gas flow in significant volumes of the pressure and drain cavities of the cylinder. Thus, it seems promising to create an automated position pneumatic actuator for long-stroke movements. This will increase the productivity of processes while providing the declared accuracy. The objective of the work is to obtain a mathematical model and dependences of the critical parameters of the proposed automated position long-stroke pneumatic drive of fabrication system in the areas of acceleration, steady-speed movement, deceleration, and braking.
Materials and Methods. The basis for calculations and modeling was the scheme of two trajectories of movement from point A to point E, taking into account the forces expended on these processes. The optimal displacement was determined using the Portnyagin’s principle (i.e., optimal performance). Proportional drive control was presented as a method of achieving the result. For long-stroke drive movements, schematic solution and design scheme were visualized in detail (presented as drawings). An original jet sensor with an internal pneumatic connection and a pneumo-mechanic discrete-proportional device for the control loop performance were proposed. The mathematical model included the movement and braking of the piston, the balance of mass flow, the pressure at points, and the control loop. The system of equations was solved by the Runge — Kutta method in the SimInTech software product. Based on the results of the study of a generalized mathematical model, the dependences of changes in the kinematic, power and pneumatic properties of the drive were constructed in real time during a typical positioning cycle. The information was summarized and presented as a set of graphs.
Results. The mathematical model was formed according to a set of calculations. It took into account the dependences characteristic of the movement of the piston of the pneumatic cylinder. The balance of mass flow was investigated by the equations of gas flow during compression in the chamber, through distributors and throttles, in the discharge and drain cavities and in the control device. Inequalities describing the pressures at the points and the control loop were considered. A complex mathematical model was solved in the SimInTech software environment by the Runge — Kutta method with a variable integration step. A fragment of the program was selected as one of the illustrations. It showed that the software used the following indicators for calculations: target and reduced coordinates; absolute gas constant; coefficients of spring stiffness, resistance, adiabatic and viscous friction in the piston; compressor pressure; mass of the moving parts of the pneumatic actuator; strength of external resistances; diameters of the pipeline, the pneumatic cylinder piston and the braking device; length of the stroke of the cylinder piston; area of piston cavities and throttles; length of the pipeline and its internal volume. Thus, the program manipulated a significant set of data, which made it possible to obtain meaningful and adequate results. The relationship of blocks and diagrams used in solving the model was schematically shown. We are talking about graphs of movements, areas, pressures, velocities and temperatures. Blocks with the program text and intended for integration were used. Thus, a mathematical model of an automated pneumatic drive of the fabrication system and the dependences of the basic parameters of its operation were obtained. The graphs indicated that the operating mechanism of the pneumatic actuator properly followed the proposed trajectory.
Discussion and Conclusion. The research results allowed us to consider several stages of long-stroke movement of the drive, to determine the time frame of these processes (from 0 to 0.65s), as well as changes in pressure and speed of movement of the pneumatic cylinder carriage recorded in these intervals. There were five such stages: acceleration, steady-speed movement, deceleration, movement with positioning speed, and braking. Further research will focus on optimizing the system to reduce the duration and maintain accurate positioning under external influences.
Введение. На длинноходовые перемещения в автоматизированных пневмоприводах приходится значительное количество исполнительных движений в координатных столах, на автоматизированных складах, раскройных машинах и т. д. Длинноходовые перемещения ухудшают динамическое качество и позиционирование привода. Это обусловлено трением поршня и нелинейными характеристиками потока сжатого газа в значительных объемах напорной и сливной полостей цилиндра. Таким образом, представляется перспективным создание автоматизированного позиционного пневмопривода для длинноходовых перемещений. Это позволит повысить производительность процессов при обеспечении заявленной точности.
Цель работы — получение математической модели и зависимостей основных параметров предложенного автоматизированного позиционного длинноходового пневмопривода технологического оборудования на участках разгона, движения с установившейся скоростью, замедления и торможения.
Материалы и методы. Базой для расчетов и моделирования стала схема двух траекторий перемещения из точки А в точку Е с учетом сил, затраченных на эти процессы. Оптимальное перемещение определили с помощью принципа Портнягина (то есть оптимального быстродействия). Пропорциональное управление приводом представлено как метод достижения результата. Для длинноходовых перемещений привода детально визуализированы (представлены как рисунки): схематическое решение и расчетная схема. Предложены оригинальный струйный датчик с внутренней пневматической связью и пневмомеханическое дискретнопропорциональное устройство для быстродействия контура управления. Математическая модель включает движение и торможение поршня, баланс массовых расходов, давление в точках и контур управления. Систему уравнений решали методом Рунге — Кутты в программном продукте «Симинтех» (Simintech). По итогам исследования обобщенной математической модели построили зависимости изменения кинематических, силовых и пневматических свойств привода в реальном времени при типовом цикле позиционирования. Информацию суммировали и представили как совокупность графиков.
Результаты исследования. Математическая модель сформирована по комплексу расчетов. Она учитывает зависимости, характерные для движения поршня пневмоцилиндра. Баланс массовых расходов исследуется по уравнениям расхода газа при сжатии в камере, через распределители и дроссели, в нагнетательной и сливной полостях и в управляющем устройстве. Рассмотрены неравенства, описывающие давления в точках и контур управления. Сложная математическая модель решалась в программной среде «Симинтех» (Simintech) методом Рунге — Кутты с изменяемым шагом интегрирования. Фрагмент работы программы выбран в качестве одной из иллюстраций. Он показывает, что софт задействует для расчетов такие показатели, как: заданная и приведенные координаты; универсальная газовая постоянная; коэффициенты жесткости пружины, сопротивления, адиабаты и вязкого трения в поршне; давление компрессора; массу подвижных частей пневмопривода; силу внешних сопротивлений; диаметры трубопровода, поршня пневмоцилиндра и тормозного устройства; протяженность хода поршня цилиндра; площади поршневых полостей и дросселей; длину трубопровода и его внутренний объем. Таким образом, программа оперирует значительным комплексом данных, что дает возможность получить существенные и адекватные результаты. Схематически показана взаимосвязь блоков и диаграмм, использованных при решении модели. Речь идет о графиках перемещений, площадей, давлений, скоростей и температур. Использованы блоки с текстом программы и предназначенные для интегрирования. Таким образом получены математическая модель автоматизированного пневмопривода технологического оборудования и зависимости основных параметров его работы. Графики свидетельствуют о том, что исполнительный механизм пневмопривода должным образом следует предложенной траектории.
Обсуждение и заключение. Итоги работы позволяют рассмотреть несколько этапов длинноходового перемещения привода, определить временные рамки этих процессов (от 0 до 0,65 сек), а также фиксируемые в данные промежутки изменения давления и скорости движения каретки пневмоцилиндра. Таких этапов пять: разгон, движение с установившейся скоростью, замедление, движение со скоростью позиционирования и торможение. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на оптимизации системы для сокращения продолжительности и поддержания точного позиционирования при внешних воздействиях.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.