Экспериментальное исследование точности позиционирования автоматизированного длинноходового бесштокового пневмопривода

Введение. Эффективность работы приводов, используемых в современном технологическом оборудовании, определяется скоростью перемещения рабочего органа по координатным осям и точностью позиционирования исполнительных элементов привода в режиме реального времени при реализации требуемых циклов работы [1]. Эти циклы, как правило, состоят из быстрого подвода исполнительного механизма, его замедления до скорости позиционирования, точной остановки и быстрого отвода [2].

Пневматические приводы характеризуются высокой скоростью перемещения и защитой от возгораний, а также обладают взрывобезопасностью, экологичностью, надежностью и гибкостью в условиях ограниченного пространства [3]. Они эффективно применяются в машиностроении, а также в пищевой, химической и деревообрабатывающей промышленности, где важно сочетание быстродействия и точности позиционирования силовых элементов привода [4].

Современные транспортные и технологические машины оснащаются разнообразными исполнительными механизмами, основанными на пневматических приводах [5]. К таким системам постоянно предъявляются всё более высокие требования к скорости, точности и надежности их работы [6]. В данном контексте пневмоавтоматика предлагает универсальные подходы к управлению схожими системами.

Большая часть современного промышленного приводного оборудования функционирует на основе автоматических пневматических приводов с длинноходовыми перемещениями силовых исполнительных элементов [7]. Эти общепромышленные позиционные приводы гарантируют точность позиционирования порядка 1 % (в некоторых специальных исполнениях может достигать до 0,4 %) от максимальной длины хода. Это негативно сказывается на точности пневмоприводов с длинными ходами [8]. Сжимаемость воздуха и сложные термодинамические процессы, возникающие в воздушных потоках, оказывают значительное влияние на управление потоками воздуха в магистралях привода и полостях пневмоцилиндра, что ограничивает позиционную точность работы привода [9].

Исследования Д.В. Шилина [10] продемонстрировали, что внедрение гибридной системы управления значительно повышает точность позиционирования каретки бесштокового пневмоцилиндра. Эксперименты позволили снизить погрешность до 0,2 % от длины хода, что является хорошим результатом. В работе [11] авторы предлагают новую схему контроллера на основе нечёткой логики, применяемую для управления отслеживанием траектории движения исполнительных механизмов робота-манипулятора с двумя степенями свободы.

Перспективным направлением является разработка гибких бесштоковых пневмоцилиндров для длинноходовых приводов типа Маккиббена [12]. Тестировались пневмоцилиндры с функцией самоудержания, обеспечивающие точное позиционирование даже без подачи давления. Дао Тхе Ань [13] разработал и исследовал автоматизированный позиционный пневмопривод с повышенной точностью и скоростью работы, выявив зависимости характеристик привода от массы перемещаемых объектов, коэффициента замедления, относительного перемещения и силы торможения.

В исследовании [14] представлена адаптивная схема следящего управления в скользящем режиме второго порядка для роботов-манипуляторов. Предложен новый закон управления, позволяющий обеспечивать переход траекторий робота-манипулятора от всех начальных условий к поверхности переключения пропорционально-интегральной производной за конечное время с последующим удержанием на этой поверхности.

Существует струйная позиционная система числового управления [15], основанная на цилиндре с поршнем и штоком, связанным с измерительной шкалой. Система использует датчик «сопло-приёмный канал» для формирования управляющего сигнала. Устройство работает на пневматическом датчике, измеряющем зазор между датчиком и наклонной измерительной планкой, угол наклона которой регулируется винтом. Выход датчика связан с управляющим входом порогового устройства, формирующего сигнал для остановки поршня, положение которого регулируется дросселем [15].

Ключевой недостаток рассматриваемых современных технических решений заключается в том, что они рассчитаны исключительно на использование стандартных цилиндров [16] с рабочим ходом, не превышающим трёх метров. При попытке реализовать механизмы с увеличенным ходом свыше трёх метров разработчики сталкиваются с комплексом серьезных технических препятствий [17]. Основная проблема заключается в том, что для обеспечения функционирования таких систем требуется модернизация управляющей системы, что приводит к значительному увеличению затрат на производство конечного продукта. Повышение стоимости происходит по двум основным направлениям: первое связано с внедрением более сложной управляющей электроники, второе — с потребностью в дополнительных элементах для надежной работы на увеличенных дистанциях [18]. В таких условиях критически важно создать инновационный подход, способный эффективно решать задачи, связанные с длинными ходами (более трёх метров). При этом новое решение должно не только обеспечивать необходимые технические характеристики, но и оставаться экономически оправданным для потенциальных пользователей, сохраняя высокий уровень эксплуатационных качеств [19].

Целью настоящей работы являлась экспериментальная верификация результатов математического моделирования позиционного длинноходового бесштокового пневмопривода, а также подтверждение степени влияния ключевых факторов на точность позиционирования.

Материалы и методы. Экспериментальные исследования были направлены на подтверждение результатов, достигнутых в ходе математического моделирования пневмоприводных систем, которое проводилось ранее в работе [8].

В ходе предварительных расчетов была подобрана элементная база стенда и сделан его сборочный чертёж, который представлен на рис. 1.

Стенд, как техническая модель пневмопривода для экспериментальных исследований, собранный на основе конструкторской документации, представлен на рис. 2. Для исследования пневматических и кинематических характеристик привода была разработана и применена оригинальная система управления, включающая струйный датчик и внешнее тормозное устройство [20].

В ходе разработки экспериментальной установки на испытательный стенд был смонтирован бесштоковый пневмоцилиндр Camozzi 52G2P40A0400 с рабочим ходом 400 мм и диаметром поршня 40 мм. На подвижной каретке данного устройства была закреплена предложенная оригинальная система управления, разработанная в рамках предшествующих исследований [20].

Данная система включала струйный датчик оригинальной конструкции, состоящий из двух сопловых элементов и специальной рейки с отверстиями, а также внешнее тормозное устройство, представленное двумя пневмоцилиндрами Camozzi 31F4A040A005 с фрикционными накладками на штоках [8]. Фрикционные накладки материала Арголон-ТХ были выбраны из-за их коэффициента трения, равного 0,4, и линейного износа, который составляет до 5,5 мкм/торм [13].

Дополнительно на стенде был установлен стандартный пневмоцилиндр Camozzi 40M2L050A0400, имеющий длину хода 400 мм и диаметр поршня 50 мм, что позволяло моделировать внешние нагрузки на привод. Для верификации работоспособности и точности показаний струйного датчика был применён метод проливки с использованием датчика расхода Camozzi MF4008-10-R-BV-A, расположенного после исследуемого элемента, и двух датчиков давления Camozzi SWCN-P10-P3-2, размещённых перед и после этого элемента. Проведённые испытания струйного датчика продемонстрировали высокую надёжность и стабильность работы в различных эксплуатационных режимах.

Для проливки использовался датчик расхода модели Camozzi MF4008-10-R-BV-A, обладающий следующими техническими характеристиками: аналоговый выход 0,5–4,5 В; измеряемая величина — объемный расход; начальное значение диапазона измерения расхода — 0 л/мин; конечное значение диапазона измерения расхода — 10 л/мин; точность (1,5+0,2FS/MV) %; рабочее давление — 0–5 бар. Для испытаний также были задействованы датчики давления модели Camozzi SWCN-P10-P3-2, которые имеют следующие технические характеристики: максимальное давление измерения — 10 бар; минимальное давление измерения — 1 бар; перепад давления измерения — 0,01 бар; максимальная погрешность — не более 2,01 %; коэффициент масштабирования — 1,543. Дополнительно для обеспечения точности измерений и контроля давления в различных узлах привода были использованы манометры Camozzi M043R-12. Экспериментальный стенд был оснащён современным электронным блоком управления, в который входил микроконтроллер модели Giga Device GD32F103VET6. Он отвечал за сбор и обработку данных со всех датчиков пневматической системы, а также за управление пневматическими распределителями. Для повышения точности позиционирования исполнительного механизма использовался энкодер модели New Hong OVW6-10-2HC, обладающий следующими техническими параметрами [21]: питание — DC 5–12 В, 12–24 В; частота отклика — 0–100 кГц; ток потребления — 80 мА. Все данные от датчиков давления и энкодера регистрировались в системе с использованием протокола Modbus [22]. Сбор информации со всех измерительных устройств осуществлялся персональным компьютером, синхронизированным с микроконтроллером через интерфейс модели W5500.

Контроллер DD1 взаимодействовал с системой, формируя управляющие сигналы для электромагнитных реле через транзисторный блок модели Unisonic Technologies ULN2003. Это обеспечивало точное и надёжное управление электромагнитами пневмораспределителей, а также поддержание заданных параметров работы привода в различных режимах эксплуатации [23].

На рис. 3 представлен внешний вид научно-исследовательского комплекса. Принцип его функционирования описан в работах [8][20] и др. Система управления данного комплекса состоит из бесконтактного струйного датчика и внешнего тормозного устройства.

Бесконтактный струйный датчик передает информацию о текущем положении исполнительного механизма пневмоцилиндра, осуществляет переключения управлений привода на его замедление и точную остановку.

Внешнее тормозное устройство осуществляет работу по фиксации исполнительного механизма пневмопривода при его стоянке и точной остановке в заданной координате, когда исполнительный механизм переходит на скорость позиционирования.

Экспериментальные исследования проводились при следующих условиях:

• максимальная скорость перемещения V_макс = 0,26 м/c;
• давление в пневмосистеме привода р_м = 6 бар;
• максимальная длина хода бесштокового пневмоцилидра L = 400 мм;
• масса перемещаемой нагрузки М_пр1 = 10, 30, 60 кг;
• координата остановки позиционирования (длина рабочего хода) L_пз = 150, 250, 350 мм;
• скорость позиционирования V_пз = 0,025–0,04 м/с.

В ходе проведения натурного эксперимента были исследованы:

• траектории перемещения исполнительного длинноходового пневмопривода: разгон и движение с установившейся максимальной скоростью; замедление скорости перемещения до скорости позиционирования; движение со скоростью позиционирования и останов в заданной координате;
• быстродействие длинноходового пневмопривода и его компонентов, что включает время разгона привода; продолжительность позиционного этапа и определение точности достижения заданного конечного положения;
• влияние внешней нагрузки и длины перемещения на скорость и точность позиционирования.

Результаты исследования. Графики перемещения силовых элементов привода, их скорости, а также зависимости давления воздуха в пневмосистеме привода, в сравнении с полученными в ходе моделирования графиками одноимённых параметров привода, представлены на рис. 4–6.

Максимальное расхождение результатов экспериментальных данных с данными математического моделирования (рис. 4–6) не превышает 18 %, что подтверждает достоверность результатов исследования [24].

Расхождение результатов исследования определялось для всех полученных данных (рис. 4–6) по следующей формуле [25]:

(1)

где a_э — данные, полученные в ходе экспериментального исследования (перемещение, скорость, давления), a_т — данные, полученные в результате теоретического исследования [26].

На рис. 7 и 8 подписи «L_exp» и «L_mod» обозначают осциллограммы, полученные в результате натурного и вычислительного экспериментов, соответственно.

На рис. 7 представлен результат исследования влияния массы М перемещаемой конструкции на величину точности позиционирования пневмоцилиндра.

Исследования продемонстрировали, что точность позиционирования привода зависит от массы перемещаемого объекта. При увеличении массы с 10 до 30 кг точность позиционирования снизилась в 1,47 раза, а при увеличении массы до 60 кг точность ухудшилась по сравнению с массой 10 кг в 1,37 раза.

На рис. 8 представлен результат исследования влияния координаты остановки исполнительного элемента привода на точность его позиционирования при одинаковой максимальной скорости перемещения. Установлено, что точность позиционирования привода зависит от длины его рабочего хода до полной остановки (координаты остановки): при изменении координаты остановки с 0,1 м до 0,22 м точность позиционирования ухудшилась в 3,2 раза, а при изменении координаты остановки с 0,22 м до 0,35 м точность позиционирования возросла в 2,2 раза. Это связано с тем, что во время работы привода создается противодавление в воздушной полости пневмоцилиндра при приближении поршня к крайним его стенкам (причем, чем ближе к стенке, тем давление больше) [27]. Противодавление дополнительно увеличивается также и при дросселировании за счёт сужения проходного сечения каналов отверстий, предназначенных для нагнетания и стравливания газа [28]. Сужение проходных сечений каналов приводит к торможению потоков газа [29]. Это наблюдается при перемещении исполнительного механизма привода со скоростью позиционирования [30].

Обсуждение. Проведенные экспериментальные исследования позволили достичь хороших результатов в области разработки длинноходовых пневмоприводов. Успешная верификация математической модели подтверждает корректность теоретических исследований, выполненных в предыдущих работах [8][19].

Достигнутая точность позиционирования привода составляет 77 мкм на дистанции свыше трех метров. Этот показатель существенно превосходит аналогичные результаты, представленные в работах [13][15], что демонстрирует высокий потенциал разработанной конструкции, так как экономическая эффективность предложенного решения обусловлена отсутствием электронной компонентной базы в системе управления [31]. Это не только снижает первоначальные затраты на производство, но и существенно упрощает техническое обслуживание привода в процессе эксплуатации [32]. Сравнительный анализ с существующими разработками [2][13] подтверждает превосходство разработанной системы по критерию затрат.

Заключение. Основные результаты данного исследования следующие:

• проведена экспериментальная верификация результатов математического моделирования позиционного длинноходового бесштокового пневмопривода. Максимальная погрешность исследований составила 18 %, что подтверждает адекватность математической модели и её возможность применения для инженерных расчетов.
• выявлены ключевые факторы, определяющие точность позиционирования привода: при увеличении перемещаемой массы с 10 до 60 кг точность позиционирования снижается на 40 %. Также установлено значительное влияние положения поршня пневмоцилиндра в крайних позициях на точность позиционирования, что приводит к ухудшению точности до четырех раз в центральных положениях из-за возникновения противодавления в сливной полости при достижении скорости позиционирования.

Проведенные исследования подтвердили эффективность разработанных решений для длинноходового бесштокового пневмопривода.

Практическая значимость исследования определяется возможностью применения полученных результатов при создании высокоточных длинноходовых механизмов в различных отраслях промышленности [33]. Разработанная конструкция может быть использована в автоматизированных производственных линиях, робототехнических комплексах и других областях, где требуется точное позиционирование на значительных расстояниях.

Перспективными направлениями дальнейших исследований являются оптимизация параметров управляющей системы для достижения еще более высокой точности позиционирования, а также разработка методик расчета позиционных длинноходовых пневмоприводов.