Устройство управления приводом шарнирно-рычажного механизма уравновешивающего манипулятора

 

Изобретение относится к подъемно-транспортному машиностроению, а именно к устройствам управления приводом шарнирно-рычажного механизма уравновешивающего манипулятора. Цель изобретения - повышение безопасности управления. Устройство содержит датчик 4 усилия, пульт 6 управления с пневмокамерами, суммирующий пневмоклапан 12 и пневмоклапан 11 давления, выход которого соединен с пневмоприводом 5 вертикального перемещения, вход - с первым источником P<SB POS="POST">1</SB> давления, а первый вход суммирующего пневмоклапана - с вторым источником P<SB POS="POST">2</SB> давления, соединенным с входом датчика 4 усилия, выход которого соединен со вторым входом суммирующего пневмоклапана 12, сумматор 13, ключевой элемент 15, реле 14 блокировки и элемент 16 сравнения с камерами входа, выхода, сброса, обратной связи, атмосферной и управления с камерами. Скорость перемещения груза зависит от величины возросшего давления на выходе пневмоклапана 11 давления, а следовательно, от величины слагаемого сигнала, поступающего на сумматор 13 от пульта 6 управления, т.е. от угла поворота рукоятки 61 управления. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (I!) (я)5 В 66 С 13/20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3983349/27-11 (22) 02.12.85 (46) 23.06.90. Бюл. N. 23 (71) Донецкий филиал Института "Гипроуглеавтоматизация" (72) Г,С.Бакрымов, В.M.Áåëîóñîe, И.Е,Мовчан, Н.А. Ш матков, Л. В,Долгов, P.Ô.Ëóêîÿнов, Ф.С.Иоффе, P.Ï.Âèííè÷óê и А.К.Алекса (53) 621.873 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1027995, кл. В 66 С 23/54, 1984. (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ

ПРИВОДОМ ШАРНИРНО-РЫЧАЖНОГО М Е ХАН ИЗ МА УРАВ НОВЕШИВАЮЩЕГО МАНИПУЛЯТОРА (57) Изобретение относится к подьемнотранспортному машиностроению, а именно к устройствам управления приводом шарнирно-рычажного механизма уравновешивающего.манипулятора, Цель изобретения— повышение безопасности управления. Устройство содержит датчик 4 усилия, пульт 6 управления с пневмокамерами, суммирующий пневмоклапан 12 и пневмоклапан 11 давления, выход которого соединен с пневмоприводом 5 вертикального перемещения, вход — с первым источником Р1 давления, а первый вход суммирующего пневмоклапана — с вторым источником Р2 давления, соединенным с входом датчика 4 усилия, выход которого соединен с вторым входом суммирующего пневмоклапана 12, сумматор 13, ключевой элемент 15, реле 14 блокировки и элемент 16 сравнения с камерами входа, выхода, сброса, обратной связи, атмосферной и управления с камерами. Скорость перемещения груза зависит от величины возросшего давления на выходе пневмоклапана 11 давления, а следовательно, от величины слагаемого сигнала, поступающего на. сумматор 13 от пульта 6 управления, т,е. от угла поворота рукоятки 61 управления. 3 ил, 10 равенством эи);

30

40

55

Изобретение относится к подъемнотранспортному оборудованию, а именно к уравновешивающим манипуляторам, применяемым для механизации погрузочноразгрузочных работ.

Цель изобретения — повышение безопасности управления.

На фиг.1 изображен манипулятор, общий вид; на фиг,2 — система управления манипулятором; на фиг.3 — пул ьт уп равления.

Манипулятор содержит стрелу 1, выполненную в виде шарнирно-рычажного механизма и шарнирно закрепленную посредством роликов в горизонтальных и вертикальных направляющих, закрепленных на корпусе 2, который имеет возможность поворачиваться относительно оси опорно-поворотного устройства 3. Одно из звеньев шарнирно-рычажного механизма кинематически соединено через датчик 4 усилия со штоком пневмопривода 5 вертикального перемещения, На конце стрелы 1 расположен пульт 6 управления, соединенный линиями 7 связи с блоком 8 управления, который расположен на корпусе 2 в непосредственной близости с пневмоприводом 5 и. датчиком 4 усилия и соединен с ними соответственно линиями 9 и 10 связи.

Блок 8 управления (фиг;2) состоит из пневмоклапана 11 давления, суммирующего пневмоклапэна 12, сумматора 13, реле 14 блокировки, ключевого элемента 15 и элемента 16 сравнения.

Питание элементов блока 8 управления осуществляется от двух источников давления. первым Р1 из которых является магистраль сжатого воздуха, а вторым Pz — редукционный клапан (не показан), который понижает давление до уровня 0,14 — 0,16 МПа и питает элементы управления: суммирующий пневмоклапан 12, сумматор 13, реле 14 блокировки, элемент 16 сравнения и датчик 4 усилия.

Пневмоклапан 11 давления соединен с магистралью сжатого воздуха (с первым источником давления Р1) посредством обратного клапана 17 и состоит иэ камеры 18 входа, камеры 19 выхода и камеры 20управ- ления. В камере 18 входа располо>кена подпружиненная заслонка 21, соединенная с жестким центром разгрузочной мембраны . 22. В камере 19 выхода расположен мембранный чувствительный элемент 23, который через полый шток 24 соединен с жестким центром мембраны камеры 20 управления, Рабочая полость пневмопривода

5 соединена с камерой 19 выхода пневмоклапана 11 давления.

Суммирующий пневмоклапэн 12 состоит иэ камеры 25 питания (nepnoro входа), камеры 26 выхода (отрицательной обратной связи), камеры 27 управления (второго вход4), образованной двумя мембранами с разными эффективными площадями, Все мембраны обьединены в блок с полым штоком 28. Камера 25 питания выполнена подвижной и содержит преобразователь сопло — шарик. Суммирующий пневмоклапан 12 имеет пружину 29 сдвига, Давление в камере 26 выхода суммирующего пневмоклапана 12 изменяется в соответствии с

Рвых = K Ру + Рсд, где Рвах — давление воздуха в камере выхода (в камере 26 отрицательной обратной свяP — давление воздуха в управляющей камере 27;

К вЂ” передаточная фун кци я (коэффи ци-. ент усиления) устройства, представляющая собой постоянный множитель;

A Р д — величина сдвига, которая устанавливается пружиной 29 с помощью маховика 30.

Коэффициентусиления К регулируется с помощью маховичка 31, который при вращении перемещает камеру 25 питания, а вместе с ней через шарик — весь мембранный блок с полым штоком 28. При перемещении мембранного блока происходит одновременное изменение эффективных площадей всех мембран и изменение коэффициента усиления устройства. Влияние коэффициента К, таким образом, сводится к повороту, т.е, к регулировке наклона характеристики суммирующего пневмоклапана 12 вокруг ,точки настройки сдвига (Л Рсд).

Необходимость изменения коэффициента К вызвана несовпадением расчетных и действительных характеристик датчика 4 усилия, пневмоклэпанэ 11 давления и элемента 16 сравнения из-за разброса характеристик мембран и отклонений размеров деталей (определяющих эффективные площади мембран) при их изготовлении.

Выход суммирующего пневм0клапана

12 соединен с первым входом сумматора 13, который выполнен в виде пятимембранного элемента. Реле 14 блокировки мажет быть выполнено, например, в виде двухмембрэнного реле, состоящего из камеры 32 входа, камеры 33 выхода, управляющей камеры (камеры второго входа) 34, мембранного блока с полым штоком 35, заслонки 36 и двух пружин 37 и 38.

Управляющая камера 34 соединена с первым источником давления и при наличии

1572985

30 выполнен в виде стакана 48, в котором раз- 35

55 сигнала от этого источника мембранный блок со штоком 35, преодолевая усилия пружин 37 и 38, перемещает заслонку 36 вниз и соединяет камеру 32 входа с камерой 33 выхода, т.е. реле находится во включенном состоянии.

Выход реле 14 блокировки соединен с управляющей камерой ключевого элемента

15, выход которого соединен с камерой 20 управления пневмоклапана 11 давления, а вход — с выходом элемента 16 сравнения.

Элемент 16 сравнения состоит из следующих камер: входа 39, выхода 40, сброса 41, обратной связи 42, атмосферной 43 и управляющая 44. Камеры отделены одна от другой мембранами с разными эффективными площадями. Жесткие центры мембранного блока соединены между собой с помощью полого штока 45. Камера 40 выхода соединена с камерой 39 входа посредством элемента сопло — заслонка 46, а с камерой 41 сброса — через отверстия в полом штоке 45.

B атмосферной камере 43 расположена пружина 47, создающая сдвиг характеристики с нулевого участка с целью исключения нелинейности при малыых значениях (до 0,02

МПа) входных сигналов.

Камера 42 обратной связи соединена с камерой 19 выхода пневмоклапаHà 11 давления, а управляющая камера 44 — с выходом сумматора .1 3.

Датчик 4 усилия состоит из силоизмерительного элемента и пневматического преобразователя. Силоизмерительный элемент мещены два поршня 49 и 50, имеющие разную эффективную площадь. Поршень 49 с большей площадью уплотняется с помощью резинового кольца, а поршень 50 с меньшей площадью — с помощью мембраны. Объем между поршнями заполнен жидкостью.

Пйевматический преобразователь датчика 4 состоит из камеры 51 входа, камеры

52 выхода и мембранного чувствительного элемента 53 с полым штоком 54. Камера 51 входа соединена со вторым источникомдавления Р (от редукционного клапана), а камера 52 выхода — с камерой 27 управления суммирующего пневмоклапана 12.

Пульт управления (фиг.3) выполнен, например, в виде двух емкостей 55 и 56 с эластичными мембранами 57 и 58, жесткие центры которых кинематически взаимодействуют, например, через толкатели 59 и 60 с рукояткой 61 управления. Каждая емкость

55 и 56 соедилненасоответственно линиями связи с глухими камерами (суммирования и вычитания) сумматора 13 (фиг.2) и образует замкнутый объем, который изменяется при отклонении рукоятки 61 управления вверх

20 или вниз за счет перемещения жесткого центра мембран 57 и 58. Изменение объема емкостей 55 или 56 приводит к изменению давления воздуха во всех точках этих объемов.

Таким образом, величина давления воздуха в камерах сумматора 13, соединенных с пультом 6 управления, определяется степенью перемещения жесткого центра мембраны 57 (58), т.е. зависит от угла поворота рукоятки 61.

Устройство работает следующим образом, Масса захватного устройства без груза или с грузом и неуравновешенная часть шарнирно-рычажного механизма (фиг,1) уравновешивается усилием, развиваемым давлением сжатого воздуха в пневмоприводе 5.

Управление давлением в пневмоприводе 5 осуществляется следующим образом.

Усилие от груза, захватного устройства и неуравновешенной части шарнирно-рычажного механизма воздействует на поршень 49 (фиг.2) силоизмерительного элемента даТчика 4 усилия, а через жидкость и поршень 50 — на шток 54 пневматического преобразователя. Усилия, воспринимаемые поршнями силозимерительного элемента, обратно пропорциональны их площадям, так как жидкость практически несжимаема.

Таким образом, датчик 4 усилия выдает пневматический сигнал, пропорциональный усилию, действующему на поршень 49. Этот сигнал поступает в камеру 27 управления суммирующего пневмоклапана 12, в основу которого положен принцип силовой компенсации. Величина выходного давления (в камере 26 отрицательной обратной связи) определяется степенью сжатия пружины 29 сдвига и величиной давления в камере 27 управления, Выходной сигнал суммирующего пневмоклапана 12 поступает на первый вход сумматора 13. При отсутствии сигналов на втором и третьем входах сумматора 13 выходной сигнал его всегда будет равен входному сигналу, поступающему от суммирующего пневмоклапана 12, т.е. в данном случае сумматор работает в режиме повторителя. Выходной сигнал сумматора

13 поступает в камеру 44. управления элемента 16 сравнения.

Действие элемента 16 сравнения основано на принципе компенсации сил. Давление в управляющей камере 44 создает на мембране усилие, которое уравновешивается усилием от давления сжатого воздуха на мембранах камеры 42 обратной связи и усилием пружины 47. Так как эффективная площадь мембраны камеры 40 выхода и сопла, 15729(35 соединяющего камеры 39 входа и камеры 40 выхода, примерно равны между собой, но значительно меньше эффективных площадей мембран камер 44 управления и суммарной площади мембран 42 обратной связи, а также учитывая, что усилие пружины 47 значительно превосходит усилие пружины сопло — заслонки 46, то можно считать, что действие сил от давления на мембране камеры 40 выхода и пружины не оказывает 10 влияние на равновесие мембранного блока элемента 16 сравнения.

Тэк как выход элемента 16 сравнения через ключевой элемент 15 соединен с камерой 20 управления пневмоклапана 11

Давления, а камера 42 обратной связи соединена непосредственно с камерой 19 выхода пневмоклапана давления, то выходное давление пневмоклапана 11 давления воздействует на мембраны обратной связи элемента 16 сравнения и в установившемся режиме уравновешивается усилием мембраны камеры 44 управления. При изменении давления в пневмоприводе 5, вследствие изменения давления в магистрали сжатого воздуха или расхода (при перемещении поршня пневмопривода 5), а также при изменении давления в камере 44 управления. элемента 16 сравнения (при изменении нагрузки на шарнирно-рычажном механизме манипулятора) в последнем происходит рассогласование сил, которые выводят мембранный блок из равновесного состояния, изменяя давление в камере 20 управления, При этом нарушается равенство сил на мембранном блоке пневмоклапэнэ 11 давления и под действием этих сил заслонка 21 изменяет набор или сброс воздуха в пневмоприводе 5 до тех пор, пока действие обратной связи не приведет к восстановлению баланса сил на мембранном блоке элемента 16 сравнения, Поскольку в элементе 16 сравнения используется схема силовой компенсации, то небольшие изменения давления в камере 42 обратной связи или в камере 44 управления и соответствующие им перемещения мембранного блока элемента 16 сравнения (на десятые доли миллиметра) вызывают существенное увеличение давления в управляющей камере 20 пневмоклапана 11 давления и значительное перемещение подвижной системы это о пневмоклапана.

Таким образом, наполнение рабочей камеры пневмопривода 5, управляемого пневмоклапаном 11 давления и элементом 16 сравнения, происходит через полностью открытое проходное сечение пневмоклапана

11, что уменьшает время заполнения рабоЧей камеры пневмопривода 5 и повышает

55 быстродействие его, способствуя значительному ускорению выхода пневмопривода 5 на режим статического равновесия шарнирно-рычажного механизма с грузом л ббой массы, Благодаря тому, что силоизмерительный элемент датчика 4 усилия воспринимает усилие не только от поднимаемого груза, а также от шарнирно-рычажного механизма, т.е. от всей подвижной системы, то любое изменение положения подвижной системы, а также смещение центра тяжести груза относительно точки крепления захватного устройства не вызовет разбалансуравновешивания, так как датчик усилия воспринимает эти изменения и выдает сигнал, пропорциональный этим изменениям, поддерживая систему в равновесии, Подъем или опускание груза осуществляется при отклонении рукоятки 61 управления пульта управления (фиг.3) соответственно вверх или вниз.

При отклонении рукоятки управления, например, вверх в замкнутом объеме емкость 55 — линия связи — камера суммирования сумматора 13 возникает давление, которое суммируется с сигналом от суммирующего пнеь моклапана 12. Возросшее значение выходного сигнала сумматора 13 приводит к увеличению давления в камере

44 управления элемента 16 сравнения, а следовательно, к пропорциональному увеличению давления нэ выходе пневмоклапана 11 давления. В результате чего усилие, создаваемое пневмоприводом 5, становится больше, чем необходимо для уравновешивания шарнирно-рычажного механизма с грузом, Таким образом, пневмопривод приводит в движение шарнирно-рычажный механизм,поднимаягруз.Скорость перемещения груза зависит от величины возросшего давления на выходе пневмоклапана 11 давления, а следовательно, от величины слагаемого сигнала, поступающего на сумматор 13 от пульта 6 управления, т.е, от угла поворота рукоятки 61 управления.

После возвращения рукоятки 61 в нейтральное положение исчезает давление с камеры суммирования сумматора 13, что приводит к восстановлению равенства входного (от суммирующего пневмоклапана

12) и выходного сигналов сумматора 13, а следовательно, к установлению давления в пневмоприводе 5, необходимого для уравновешивания шарнирно-рычажного механизма с грузом.

При отклонении рукоятки 61 вниз в замкнутом объеме емкость 56 — линия связи— камера вычитания сумматора 13 возникает

1572985

10

25

35

45

55 давление, которое уменьшает сигнал, поступающий от суммирующего пневмоклапана

12. В результате уменьшения выходного сигнала сумматора 13 происходит уменьшение давления в камере 44 управления элемента 16 сравнения, Пропорционально изменению давления в камере 44 управления уменьшится давление в пневмоприводе 5. Усилие, развиваемое пневмоприводом 5, станет меньше необходимого для уравновешивания шарнирно-рычажного механизма с грузом.

Груз опускается до тех- пор, пока рукоятка управления не возвратится .в нейтральное положение.

Наличие реле 14 блокировки и ключевого элемента 15, который соединяет выход элемента 16 сравнения с входом пневмоклапана давления, повышает безопасность управления при исчезновении давления в магистрали, Реле 14 блокировки реагирует на падение давления в магистрали. Если эта давление выше установленного предела, определяемого пружиной 38, то выходной сигнал реле 14 блокировки держит во включенном состоянии ключевой элемент 15, при котором мембранный блок этого элемента находится в верхнем положении, а заслонка прижата пружиной к соплу. Сигнал ат элемента 16 сравнения через полый шток ключевого элемента 15 поступает в камеру 20 управления пневмаклапана 11 давления.

При падении давления в магистрали ниже допустимого пружина 38 перемещает мембранный блок реле 14 блокировки вверх и соединяет выход реле с атмосферой. Исчезает сигнал с управляющей камеры ключевого элемента 15, при этом мембранный блок этого элемента пад действием верхней пружины (усилие нижней пружины меньше верхней) переместится вниз и заслонкой перекрается подвижное сопла мембранного блока. Таким образом, "отсекается" и "запирается" сигнал в камере 20 управления пневмоклапана 11 давления, т.е. в этом случае ключевой элемент.15 выполняет функцию отсечного клапана.

Одновременно при падении давления в магистрали обратный клапан 17 "отсекает" и "запирает" камеру входа пневмоклапана

11 давления.

Таким образом, осуществляется "запирание" сжатого воздуха в пневмаприводе 5 при падении давления в магистрали или при обрыве магистрального трубопровода, Обрыв линий 7 связи, проходящих по звеньям шарнирно-рычажного механизма (фиг.1), не приводит к аварийной ситуации, так как в этих линиях сигналы появляются только в период подъема или опускания груза. При обрыве этих линий в процессе перемещения груза происходит остановка перемещения. Таким образом, обеспечивается безопасность управления манипулятором.

Благодаря расположению всех элементов системы (датчика 4 усилия, пнемоклапана

11 давления, суммирующего пневмоклапана 12, сумматора 13 и элемента 16 сравнения),участвующих в формировании давления в пневмоприводе 5, на корпусе манипулятора в непосредственной близости от пневмопривода 5 (т,е. благодаря сокращению длин линий связи между этими элементами), а также благодаря малым перемещениям мембранного блока элемента 16 сравнения и отсутствия трения в подвижных элементах система обладает высоким быстродействием, хорошей чувствительностью и точностью поддержания давления в пневмоприваде 5 манипулятора, Формула изобретения

Устройство управления приводом шарнирно-рычажного механизма уравновешивающего манипулятора, содержащее датчик усилия, пульт управления с пневмакамерами, суммирующий пневмаклапан и пневмаклапан давления, выход которого соединен с пневмаприводом вертикального перемещения, вход — с первым источником давления, а первый вход суммирующего пневмаклапана — с вторым источником давления, соединенным с входом датчика усилия, выход которого соединен с вторым входам суммирующего пневмоклапана, а тл и ч а ю щ е е с я тем, чта, с целью повышения безопасности управления. ана снабжено дополнительно сумматором, ключевым элементом, реле блокировки и элементом сравнения с камерами входа, выхода, сброса, обратной связи, атмосферной и управления, образованными размещенными в корпусе мембранами, выполненными с разными эффективными площадями и жесткими центрами, соединенными между собой с помощью полого штока, причем камера выхода соединена с камерой входа посредством элемента сопла-заслонка, а с камерой сброса — через отверстие в полом штоке, камера обратной связи соединена с выходом пневмоклапана давления и отделена ат камеры управления атмосферной камерой, в которой расположена пружина сдвига, камера входа соединена с вторым источником давления, камера выхода через ключевой элемент — c управляющей камерой пневмаклапана давления, а камера управления — с

1572985

55

Составитель В.Преображенская

Техред М.Моргентал Корректор А.Обручар. Редактор Н.Гунько

Заказ 1619 Тираж 610 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

В выходом сумматора, первый вход которого соединен с выходом суммирующего пневмоклапанэ давления, второй и третий входы — с соответствующими пневмокамерами пульта управления, а четвертый — с вторым 5

I источником давления, соединенным с первым входам реле блокировки, второй вход которого соединен с первым источником давления, а выход-с управляющей камерой ключевого элемента.