Привод с рекуперацией механической энергии (маниплан)

Предполагаемое устройство относится к области машиностроения и может быть применено при конструировании цикловых промышленных роботов и манипуляторов с преимущественно прямолинейным движением подвижного рабочего органа, используемых для автоматизации вспомогательных загрузочно-разгрузочных операций в промышленности. Задачей предполагаемой полезной модели является повышение эффективности работы привода за счет обеспечения возможности перемещения рабочего органа на достаточно большие расстояния. Поставленная задача достигается тем, что в приводе с рекуперацией механической энергии (маниплан), включающем корпус, аккумуляторы механической энергии подвижного рабочего органа и устройства фиксации его на корпусе в крайних положениях, подвижный рабочий орган выполнен удлиненной формы в направлении перемещения с установленными на нем зацепами и стабилизаторами направления движения, а аккумулятор механической энергии выполнен в виде подпружиненного троса, закрепленного на корпусе и установленного перпендикулярно направлению перемещения рабочего органа с возможностью взаимодействия с зацепами. При этом стабилизаторы движения могут быть установлены с возможностью перемещения вдоль подвижного рабочего органа под действием инерционных сил. Реализация предлагаемого устройства позволяет значительно увеличить зону, обслуживаемую приводом.

Предполагаемое устройство относится к области машиностроения и может быть применено при конструировании цикловых промышленных роботов и манипуляторов с преимущественно прямолинейным движением подвижного рабочего органа, используемых для автоматизации вспомогательных загрузочно-разгрузочных операций в промышленности.

Функционально данный привод, получивший название колебательного, маятникового, резонансного типа включает корпус, подвижный рабочий орган, аккумулятор механической энергии, устройства фиксации (расфиксации) рабочего органа на жесткие упоры, устройство добавления в привод энергии и систему управления.

Известен угловой привод (см. Болотин Л.М., Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Цикловые роботы с аккумуляторами механической энергии. Основы построения привода // Станки и инструмент 4, 1984, с.7-10), в котором используют колебательные свойства механической системы. Рабочий орган установлен на корпусе с возможностью поворота относительно оси и подпружинен пружиной в среднем положении. В крайних положениях рабочего органа на корпусе установлены устройства зацепы, выполняющие функцию его фиксации и расфиксации. Энергопитание привода осуществляется электродвигателем, установленным на корпусе.

В исходном крайнем положении, рабочий орган кинематически связывают с корпусом через устройство фиксации и жесткий упор. При расфиксации рабочего органа запасенная в аккумуляторе потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию движения рабочего органа относительно корпуса, производя его разгон. После прохождения положения статического равновесия рабочий орган тормозят, преобразуя его кинетическую энергию в потенциальную аккумулятора энергии. Затем производят позиционирование и фиксацию на жесткий упор. Подпитка энергией привода колебательного типа осуществляется во время перемещения рабочего органа.

Постоянное взаимодействие рабочего органа с корпусом снижает его быстродействие, массогабаритные показатели, повышает энергопотребление и ограничивает рабочую зону.

Повышение быстродействия данных устройств ограничено с одной стороны трудностью расчета необходимого количества подкачиваемой энергии, а с другой стороны техническими характеристиками устройств реализующих добавление энергии, например, электродвигателем (см. А.с. 1219341, кл., В25J 18/00, бюл. 4, 1986 г.).

Известен привод (см. патент 2065354, кл. В25J 18/00, 9/12, бюл. 23, 1996 г. «Механическая рука»), в котором подпитка энергией происходит на определенных участках движения рабочего органа (Сысоев С.Н., Егоров И.Н., Черкасов Ю.В. Методы позиционирования исполнительного органа на жесткий упор // Станки и инструмент. - 1990. - 8. - С.12.). Это достигается добавлением энергии в процессе принудительного вывода рабочего органа в точку позиционирования и в момент расфиксации рабочего органа. Устройства позиционирования рабочего органа выполнены в виде постоянных магнитов, подпитка энергией системы осуществляется при помощи магнитных сил. Во время расфиксации рабочего органа магнитные силы отталкивают его, а при позиционировании дотягивают рабочий орган в точку позиционирования.

Недостатком данного устройства является то, что подпитка энергией привода производится на небольшом участке движения рабочего органа, что снижает точностные характеристики и тем самым ограничивает потенциальные скоростные характеристики привода. Кроме этого устройства позиционирования и подпитки энергии требуют точной настройки и не допускают значительных отклонений от многочисленных параметров привода, к которым относятся и масса перемещаемых предметов, нестабильность сил трения, значительные динамические нагрузки и др.

Данные устройства относятся к приводам углового перемещения подвижного рабочего органа, что ограничивает зону, обслуживаемую приводом.

Известен привод (см. А.с. 1664546, кл., В25J 11/00, 9/00, бюл. 27, 1991 г.) в котором реализовано линейное перемещение рабочего органа, позволяющий увеличить ход рабочего органа. Устройство состоит из корпуса, на котором установлен рабочий орган с возможностью линейного перемещения и позиционирования в крайних точках. Добавление энергии производят в момент выстоя рабочего органа в крайних положениях устройством подпитки энергии путем смещения положения статического равновесия рабочего органа.

Недостатком данного устройства являются ограничения величины перемещения рабочего органа и высокие энергозатраты, связанные с постоянным его силовым взаимодействием с корпусом.

Наиболее близким по технической сущности из известных является устройство, реализующее способ (см. пат. РФ 2266191 «Способ работы привода с рекуперацией механической энергии» Сысоева С.Н., опубл. 20.12.2005 г., Бюл. 35) работы привода. Способ включает добавление энергии рабочему органу, кинематически связанному с корпусом, достаточной для преодоления диссипативных сил, разгон и перемещение его относительно корпуса в требуемом направлении, торможение с аккумулированием кинетической энергии при подходе к точке позиционирования. Отличие способа заключается в том, что рабочий орган после его разгона кинематически отсоединяют от корпуса, а перед торможением соединяют с ним.

Устройство, реализующее данный способ состоит из корпуса, рабочего органа с устройствами фиксации, аккумулятора механической энергии и устройств позиционирования. После разгона рабочего органа, его отсоединяют от корпуса, а при подходе к требуемой точке позиционирования - соединяют. Это позволяет снизить энергозатраты и увеличить рабочий ход. Однако, чем больше величина хода рабочего органа, тем труднее обеспечить сохранение требуемой его ориентации тации в пространстве из-за отсутствия силового взаимодействия рабочего органа с корпусом, что ограничивает эффективность его работы.

Задачей предполагаемой полезной модели является повышение эффективности работы привода за счет обеспечения возможности перемещения рабочего органа на достаточно большие расстояния.

Поставленная задача достигается тем, что в приводе с рекуперацией механической энергии (маниплан), включающем корпус, аккумуляторы механической энергии подвижного рабочего органа и устройства фиксации его на корпусе в крайних положениях, подвижный рабочий орган выполнен удлиненной формы в направлении перемещения с установленными на нем зацепами и стабилизаторами направления движения, а аккумулятор механической энергии выполнен в виде подпружиненного троса, закрепленного на корпусе и установленного перпендикулярно направлению перемещения рабочего органа с возможностью взаимодействия с зацепами.

Широко применяемые в летательных аппаратах стабилизаторы работают только при движении подвижного рабочего органа в одном направлении. Стабилизаторы устанавливаются в хвостовой части подвижного рабочего органа по направлению его движения. Предлагаемый привод выполняет возвратно-поступательные движения. При этом чередуются хвостовая и передняя части подвижного рабочего органа. Это требует изменение местоположения стабилизаторов на подвижном рабочем органе. Поставленная задача может быть реализована в приводе с рекуперацией механической энергии (маниплан) путем установки стабилизаторов движения с возможностью перемещения вдоль подвижного рабочего органа под действием инерционных сил.

Пример реализации данного устройства показан на фиг.1 (вид сбоку), 2 (вид сверху). На фиг.1 показана последовательность работы привода, где: а - исходное положение рабочего органа; б - движение рабочего органа в требуемом направлении после его разгона; в - торможение рабочего органа; г - положение рабочего органа в требуемой точке позиционирования.

Привод включает корпус 1 и подвижный рабочий орган 2, установленный с возможностью перемещения относительно него. На рабочем органе установлены стабилизаторы направления движения 3 с возможностью перемещения вдоль него под действием инерционных сил. На подвижном рабочем органе закреплены безнасосные вакуумные захваты 4, выполняющие функции его фиксации и расфикасации относительно корпуса, а также функции демпфирующих устройств. На корпусе установлены подпружиненные тросы 5 (левый и правый) с возможностью взаимодействия с зацепами 6 (правый и левый) (фиг.1), закрепленными на подвижном рабочем органе. Левый трос 5 установлен с возможностью силового взаимодействия с правым зацепом 6, а правый трос - с левым зацепом 6.

Для работы привода требуется устройство подпитки энергией, которое на фиг. не показано. Подпитка привода энергией может осуществляться различными известными способами и устройствами для их реализации (см. «пат. РФ 2239549 «Способ подпитки энергией привода; колебательного типа» Сысоева С.Н., Михайлова Р.Г., опубл. 10.11.2004, БИ 31), например, дополнительным натяжением в исходном положении подпружиненного троса 5.

Привод с рекуперацией механической энергии (маниплан) работает следующим образом.

Перед началом работы (фиг 1, а, фиг.2) в исходном состоянии рабочий орган 2, располагают на корпусе 1, фиксируя исходную координату устройством фиксации вакуумным захватом 4 и создавая потенциальную энергию в аккумуляторе энергии подпружиненном тросе 5. При установке рабочего органа 2 натягивают трос 5 правым зацепом 6, организуя энергию в приводе, достаточную для компенсации потерь энергии при перемещении рабочего органа в требуемую точку позиционирования и возврата в исходное положение.

По команде на начало работы привода разъединяют рабочую полость левого вакуумного захвата с атмосферой, расфиксируя тем самым подвижный рабочий орган 2 относительно корпуса. Энергией запасенной в приводе разгоняют рабочий орган, перемещая его в направлении к требуемой точке позиционирования. После разгона исполнительный орган 2 кинематически отсоединяют от корпуса 1 и он продолжает свободное движение в направлении к требуемой точке позиционирования (фиг.1, б). При этом стабилизаторы за счет инерционных сил занимают крайнее левое положение. При подходе подвижного рабочего органа к требуемой точке позиционирования левый зацеп 6 взаимодействует с правым тросом 5, который натягиваясь, осуществляет торможение подвижного рабочего органа и перевод кинетической энергии движения подвижного рабочего органа в потенциальную энергию натяжения подпружиненного троса (фиг.1, в). При этом силы инерции от ускорения торможения приводят к перемещению стабилизаторов 3 в крайнее левое положение.

В конце движения подвижный рабочий орган фиксируется правым вакуумным захватом 4, обеспечивая его требуемое положение относительно корпуса 1 (фиг.1, г). Последовательность перемещения подвижного рабочего органа в исходное положение осуществляется аналогичным образом.

Установка стабилизаторов направления движения на подвижный рабочий орган с удлиненной в направлении перемещения формой и занимающих требуемое хвостовое расположение, реализация аккумулятора энергии в виде подпружиненных тросов и использование вакуумных захватов, включая безнасосных, в качестве устройств фиксации позволяет значительно увеличить зону, обслуживаемую приводом.

Данный привод получил название «маниплан» путем симбиоза двух слов:

манипулятор (механическая рука) и планер, а концепция построения приводов - название «Manifly» (см. Сысоев, С.Н. Концептуальное проектирование мани-пуляционных механизмов с рекуперацией механической энергии / С.П.Сысоев // Мехатроника. Автоматизация. Управление: труды I Всерос.конф. с межд. участ. - М, 2004. - С.259).

1. Привод с рекуперацией механической энергии, включающий корпус, аккумуляторы механической энергии подвижного рабочего органа и устройства фиксации его на корпусе в крайних положениях, отличающийся тем, что подвижный рабочий орган выполнен удлиненной формы в направлении перемещения с установленными на нем зацепами и стабилизаторами направления движения, а аккумулятор механической энергии выполнен в виде подпружиненного троса, закрепленного на корпусе и установленного перпендикулярно направлению перемещения рабочего органа с возможностью взаимодействия с зацепами.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что стабилизаторы направления движения установлены с возможностью перемещения вдоль подвижного рабочего органа под действием инерционных сил.