Устройство управления приводом шарнирно-рычажного механизма уравновешивающего манипулятора

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 72985 А 19) ( 1)5 В 66 С 13 ТЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС б 21) 3983349/27-11(22) 02.12.85б 46) 23,06.90, Бюл, М 23б 71) Донецкий филиал Института "Гипроуглеавтоматизация"б 72) Г,С.Бакрымов, В,М.Белоусов, И.Е,Мовчан, Н.А.Шматков, Л.В,Долгов, Р.Ф,Лукоянов, Ф.С.Иоффе, Р,П.Винничук и А.К,Алекса(56) Авторское свидетельство СССРМ 1027995, кл. В 66 С 23/54, 1984.б 54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯПРИВОДОМ ШАРНИРНО-РЫЧАЖНОГО М Е ХАН ИЗ МА УРАВ НОВЕШИВАЮЩЕГО МАНИПУЛЯТОРАб 57) Изобретение относится к подьемнотранспортному машиностроению, а именнок 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 Р 1 давления, а первый вход суммирующего пневмоклапана - с вторым источником Р 2 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,Изобретение относится к подъемно- транспортному оборудованию, а именно к уравновешивающим манипуляторам, применяемым для механизации погрузочно- разгрузочных 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 аиде 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. первьм Р 1 из которых является магистраль сжатого воздуха, а вторым Р 2 - редукционный клапан (не показан), который понижает давление до уровня 0,14 - 0,16 МПаи питает элементы управления; суммирующий пневмоклапан 12, сумматор 13, реле 14 блокировки, элемент 16 сравнения и датчик 4 усилия.10 20 303540 вика 30.Коэффициентусиления К регулируется с помощью маховичка 31, который при вращении перемещает камеру 25 питания, а вместе с ней через шарик - весь мембранныйблок 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 характеристикисуммирующего пневмоклапана 12 вокруг ,точки настройки сдвига (Л Рсд),Необходимость изменения коэффициента К вызвана несовпадением расчетных и действительных характеристик датчика 4усилия, пневмоклэпанэ 11 давления и элемента 16 сравнения из-за разброса характеСуммирующий пневмоклэпэн 12 состоит иэ камеры 25 питания (первого охода), камеры 26 выхода (отрицательной обратной связи), камеры 27 управления (второго входб), образованной двумя мембранами сразными эффективными площадями, Все мембраны обьединены в блок с полым штоком 28. Камера 25 питания выполнена подвижной и содержит преобразовательсопло - шарик, Суммирующий пневмоклапан 12 имеет пружину 29 сдвига, Давление в камере 26 выхода суммирующего пневмоклапана 12 изменяется в соответствии сравенствомРрах = КРу + Л Рсдгде Рвах - давление воздуха в камере выхода (в камере 26 отрицательной обратной свяэи);Ру - давление воздуха в управляющейкамере 27;К - передаточнаяфун кци я (коэффи ци-.ент усиления) устройства, представляющаясобой постоянный множитель;Л Рсд - величина сдвига, которая устанавливается пружиной 29 с помощью махо50 55 Пневмоклапан 11 давления соединен с магистралью сжатого воздуха (с первым источником давления Р 1) посредством обратного клапана 17 и состоит иэ камеры 18 входа, камеры 19 выхода и камеры 20 управления. В камере 18 входа располокена 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. ристик мембран и отклонений размеров деталей (определяющих эффективные площади мембран) при их изготовлении.Выход суммирующего пневмоклапэна 12 соединен с первым входом сумматора 13, который выполнен в виде пятимембранного элемента. Реле 14 блокировки может 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 наличии25 30 выполнен в виде стакана 48, в котором раз 40 45 50 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, В 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 пневмоклапана 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 2 (от редукционного клапана), а камера 52 выхода - с камерой 27 управления суммирующего пневмоклапана 12.Пульт управления (фиг.З) 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 управлениявверх 5 10 15 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, 15 298 Ькамеры 40 выхода и пружины не оказывает 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 влияние на равновесие мембранного блокаэлемента 16 сравнения.Тэк как выход элемента 16 сравнениячерез 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 ма истрали 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 этого 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 быстродействие его, способствуя значительному ускорению выхода пневмопривода 5 на режим статического равновесия шарнирно-рычажного механизма с грузом лббой 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 пнеьмоклапана 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 б 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 возникает5 10 20 25 30 35 40 45 50 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 засланкай 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 элементам, реле блокировки и элементом сравнения с камерами входа, выхода, сброса, обратнойсвязи, 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 - с управляющей камерой пневмаклапана давления, а камера управления - с12 Ф,ЛСоставитель В.ПреображенскаяРедактор Н.Гунько Техред М.Моргентал Корректор А.Обру аказ 1619 Тираж 610 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 45 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 1выходом сумматора, первый вход которого соединен с выходом суммирующего пневмоклапанэ давления, второй и третий входы - с соответствующими пневмокамерами пульта управления, а четвертый - с вторым 5 источником давления, соединенным с первым входам реле блокировки, второй вход которого соединен с первым источником давления, а выход-с управляющей камерой ключевого элемента.