Návrh a uplatnenie multifunkčného hydraulického pohonného systému

Návrh a uplatnenie multifunkčného hydraulického pohonného systému

Hydraulické pohonné systémy nachádzajú významné uplatnenie u prevažnej časti moderných strojov a zariadení. Ich použitie umožňuje rozvíjať nové koncepcie strojov a zariadení s dostatočnými prevádzkovými parametrami, s vyššou účinnosťou, menšou hmotnosťou, s väčším regulačným rozsahom a vyššou spoľahlivosťou prevádzky.

Charakteristika problému

Vývoj koncepcií novej techniky až do súčasnosti prešiel viacerými štádiami [1], odpovedajúcimi požiadavkám aplikovaných oblastí a technickým možnostiam komponentov, ktoré sú zatiaľ k dispozícii. Ďalšie podstatnejšie zmeny možno očakávať predovšetkým od vývoja komponentov umožňujúcich:

• koncentráciu funkcií a činnosti,
• prechod z priamej tlakovej väzby na riadenú v závislých režimoch činnosti,
• zintenzívnenie ich výkonu, ako aj vzrast časového fondu.

Vo výrobnej technike takýto handicap možno sčasti eliminovať použitím riešení koncentrujúcich funkcie a činnosť do jedného miesta. Rozšírenie funkcií umožňuje rozšíriť oblasť ich aplikácií z doterajších procesov do netradičných pracovných prostredí, kde je dominantnou koncentrácia funkcií a činnosti.

Úsilie o komplexnú činnosť na jednom stroji vedie k vývoju a využitiu nových štruktúr obrábacích strojov CNC a robotickej a manipulačnej techniky koncipovaných na báze sériových, príp. paralelných superštruktúr. Zároveň vyvoláva potrebu nových koncepcií interakčného (pracovného) uzla a strojového príslušenstva, cieľom ktorých je zabezpečenie zložitejších operácií, kde sú potrebné veľmi malé pohyby a vysoká manévrovateľnosť v určitom mieste, bez vyvodenia základných zmien polohy a orientácie v stroji a zariadení. V priebehu procesu základný uzol stroja a zariadenia vykonáva základné pohyby, pričom interakčný (pracovný) uzol realizuje veľmi malé pohyby, ktoré rozširujú funkčné možnosti stroja.

Množstvo manipulačných činností v koncentrovaných výrobách a montáži pozostáva z upnutia, zmeny orientácie a ustavenia objektu do požadovanej polohy ešte pred jeho ďalším pretváraním. Splnenie tejto úlohy má za následok to, že sa objekt vo výrobnom procese často uvoľňuje a znova upína. Tento proces je pomerne zložitý, zaberá mnoho času a vyžaduje ďalšie zariadenia, čo znižuje efektívnosť využitia strojov a zariadení vo väčšine výrobných procesov. Za tejto situácie má veľký priestor pre rozvoj funkčných možností strojov a zariadení v najbližších rokoch vývoj pohonných systémov, ktoré by umožňovali koncentrovať aktivity do jedného miesta. V dôsledku toho sa zjednoduší nastavovanie polohy a orientácia pracovných a výrobných predmetov.

Koncepcie riešenia

V doterajšej praxi koncentrácie funkcií a činnosti sa pohybové funkcie zabezpečujú jednotkami navzájom usporiadanými do série. Toto si vyžaduje zvýšené požiadavky na priestorové usporiadanie, prvkovú základňu a realizáciu (koncepciu) kinematického reťazca, ako aj na realizačné náklady. Technická prax preto čoraz viac siaha po nových riešeniach predstavujúcich integráciu funkcií priamo premietajúcu sa do integrovanej konštrukcie. Táto integrácia je postavená na princípoch:

• viacosého kĺbu (viacosí pohon) koncentrujúceho pohyby mechanizmu,
• viacnásobného kĺbu (viacnásobný, resp. multifunkčný pohon) agregujúceho pohyby mechanizmu,
• adaptabilného kĺbu (násobič toku energie) regulujúceho pohybovú silu mechanizmu.

Využitím uvedených princípov možno získať koncepcie riešenia, ktoré sú v nasledovnom texte popísané.

Viacosé pohony

Viacosé pohony sú postavené na združovaní (konštrukčnom zjednotení) monofunkčných pohonov (posuvných, rotačných) do integrovaného celku. Vychádza sa z požiadavky zabezpečiť rotačné, posuvné a obecné pohyby, ktorými sa realizujú operácie zamerané na zmenu miesta, polohy a orientácie objektu. Realizácia si vyžaduje špeciálnu konštrukciu pracovného kĺbu umožňujúceho pohyb vo viacerých osiach. Odpovedajúcim riešením pre tieto požiadavky je viacosí kĺb na obr. 1, ktorý tvoria dve rotačné jednotky. Tieto sú usporiadané tak, aby čo najviac vyhovovali predstavám o funkcii a maximálnom využití vlastností dvojosého kĺbu, ale aj požiadavkám naňho. Pohyb kĺbu je vyvodený prívodom pracovného média cez otvory v pevnej prepážke 1 a 2 do priestoru A a B, príp. C a D. Jeho možnosti dosiahnuť dostatočné pootočenie sú obmedzené a hodnoty pootočenia v základnej časti kĺbu sú 0 až 90° a v nadstavbe je to maximálne 270°.

Univerzálnosť pohonného systému pre pohyb vo viacerých pohybových osiach možno zrealizovať s využitím riešenia z obr. 2, určeného pre realizáciu dvoch posuvných a troch rotačných pohybov. Naplniť tento cieľ tradičným združovaním nebolo možné, ale dosiahlo sa to integráciou dvojosích kĺbov. Každý z týchto kĺbov umožňuje rotáciu o 360° a nekonečný posuv. Výsledkom ich integrácie je realizácia pohybov podľa obr. 2a, pričom jedna z rotácií je okolo hlavnej osi objektu, poloha ktorého sa nastavuje (nástroj, obrobok), a druhá a tretia okolo osi kolmej na hlavnú. V závislosti od konkrétnych konštrukcií druhá os objektu je totožná s osou interakčného uzla, ktorý je integrujúcou súčasťou paralelne usporiadaných dvojosových kĺbov (obr. 2b).

Pre potreby úplnej orientácie objektu, tak ako je znázornené na obr. 2a, je nevyhnutná preorientácia pohybových kĺbov relatívne k objektu. Tu sa myslí taká zmena orientácie, ktorú nemožno uskutočniť bez uvoľnenia objektu z kontaktných povrchov pohybových čeľustí. Tieto uvoľnenia možno realizovať pomocou prechytávacieho mechanizmu, ktorý je súčasťou pohybových kĺbov (obr. 2b), príp. prostredníctvom integrujúcej konštrukcie multifunkčného kĺbu. Prechytávací mechanizmus okrem prepolohovania kĺbov zlepšuje funkčné charakteristiky interakčného uzla s ohľadom na rýchle a efektívne polohovanie a orientáciu objektov.

Multifunkčné pohony

Vo špeciálnych a zložitých manipulačných operáciách, ktoré sú charakteristické nesymetrickou topológiou, voľnou polohou a orientáciou objektov, je nutné riešiť upínanie objektov v súlade s postupnými pohybmi upínacích čeľustí a reagovať na charakteristické vlastnosti objektov a manipulačnej scény. Ide o dosiahnutie úplného kontaktu v mieste styku upínacích čeľustí s povrchom objektu, ktorý umožní prekonať excentrickosť, voľnosť a nesymetrickosť objektov. Riešiť naznačené problémy možno s využitím priamej tlakovej väzby na upínacie prvky [2], so spoločným vstupom a výstupom energie pre všetky piesty ovládajúce príslušné čeľuste, medzi ktorými pôsobí pružná mechanická väzba, ktorá zaistí centrickosť a presnosť uchopenia, bez potreby dodatočného škrtenia tlakovej energie. Tým sa zjednoduší ovládanie činnosti upínacieho zariadenia.

Kinematická štruktúra upínacieho zariadenia znázornená na obr. 3 je charakteristická tým, že principiálne novým spôsobom rieši upínanie nesymetrických objektov, resp. súčiastok, ktoré nemajú pevne definovanú polohu (nezorientované objekty). Podstatou riešenia je, že vo viacnásobnom lineárnom valci (1) je centricky uložená základná piestna tyč (2), pevne spojená s priamou čeľusťou. Ta je zo strán opatrená pozdĺžnymi drážkami pre pohyb šmýkadiel, ktoré sú pevne spojené s vedľajšími piestnymi tyčami (3). Tu je východzia poloha šmýkadla zabezpečená pružnou mechanickou poistkou v strednej časti priamej čeľusti, pričom v šmýkadlách sú vytvorené drážky, v ktorých sú otočne a posuvne uložené ramená (4) nepriamych čeľustí (5).

Predstavené riešenie, ktoré je postavené na tlakovej a pružnej mechanickej väzbe, nie je konečné a je možné ho ďalej rozvíjať. Reštrukturalizáciou viacnásobného lineárneho motora z priamej tlakovej na riadenú väzbu [3] možno vytvárať upínacie mechanizmy pre manipuláciu s neorientovanými objektmi v rôznorodých vzájomných väzbách. Výsledkom je určité modifikované riešenie, napr. na báze multifunkčného motora – obr. 4, predstavujúce vyššiu variabilnosť pohyblivosti čeľustí upínacieho zariadenia. Zvláštnosťou oproti riešeniu z obr. 3 je, že viacnásobný lineárny motor (1), ktorý je pevne fixovaný k rámu, plní aj funkciu piestnej tyče presúvneho valca (6). Vo výstupkoch valca (6) sú otočne uložené spoluzaberajúce ramená (4), (5) nepriamych čeľustí, ktoré majú podobu krivkového tvaru pracovných povrchov.

Vďaka multifunkčnosti lineárneho motora (1) je rozšírený počet nezávislých usporiadaní na dva, ktorým odpovedajú dve fázy činnosti:

• fáza f1: zoradenie čeľustí s ohľadom na maximálne prispôsobenie sa tvaru a veľkosti objektu a následná fixácia objektu (využíva sa činnosť prvkov 1-2; 1-3, 4, 5),

• fáza f2: mikropohyb s objektom s ohľadom na potrebu zmeniť polohu a orientáciu objektu (využíva sa najmä činnosť prvkov 1-2-3-6).

Aplikovaná koncepcia pohonu umožňuje aktivovať pohyby v rôznych kombináciách v jednej a druhej fáze. Tým sa dosiahne výrazné zmenšenie hmotnosti a rozmerov upínacieho zariadenia pri zachovaní flexibility a manipulačných schopností. Riešenie možno uplatniť nielen pri manipulácii s nesymetrickými objektmi, ale aj u niektorých montážnych operácií, kde sa vyžadujú veľmi malé pohyby polohovania a orientácie objektov v zóne upínania využívajúce koncentrované pohyby.

Adaptabilné pohony

V súvislosti so zmenami pracovných parametrov strojov a zariadení (ako výkon, rýchlosť a dráha), ktoré sú dôsledkom prechodov napr. z voľnobežného režimu na pracovný, je nutné sa zaoberať efektívnosťou technických realizačných prostriedkov. Dôsledkom toho sa uprednostňujú riešenia zamerané najmä na multiplikáciu tlaku a súvisiacich posuvových rýchlostí. Ide o hydraulické systémy, ktoré nachádzajú uplatnenie pri pohybe interakčného uzla z nezaťaženej do pracovnej polohy a při jeho riadení, ďalej je to upínanie, razenie, tlakové skúšky a taktiež vysokotlaké náradie.

Jedným z riešení schopných zmeny parametrov sú hydraulické multiplikátory tlaku [4], ktoré zvyšujú dodávaný tlak o daný faktor zosilenia a úmerne tomu znižujú množstvo dodávaného oleja na strane výstupného tlaku. Výstupný tlak je udržiavaný pomocou automatického doplňovania na stále vysokej hodnote. Veľkosť výstupného tlaku sa reguluje pomocou prívodného tlaku, nakoľko je medzi nimi proporcionálny pomer. Podstata riešenia spočíva (obr. 5) v priamom mechanickom prepojení nízkotlakového (LP) a vysokotlakového piestu (HP) a ich tlakovej väzby prostredníctvom bistabilného ventilu (BV1). Olej preteká do vstupu násobiča IN a ďalej cez spätný ventil KV1, KV2 a DV do výstupu HP a dochádza k rýchlemu plneniu spotrebiča plným prietokom, ktoré dodáva hydraulické čerpadlo. Pri stúpnutí tlaku na výstupe dôjde k uzavretiu spätných ventilov KV1 a DV. Klopný ventil BV1 spojí priestory piestu VOL1 a VOL2. Tlak pôsobiaci v priestore VOL1 pohybuje piestom smerom dole. Keď je piest úplne dole, prestaví sa ventil BV1 a olej v priestore VOL2 pohybuje piestom smerom hore a dodáva vysoký tlak. Akonáhle je piest HP v hornej polohe, preklápa sa opäť ventil BV1 a cyklus sa opakuje, pokiaľ nie je dosiahnutý požadovaný tlak. V tomto momente sa zastaví oscilačný pohyb piesta. Pokiaľ tlak na výstupe poklesne, násobič opäť dopumpuje tlak na požadovanú hodnotu.

Uvedený pohon možno zaradiť medzi tzv. jednostupňové pohony, u ktorých sa mení úroveň energetického toku priamo konštrukciou mechanizmu. Dôsledkom toho sa zjednoduší štruktúra mechanizmu, zlepší sa dynamika pohonu a odpadá množstvo zložitých hydraulických zosilňovačov. Riešenie z obr. 5 umožňuje zmenu hodnoty tlaku, no dosiahnutie požadovanej hodnoty vyžaduje aj niekoľko cyklov. Preto sú za zaujímavé považované pripravované riešenia so znakmi integrity nízkotlakového a vysokotlakového stupňa v kompaktný celok a bezprostrednej adaptibility na zmenu vonkajších podmienok (priblíženie – upínanie) bez zvýšených nárokov na regulačnú a ovládaciu sústavu.

Záver

Súčasná priemyselná prax poukazuje na potrebu rýchleho vývoja pracovných a interakčných mechanizmov s vyšším stupňom funkčných schopností s ohľadom na neustále sa rozvíjajúcu koncentráciu operácií do jedného miesta. Ukazuje sa, že realizácia takýchto systémov napomôže technologickým a manipulačným činnostiam vyžadujúcimi špeciálne režimy nastavovania polohy a orientácie bez potreby vyvodenia pohybu integrovanými zariadeniami. Koncentrácia aktivít vytvára podmienky umožňujúce realizovať zložitejšie úkony. Tým sa dosahujú vyššie časové efekty a zjednodušuje sa štruktúra technologického pracoviska.

doc. Ing. Štefan Valenčík, CSc.,
katedra výrobnej techniky a robotiky, Strojnícka fakulta, TU v Košiciach
(stefan.valencik@tuke.sk)