Машиностроение и компьютерные технологии. 2017; : 36-56
Технические средства пневмоавтоматики: пневмомускул
https://doi.org/10.24108/1017.0001315Аннотация
Традиционным исполнительным двигателем для пневмоприводов является дифференциальный пневмоцилиндр двухстороннего действия, используемый для создания толкающего усилия, которое существенно больше тянущего. Пневмомускул является исполнительным двигателем одностороннего действия и используется для создания тянущего усилия. В основу работы пневмомускула заложено свойство цилиндрической мембраны (тонкой двухмерной эластичной структуры) изменять свою форму или размеры под действием приложенного к ней избыточного давления рабочего тела.
Целью работы является представление широкому кругу специалистов в области пневмоавтоматики этого нового типа исполнительного двигателя. На примере структуры мембраны пневмомускула семейства MAS фирмы «FESTO» рассмотрена физическая сущность его работы и установлена зависимость усилия, развиваемого пневмомускулом, от величины избыточного давления в его внутренней полости и величины сокращения. Даны описание экспериментальной установки для исследования статических и динамических характеристик пневмомускула, а также конструкция нагружающего и измерительного устройства.
В результате экспериментальных исследований получены статические и динамические характеристики пневмомускула MAS 10-300: зависимости «усилие – сокращение», «усилие - избыточное давления», «сокращение - избыточное давления». В соответствии с данными каталога продукции германской фирмы «FESTO», определено осредненное прогнозируемое значение начального угла плетения нити корда для трех типоразмеров пневмомускула семейства MAS, составившее 23…25,5 градуса.
Показано, что силовая характеристика пневмомускула существенно нелинейна: линейность характеристики проявляется только при малых сокращениях пневмомускула, не превыщающих 2% его первоначальной длины. Динамические свойства пневмомускула, нагруженного постоянной силой, оценивались путем анализа частотных характеристик: рабочая частота пневмомускула находилась в пределах f = 3…6 Гц.
Приведены данные воспроизводимости силовой характеристики пневмомускула при его циклическом нагружении постоянным по величине избыточным давлением p = 4 бар с частотой f = 0,5 Гц.
Проведенные исследования показали, что при циклическом нагружении пневмомускула отклонения величины усилия от ее осредненного значения носят систематический характер, зависят от числа нагружений, в силу чего не могут оцениваться статистическими характеристиками. Рассмотрен режим работы пневмомускула в качестве пружины растяжения, который соответствует приложению к пневмомускулу внешней силы, обеспечивающей возврат пневмомускула в начальную позицию после его сокращения под действием избыточного давления. Из силовой характеристики пневмомускула, посредством ее кусочно-линейной аппроксимации в пределах заданного диапазона изменения величины сокращения, получено осредненное значение жесткости пневматической пружины. Приведена сравнительная оценка усилий, развиваемых пневмомускулами и пневмоцилиндрами с равными рабочими площадями: установлено, что усилие сокращения пневмомускула, в среднем, в 12…14 раз превышает тянущее усилие пневмоцилиндра, однако это преимущество проявляется только при малых сокращениях пневмомускула. Исследована возможность использования короткого пневмомускула в качестве управляющего и нагружающего устройства затворов гидравлических и пневматических устройств автоматики клапанного типа.
Список литературы
1. Алыков А.Н., Драницкий И.О., Усачев К.А. Пневматические мускулы и их применение в робототехнических системах // Молодежный научно-технический вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 9. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/801411.html (дата обращения 9.11.2017).
2. Эластичные механизмы и конструкции / Шихирин В.Н. и др. Иркутск: Изд-во Иркутского гос. техн. ун-та, 2006. 287 с.
3. Беляев А.Ю., Щукин Т.Н. ТРИЗ – анализ направлений проектирования искусственных мускулов: обзор. М., 2012. 32 с. Режим доступа: http://2045.ru/pdf/kopp_ Beliaev_Schukin.pdf (дата обращения 15.11.2017).
4. Daerden F., Lefeber D. Pneumatic artificial muscles: actuators for robotics and automation. Режим доступа: http://lucy.vub.ac/be/publications/Daerden_ Lefeber_EJMEE.pdf (дата обращения 15.11.2017).
5. Iancu A., Filip V. Experimental studies regarding the behavior of a mechanical system with pneumatic muscle driven by compressed air // The Scientific Bulletin of Valahia Univ. Materials and Mechanics. 2011. No. 6. Pp. 160-167.
6. Челпанов И.Б., Ле Дык Тхинь. Пневмодвигатели на основе армированных упругих оболочек // Вакуумная техника и технология. 2002. Т. 12. № 4. С. 205-210.
7. Колесникова Е.Г., Савинская Е.А., Умнов В.И. Гибкие приводы в робототехнике // Молодежный вестник Иркутского гос. техн. ун-та (ИрГТУ). 2012. № 1. С. 2-9. Режим доступа: http://mvestnik.istu.irk.ru/ru/journals/2012/01/articles/01 (дата обращения 15.11.2017).
8. Хессе С. Пневмомускул за работой. 150 примеров применения пневматического мускула: пер. с англ. Киев: Фесто, 2004. 140 с. [Hesse S. 99 examples of pneumatic applications. Esslingen: Festo AG & Co., 2001. 120 p.].
9. Лошицкий П.А., Шеховцова Е.Е. Перспективы применения силовых оболочковых элементов в манипуляционных системах // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. № 4(5). С. 68-72.
10. Назаров Ф.М., Форенталь В.И., Форенталь М.В. Проектирование и расчет трехкоординатной качающейся платформы с пневматическим приводом. Изв. Самарского науч. центра РАН. 2015. Т. 17. № 2(4). С. 851-858.
11. Ferraresi C., Franco W., Bertetto A.M. Flexible pneumatic actuators: a comparison between the McKibben and the straight fibres muscles // J. of Robotics and Mechatronics. 2001. Vol. 13. No. 1. Pp. 56-63.
12. Шароватов В.Т., Лошицкий П.А. Математическая модель силового бесштокового пневмоцилиндра одностороннего действия оболочкового типа // Мехатроника, автоматизация, управление. 2011. № 2. С.30-36.
13. Serres J.L. Dynamic characterization of a pneumatic muscle actuator and its application to resistive training device: doct. diss. … Dayton: Wright State Univ., 2008. 218 p.
14. Szepe T., Sarosi J. Model based open looped position control of PAM actuator // 8th IEEE Intern. symp. on intelligent systems and informatics: SISY 2010 (Subotica, Serbia, September 10-11, 2010): Proc. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 564-566. DOI: 10.1109/SISY.2010.5647177
15. Sarosi J., Fabulya Z. New function approximation for the force generated by fluidic muscle // Annals of the Faculty Engineering Hunedoara - Intern. J. of Engineering. 2012. Vol. 10. No. 2. Pp. 105-110.
16. Ле Дык Тхинь. Промышленные роботы с новыми типами пневмоприводов и вакуумными устройствами: автореф. дисс. … канд. тех. наук. СПб., 2003. 18 с.
17. Pilch Z., Bieniek T. Pneumatic muscle – measurement results and simulation models. Режим доступа: http://195.187.94.6/pliki/ogolne/prace%20IEL/240/17.pdf (дата обращения 15.11.2017).
18. Wereley N.M., Kothera C.S., Bubert E., Vocke R.D., Woods B., Gentry M. Pneumatic artificial muscle for aerospace applications // 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, structural dynamics and materials conf. (Palm Springs, CA, USA, May 4-7, 2009): Proc. N.Y.: AIAA, 2009. Pp. 502-512. DOI: 10.2514/6.2009-2140
Mechanical Engineering and Computer Science. 2017; : 36-56
Pneumatic Automation Tools: Pneumatic Muscle
https://doi.org/10.24108/1017.0001315Abstract
The traditional actuating motor for pneumatic drives is a differential double-acting pneumatic cylinder used to create a pushing force that is significantly larger than the pulling force. The pneumatic muscle is a single-acting operating motor to be used for creating a pulling force. The pneumatic muscle is based on a cylindrical bladder (a thin two-dimensional elastic structure) property to change its shape or size upon applying overpressure of actuating medium to it.
The paper objective is to present this new type of the actuating motor to a wide range of specialists in pneumatic automation. Using a bladder structure of the pneumatic muscle of the MAS family, company "FESTO" as an example, the paper considers a physical nature of its operation and defines a dependence of the force, developed by a pneumatic muscle in its internal cavity, on the overpressure value and the value of contraction. Describes an experimental setup to study static and dynamic characteristics of the pneumatic muscle, as well as a design of the loading and measuring device.
The experimental study allowed us to obtain static and dynamic characteristics of the pneumatic muscle MAS 10-300: dependencies "force - contraction", "force - overpressure", and “contraction -overpressure". The averaged predicted value of the braid angle of impulsion of the cord thread for three sizes of the MAS family pneumatic muscle is determined according to German FESTO Product Catalogue to be 23 ... 25.5°.
It is shown that the force curve of the pneumatic muscle is essentially nonlinear: the curve linearity is evident only when the pneumatic muscle contractions are, at most, 2% of its original length. Dynamic properties of the pneumatic muscle loaded with a constant force were evaluated through analysis of frequency characteristics: the operating frequency of the pneumatic muscle was f = 3 ... 6 Hz.
The paper presents the reproducibility data of the force characteristic of a pneumatic muscle during its cyclic constant-value over-pressurisation p = 4 bar with a frequency f = 0.5 Hz.
The researches have shown that with the cyclic over-pressurisation of the pneumatic muscle the force-value deviations from its averaged value are of systematic nature, depend on the number of loads, and so cannot be estimated by statistical characteristics. The paper considers an operating mode of the pneumatic muscle, as an extension spring, which is appropriate to the external force application to the pneumatic muscle to ensure return of the pneumatic muscle to the initial position after its contraction under over-pressurisation. An average value of the pneumatic spring stiffness is obtained from the force characteristic of the pneumatic muscle through its piecewise-linear approximation within the specified range of change in the contraction value. A comparative estimate of the forces developed by pneumatic muscles and pneumatic cylinders with equal working areas is given. It has been found that the pneumatic muscle contraction force exceeds the pulling force of the pneumatic cylinder, on average, 12 ... 14 times, but this advantage comes out only when the contractions of a pneumatic muscle are small. The usability of a short pneumatic muscle, as a control and loading device for the gates of hydraulic and pneumatic valve-type automation devices, has been investigated.
References
1. Alykov A.N., Dranitskii I.O., Usachev K.A. Pnevmaticheskie muskuly i ikh primenenie v robototekhnicheskikh sistemakh // Molodezhnyi nauchno-tekhnicheskii vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2015. № 9. Rezhim dostupa: http://sntbul.bmstu.ru/doc/801411.html (data obrashcheniya 9.11.2017).
2. Elastichnye mekhanizmy i konstruktsii / Shikhirin V.N. i dr. Irkutsk: Izd-vo Irkutskogo gos. tekhn. un-ta, 2006. 287 s.
3. Belyaev A.Yu., Shchukin T.N. TRIZ – analiz napravlenii proektirovaniya iskusstvennykh muskulov: obzor. M., 2012. 32 s. Rezhim dostupa: http://2045.ru/pdf/kopp_ Beliaev_Schukin.pdf (data obrashcheniya 15.11.2017).
4. Daerden F., Lefeber D. Pneumatic artificial muscles: actuators for robotics and automation. Rezhim dostupa: http://lucy.vub.ac/be/publications/Daerden_ Lefeber_EJMEE.pdf (data obrashcheniya 15.11.2017).
5. Iancu A., Filip V. Experimental studies regarding the behavior of a mechanical system with pneumatic muscle driven by compressed air // The Scientific Bulletin of Valahia Univ. Materials and Mechanics. 2011. No. 6. Pp. 160-167.
6. Chelpanov I.B., Le Dyk Tkhin'. Pnevmodvigateli na osnove armirovannykh uprugikh obolochek // Vakuumnaya tekhnika i tekhnologiya. 2002. T. 12. № 4. S. 205-210.
7. Kolesnikova E.G., Savinskaya E.A., Umnov V.I. Gibkie privody v robototekhnike // Molodezhnyi vestnik Irkutskogo gos. tekhn. un-ta (IrGTU). 2012. № 1. S. 2-9. Rezhim dostupa: http://mvestnik.istu.irk.ru/ru/journals/2012/01/articles/01 (data obrashcheniya 15.11.2017).
8. Khesse S. Pnevmomuskul za rabotoi. 150 primerov primeneniya pnevmaticheskogo muskula: per. s angl. Kiev: Festo, 2004. 140 s. [Hesse S. 99 examples of pneumatic applications. Esslingen: Festo AG & Co., 2001. 120 p.].
9. Loshitskii P.A., Shekhovtsova E.E. Perspektivy primeneniya silovykh obolochkovykh elementov v manipulyatsionnykh sistemakh // Robototekhnika i tekhnicheskaya kibernetika. 2014. № 4(5). S. 68-72.
10. Nazarov F.M., Forental' V.I., Forental' M.V. Proektirovanie i raschet trekhkoordinatnoi kachayushcheisya platformy s pnevmaticheskim privodom. Izv. Samarskogo nauch. tsentra RAN. 2015. T. 17. № 2(4). S. 851-858.
11. Ferraresi C., Franco W., Bertetto A.M. Flexible pneumatic actuators: a comparison between the McKibben and the straight fibres muscles // J. of Robotics and Mechatronics. 2001. Vol. 13. No. 1. Pp. 56-63.
12. Sharovatov V.T., Loshitskii P.A. Matematicheskaya model' silovogo besshtokovogo pnevmotsilindra odnostoronnego deistviya obolochkovogo tipa // Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravlenie. 2011. № 2. S.30-36.
13. Serres J.L. Dynamic characterization of a pneumatic muscle actuator and its application to resistive training device: doct. diss. … Dayton: Wright State Univ., 2008. 218 p.
14. Szepe T., Sarosi J. Model based open looped position control of PAM actuator // 8th IEEE Intern. symp. on intelligent systems and informatics: SISY 2010 (Subotica, Serbia, September 10-11, 2010): Proc. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 564-566. DOI: 10.1109/SISY.2010.5647177
15. Sarosi J., Fabulya Z. New function approximation for the force generated by fluidic muscle // Annals of the Faculty Engineering Hunedoara - Intern. J. of Engineering. 2012. Vol. 10. No. 2. Pp. 105-110.
16. Le Dyk Tkhin'. Promyshlennye roboty s novymi tipami pnevmoprivodov i vakuumnymi ustroistvami: avtoref. diss. … kand. tekh. nauk. SPb., 2003. 18 s.
17. Pilch Z., Bieniek T. Pneumatic muscle – measurement results and simulation models. Rezhim dostupa: http://195.187.94.6/pliki/ogolne/prace%20IEL/240/17.pdf (data obrashcheniya 15.11.2017).
18. Wereley N.M., Kothera C.S., Bubert E., Vocke R.D., Woods B., Gentry M. Pneumatic artificial muscle for aerospace applications // 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, structural dynamics and materials conf. (Palm Springs, CA, USA, May 4-7, 2009): Proc. N.Y.: AIAA, 2009. Pp. 502-512. DOI: 10.2514/6.2009-2140
