авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Активные силокомпесирующие электромеханические системы сбалансированных манипуляторов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Сухенко Николай Александрович

АКТИВНЫЕ СИЛОКОМПЕСИРУЮЩИЕ
ЭлектромеханическИЕ системЫ
СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ

05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2011

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматика» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Пятибратов Георгий Яковлевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Птах Геннадий Константинович,

кандидат технических наук, профессор Валюкевич Юрий Анатольевич.

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 11 ноября 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ВАК http://www.ed.gov.ru и ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан _10__ октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета П.Г. Колпахчьян

Актуальность работы. Применение сбалансированных манипуляторов (СМ) для механизации ручного труда, позволяет повысить эффективность выполнения основных и вспомогательных технологических операций литейных, механических, сборочных и других производств. В существующих СМ позиционирование исполнительного органа осуществляется рабочим посредством воздействия на рукоятку задатчика скорости в системе управления электропривода (ЭП), осуществляющей с требуемой точностью регулирование частоты вращения электродвигателя. Стремление уменьшить материалоемкость и энергопотребление обуславливает необходимость создания СМ облегчённой конструкции приводит к снижению жёсткости их конструкций, что обуславливает влияние упругостей механизмов на их работу, так как резонансные частоты механических колебаний попадают в полосу пропускания электропривода. Упругость механических передач и конструкций СМ приводит к повышению колебательности скорости, что способствует увеличению динамических нагрузок и ухудшению работы манипулятора. Повышение производительности работы СМ требует увеличения необходимого быстродействия их электроприводов.

Используемые типовые системы управления электроприводов СМ, не позволяют обеспечить требуемой точности отработки задания скоростных режимов и позиционирования перемещаемых объектов при наличии упругих связей в механической части системы, зазоров и кинематических погрешностей зубчатых передач. Поэтому разработка и создание эффективных электромеханических систем, обеспечивающих уравновешивание грузов благодаря регулированию усилий при демпфировании упругих колебаний исполнительных устройств СМ, является важной и актуальной задачей. Тема диссертационной работы соответствует научному направлению Южно–Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) / «ЮРГТУ (НПИ)»/ «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы, комплексы».

Объектом исследования является силокомпенсирующие электромеханические системы с повышенными колебательными свойствами, обусловленными упругостью механических передач.

Предметом исследования является система регулирования усилия в исполнительном механизме сбалансированных манипуляторов, осуществляющая заданную компенсацию силы тяжести груза и других сил сопротивления движению.

Цель диссертационной работы: повышение эффективности функционирования сбалансированных манипуляторов, благодаря применению электромеханических систем регулирования усилий, обеспечивающих необходимую компенсацию силы тяжести груза и активное демпфирование электроприводом колебаний в упругих механических передачах.

Задачи диссертационной работы:

  • определить требования к активным силокомпенсирующим системам СМ, используемых при механизации различных технологических процессов;
  • определить рациональную структуру системы регулирования усилия СМ при компенсации силы тяжести груза;
  • выбрать элементы электромеханической системы СМ, позволяющей с требуемой точностью уравновешивать груз и обеспечивать активное демпфирование электроприводом упругих колебаний в механических передачах;
  • разработать математические модели электромеханической системы СМ, учитывающие силовые взаимодействия в механизмах вертикальных перемещений груза СМ, позволяющие решить задачи анализа и синтеза силокомпенсирующей системы;
  • создать физическую модель силокомпенсирующей системы СМ для исследований силовых взаимодействий в ЭМС и подтверждения адекватности разработанного математического описания;
  • осуществить синтез структуры и параметров регулятора усилия в системе компенсации силы тяжести груза СМ и определить условия его практической реализации;
  • разработать технические решения по реализации системы управления компенсацией силы тяжести груза СМ и предложить рекомендации по ее практической настройке;
  • определить перспективы развития электроприводов СМ и их систем управления.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы теория электропривода, теория автоматического управления, операционное и вариационное исчисления, методы активной идентификации параметров систем управления, физическое и математическое моделирование в частотной и временной областях с применением ПЭВМ.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, корректным применением теоретических и экспериментальных методов исследования ЭМС, адекватностью используемых при исследованиях математических моделей и экспериментальным подтверждением основных полученных результатов.

Научная новизна диссертационной работы:

  • впервые научно обоснована целесообразность применения принципа силокомпенсации для заданной сбалансированности груза СМ с помощью электромеханической системы;
  • обоснована структура системы компенсации силы тяжести (СКСТ) груза СМ, отличающаяся применением обратной связи по ускорению приводного устройства, что обеспечивает уменьшение влияния механической инерционности приводного устройства на работу манипулятора;
  • с использованием методов вариационного исчисления выполнен оптимальный синтез регулятора усилий в предложенной структуре системы управления, позволяющий обеспечить требуемые показатели качества работы манипулятора и расширить их функциональные возможности;
  • определены условия и оценена эффективность применения активного ограничения динамических нагрузок в упругих элементах СКСТ СМ средствами ЭП;
  • обоснованы области рационального применения современных ЭП для создания СКСТ перспективных СМ.

Практическое значение диссертационной работы:

  • рекомендована рациональная структура СКСТ и получены аналитические выражения для расчета параметров оптимального регулятора усилия в системе с обратной связью по ускорению приводного устройства;
  • реализован в математической системе MAPLE V алгоритм практического определения значений параметров регулятора усилия, при изменении параметров ЭМС СМ;
  • предложены инженерные рекомендации по настройке регулятора усилия, позволяющие реализовать качественное управление усилием в реальных условиях работы СМ при изменении параметров механической части СМ;
  • создан универсальный стенд, позволяющий экспериментально исследовать ЭМС СМ и сопоставлять возможности существующей системы регулирования скорости электродвигателя и предложенной системы компенсации силы тяжести груза.

К защите представляются следующие основные положения:

  • структура системы регулирования усилия в упругих механизмах СМ, обеспечивающая требуемое уравновешивание груза манипулятора;
  • обобщенная математическая модель СКСТ, адекватно описывающая электромагнитные и упругие силовые взаимодействия в ЭМС с учетом реальных свойств механических передач СМ;
  • результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективности применения обратной связи по ускорению электродвигателя;
  • методика и результаты синтеза оптимального регулятора усилия в структуре СКСТ обратной связи по ускорению электродвигателя;
  • результаты исследования предложенных методов и способов реализации СКСТ СМ, определение области рационального применения современных ЭП и перспективы развития предлагаемых СКСТ манипуляторов.

Использование результатов диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы использованы при создании СКСТ грузоподъемных механизмов и при обучении студентов «ЮРГТУ (НПИ)» по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на III (25 октября 2002 г.) Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (г. Новочеркасск), V (18–21сент. 2007 г.) Международной (XVI Всероссийской) научной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП 2007» (г. Санкт–Петербург), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ЮРГТУ (НПИ) в 20032011 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано одиннадцать печатных работ общим объемом 5п.л., в том числе три статьи в журналах, рекомендованных ВАК, одна депонированная научная статья.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации: 184 страниц основного текста, 51 рисунка, 8 таблиц, 8 страниц списка используемой литературы из 81 наименования, 1 страницы приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель исследований, представлена их научная новизна и практическая значимость. Сформулированы основные результаты, выносимые на защиту.

В первом разделе диссертационной работы рассмотрены различные конструкции, принцип действия, основные технические характеристики и области применения СМ.

Особенность функционирования существующих сбалансированных манипуляторов заключается в том, что перемещение и позиционирование груза осуществляется рабочим при изменении задающего воздействия на вход контура регулирования скорости ЭП.

Выполненный нами анализ показал, что наибольшее распространение получили манипуляторы с электроприводом системы вертикальных перемещений (СВП) и пассивной системой горизонтальных перемещений груза. Для обеспечения высоких технических характеристик СМ необходимо реализовать следующие требования к исполнительному приводу СВП:

  • исходя из необходимости контроля положения перемещаемого объекта рабочим, привод механизма СВП манипулятора должен обеспечивать вертикальные перемещения груза с допустимыми скоростями и ускорениями и его фиксацию с высокой точностью;
  • работа манипулятора с хрупкими и крупногабаритными изделиями в ограниченных рабочих местах обуславливает необходимость плавного изменения скорости манипулятора без рывков, вибраций и просадок груза;
  • максимальная скорость вертикального перемещения vmах зависит от высоты зоны обслуживания и условий безопасной работы;
  • время переходного процесса tп при реализации рабочего цикла манипулятора не должно превышать 1,0…2,0 с;
  • грузоподъемность СМ с электроприводом составляет 100–250 кг;
  • уменьшение отрицательного влияния упругости механической передачи, с помощью электропривода;
  • необходимость контроля и ограничения ускорения привода в пуско–тормозных режимах с целью снижения динамических нагрузок в его механической части.

Анализ показал, что в существующих СМ эти требования обеспечивают электроприводы с непрерывным управлением скоростью двигателя.

Исследования и опыт эксплуатации СМ показал, что на качество работы манипуляторов оказывает влияние наличие упругих связей в конструкции их механической части. Для манипуляторов с ЭП частота упругих колебаний электромеханической системы У составляет от 20 до 60 рад/с, а коэффициент соотношения масс = (JД +JМ)/ JД =1,11,5, где JД  – момент инерции двигателя; JМ - момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя. Так как обычно JД > JМ, то при возмущающих силовых воздействиях колебания грузового блока манипулятора существенно выше, чем колебания вала двигателя, что необходимо учитывать при реализации системы управления электропривода.

Использование в системах управления электроприводом СМ информации об усилии позволяет осуществлять уравновешивание статической нагрузки груза моментом, развиваемым электроприводом. Такие технические решения используются, например, при реализации систем компенсации силы тяжести обезвешиваемых объектов тренажных комплексов. В силокомпенсирующих системах СМ эффект обезвешивания груза достигается благодаря созданию электродвигателем требуемого силового воздействия, компенсирующего силу тяжести и другие усилия, препятствующие перемещению груза рабочим.

Для улучшения работы манипуляторов, имеющих упругие связи, необходимо применять активные способы демпфирования колебаний в упругих механических передачах и конструкциях, благодаря созданию дополнительных силовых воздействий осуществляемых электроприводом.

При реализации таких систем, необходимо иметь информацию о реальных нагрузках в упругих элементах (УЭ) исполнительных механизмов манипулятора, что требует применения датчиков измерения усилий и реализации дополнительных обратных связей.

На основании выполненного анализа и результатов предварительных исследований сформулирована цель и определены задачи диссертационной работы.

Во втором разделе рассматриваются особенности математического описания СКСТ сбалансированного манипулятора. При разработке математического описания ЭМС СМ использовано ее поэлементное представление в виде механической, электрической и информационной частей.

Рис. 1 – Кинематическая схема исполнительного устройства и передаточного механизма СМ

Анализ кинематических и расчетных схем приводов сбалансированных манипуляторов показал, что наибольшее распространение получила кинематическая схема рычажного механизма на основе пантографа (рис. 1), которая может обеспечивать постоянную нагрузку на привод от полезного груза независимо от положения последнего в пределах зоны обслуживания и возможность перемещения груза по необходимым траекториям в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

С учетом реальных значений резонансных частот механической части манипуляторов и требуемого быстродействия ЭП обоснована целесообразность использования при математическом описании упруго-диссипативных свойств механической части СКСТ СМ дискретных многомассовых расчетных схем.

Анализ особенностей реализации и реальных параметров механической части ЭМС СМ показал, что для корректного учета влияния упругости, зазоров и сил трения в механической передачи, целесообразно примененять трехмассовые или четырехмассовые расчетные схемы для исследования реальных свойств механической части СКСТ груза сбалансированного манипулятора. Однако для упрощения решения задач анализа и синтеза СКСТ при принятии корректных допущений, при описании свойств СМ обоснована возможность применения линейной двухмассовой расчетной схемы.

Проанализировав особенности функционирования СМ и требования, предъявляемые к его СВП с ЭП постоянного тока, определена структура обобщенной системы регулирования усилия в СКСТ, приведенная на рис. 2, в которой учтены необходимые обратные связи, трение на валу двигателя, зазоры в механической передаче и где приняты следующие обозначения:, – механические постоянные времени инерционных масс двигателя и объекта манипулирования; , , , – скорости и углы поворота двигателя и груза; – эквивалентный зазор в передаточном устройстве ЭП, приведенный к валу двигателя; ,  – ЭДС преобразователя и двигателя; – активная составляющая момента нагрузки; – момент трения двигателя; , – моменты двигателя и в упругом элементе; – электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя; – коэффициент передачи двигателя; – коэффициент пропорциональности между скоростью и ЭДС двигателя; – коэффициент передачи датчика тока (момента) двигателя;, , , – передаточные функции регулятора тока, преобразователя, канала компенсации противоЭДС двигателя и канала положительной обратной связи (ПОС) по ускорению двигателя; , – передаточные функции регулятора и датчика усилия; , , , – сигналы канала компенсации противоЭДС двигателя, обратных связей по току, усилию и ускорению; – сигнал задания на усилие в подвеске груза. В приведенной математической модели все параметры и координаты ЭМС СМ приведены к валу двигателя.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.