Введение к работе
Автоматизированное технологическое оборудование состоит, как правило, из управляющего и операционного автоматов. Научно-технический прогресс в вычислительной технике, теории управления позволяет создавать совершенные управляющие автоматы, где роль оператора в технологическом процессе исключена или практически мала. В то же время, операционные автоматы, необходимые для непосредственного осуществления технологического процесса с перемещением ішструмеїгга или изделия, традиционно консервативны, здесь наблюдается несоответствие технических решений возможностям управляющих автоматов.
Предметом диссертации являются вопросы теории и разработки, изготовления и эксплуатации высокопроизводительных и высокоточных операционных автоматов нового типа для технологических комплексов пространственного перемещения, эксплуатируемых в условиях возмущений: качек, вибраций, ударов, хе. в нестационарной технологической среде. Операционные автоматы должны быть максимально адаптированы в рационально организованную технологическую среду, так как их рабочие органы совершают сложные пространственные машпгуляции инструментом или изделием. Указанное автоматизированное оборудование эксплуатируется: при длительных наклонах основания (до ± 60); качке (до ± 45 с периодом 6- Юс), вибрациях(2 - 10g с амплитудой 1,0-0,2мм), ударах (до 10g импульсом 1-5 мкс). При этом точность отработки перемещений: линейных не более ± 0,05 мм, угловых не более ±30" - при скоростях отработки до 1 м/с.
Кроме того, рыночные отношения, развивающиеся в экономике страны, определяют существенно новые тенденции в научно-технической деятельности и промышленном производстве - это создание конкурентоспособных технологий и оборудования, обеспечивающих выпуск качественной продукции при достижении минимальной ее стоимости.
Известные операционные автоматы технологических комплексов пространственного перемещения не выполняют вышеизложенные требования. Если они выполняют требования по точности, то не отличаются высоким быстродействием, если выполняют требования по точности и быстродействию, то не работоспособны на подвижном основании, в условиях нестационарной технологической среды и т.д. И, наконец, практически все существующие технические решения этой наукоемкой проблемы, по крайней мере в отечественном производстве, не отвечают требованиям конкурентоспособности. Значит существующие
технические решения и научные положения по этой проблеме не имеют перспектив для дальнейшего совершенствования, получения существенно более высоких результатов. В то же время, научно-технический прогресс, борьба фирм-разработчиков за конкурентоспособность собственной продукции, последовательно повышают требования к технико-экономическим характеристикам оборудования и технологиям на основе создания новых устройств, способов и материалов. Следовательно, объективно существует проблема создания операционных автоматов нового типа для технологических комплексов пространственного перемещения.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ Целью работы является создание научно-методических основ проектирования, изготовления и эксплуатации операционных автоматов на основе электропривода прямого действия (ЭППД) для технологических комплексов пространственного перемещения различного назначения.
Для выполнения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
разработка научно-методических концепций, методов анализа и синтеза, математических моделей и алгоритмов, конкретных инженерных способов и изобретений по созданию и внедрению операционных автоматов с ЭППД, эксплуатируемых в условиях нестационарной технологической среды;
разработка концепции технологической среды, максимально и взаимно адаптированной с операционным автоматом, синтез структур "операционный автомат - технологическая среда";
разработка эффективных методов контроля характеристик и технологий регулировки и изготовления операционных автоматов с ЭППД;
разработка научно-методических основ оценки технического уровня и конкурентоспособности нововведений на основе показателя "значимость технического решения" на всех этапах жизненного цикла;
внедрение в технологические комплексы пространственного перемещения операционных автоматов с ЭППД.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Реализация сформулированных целей и задач осуществлялась с помощью методов математического и функционального анализов, теории электрических машин и электропривода, теории автоматического управления и регулирования, теории бинарных систем, методов технологического прогнозирования ( экспертных оценок), численного моделирования на ПЭВМ и эвристических методов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА Впервые выдвинута и развита идея создания операционных автоматов с ЭППД для технологических комплексов пространственного перемещения как структур "уравновешенный операционный автомат -симметричная технологическая среда", с уравновешиванием элементов операционного автомата, совершающих сложные движения в пространстве, обеспечивающим их работоспособность в нестационарной технологической среде. В исследуемую проблему внесены следующие новые положения.
1. Сформулировано условие уравновешивания подвижных частей
ЭППД поступательного и вращательного движения с обоснованием
величины допустимой относительной неуравновешенности 5/и,
обеспечивающей работоспособность операционного автомата в условиях
статических [і динамических внештгх механических воздействий.
Предложен и обоснован метод оценки качества функционирования
операционного автомата с ЭППД, основанный на величине допустимой
остаточной неуравновешенности 5т. Метод позволяет по известным
параметрам объекта и заданным статическим и динамическим
характеристикам определять параметры соотношений для каждого звена
многокоординатного операционного автомата.
-
Впервые синтезирована уравновешенная кинематическая структура объекта регулирования, позволяющая реализовать ЭППД без жестких удерживающих связей, снижающая вредное воздействие внешних возмущений на подвижные части в 8т раз, до уровня где можно применить традиционные методы компенсации возмущений или обратные связи. Величина 8/и предложена в качестве коэффициента передачи синтезированного уравновешенного звена объекта регулирования и может быть использована в передаточных функциях, при построении структурных схем различных типов уравновешенных ЭППД.
-
Разработана оригинальная математическая модель уравновешенного операционного автомата, включающая алгоритмы: уравновешивания подвижных частей ЭППД; расчета гребенчатых магнитопроводов для создания максимума магнитодвижущих сил; управления гребенчатым электродвигателем с электрической редукцией шагового интервала; оценки взаимного влияния ЭППД координат операционного автомата на основе максимально допустимой неортогональности; имитации технологической среды по параметру "внешние механические возмущения". Модель позволяет синтезировать опгимальные характеристики и свойства любых типов ЭППД операционных автоматов, выявить общие закономерности построения структур "уравновешенный операционный автомат -
симметричная технологическая среда".
-
Впервые сформулирована концепция симметричности технологической среды, являющая основой синтеза адаптивных структур "уравновешенный операционный автомат-симметричная технологическая среда", в которых производительность технологического комплекса повышается вдвое, при затратах меньших, или по крайней мере одинаковых, в сравнении с традиционными компоновочными структурами производств и оборудования.
-
Предложен новый показатель "значимость технического решения" как критерий конкурентоспособности при технологическом прогнозировании на стадиях жизненного цикла продукции, например, операционного автомата. Разработана методика определения конкурентоспособного технического решения порогами несравнимости.
Создана единая научно-методическая основа разработки различных модификаций автоматизированного оборудования с ЭППД различного типа, экслуатируемых в условиях стационарной и нестационарной технологических сред.
Разработана и внедрена структура операционного автомата с ЭППД линейного движения, защищенная А.С. № 551453.
Разработаны основы технологии сборки уравновешенных электромагнитных систем многокоординатных ЭППД всех типов: способ уравновешивания и устройство контроля параметров неуравновешенности Sm подвижной системы, защищенное А.С. № 783609; способ выставки гребенчатых зон магнитопроводов электромагшггных систем, защищен А.С. № 1328885.
Синтезирована бинарная структура с силовой обратной связью, защищенная А.С. № 1781024, двурукий уравновешенный операционный автомат, защищенный А.С. № 18213354, манипулятор-платформа, защищенная патентом РФ № 2093344.
Предложена классификация операционных автоматов ТКПП, выполненная на основе важных характеристик: рабочего пространства, зависящего от степени подвижности и комбинаций компоновок однокоординатных модулей ЭППД поступательного и вращательного движения; производительности, зависящей от количества рук (схватов), работающих как в синхронном, так и в асинхронном режимах.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Результаты работы внедрены в следующие разработки, выполненные с участием автора:
* Картографическая автоматизированная система "Клавесин",
предназначенная для измерения, съемки и сбора гидрографической
информации и изготовления морских и речных карт на борту судна;
Стенд-тренажер "Опора", предназначенный для тарировки и начальной выставки бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), накопления статистических данных в различных режимах работы, для автоматизированной разработки и испытаний алгоритмов, адаптивных фильтров управления БИНС;
Проект "Изыскание путей создания манипуляционных систем с безредукторным уравновешенным электроприводом с непосредственным управлением" по договору с Межотраслевым научно-техническим комплексом "Робот" Министерства станкоинструментальной и инструментальной промышленности СССР и Томским политехническим ішститутом. Разработан двурукий манипулятор, предназначенный для работы в синхронном режиме с двумя ГПМ;
* Проект "Лазерное упрочнение деталей бурового и
нефтепромыслового оборудования" по договору с АООТ "Томскнефть" и
Томским политехническим университетом в обеспечение территориально-
технической программы "Нефть и газ Томской области". Разработана
манипулятор-платформа лазерного технологического комплекса,
предназначенная для пространственного перемещения ремонтируемых
изделий относительно неподвижного лазерного луча, защищенная
патентом РФ №2093344;
Проект "Исследование конкурентоспособности машиностроительной продукции АООТ "Юргинский машиностроительный завод" Разработаны информационно-советующая система, методические и производственно-технические материалы;
Проект "Разработка технико-экономических характеристик унифицированного параметрического ряда шахтных крепей М-13 8", заказчик ассоциация "Кузбассуглемаш";
Проект "Автоматизированный лазерный комплекс для ремонтно-восстановительных работ горно-шахтного оборудования", заказчик ассоциация "Кузбассуглемаш";
Учебное пособие "Автоматизация процессов машиностроения" / Осипов Ю.М. - Томск: Изд. ТПУ, 1994. - 96с;
Монография "Автоматгаация создания наукоемкой продукции"/ Осипов Ю.М., Быков С.Н. -Томск: ИПФ ТПУ, 1997.- 131с;
* Монография " Операционные автоматы с электроприводом прямого
действия " / Осипов Ю.М. - Томск: ИПФ ТПУ, 1997.- 200 с.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях:
* Межотраслевые научные конференции памяти Острякова Н.Н.,
Ленинград, 1982-88 пп;
* Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы
создания и эксплуатации гибких производственных систем и
промышленных роботов на предприятиях машиностроения", г.
Севастополь, 1990;
11-я Всесоюзная научно-техническая конференция по проблемам автоматизированного электропривода, г. Суздаль, 1991;
4 - 6-я научно-практические конференция филиала Томского политехнического университета, г. Юрга, 1991-93;
Международная научно-техническая конференция "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производсгва оптико-электронных приборов в машиностроении", г. Новосибирск, 1995;
2-я международная научно-практическая конференция "Реформирование экономики региона: опыт, проблемы, перспективы", г. Кемерово, 1996;
1 - 3-я областные научно-практические конференции молодежи и студентов "Современные техника и технологии", г. Томск, 1995 - 97;
8 - 10-я научные конференции филиала Томского политехнического университета и Юргинского технологического центра Кузбасского отделения Российской инженерной академии, г. Юрга, 1995-97.
ПУБЛИКАЦИИ Основные результаты диссертации отражены в 54-х научных работах, из которых 36 опубликовано в центральных изданиях, в том числе 2 монографии, 1 учебное пособие и 12 авторских свидетельств и патентов.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ РАБОТЫ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ Материалы работы с 1990 года используются в учебных курсах: "Автоматизация производственных процессов в машиностроении" для специальностей "Технология машиностроения", "Автоматизированные системы управления", "Управление качеством и конкурентоспособностью машиностроительной продукции" для специальности "Менеджмент", издано учебное пособие "Автоматизация процессов машиностроения"; разработаны методические указания для лабораторных работ на ПЭВМ. Под руководством автора, с 1995 года материалы работы используются
аспирантами и соискателями в подготовке 5 диссертаций на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Структура диссертационной работы включает: введение, 5 глав, заключение, список литературы (139 наименований) и 4 приложения. Общий объем диссертации составляют 275 страниц машинописного текста, из которых 56 страниц заняты таблицами и рисунками, 15 страниц - списком литературы и 31 страница - приложениями ( в том числе с актами внедрения результатов работы).