Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшими критериями развития и совершенствования машиностроительного производства являются повышения точности и эксплуатационной надёжности машин, приборов и аппаратуры, снижения энергозатрат при производстве продукции, возможность гибкой программной перестройки, постоянное обновление элементной базы.
Одно из направлений совершенствования приводов связано с улучшением характеристик исполнительных элементов, а другое – с совершенствованием систем автоматического управления (САУ) приводами и входящих в их состав элементов. В ряде приводов используется технологическое оборудование (ТО), для изготовления и компоновки печатных плат, обработки малогабаритных деталей, точечной сварки, сборки деталей и т.п., в котором совершенствование привода ТО способствует повышению точности позиционирования рабочего органа (РО) обеспечивает высокую надежность и гибкость в производстве.
Вопросам разработки приводов ТО посвящены работы отечественных и зарубежных учёных, таких как О.П. Михайлов, А.В. Ратмиров, Ю.С. Михеев, В.Л. Сосонкин, В.Ц. Зориктуев, П.Н. , Е.П. , С.Ф. , В.А., А.Н. Рассмотрены принципы действия и конструкции различных, механических передач, электро-, пневмо- и гидроэлементов, а также характеристики элементов САУ, произведены расчеты точности позиционирования рабочих органов. Ряд известных приводов имеют недостаточно высокую точность позиционирования РО (от 0,2 до 0,4 мм) и быстродействие, относительно большие габаритные размеры, так же возникает необходимость установки демпфирующих устройств на функциональные элементы приводов ТО. Это приводит к неизбежному снижению качества управления; уменьшается крутизна статических характеристик и быстродействие, усложняется структура САУ.
В настоящее время в ряде быстродействующих приводов ТО используются электрогидравлические управляющие элементы, рабочей жидкостью которых является масло, что способствует повышению точности и снижению вибраций при управления приводами РО. Теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении выполнены Д. Вильямсом, Б.В. , А.Д. В.П. Глазковым, G.А. S, А.С. и другими учёными. Анализ показал, что ряд характеристик приводов не полностью удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к элементам систем управления по быстродействию, простоте конструкции, надёжности и точности позиционирования РО.
Решение таких задач может быть достигнуто совершенствованием электрогидравлических элементов САУ ТО на основе применения электромагнитореологических управляющих элементов (ЭМУЭ). Рабочей жидкостью в них является магнитореологическая жидкость (МРЖ), состоящая из мелко дисперсионных металлических частиц и ПАВ, которая изменяет свои физические свойства при изменение управляющего магнитного поля. Это обусловливает возможность перемещения штока привода РО с высокой точностью и быстродействием.
Характерной особенностью электрогидравлических САУ гидрофицированным ТО является необходимость многократного преобразования различного вида энергии из одного вида в другой (механической, электрической, гидравлический и др.). Это приводит к усложнению структуры САУ, появлению значительной энергетической избыточности управления, уменьшению быстродействия и крутизны статических характеристик.
Развитию различных направлений автоматизации и управления гидрофицированным ТО посвящены работы; В.В.Власова, Н.С. Гамынина, И.М. Красова, В.А. Лещенко, Д.Н. Попова, В.А. Хохлова, А.А. Денисова, А.В. Власова и других учёных, однако вопросам управления приводами, в состав которых входит ЭМУЭ, уделено недостаточное внимание. Повышение точности САУ приводами ТО на основе совершенствования ЭМУЭ позволяет повысить точность позиционирования РО и быстродействие, снизить энергетическую избыточность при управлении, повысить функциональные возможности, что обусловливает актуальность данной работы.
Цель работы – повышение точности управления приводами рабочих органов технологического оборудования на основе применения в них электромагнитореологических управляющих элементов, позволяющих реализовать высокоточные технологические процессы.
Для достижения поставленной цели сформулирован и решен ряд задач.
Методы и средства исследования. Теоретические исследования базируются на методах теории автоматического управления, математической физики, моделировании процессов с помощью программных продуктов Elcut, Femlab,
3D MAX. Экспериментальные исследования выполнены на специальном стенде на базе технологического робота с применением экспериментального образца электромагнитореологического управляющего элемента с использованием современных измерительных средств. Обработка результатов проводилась методами математической статистики с использованием программных средств MathCad 14.0 и Matlab 7.5.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Построена и обоснована модель САУ приводами рабочего органа технологического оборудования в виде передаточной функции, отличающаяся введением электромагнитореологического управляющего элемента, передаточная функция которого связывает управляющее входное воздействие – напряжение, обеспечивающее создание управляемого магнитного поля, с выходным параметром – перемещением рабочего органа – штока, с оценкой параметров качества процессов САУ.
2. Разработана и обоснована математическая модель электромагнитореологического управляющего элемента, включающая комплекс последовательных частных моделей:
моделей, позволяющих установить зависимость изменения вязкости МРЖ от напряжённости магнитного поля ЭМУЭ и силы трения поршня управляющего элемента от вязкости;
модель ЭМУЭ как системы с распределёнными параметрами, позволяющая установить зависимость распределения давления МРЖ, зависимость перемещение рабочего органа от давления в ЭМУЭ и найти теоретическую передаточную функцию управляющего элемента;
модель изменения магнитного поля ЭМУЭ, позволяющая определить его локальные значения в выбранной точке управляющего элемента, а также его пространственное распределение;
модель визуализации работы ЭМУЭ, позволяющая сконструировать управляющий элемент под заданный тип привода технологического оборудования.
3. Проведен синтез дискретной САУ приводом рабочего органа технологического оборудования с ЭМУЭ на примере технологического робота с заданными параметрами качества, выполненный с использованием идентифицированной по экспериментальным данным модели ЭМУЭ, в виде передаточной функции третьего порядка, а также разработаны специализированный алгоритм и программный модуль для управления ЭМУЭ, позволяющий в интерактивной форме изменять значения параметров движения рабочего органа.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
разработана САУ приводом ТО РО с заданными параметрами качества с применением ЭМУЭ;
разработана конструкция ЭМУЭ, позволяющая повысить быстродействие привода до 0,4 с и точность позиционирования РО до 0,01 мм;
разработана инженерная методика расчета, позволяющая произвести расчет любой конструкции управляющего элемента и выявить недостатки; рекомендуется для создания новых ЭМУЭ с различной геометрией для систем управления гидрофицированным технологическим оборудованием.
Внедрение разработанного ЭМУЭ рекомендовано в приводах рабочих органов ТО на предприятиях ООО «ТОРЭКС» и ООО «Патриот-Авто» для повышения точности выполнения операций сборки печатных плат и точечной сварки, что позволяет повысить качество выпускаемой продукции, а также в ЗАО «НПК прецизионного оборудования».
Научные и практические результаты работы использованы в плановых госбюджетных НИР, в учебном процессе по дисциплинам «Локальные системы управления», «Теория автоматического управления», выполненных на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ в 2005-2012гг., в учебном процессе по дисциплинам: «Физические основы преобразователей энергии», «Объекты управления» на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного политехнического института имени Гагарина Ю.А.
Апробация работы. Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 научных конференциях различного уровня:
5 Международных конференциях: «Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2010); «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (Одесса, 2011); «Наука и техника в современном мире» (Новосибирск, 2012); «Достижения и перспективы естественных и технических наук» (Ставрополь, 2012); «Научная дискуссия: инновации в современном мире» (Москва, 2012);
4 Всероссийских конференциях: «Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация» (Саратов, 2010); «Актуальные проблемы прикладной и теоретической науки» (Екатеринбург, 2011); «Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий» (Москва, 2011); «Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы » (Самара, 2011);
научных семинарах на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники технологии и управления (филиал) СГТУ имени Гагарина Ю.А., на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., 2005-2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент и 2 свидетельства на программные продукты.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований, 8 приложений. Диссертация содержит 215 страниц, 10 таблиц, 125 рисунков.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Модель САУ приводом рабочего органа технологического оборудования с учетом использования электромагнитореологического управляющего элемента.
-
Комплексная математическая модель электромагнитореологического управляющего элемента.
-
Результаты расчетов характеристик электромагнитореологического управляющего элемента как системы с распределёнными параметрами.
-
Результаты синтеза дискретной САУ с использованием идентифицированной модели ЭМУЭ в приводах РО технологического оборудования.
-
Результаты экспериментальных исследований привода с ЭМУЭ на специальном стенде на базе технологического робота, подтверждающие адекватность теоретической модели, и рекомендации по практическому применению ЭМУЭ в САУ приводами технологического оборудования.
