Введение к работе
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.