Введение к работе
Актуальность темы исследования. Появление нового класса машин – сбалансированных манипуляторов (СМ) позволило значительно усовершенствовать средства механизации производства. В мелкосерийном производстве такие манипуляторы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными грузоподъемными машинами и роботами при выполнении операций загрузки и разгрузки технологического оборудования, обеспечивают более высокую производительность труда и позволяют автоматизировать выполнение основных и вспомогательных технологических операций в литейных цехах, механических, сборочных и других производствах. Особенность функционирования существующих СМ с ручным управлением определяется их способностью с применением пружин или противовесов осуществлять компенсацию веса звеньев, что позволяет улучшить их энергетические и эксплуатационные характеристики.
С развитием промышленности и разнообразием условий выполнения технологических операций к СМ стали предъявляться все более высокие требования по повышению производительности, уменьшению металлоёмкости, расширению зоны рабочего пространства и удобству работы с перемещаемыми грузами. Стремление создавать СМ облегчённой конструкции приводит к снижению жёсткости механических передач и конструкций, что входит в противоречие с задачей повышения качества функционирования манипулятора. Упругость механических передач и конструкций СМ способствует увеличению динамических нагрузок и возрастанию колебаний его выходных координат. Используемые в настоящее время типовые системы управления скоростью электроприводов (ЭП) манипуляторов часто не обеспечивают требуемого качества отработки скоростных режимов и точности позиционирования перемещаемых объектов. Для повышения качества работы СМ необходимо с помощью ЭП осуществить требуемую компенсацию силы тяжести исполнительного механизма (ИМ) и груза, переносимого и позиционируемого рабочим с помощью манипулятора.
При совершенствовании СМ возникает задача, связанная с облегчением их механизмов и конструкции, что приводит к увеличению податливости их звеньев и механических передач, к возникновению упругих механических колебаний. При создании перспективных манипуляторов необходимо учитывать упругие свойства механических передач и конструкций, в которых возникают механические колебания звеньев от действия внешних нагрузок и сил тяжести. Упругие механические колебания усложняют позиционирование ИМ и способствуют увеличению времени переходного процесса, что снижает производительность работы СМ. Задача по улучшению технических характеристик СМ требует устранения негативных факторов, обусловленных упругими механическими колебаниями, и влияния на работу изменения параметров ИМ и веса груза.
Анализ показал, что с использованием современных ЭП и средств управления можно обеспечить автоматическую компенсацию не только веса звеньев СМ, но и груза, переносимого с помощью манипулятора. Для этого необходимо применить принцип активной силокомпенсации, реализованный с использованием современных ЭП и систем управления усилиями в ИМ манипулятора, что позволит обеспечить требуемую компенсацию силы тяжести звеньев и груза, переносимого СМ, а также демпфирование колебаний в упругих передачах и механизмах.
Сбалансированные манипуляторы, реализованные с применением электромеханических систем управления усилиями ИМ, будем называть электромеханическими силокомпенсирующими манипуляторами (ЭСКМ).
Создание эффективных систем управления усилиями ИМ, обеспечивающих компенсацию веса не только звеньев, но и груза, переносимого с помощью манипуляторов, позволит улучшить их технические, эксплуатационные и экономические показатели.
Разработка и создание эффективных электромеханических систем (ЭМС), позволяющих осуществить требуемое управление силовыми взаимодействиями в ИМ ЭСКМ, является актуальной задачей, имеющей большое научное и практическое значение.
Исследования в диссертационной работе выполнены:
– по научному направлению ФГБОУ ВО «ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова» «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы»;
– при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонд содействия инновациям) в рамках выполнения программы «УМНИК» от 4.12.2015 г. по договору №9851ГУ/2015 от 24.02.2016 г. на тему «Разработка перспективного сбалансированного манипулятора».
Степень разработанности темы исследования. Разработкой и созданием СМ, применяемых в мелкосерийном производстве, для механизации ручного труда занимались научные коллективы под руководством: Владова И.Л., Данилевского В.Н., Ионо-ва П.Б., Розина Б.Ш. Их вклад состоит в разработке математических моделей СМ с ИМ пантографного типа, систем управления СМ с ЭП постоянного и переменного тока. Существенный вклад в развитие теории и практики создания и совершенствования СМ с ЭП при управлении усилиями в механизмах с упругими связями внесли: Кузнецов В.М., Пятибратов Г.Я., Сухенко Н.А., Хасамбиев И.В. Разработке и исследованию ЭМС с упругими связями грузоподъёмных и других рабочих машин посвящены работы Бого-славского Е.М., Борцова Ю.А., Герасимяка Р.П., Ключева В.И., Мещерякова В.Н, Соколовского Г.Г. В зарубежной технической литературе приведены результаты исследований по рассматриваемой тематике, выполненные учёными: Ahrens D., Brandenburg G., Christen G., Kaneko Kenji, Luweg H., Ohnishi Konhei, Raatz E., Speth W.
Разработкой и созданием СМ и систем управления ими в разные годы занимались: НПО «Технология» (г. Москва), выпускавшее шарнирно-балансированные манипуляторы пантографного типа серии ШБМ-150 с ЭП постоянного тока, ОАО «Борович-ский опытный машиностроительный завод» (г. Боровичи), производящее усовершенствованные манипуляторы серии ШБМ-150М с ЭП переменного тока с системой регулирования скорости ИМ, ЮРГПУ (НПИ) (г. Новочеркасск), «System Control Technolgoy Inc.» (США), «Scaglia Indeva Spa» (Италия), «Gorbel Inc.» (США), «Stanly» (США), «Knight Global» (США).
Анализ показал, что, несмотря на выполненные многими авторами исследования, многие вопросы создания и практической реализации ЭСКМ, использующие ЭП для компенсации силы тяжести перемещаемого груза и звеньев, проработаны недостаточно.
Объектом исследования являются сбалансированные манипуляторы, использующие ЭП для компенсации силы тяжести перемещаемого груза и звеньев.
Предметом исследования являются ЭМС управления усилиями, осуществляющие требуемую компенсацию веса звеньев, груза, сил трения и инерции передаточных механизмов, а также активное демпфирование упругих колебаний ИМ манипуляторов.
Цель диссертационной работы: улучшить технические характеристики и расширить функциональные возможности ЭСКМ благодаря применению системы управления усилиями в их ИМ.
Для достижения цели диссертационной работы были решены следующие задачи:
– выполнен анализ достоинств и недостатков существующих СМ, определены возможные направления и способы совершенствования конструкций и систем управления их ЭМС;
– обосновано применение систем управления усилиями для компенсации веса груза и демпфирования с помощью ЭП упругих колебаний механических передач манипулятора;
– обоснован внешний облик перспективного ЭСКМ, предложена рациональная конструкция и кинематическая схема механизмов манипулятора;
– разработан метод многофакторного определения рациональных параметров и практического выбора передаточных механизмов и ЭП, обеспечивающих минимизацию требуемого момента электродвигателя (ЭД) ЭСКМ;
– разработаны математические модели ЭМС ЭСКМ, учитывающие упругие свойства в механизме вертикальных перемещений груза, определены области их применения для решения задач анализа и синтеза системы управления;
– решена задача синтеза структуры и параметров корректирующего устройства (КУ), обеспечивающего заданную компенсацию веса груза и активное демпфирование ЭП упругих колебаний в механических передачах при значительном изменении веса груза, переносимого с помощью ЭСКМ;
– разработаны рекомендации по выбору силовой части ЭП и предложены технические решения по практической реализации и настройке системы управления ЭСКМ;
– на макете ЭСКС подтверждена адекватность математической модели ЭМС и экспериментально доказана эффективность предлагаемых технических решений.
Научная новизна представленной диссертационной работы заключаются в следующем:
– впервые научно обоснована целесообразность применения принципа активной силокомпенсации веса звеньев и груза для ЭСКМ, реализованной с помощью ЭП, обеспечивающего демпфирование колебаний в упругих механизмах манипулятора;
– разработан метод многофакторного определения рациональных параметров механических передач и ЭП, отличающийся одновременным учётом основных ограничивающих факторов и условий работы, определяющих качество функционирования ЭСКМ;
– предложен способ рационального выбора типоисполнения редуктора и ЭД ЭСКМ, отличающийся тем, что позволяет при учёте дискретности значений их параметров и реальных условий функционирования манипулятора минимизировать требуемое значение момента ЭД;
– разработан метод синтеза системы управления усилиями в ИМ, отличающийся тем, что позволяет решить задачу требуемой компенсации силы тяжести груза и звеньев манипулятора и обеспечить необходимое качество управления ЭСКМ благодаря демпфированию колебаний в упругой механической передаче при учёте фактического изменения массы груза.
Теоретическая значимость диссертационной работы состоит:
– в применении принципа активной компенсации веса звеньев и груза, перемещаемого рабочим с помощью манипулятора, что позволяет улучшить технические характеристики и расширить функциональные возможности ЭСКМ;
– в разработке метода многофакторного определения требуемых параметров механизмов и ЭП при учёте противоречивых требований и условий работы ЭСКМ, что
позволяет определить минимаксное значение требуемого момента ЭД, а практическую реализацию манипулятора выполнять с ЭП минимально возможной мощности;
– в разработке и применении математической модели системы управления ЭСКМ, позволяющей с использованием метода обратных частотных характеристик решить задачу синтеза требуемой структуры и параметров системы управления усилиями в ИМ при значительном изменении параметров объекта управления;
– в обосновании структуры трехконтурной системы управления СВП, обеспечивающей компенсацию веса звеньев и груза, сил трения и инерции, а также активное демпфирование колебаний в упругих механизмах манипулятора;
– в определении аналитических выражений для расчёта требуемых параметров КУ при реализации адаптивного управления ЭСКМ в случае значительного изменения жёсткости механических передач и веса груза, переносимого с помощью манипулятора;
– в разработке метода синтеза и настройке системы управления ЭСКМ, позволяющей при изменении веса груза в 10 раз определить параметры дифференцирующего КУ, обеспечивающего статизм регулирования усилия не хуже 0,05 при значении перерегулирования усилия не более 10 %.
Практическая значимость диссертационной работы:
– предложена конструкция ЭСКМ, которая позволила расширить его рабочую зону, снизить материалоёмкость, минимизировать механическую инерционность движущихся частей механизмов и повысить производительность работы;
– разработана программа для расчёта на ЭВМ рациональных параметров редуктора и ЭД ЭСКМ, обеспечивающих минимальное возможное требуемое значение момента двигателя, что позволило улучшить эксплуатационные характеристики манипулятора;
– определены серии и типоисполнения ЭД и механизмов ЭСКМ, обеспечивающие требуемые технические характеристики манипулятора с учётом решения задачи им-портозамещения;
– предложены инженерные рекомендации по реализации и настройке системы управления усилиями в ИМ, позволяющей при реальном изменении массы груза и параметров механической части реализовать качественное функционирование ЭСКМ;
– разработаны научно обоснованные рекомендации и технические решения по практической реализации ЭП и систем управления, способные улучшить технические характеристики и повысить качество работы ЭСКМ, имеющего упругие механические передачи.
Результаты диссертационной работы нашли применение:
– в проектных работах ООО фирмы «Пластик Энтерпрайз» по созданию комплекса концевых операций и мехобработки изделий из энергоемких материалов;
– в учебном процессе Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова при обучении магистрантов направления подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» и аспирантов направления 13.06.01 «Электро- и теплотехника», направленности «Электротехнические комплексы и системы».
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории ЭП, систем автоматического управления (САУ), вычислительной математики, многофакторной оптимизации, активной идентификации параметров ЭМС, физическое и математическое моделирование исследуемой системы в частотной и временной областях с применением ЭВМ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Целесообразность применения ЭМС управления усилиями ИМ при создании современных ЭСКМ;
-
Рациональная конструкция и кинематика ЭСКМ, позволяющие расширить его рабочую зону, снизить материалоёмкость, минимизировать механическую инерционность движущихся частей механизмов, повысить производительность и безопасность операций по перемещению различных объектов;
-
Метод совместного многофакторного определения рациональных параметров механической части и ЭП ЭСКМ, обеспечивающий при заданной компенсации веса груза минимизацию требуемой мощности ЭД и питающего его преобразователя;
-
Метод и результаты синтеза системы управления усилиями в ИМ, обеспечивающие необходимую компенсацию сил тяжести, инерции и трения ИМ и реализацию активного демпфирования ЭП упругих колебаний механических передач, что позволило реализовать заданные статические и динамические показатели работы ЭСКМ.
Степень достоверности полученных результатов работы обеспечивается корректностью поставленных задач, адекватностью принятых допущений при разработке математической модели ЭСКМ, обоснованностью применяемых теоретических и экспериментальных методов исследования ЭМС, совпадением с погрешностью 5 - 7 % результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на макете ЭСКМ.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертации доложены и обсуждены на пяти Международных и четырёх Региональных научно-технических конференциях.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК, 3 статьи в базе данных научного цитирования Scopus, 3 статьи, цитируемые в базе данных научного цитирования РИНЦ, 1 монография и 3 тезисов конференций.
Соответствие научной специальности. Исследования, выполненные в диссертационной работе, соответствуют формуле и пунктам 1, 3 и 4 паспорта специальности 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»:
Пункт 1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем.
Пункт 3. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления.
Пункт 4. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и четырёх приложений. Объем диссертации: 201 страница основного машинописного текста, 58 рисунков и 22 таблицы, 10 страниц списка используемой литературы из 83 наименований, 21 страница приложений.