Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы совершенствования электромеханических систем сбалансированных манипуляторов 9
1.1 Особенности применения сбалансированных манипуляторов с электромеха ническим приводом при автоматизации производственных процессов . 9
1.2. Существующие подходы к построению и реализации электроприводов сбалансированных манипуляторов
1.3. Особенности реализации систем управления электроприводов сбалансированных манипуляторов .'
1.4. Перспективные системы управления электроприводов сбалансированных манипуляторов
1.5. Возможные подходы и способы реализации современных измерителей усилий в элементах механизмов сбалансированных манипуляторов
1.6. Постановка задачи исследований
2. Математические модели электромеханических систем сбалансированных манипуляторов при учёте упругости их механизмов
2.1. Методика определения кинематики и нагрузок приводов сбалансированных манипуляторов
2.2. Выбор силовой части электроприводов сбалансированных манипуляторов
2.3. Разработка математической модели механической части сбалансированных манипуляторов при учёте упругости их механизмов
2.4. Получение обобщенной математической модели электромеханической системы сбалансированных манипуляторов
Выводы
3. Исследование электромеханических систем сбалансированных манипуляторов с учётом упругости механических передач
3.1. Анализ процессов в электромеханической системе с упругими связями сбалансированных манипуляторов по управляющему воздействию
3.2. Обоснование рациональной структуры систем регулирования электроприводов сбалансированных манипуляторов
3.3. Оптимизация силовых взаимодействий в электромеханических системах сбалансированных манипуляторов при пассивном демпфировании электроприводом упругих колебаний механизмов
3.4. Исследование систем активного ограничения динамических нагрузок и демпфирования электроприводом упругих колебаний скорости исполнительных устройств сбалансированных манипуляторов
3.5. Исследование влияния изменения параметров механической части сбалансированных манипуляторов на демпфирующие возможности их электроприводов
Выводы
4. Особенности реализации систем управления электроприводов сбалансированных манипуляторов
4.1 Создание макета системы вертикальных перемещений сбалансированного манипулятора .
4.2 Экспериментальная проверка рекомендаций по реализации пассивного способа демпфирования упругих колебаний механизмов сбалансированного манипулятора
4.3 Экспериментальная проверка рекомендаций по реализации системы активного демпфирования упругих колебаний исполнительных устройств сбалансированного манипулятора
4.4 Разработка рекомендаций по созданию систем электроприводов, обеспечивающих эффективное демпфирование упругих колебаний исполнительных устройств сбалансированных манипуляторов
Заключение
Литература
- Особенности применения сбалансированных манипуляторов с электромеха ническим приводом при автоматизации производственных процессов
- Методика определения кинематики и нагрузок приводов сбалансированных манипуляторов
- Анализ процессов в электромеханической системе с упругими связями сбалансированных манипуляторов по управляющему воздействию
- Создание макета системы вертикальных перемещений сбалансированного манипулятора
Введение к работе
Появление нового класса машин - сбалансированных манипуляторов (СБМ) - стало логическим этапом в процессе совершенствования средств механизации производства. Такие манипуляторы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными грузоподъемными машинами на операциях загрузки и разгрузки технологического оборудования, обеспечивают более высокую производительность труда и позволяют автоматизировать выполнение основных и вспомогательных технологических операций в литейных, механических, сборочных и других производствах. СБМ-позволяют механизировать ручной труд на многих операциях, где применение традиционных грузоподъёмных средств оказывается невозможным или экономически неоправданным. При этом они дополняют и расширяют области применения промышленных, роботов, повышают эффективность автоматизации технологических процессов и комплексов с использованием микропроцессорных средств управления.
В мировой практике нашли применение СБМ с электромеханическим, пневматическим и гидравлическими приводами. Манипуляторы с электромеханическим и пневматическим приводами примерно с равным успехом используют для перемещения грузов массой до 150 кг. Для перемещения более тяжелых грузов (массой до 500 кг) применяются в основном манипуляторы с электроприводом, а для грузов массой 500...2500 кг - преимущественно манипуляторы с гидравлическим приводом [1].
Для перемещения грузов массой от 100 кг до 250 кг наибольшее распространение получили манипуляторы с электроприводом. Они удобны в обслуживании и практически не требуют специальной подготовки операторов для их эксплуатации. Эти манипуляторы можно применять не только в условиях промышленных предприятий, но и там, где отсутствует или затруднен подвод любой энергии, кроме электрической. Манипуляторы рассматриваемого вида также целесообразно применять для выполнения погрузочно-разгрузочных работ в сельском хозяйстве, строительстве, торговле и в сфере обслуживания.
Стремление создавать СБМ облегчённой конструкции, повысить производительность и качество работы приводит к снижению жёсткости их конструкций и требует увеличения быстродействия электроприводов, что обуславливает необходимость учёта упругих связей механизмов. Упругость механических передач и конструкций СБМ способствует увеличению динамических нагрузок и возрастанию колебаний выходных координат особенно в механизме системы вертикальных перемещений (СВП) груза. Поэтому используемые в настоящее время типовые системы управления электроприводов СБМ; часто не обеспечивают требуемой точности отработки скоростных режимов и позиционирования- перемещаемых объектов из-за наличия упругих связей в механической части системы. Разработка и создание эффективных электромеханических систем (ЭМС) позволяющих осуществлять регулирование усилий и демпфирование упругих колебаний исполнительных устройств СБМ является важной и актуальной задачей.
Создание системы управления электроприводов, обеспечивающих наилучшее демпфирование упругих колебаний в механических передачах СБМ при действии возмущающих силовых воздействий, позволит улучшить технические, эксплуатационные и экономические показатели существующих СБМ: повысить точность систем регулирования выходных координат, безопасность их работы, а также снизить энергетические затраты электропривода (ЭП).
Целью диссертационной работы является улучшение работы ЭМС с УС благодаря реализации управления силовыми и энергетическими взаимодействиями, обеспечивающего повышение эффективности пассивного и активного демпфирования электроприводом упругих механических колебаний- исполнительных устройств СБМ.
Для создания эффективных электромеханических систем ЭМС, позволяющих осуществлять регулирование усилий и демпфирование колебаний исполнительных устройств СБМ, требуется решить следующие задачи:
- осуществить анализ состояния проблемы и определить задачи совершенствования систем управления ЭП СБМ;
- разработать математические модели ЭМС СБМ с учетом упругости их механических передач, определить параметры и области их применения для решения поставленных задач;
- определить структуру и параметры управляющих устройств, обеспечивающих наилучшие условия пассивного и активного демпфирования, электроприводом упругих механических колебаний исполнительных устройств СБМ;
- выполнить исследования динамических режимов работы ЭМС с УС при реализации пассивных и активных способов демпфирования электроприводом, упругих колебаний исполнительных устройств СБМ;
- определить области целесообразного применения пассивного и активного демпфирования электроприводом упругих колебаний исполнительных устройств СБМ;
- разработать инженерные методики выбора силовой части ЭП, рекомендации по практической настройке регуляторов системы управления; минимизирующих амплитуду упругих колебаний исполнительных устройств СБМ;
- разработать технические и схемные решения реализации систем управления электроприводов СБМ, обеспечивающих требуемые показатели их функционирования при учете упругости механизмов.
В результате проделанной работы получена следующая научная новизна:
- разработана обобщенная математическая модель ЭМС в виде направленного графа, позволяющая исследовать, силовые и энергетические взаимодействия в упругих механизмах СБМ при изменении их параметров, управляющих и возмущающих воздействий;
- определены структура и параметры регуляторов ЭП, обеспечивающих наилучшие условия реализации пассивного демпфирования электроприводом упругих механических колебаний усилий и скорости исполнительных устройств СБМ при управляющих и возмущающих воздействиях;
- предложена структура и параметры канала активной компенсации электроприводом динамических усилий в упругих передачах СБМ, обеспечиваю щих требуемое уменьшение амплитуды резонансных колебаний усилий и скорости их механизмов при действии возмущений;
- определены условия минимизации энергетических ограничений ЭП при демпфировании упругих колебаний механизмов СБМ, отличающиеся тем, что предложено совместно оценивать значения вещественной и коллинеарной составляющих момента электродвигателя СВП;
- определены области рационального применения пассивных и активных способов демпфирования электроприводом упругих механических колебаний СБМ.
Практическая ценность выполненных исследований заключается в следующем:
- разработаны научно обоснованные рекомендации и технические решения по реализации ЭП, направленные на повышение качества работы СВП СБМ, имеющие упругие механические передачи;
- предложен подход к совместному выбору параметров МЧС и ЭД обеспечивающий выполнение условий минимизации упругих колебаний механизма СВП СБМ;
- разработаны рекомендации по проектированию ЭМС с УС, настройке регуляторов систем подчинённого регулирования (СИР) координат электроприводов, обеспечивающих максимально возможное пассивное демпфирование упругих механических колебаний исполнительных устройств СБМ;
- создан универсальный стенд, позволяющий экспериментально исследовать и сопоставлять возможности пассивных и активных способов демпфирования, электроприводом упругих механических колебаний СБМ и оценить реализуемость предложенных разработок при создании предлагаемых СВП.
Таким образом к защите представляются следующие основные положения:
- обобщённая математическая-модель для исследования динамики СБМ, отражающая специфические свойства ЭМС данного класса с учётом упругих механических связей, позволяющая исследовать и оценивать эффективность различных способов демпфирования упругих механических колебаний исполнительных устройств СБМ;
- методика поэтапной оптимизации и проектирования ЭМС с УС, позволяющие комплексно решать проблему выбора рациональной кинематической схемы, параметров механических передач, электрического двигателя и структуры системы управления ЭП СБМ;
- результаты исследования ЭМС с УС, по определению предельных возможностей пассивного демпфирования электроприводом колебаний усилий и скорости исполнительных устройств СБМ;
- структура и параметры системы управления ЭП, обеспечивающего заданное активное ограничение динамических нагрузок и демпфирование колебаний скорости упругих исполнительных механизмов СБМ с учётом требуемого качества их функционирования;
- области рационального применения пассивных и активных способов демпфирования упругих колебаний механизмов СБМ с помощью современного ЭП.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ЮРГТУ (НПИ) в 2005-2007 г.г., на V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (18-21 сентября 2007 г. в Санкт-Петербургском политехническом университете).
В полном объёме результаты работы доложены на расширенных заседаниях кафедр «Электропривод и автоматика» ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск), «Робототехника и мехатро-ника» Донского государственного технического университета (г. Ростов-на-Дону), «Электротехника и электропривод» Грозненского государственного нефтяного института им. акад. М.Д. Миллионщикова (г. Грозный).
Особенности применения сбалансированных манипуляторов с электромеха ническим приводом при автоматизации производственных процессов
Принцип работы СБМ основан на уравновешивании груза, находящегося на конце рычага исполнительного устройства, силой, развиваемой приводом, и перемещении груза при приложении дополнительного усилия, необходимого для преодоления сил трения в шарнирах и опорах исполнительного устройства. Известны конструкции узко целевого назначения, в которых привод вообще отсутствует, а груз уравновешивается противовесом [1].
Сбалансированный манипулятор в соответствии с ГОСТ 25686 - 85 определяют как манипулятор с ручным управлением, содержащий систему уравновешивания устройства рабочего органа. При этом- сбалансированность исполнительного устройства при работе в горизонтальной плоскости обеспечивается наличием системы моментной разгрузки, компенсирующей изменение потенциальной энергии этого органа при изменении его конфигурации и не допускающей самопроизвольного смещения груза по горизонтали в пределах всей зоны обслуживания.
В манипуляторах с пневмоприводом и некоторых моделях манипуляторов с электроприводом грузоподъемностью 50... 150 кг операции перемещения-груза в любых направлениях выполняются вручную. При этом в направлении движения оператор должен прикладывает усилие не более 30...80 Н [1]. В)ряде моделей с электроприводом груз не только уравновешивается, но и перемещается в вертикальном направлении посредством привода при воздействии оператора на его органы управления. В таких системах управления СБМ главная обратная связь реализуется по скорости двигателя. В таких конструкциях СБМ вследствие больших потерь на трение в передаточных механизмах обычно не удается простыми способами уменьшить до требуемых значений усилие, необходимое для перемещения оператором груза в вертикальном направлении и осуществлять требуемое демпфирование колебаний исполнительных устройств.
В подобных манипуляторах в непосредственной близости от подвешенного груза предусматривается рукоятка управления, с помощью которой регулируется скорость вертикального перемещения. Остальные требуемые перемещения груза оператор выполняет вручную.
Ручное управление, воздействие оператора непосредственно на- подвешенный груз, возможность плавного регулирования скорости перемещения-, осуществлять движения на малых скоростях позволяют быстро перемещать груз из позиции в позицию, точно останавливать его в заданной позиции, легко проводить его по желаемой траектории, быстро и удобно вводить и выводить крупногабаритные изделия и изделия сложной конфигурации в узкие, труднодоступные зоны оборудования, практически исключая возможности соударений и поломки изделий и оборудования. Все это принципиально отличает сбалансированные манипуляторы от традиционных погрузочных устройств, применяемых для механизации технологических процессов. Однако в существующих конструкциях СБМ из-за их малой жесткости конструкций механических передач наблюдаются влияния упругих связей на работу СБМ, что затрудняет точное позиционирование груза.
Обязательным условием безаварийной эксплуатации СБМ является оснащение их различными устройствами безопасности, предотвращающими свободное падение груза при нештатных ситуациях в цепях питания и управления, а также ограничивающими скорость вертикального перемещения грузового блока, которая не должна превышать 0,63 м/с [1].
В общем случае простейший сбалансированный манипулятор, показанный на рис. 1.1, содержит основание 1, установленную на нем головку 4, которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси, исполнительного устройства 6 с грузовым блоком 8 на конце, привод 3 вертикального перемещения, устройство уравновешивания 5 и устройство управления 2. В некоторых конструкциях, рассчитанных на работу с объектом неизменной массы, привод вертикального перемещения может отсутствовать. В манипуляторах большой грузоподъемности могут быть установлены еще один или два привода: горизонтального перемещения и поворота вокруг вертикальной оси.
Задающий орган, как правило, в виде рукоятки 7 управления приводом вертикального перемещения обычно располагается на грузовом блоке, в непосредственной близости от перемещаемого груза. Это значительно повышает удобство работы оператора. Грузовой блок, который имеет возможность вращаться вокруг вертикальной оси, несет либо крюк, либо захватное устройство. Крюк подвешен таким образом, что может поворачиваться вокруг вертикальной и поперечной осей. Захватное устройство может быть самозажимным и не иметь привода либо иметь механический, гидравлический, электромеханический или пневматический привод. Кроме того, захватное устройство может обладать дополнительными степенями подвижности, которые используются для изменения ориентации объекта в пространстве. Дополнительные движения реализуются либо рукой оператора, либо с помощью дополнительных приводов различных типов.
Скорость вертикального перемещения грузового блока зависит от угла отклонения рукоятки управления. В конструкциях, где отсутствует рукоятка, скорость вертикального перемещения определяется силой воздействия оператора на объект.
При работе с манипулятором, имеющим рукоятку управления; оператор одной рукой ориентирует объект и перемещает его в горизонтальной плоскости, а другой управляет рукояткой привода.
Нейтральным положением рукоятки управления является ее горизонтальное положение, в которое она возвращается всякий раз, когда снимается воздействие оператора. Манипулятор может быть установлен на кронштейне, закрепленном на стене или на фланце поворотной- консоли, что существенно расширяет его рабочую зону.
Различные модификации базовых моделей СБМ, предназначенные для установки на колонне, консоли, кронштейне, передвижной каретке, как правило, имеют унифицированный исполнительный орган.
Номинальная грузоподъемность манипулятора определяется максимальной массой объекта, для работы с которым в течении длительного времени предназначен манипулятор. Если при использовании манипулятора предусматриваются дополнительные захватные устройства, удлинители, ориентаторы и другое оборудование, то их масса в сумме с массой объекта не должна превышать номинальную грузоподъемность. Номинальная грузоподъемность устанавливается ГОСТ 25204 - 82.
Методика определения кинематики и нагрузок приводов сбалансированных манипуляторов
Для создания эффективных ЭМС, позволяющих осуществлять регулирование усилий и демпфирование колебаний исполнительных устройств ЄБМ, необходимо осуществить согласование параметров рациональной" кинематической схемы и силовой части ЭП, состоящей из электродвигателя и преобразователя. При этом необходимо обеспечить передачу развиваемого электроприводом усилия к точке подвеса перемещаемого груза, что можно осуществить с использованием различных видов механических передач [4].
В состав исполнительного устройства СБМ входит рычажный механизм. На конце одного из его рычагов подвешивается груз, который может быть уравновешен с помощью противовеса или посредством привода вертикального перемещения.
При перемещении груза вручную в горизонтальной плоскости исполнительное устройство манипулятора должно обеспечить движение по траектории, которая с достаточной степенью точности лежит в этой плоскости. В противном случае появляется составляющая сила от веса груза, которую приходится преодолевать оператору при перемещении груза вручную. Если для1 перемещения груза в горизонтальной плоскости используется привод, то указанная сила будет дополнительно нагружать этот привод.
Схема рычажного передаточного механизма, обеспечивающего горизонтальное прямолинейное перемещении груза, должна быть такой, чтобы она позволяла уравновесить рычажный механизм простыми средствами во избежание самопроизвольного движения грузового блока как с грузом, так и без него. Кроме того, выбранная схема должна позволить создать такой рычажный меха 46 низм, в котором были бы обеспечены минимальные потери трения при движении по горизонтальной прямой в случае перемещения груза вручную.
При вертикальном перемещении груза для удобства работы- оператора желательно, чтобы траектория движения груза мало отличалась от вертикальной прямой. При этом условии упрощаются установка и снятие длинномерных объектов с вертикальным расположением оси.
При вертикальном перемещении груза вручную кинематическая схема рычажного механизма должна обеспечить постоянную нагрузку от полезного груза либо на механизм уравновешивания, либона привод вертикального перемещения независимо от положения, груза в пределах зоны-обслуживания манипулятора. В противном случае требуются частые регулировки, что существенно-затрудняет работу оператора. При вертикальном перемещении груза вручную важным является также обеспечить минимальные потери трения в рычажном механизме. Эти факторы накладывают ограничения на выбор ЭП как по типо-исполнению так и по мощности.
В свою очередь, тип привода и способ управления могут определить ряд специфических требований к кинематической схеме рычажного механизма. В частности, в случае применения нереверсивного ЭП вертикального перемещения, рычажный механизм должен обеспечить свободное движение вниз грузового блока при расторможенном приводе.
Наиболее полно общим требованиям отвечает такая кинематическая схема рычажного механизма, которая обеспечивает постоянную нагрузку на привод от полезного груза независимо от положения последнего в пределах зоны обслуживания и возможность перемещения груза по прямолинейным траекториям как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.
В современных СБМ применяются различные кинематические схемы, полностью или частично удовлетворяющие изложенным требованиям [1]. Наиболее полно указанным требованиям отвечают рычажные механизмы, содержащие пантограф (см. рис.2.1). На рис. 2.1 обозначено: 1 - двигатель; 2 - редуктор; 3 -зубчатое колесо промежуточной механической передачи; 4 - рейка; 5 - механизм пантографа; 6 - грузовой блок.
Одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние на выбор типа двигателя, режимов его работы и выбор схемы ЭП, является характер статических нагрузок и диапазон их изменения.
Рассмотрим силовые взаимодействия в кинематической цепи исполнительного устройства в виде четырехзвенного пантографа и реечного передаточного механизма электромеханического СБМ [1]. В первом приближении без учета потерь на трение приведенный к валу электродвигателя момент можно определить из соотношения M FD/ ip), (2.1) где F — усилие на рейке, обусловленное силами тяжести груза G,p и элементов механизма GMex; D - диаметр выходного зубчатого колеса редуктора; т. ip - передаточное отношение редуктора. Рис. 2.1. Кинематическая схема исполнительного устройства и передаточного механизма СБМ Усилие на рейке можно определить по формуле: F = (Grp + GMex)in! (2-2) где i„- передаточное отношение пантографа. При Grp = Grp. „ом, т.е. при работе с номинальным рабочим грузом, на который рассчитан манипулятор, из (2.1) и (2.2) получаем
Анализ процессов в электромеханической системе с упругими связями сбалансированных манипуляторов по управляющему воздействию
При составлении математической модели ЭМС СБМ наиболее сложно получить достоверное описание механической части с учетом упругих свойств механизма.
Следует отметить, что в условиях ручного управления приводом при выполнении типовых технологических операций характерным являются достаточно плавные нагружение и разгрузка механической системы, особенно при выполнении точных работ. Если технологический процесс допускает сброс груза, то в этом случае высоких требований к динамике грузового блока не предъявляется. Вследствие этого вопросы оптимизации системы управления электроприводом должны решаться исходя из требуемых динамических характеристик при изменении управляющего воздействия.
Обобщенное линеаризованное математическое описание эквивалентной двухмассовой ЭМС с СПР координат ЭП, построенной на основании схемы, приведенной на рис. 2.3, б, представлено на рис. 3.1. в виде направленного графа. Координаты исследуемой системы, рассматриваются в относительных безразмерных единицах (см. п. 2.3).
Главная обратная связь в системе управления ЭП осуществляется по угловой скорости двигателя. Введем понятие эквивалентной передачи графа, учитывающей свойства разомкнутого контура скорости с выходом по скорости грузового блока.
Эквивалентная передача разомкнутой петли графа связана с эквивалентной передачей ветви, соответствующей замкнутому контуру системы, выражением: где F3KC(s) =— -4r - передача ветви замкнутой системы по управляющему воз действию с выходом по скорости грузового блока. Если пренебречь инерционностью цепи обратной связи по току (Тот = 0), выражение эквивалентной передачи (3.1) имеет вид FKC(S)= FPC{S)F3Kr(S)F3J!C(S)FMEX(s), (3.2) где F3KT - передача замкнутой петли, характеризующая свойства замкнутого контура тока без учета влияния обратной связи по ЭДС двигателя; (5) F„{S)F„{S)F3{S) п„ 1- (5) 1- ( ) (5) (5) (5) где FpC (S), Fpr (S) и Fn(S) - передачи ветвей направленного графа, характеризующие свойства регулятора скорости, тока и тиристорного преобразователя; Рэдс (S) - передача ветви, учитывающая влияние обратной связи по ЭДС двигателя: (3.4) РэдсУЬ) — "1+ [l + F3!Cr{SJ\{T22S2 + 2t2T2S + \) Ня {TDS + \){ТД + T ,)S(T2yS2 + 2yTyS +1) FMEX(s) - эквивалентная передача ветви учитывающей свойства механической части системы; F (s)= T"S + l (Тд +TM)S[Ty2S2 + {Td +кРс7Ту/(Тд +TJ)S + I\ TdS + l (3.5) {TM+TKt)S[T2yS2+2 TyS + \) Выражение передачи ветви (3.2) существенно упрощается, если пренебречь влиянием обратной связи по ЭДС двигателя. При исследованиях динамики системы такое упрощение часто оказывается возможным, если при значительной механической постоянной времени- привода быстродействие токового контура достаточно велико. Выполненные исследования показали, что при параметрах манипулятора типа МП-100 в диапазоне частот 0,1... 100"1 частотная характеристика ГЭдс (S) не превышает по амплитуде 0,18 дБ и по фазе 1,34 . Это свидетельствует о незначительном влиянии ЭДС на переходные процессы в СБМ типа МП-100 [1]. Аналогичное влияние ЭДС двигателя наблюдается и в ЭМС с УС в манипуляторах других типов [65].
Для компенсации влияния механической постоянной времени Тд, учитывающей механическую инерционность двигателя, может быть использован пропорциональный регулятор с передачей ветви
Рис. 3.1. Направленный граф ЭМС СБМ при исследовании по управляющему воздействию Снижение статической ошибки до требуемого значения рекомендуется обеспечивать за счет введения компенсирующего воздействия по возмущению или применения пропорционально-интегрального PC.
На основании выражения передачи ветви механической части графа (3.5), при использовании пропорционального PC с учетом (3.6), можно определить амплитуду резонансного пика ее АЧХ при значении частоты
Учитывая малые значения у = 0,085...0,25 по сравнению с единицей, последнее выражение можно упростить
АРСЧ{Щ) — 1 (3-8)
Обычно для СБМ резонансная частота соу превышает частоту среза контура скорости сос, поэтому логарифмическую амплитудную частотную характеристику разомкнутого контура скорости системы ЭП (3.2) можно представить в виде графика рис. 3.2. Чтобы резонансный всплеск частотной характеристики разомкнутой ЭМС с УС, с учетом упругой механической связи, оказывал незначительное влияние на переходные процессы в системе по управляющему воздействию, он должен лежать ниже оси частот с запасом 20 IgAi (соу) 6 дБ.
Это требование в общем случае может быть выполнено перестройкой регуляторов скорости PC и тока РТ. Исследования показали, что обычно значения (Оу в СБМ сравнительно не высокие, поэтому чтобы добиться требуемого снижения пика ЛАЧХ за счет коррекции свойств контура регулирования тока (КРТ), необходимо снизить его коэффициенты усиления в 5 - 7 раз: Такое большое уменьшение быстродействия токового контура влечет за собой снижение его защитных функций по ограничению тока якоря, скорости обработки возмущений при колебаниях напряжения питания сети, а также увеличение влияния изменения параметров контура тока на динамику контура скорости. В этом случае более правильным будет сохранение быстродействия КРТ соответственно стандартной настройке на оптимум по модулю, а осуществить перестройку лишь контура регулирования скорости (КРС).
Создание макета системы вертикальных перемещений сбалансированного манипулятора
Настроенный согласно вышеизложенным рекомендациям канал компенсации позволяет практически полностью исключить влияние противоЭДС на точность регулирования тока (момента) электродвигателя, поэтому его целесообразно применять при построении систем высокоточного регулирования усилий перемещаемого груза, в том числе при реализации систем активного демпфирования упругих колебаний в ЭМС СБМ.
Одним из важных показателей качества функционирования ЭП СВП является сила трогания FT. Поэтому представляет интерес экспериментально оценить, как влияют структура и настройка системы регулирования усилия на этот показатель.
Выполненные нами на макете СБМ исследования позволили получить следующие результаты. При обратной связи по току груз массой ш0 =140 кг
приходит в движение, если прикладываемая к нему сила превышает 700-800 Н. Такая большая величина FT= 700-800 Н объясняется существенными силами трения в механике СВП (см. рис. 4.4). При наличии в системе отрицательной обратной связи по усилию в подвеске перемещаемого груза с пропорциональным регулятором усилия с коэффициентом усиления к,,у 20 величина силы трогания уменьшается до = 50-60 Н, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к СБМ (см. п. 1.2). Дальнейшее увеличение коэффициента усиления регулятора усилия приводит к возрастанию колебательности и неустойчивому состоянию ЭМС. Следовательно, для уменьшения FT необходимо использовать более сложные законы управления, для чего требуется выполнить синтез системы. Для достижения наилучших показателей качества функционирования СВП необходимо выполнить синтез регулятора усилия, позволяющий минимизировать ду и уменьшить погрешность регулирования усилия. Проведенные на макете СВП СБМ эксперименты показали, что для реализации ЭМС с УС наиболее удобно использовать сигнал отклонения усилия от веса перемещаемого груза. Такое техническое решение упрощает настройку СВП и позволяет при отключенной обратной связи по усилию осуществлять предварительное выведение перемещаемого груза на заданную высоту, выполнять независимую настройку задания на ток (момент) двигателя, который должен находиться в середине зоны нечувствительности механической характеристики электропривода СВП. Это обеспечивает более точное независимое задание на усилие, равное весу груза.
Выполненные экспериментальные исследования подтвердили правильность предложенных подходов к построению силовой части электропривода и системы управления СВП СБМ.
Экспериментальная проверка рекомендаций по реализации пассивного способа демпфирования упругих колебаний исполнительных устройств сбалансированного манипулятора
Экспериментальное исследование динамики на макете СВП СБМ выполнялось во временной области путем осциллографирования переходных процессов. Снятие осциллограмм в СВП осуществлялось двухканальным цифровым осциллографом с памятью TDS1002 (Tektronix). Последующая обработка результатов проводилась на ПЭВМ типа IBM в текстовом редакторе WORD из пакета Microsoft Office.
Для получения сигнала отклонения усилия можно использовать датчики специального исполнения [30]. Однако при экспериментальных исследованиях его получили с помощью сумматора напряжения, реализованного, например, на операционном усилителе. В этом случае из полного сигнала Fy, измеренного датчиком усилия, необходимо вычесть сигнал ик, величина которого пропорциональна весу перемещаемого груза т0. Реализация такого управления облегчит эксплуатацию СБМ.
При исследовании выполнялась запись сигналов:
1) отклонения усилия AF - с устройства выделения приращения усилия;
2) тока двигателя 1-е датчика тока преобразователя ЭШИМ1;
3) скорости двигателя Q. - с тахогенератора; встроенного в двигатель.
Для уменьшения уровня помех на входах осциллографа применялись апериодические фильтры.
Изучение переходных процессов в СВП СБМ осуществлялось при ступенчатом возмущающем воздействии, характеризующем эффективность работы, системы управлениях регулятором усилия и позволяющем оценить пассивное демпфирование колебаний в упругом элементе (канатной передаче). Изучение переходных процессов в ЭМС осуществлялось при набросе нагрузки, что характеризует в целом эффективность функционирования СВП СБМ в реальных условиях. Изменение величины внешнего воздействия, прикладываемого к перемещаемому грузу т0 = 140 кг, осуществлялось добавлением (снятием) мерного груза массой тв. При этом фиксировались переходные процессы измеряемых координат, перечисленных выше..
На рис. 4.8 приведены графики переходного процесса в ЭМС при реализации пассивного способа демпфирования упругих колебаний с обратной отрицательной связью по скорости с различными коэффициентами усиления PC крс при ступенчатом возмущающем воздействии.
Из осциллограммы видно, что предельные возможности уменьшения динамических нагрузок в упругих передачах механизмов СБМ за счет изменения настройки контура скорости ЭП ограничены и определяются в основном соотношением моментов инерции масс, разделенных УЭ. Уменьшение динамических моментов в УЭ за счет подбора параметров ЭП, как правило, сопровождается снижением быстродействия ЭП, увеличением статических изменений скорости, что может явиться причиной снижения производительности СБМ. Для эффективного использования демпфирующих свойств ЭП в электромеханических системах с УС необходим единый комплексный подход к проектированию механической и электрической частей СБМ.
