Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ 9
1.1. Устройство и принцип действия электромеханического модуля 9
1.2. Особенности проектирования силовых электромеханических модулей 24
1.3. Обоснование базовых конструкций силовых электромеханических модулей 33
ВЫВОДЫ 41
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ 43
2.1. Обоснование метода исследования силовых электромеханических модулей 43
2.2. Анализ процесса электромеханического преобразования энергии и нагрева,
вывод безразмерных комплексов 46
2.3. Анализ процессов в аэростатических опорах, вывод безразмерных комплексов 66
ВЫВОДЫ 70
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ 73
3.1. Организация эксперимента в связи с постановкой задачи синтеза 73
3.2. Обоснование плана эксперимента 83
3.3. Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 96
3.4. Тепловые испытания и исследование силовых характеристик 101
3.5. Экспериментальное определение точности позиционирования и вторичных параметров
3.6. Исследование аэростатических опор 125
ВЫВОДЫ 131
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ЗАДАЧ СИНТЕЗА И МОДУЛЕЙ,
ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ПО УДЕЛЬНЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ 133
4.1. Обработка экспериментальных данных и вывод уравнений синтеза 133
4.2. Критериальные модели однофазных электромеханических модулей 151
4.3. Оптимизация силовых электромеханических модулей по удельным показателям 166
ВЫВОДЫ 177
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 180
ЛИТЕРАТУРА 183
- Устройство и принцип действия электромеханического модуля
- Обоснование метода исследования силовых электромеханических модулей
- Организация эксперимента в связи с постановкой задачи синтеза
- Обработка экспериментальных данных и вывод уравнений синтеза
Введение к работе
Среди множества современных автоматизированных технологических установок выделяется класс таких, основная специфика которых заключается в необходимости выполнения электроприводом сложных многокоординатных перемещений рабочих органов с высокими быстродействием и точностью. Сюда входят автоматизированные установки производства печатных плат, изготовления и контроля изделий микроэлектроники, чертежное и печатающее оборудование, оптико-механические системы, манипуляторы для автоматизации сборочных операций в приборостроении и радиопромышленности.
В последние годы в таких устройствах все более широкое применение находит многокоординатный шаговый электропривод, непосредственно, без кинематических преобразователей реализующий многокоординатные перемещения, обеспечивая при этом линейные скорость и ускорение до I м/с и 50 м/с соответственно, ошибку позиционирования не более 20 мкм при разомкнутой структуре привода [_I t 2J . Основой появления многокоординатного шагового электропривода явились разработанная в МЭИ концепция построения сложного движения [з, 4], новые конструкции бесконтактных электродвигателей, непосредственно выполняющих сложные движения [ 5 ] , оригинальные методы электронного редуцирования движения и калибровки электрических состояний шаговых электродвигателей,[_3, 6J.
С учетом новейших достижений микроэлектроники и преобразовательной техники сформулированы [ 7 J основные принципы синтеза многокоординатного шагового электропривода : за счет усложнения системы управления максимально упростить конструкцию бесконтактного электромеханического преобразователя, сведя его к совокупности однотипных электромеханических модулей; конструктивно объединить подвижные части привода, способные выполнять сложные перемещения, с рабочими органами механизмов; наоборот, разделить, обособить каналы управления отдельными координатами результирующего сложного движения.
Модульную базу современного многокоординатного шагового электропривода образуют электромеханические модули - простейшие по конструкции типовые электромеханические преобразователи, несложные топологические преобразования которых порождают разнообразие видов движений, и электронные модули системы управления, обеспечивающие распределение управляющих импульсов по фазам двигателя и усиление мощности этих импульсов, электрическое дробление конструктивного шага, демпфирование колебаний скорости в конце движения, калибровку электрических состояний двигателя и т.д. Благодаря модульному построению электропривода обеспечивается гибкость разработки новых технологических установок, поскольку процесс их создания сводится в основном к выбору, рациональной компоновке и конструктивному объединению с рабочими органами типовых функциональных модулей. Даже ограниченный набор реализованных модулей многокоординатного шагового электропривода позволил получить многообразие их композиций и создать гамму уникальных по технологическим показателям изделий [8-10| .
Указанные выше свойства многокоординатного шагового электропривода, приспособленность его к управлению от ЭВМ, в том числе - к микропроцессорному, простота реализации согласованных перемещений обусловливает целесообразность использования многокоординатного электропривода в современных ро-бототехнических устройствах, составлящих основу переналаживаемых и безлвдных производств. Как подчеркивалось на ХХУІ съезде КПСС, "поистине революционные возможности открывают создание и внедрение миниатюрных электронных управляющих машин, промышленных роботов. Они должны получить самое широкое применение", необходимо "развивать производство и обеспечить широкое применение автоматических манипуляторов (промышленных роботов),встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, создавать автоматизированные цехи, заводы" s.
При создании разнообразных робототехнических устройств возникает многообразие требований к электроприводу. В этих условиях эффективность широкого внедрения многокоординатного шагового электропривода определяется наличием простых, понятных широкому кругу специалистов, пусть оценочных, но достоверных, как принято называть - инженерных методов синтеза привода и электромеханических модулей как его основы.
Основная цель настоящей работы в связи с изложенным состоит в разработке силовых электромеханических модулей, предназначенных в первую очередь для электропривода робототехнических устройств, и получении обобщенного математического описания силовых электромеханических модулей, приспособленного к решению задач синтеза. й Материалы ХХУІ съезда КПСС -М.:Политиздат,1981.-223 с.
В работах Г 2, 7, II j исследуются электромеханические модули и образованные из них шаговые двигатели прецизионного многокоординатного электропривода. При этом в центре внимания авторов сообразно поставленным задачам находятся вопросы компоновки и взаимодействия электромеханических модулей, точности позиционирования, а представленные методы расчета электромеханических модулей либо основываются на линейных представлениях, либо приближенно учитывают нелинейности модулей, но неудобны при решении задач синтеза.
Научная новизна настоящей работы состоит в следующем :
Обоснованы базовые конфигурации и сформулированы основные алгоритмы проектирования силовых электромеханических модулей.
Впервые для исследования и разработки электромеханических модулей обоснован и использован метод теории подобия в сочетании с планируемым экспериментом.
Получены критериальные соотношения, связывавдие параметры, показатели и свойства электромеханических модулей, позволяющие разрабатывать силовые модули и электроприводы на их основе.
Впервые использован расчетно-экспериментальный метод определения основного показателя силовых электромеханических модулей - амплитуды статической электромагнитной синхронизирующей силы.
Установлены основные закономерности, которым подчиняются оптимальные соразмерности силовых электромеханических модулей и выявлены способы повышения их удельных показателей.
В диссертации получены и на защиту представлены :
I. Методика исследования и разработки силовых электроме- ханических модулей с применением теории подобия.
Результаты экспериментальных исследований силовых электромеханических модулей в виде полиномиальных уравнений, максимально приспособленных к решению задач синтеза.
Практические рекомендации по повышению удельных массогабаритных и энергетических показателей силовых электромеханических модулей.
Диссертационная работа является частью исследований, выполняемых кафедрой Автоматизированного электропривода МЭИ в соответствии с Координационным планом АН СССР по проблеме "Научные основы электротехники и электрофизики".
Работа выполнялась в тесном содружестве с промышленностью и для удовлетворения ее потребностей.
Основные положения диссертации докладывались на Юбилейной научной конференции Московского энергетического института, посвященной 60-летию образования СССР, г.Москва,1982 г.; У Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования, г.Москва,1983 г.; III Всесоюзной научно-технической конференции "Роботы и робототехнические системы", г .Челябинск,1983 г.
Основное научное содержание настоящей работы отражено в публикациях 12, 131 .
Устройство и принцип действия электромеханического модуля
Электромеханическими модулями (ЭММ) многокоординатного шагового электропривода принято называть конструктивно элементарные бесконтактные электромеханические преобразователи, составляющие модульнр) основу многокоординатного электропривода. Как специфические шаговые электродвигатели (иногда - их отдельные фазы) ЭММ характеризуются способностью развивать электромагнитную синхронизирующую силу.
Выполненные на базе общей теории шагового электропривода Г14"[классификация ЭММ по принципу действия и сравнение их по удельным показателям Гі5 ,16 J позволяют сделать заключение о целесообразности и перспективности применения магнитоэлектрических индукторных ЭММ. Помимо общих для магнитоэлектрических машин преимуществ,таких как высокие удельные массогаба-ритные показатели и сниженное энергопотребление,ЭММ подобного типа обладают рядом дополнительных достоинств. Малые величины полюсного деления и основного конструктивного шага позволяют достигать высокой точности позиционирования и большей плавности перемещения. Поляризация магнитной системы ЭММ постоянными магнитами создает магнитное притяжение якоря 2 (рис.1.1) к индуктору 1,в том числе при отсутствии токов в фазах. В несколько раз превышая силу тяжести якоря ЭММ,сала притяжения обеспечивает возможность любого по отношению к полю гравитации расположения модулей в пространстве,что существенно расширяет функциональные возможности электропривода.
Обоснование метода исследования силовых электромеханических модулей
Выполненные в соответствии с концепцией построения многокоординатного шагового электропривода предельно простыми конструктивно ЭММ представляют собой довольно сложные электромагнитные системы. Прежде всего, они объемны, трехмерны, в них, как и в других линейных электрических машинах, явно выражены краевые эффекты, и попытка замены реальной системы двумерной, плоской связана с заведомым искажением результатов расчета. В то же время расчет электромагнитного поля трехмерного ЭММ очень сложен.
Основная сложность электромагнитного расчета ЭММ связана с необходимостью учета реального насыщения стали зубцов при расчете магнитных проводимостей зубцовых структур. К тому же свою специфику привносит серийная технология изготовления ЭММ. Механическая нарезка пазов зубцовых структур и последующая механическая обработка всей активной поверхности якоря приводит к наклепу стали. Поскольку термическая обработка (отжиг) по технологическим причинам производиться не может, возникает изменение магнитных свойств поверхностного слоя стали в зубцовых зонах.
В этих условиях для получения достоверных и надежных результатов рационально использовать эксперимент как метод исследования ЭММ. Этот вывод целиком распространяется на аэростатические опоры. Аналитическое и численное решение пространственной задачи газовой смазки затруднительны, трудоемки, а получаемые результаты громоздки и неудобны для практического применения [19] . Используемые приближенные методы далеко не всегда дают результаты, совпадающие с опытными, поэтому расчеты систем, подобных рассматриваемым аэростатическим опорам, ведутся с использованием экспериментальных зависимостей.
Применение в качестве основного метода исследования силовых ЭММ эксперимента позволяет получить результаты, опираясь на которые можно разрабатывать методы их расчета на ЭВМ.
Для достижения общности получаемых результатов необходимо использовать не отдельные параметры и переменные, а составленные из них безразмерные комплексы. Это положение логически обосновано в теории подобия [ 33] . Теория подобия в сочетании с экспериментом является в настоящее время эффективным методом обобщенного исследования сложных и мало изученных физических объектов и явлений. В ее основе лежит соображение о том, что класс физически подобных объектов ( по терминологии [33] - обобщенный индивидуальный случай) отличается от других и одновременно образует общность в силу соответственно отличия и общности не геометрических размеров и интенсивностей физических эффектов самих по себе, а соразмерностей и соотношений физических эффектов. Безразмерные комплексы, составленные как соразмерности и соотношения, уменьшают общее количество переменных, являющихся варьируемыми в эксперименте факторами, и позволяют за счет этого сократить число опытов.
class3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ class3
Организация эксперимента в связи с постановкой задачи синтеза
Для широкого внедрения многокоординатного шагового электропривода в робототехнических устройствах и других современных средствах автоматизации необходимо.,как подчеркивалось выше,создание инженерных методов синтеза силовых ЭММ. Разработанный в главе 2 инженерный метод,отличаясь предельной простотой,вместе с тем страдает и ограниченностью,вызванной требованиями строгого подобия. Поэтому для решения задач создания разнообразных робототехнических устройств с многокоординатным шаговым электроприводом необходимы инженерные методы с большей универсальностью.
Как и другие электромеханические устройства и системы, ЭММ может быть охарактеризован Г39,46 1,во-первых,совокупностью конструктивных и физических признаков : структурой,геометрическими размерами,физическими свойствами материалов. При определенной компоновке эти признаки отражены в первичных параметрах объекта (см.рис.3.1). Во-вторых, - вторичными параметрами,которые образованы из первичных и входят в схемы замещения,уравнения статики и динамики.К ним отнесем и удельные электромагнитные нагрузки. Совместно с параметрами питания первичные либо вторичные параметры определяют эксплуатационные свойства электромеханического модуля,его технико-экономические показатели,оптимизируемую в процессе проектирования функцию цели (критерий оптимальности 47] ), функции ограничений.
class4 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ЗАДАЧ СИНТЕЗА И МОДУЛЕЙ,
ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ПО УДЕЛЬНЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ class4
Обработка экспериментальных данных и вывод уравнений синтеза
Получению уравнений связи показателей и параметров силовых ЭММ необходимо предпослать общие соображения о методе определения их адекватности. Не имея технической возможности тиражировать модули для определения воспроизводимости их характеристик, воспользуемся практическим опытом изготовления аналогичных электромеханических преобразователей. Этот опыт свидетельствует, что разброс характеристик при серийном изготовлении не превышает 8%, и позволяет сделать вывод о хо-рошей воспроизводимости. В этих условиях суждение об адекватности получаемых аппроксимаций может быть вынесено по результатам опыта в центре плана, подобно тому, как это делается при работе с математической моделью [_ 39 J .А именно, постулируется допустимая погрешность аппроксимации А УДСП к0 торой сравнивается расхождение полученного в опыте значения функции цели Y с найденным по полиному Y . Аппроксимация принимается адекватной, если
С учетом названной степени воспроизводимости полиномы, имеющие относительную погрешность О YQ В центре плана 8%, дают умеренно оптимистическую оценку функции цели, а характеризующиеся значениями и YQ , существенно превышающими 8%, позволяют не принимать во внимание разброс характеристик на фоне неточности аппроксимации.
