Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ цикловых приводов с позиционированием исполнительного органа на жесткий упор 13
1.1. Цикловые приводы с демпфированием рабочего органа при позиционировании 13
1.2. Способы позиционирования рабочего органа на жесткий упор и устройства для их реализации 18
1.3. Цикловые приводы колебательного типа 26
Выводы 46
2. Синтез структуры привода поворотного типа 48
2.1. Разработка и исследование структур привода 48
2.2. Анализ и исследование способов подпитки энергии 54
2.2.1. Добавление энергии в колебательную систему по пути перемещения исполнительного органа 54
2.2.2. Импульсное добавление энергии в колебательную систему, в начале движения исполнительного органа 58
2.2.3. Добавление энергии в колебательную систему в момент выстоя исполнительного органа 60
2.3. Поворотный привод колебательного типа. 63
Выводы 76
3. Исследование поворотного привода колебательного типа 77
3.1. Моделирование и вычислительный эксперимент 77
3.1.1. Реализация математической модели привода резонансного тина 83
3.1.2. Оптимизация параметров привода с точки зрения быстродействия 89
3.2. Разработка эксперименталы-юй установки и проведение натурных исследований 94
4. Пути дальнейшего повышения быстродействия приводов колебательного типа 99
4.1. Управление приводом по величине контактного взаимодействия исполнительного органа и упора 99
4.2. Использование взаимовлияние подвижных масс для технологического выстоя исполнительного органа 116
Выводы 130
Заключение 132
Библиографический список 133
Приложения 142
- Способы позиционирования рабочего органа на жесткий упор и устройства для их реализации
- Импульсное добавление энергии в колебательную систему, в начале движения исполнительного органа
- Разработка эксперименталы-юй установки и проведение натурных исследований
- Использование взаимовлияние подвижных масс для технологического выстоя исполнительного органа
Введение к работе
В настоящее время производительность труда в отечественном машиностроении в десять раз ниже, чем на аналогичных предприятиях в Европе. В условиях жесткой конкуренции в мировой экономике Россия
может рассчитывать сохраниться как государство только в случае
серьезного экономического прорыва. Поэтому главнейшей народнохозяйственной задачей, поставленной в программе развития машиностроения России, является повышение темпов роста производства
ї^ в 1,8 раза до 2010 года.
Выполнение этой задачи зависит, в том числе и от
производительности конкретных технических средств.
Производительность значительной части технологического оборудования в таких операциях, как холодная листовая штамповка, расфасовка, укладка,
W сдерживается производительностью оборудования, осуществляющего
транспортирование деталей или заготовок.
Источником эффективности в таких производственных процессах является повышение производительности оборудования по штучному времени за счет сокращения вспомогательного времени, затрачиваемого на перемещение деталей и интенсификации использования основного оборудования, Это вызывает необходимость снабжать устройства загрузки-выгрузки быстродействующими приводами. В качестве таких устройств применяют различные манипуляционные механизмы: цикловые
W промышленные роботы, авто операторы.
Повышение быстродействия устройства загрузки-выгрузки традиционно осуществляется следующим образом:
4 о совершенствованием компоновки манипуляционных механизмов и основного оборудования в целом, что способствует сокращению времени и числа последовательных движений, а также перемещений исполнительных органов, реализуемых в основном с помощью конструктивных мероприятий;
І е совершенствованием приводов манипуляционных механизмов
путем улучшения их структуры и динамических процессов в них, что способствует повышению режимов работы и долговечности этих механизмов.
^ Характерные особенности работы манипуляторов — нспродолжи-
тельное время никла работы, непостоянство массы и момента инерции исполнительных органов, большие динамические нагрузки, колебания и удары в механизмах приводов во время переходных процессов (при разгоне, торможении и реверсе).
щ Приводы цикловых механизмов представляют собой системы,
состоящие из двигателя, передаточного механизма и устройства управления, включающие также датчики положения, скорости, силы и др.
В качестве приводных двигателей используют гидро- и гш евм о цилиндры., гидро- и нневмодвигатели с вращательным и
^ неполноповоротным качательным движением ротора, электродвигатели
постоянного и переменного тока, линейные двигатели и электромагниты, а так же различные комбинированные.
Наиболее широко используют электрический привод, который имеет
fc существенные преимущества перед гидравлическими и пневматическими
приводами. Это - простота получения механических движений непосредственно из электрической энергии; удобство подведения энергии; система управления приводом не требует преобразования энергии управления в другой вид энергии. Коэффициент полезного действия
электрического привода достаточно высок (значительно выше, чем гидро-или пневмоприводов).
К недостаткам электрического привода можно отнести достаточно большую инерционность и достаточно большие габаритные размеры этих двигателей. По этим причинам в некоторых случаях использование электрических приводов, особенно вблизи рабочего пространства исполнительных механизмов, становится неприемлемым.
*
Гидравлический привод в большинстве случаев имеет более низкий коэффициент полезного действия по сравнению с электромеханическим приводом, и, как весьма сложный, требует более квалифицированного обслуживания. Потери энергии в гидроприводе связаны с затратами на преодоление внутреннего трения и утечек рабочей среды через зазоры и уплотнения. Применение жидкостей с небольшой вязкостью способствует увеличению утечек, а стремление к уменьшению утечек приводит к
g| необходимости тщательной пригонки сопрягаемых деталей гидравличе-
ских машин и аппаратов. Все это отражается на стоимости и трудоемкости изготовления этих приводов. Применяемые в качестве рабочей среды минеральные масла огнеопасны, а заменители его имеют худшую смазывающую способность. Часто неквалифицированное обслуживание
"* приводит к загрязнению окружающей среды. Гидравлические приводы
допускают достаточно гибкое управление за счет регулирования потока жидкости гидравлическими устройствами, имеющими различное управление, в том числе и электронное.
(к Применению гидравлического привода в цикловых механизмах
способствуют следующие его особенности: он позволяет веевма просто осуществлять бесступенчатое регулирование частоты вращения или скорости перемещения исполнительных механизмов; местоположение источника энергии (насосной станции) во многих случаях не оказывает
существенного влияния на компоновку исполнительных механизмов оборудования; компактность и малая инерционность гидравлического привода позволяют легко и быстро изменять направления движения исполнительного механизма, применение несложной гидравлической и электронной аппаратуры позволяет стабилизировать работу привода вне зависимости от нагрузки и температуры, а также предохранять привод от поломок при перегрузке; если в качестве рабочей среды используют минеральные масла, то детали привода работают в условиях хорошей смазки, что способствует долговечности и надежности работы привода.
Пневматический привод широко используют в различных цикловых механизмах. Это обусловлено следующими свойствами: относительной простотой конструкции пневматических двигателей как для поступательных, так и для вращательных движений; сравнительной легкостью выбора места установки пневмодвигателей при выборе компоновочной схемы оборудования и возможностью использования принципа агрегатно-модульного построения; быстродействием, связанным с высокой скоростью срабатывания пневматических исполнительных механизмов в результате их малой инерционности; надежностью работы в широком диапазоне температур; возможностью сравнительно простыми средствами обеспечить автоматизацию привода, защиту от перегрузок.
Автоматизация управления пневматическим приводом может быть реализована струйными системами управления, использующими тот же вид энергоносителя. Кроме того, достоинством пневматических приводов является простота в эксплуатации, пожаро- и взрывобезопасиость, меньшая стоимость по сравнению с другими видами приводов, а при оснащении пневматическими системами управления нечувствительность к радиации и электромагнитным полям. Пневматические устройства по сравнению с гидравлическими не требуют возвратных линий и
7 коммуникаций. Выхлоп воздуха из системы осуществляется непосредственно в окружающую среду.
Недостатки у пневматических приводов следующие: низкий КПД, обусловленный необходимостью предварительно механическую работу затратить для привода компрессорных или воздуходувных установок для получения соответственно сжатого или разреженного воздуха; низкие жесткостные характеристики привода в результате значительной сжимаемости воздуха или газа.
Передаточные механизмы цикловых приводов могут быть различными: простые зубчатые, планетарные и волновые редукторы, преобразователи движения (зубчато-реечные, рычажные, кривошипные, кулачковые и др.).
Анализ работы таких механизмов, показывает, что их производительность намного ниже производительности основного технологического оборудования. Это подтверждается техническими характеристиками существующих цикловых механизмов. По быстродействию большинство приводов, включая цикловые, в настоящее время уступает не только специальным автоматам, но и возможностям человека. Средняя скорость угловых перемещений составляет 90-200%, а поступательных движений находится в пределах 0,5-1,5 м/с. Современные прессы работают со скоростью 60...80 ударов в минуту, а скорость обслуживающих их устройств загрузки-выгрузки, как правило, не превышает 10 циклов в минуту [43]. Поэтому увеличение быстродействия цикловых приводов является актуальной задачей.
Сравнительно недавно при реализации таких приводов стали использовать идеи резонансной настройки машин, основанные на том, что при резонансе силы, развиваемые приводом, используются только для компенсации потерь энергии в системе, силы инерции при этом
8 уравновешиваются за счет упругих элементов. Такая настройка позволяет увеличить быстродействие, снизив при этом энергозатраты. Эти привода получили название резонансные, колебательного, маятникового типа, с рекуперацией энергии.
В настоящее время существует несколько цикловых приводов с рекуперацией энергии [41, 50]. Например промышленный робот (ЛР) "Краб-рекупер", "Старт-рекупер", «Робко-М51», «Робко-М52», их отличает от традиционных в 3-5 раз большее быстродействие, в 10 раз меньшие энергозатраты, в 2 раза ниже стоимость, в 3 раза меньшая металлоемкость. Быстродействие составляет до 25 циклов в минуту.
Дальнейшее увеличение быстродействия таких приводов ограничено прочностными характеристиками устройств позиционирования и фиксации. Применяемое устройство позиционирования требует точной настройки и не допускает значительных отклонений многочисленных параметров цикловых приводов, к которым относятся и масса перемещаемых предметов, изменяющих величину отклонения исполнительного органа (ИО) от положения статического равновесия при позиционировании. Кроме этого, в момент фиксации исполнительного органа на жесткий упор, возникают значительные динамические нагрузки. Это связано с тем, что в момент позиционирования скорость ИО близка к нулю, а ускорения близки к максимальным. В результате возникает удар второго рода, то есть при позиционировании происходит резкое изменение ускорения движения ИО.
Динамические нагрузки в момент позиционирования определяются временем нагружения исполнительным органом жесткого упора в зависимости от периода собственных колебаний системы "жесткий упор-исполнительный орган". Так как точность позиционирования исполнительного органа в значительной мере зависит от жесткости упора, то
уменьшить динамические нагрузки можно только путем увеличения времени нагружения исполнительным органом жесткого упора.
Для этого необходимо нагружение упора начинать ые в точке
позиционирования, а при подходе ИО к ней. Данный способ, получивший
название позиционирования с подхватом ИО на жесткий упор [45]
Щ позволяет не только значительно снизить динамические нагрузки,
повысить быстродействие, но и за счет принудительного вывода ИО в точку позиционирования расширяет область.
Данный способ позиционирования реализован в опытном образце
, циклового промышленного робота «АРН « 0,5» [45]. Максимальная
скорость перемещения ИО в 1,5 - 2 раза превышает быстродействие
известных конструкций ПР с рекуперацией механической энергии, коэф
фициент динамического нагружения на упор приближается к 1. Время
цикла загрузки детали массой 200 гр. с линейным перемещением 550 мм
|І составляет 0,7 сек.
Однако до настоящего времени отсутствуют поворотные привода, использующие способ позиционирования с подхватом ИО на жесткий упор. Поэтому повышение быстродействия поворотных приводов при условии удовлетворения требуемых характеристик позиционирования яв-ляется весьма важной и актуальной задачей.
Целью работы является повышение быстродействия цикловых
приводов посредством разработки высокоскоростных поворотных
приводов колебательного типа.
Щ Для достижения поставленной цели в данной работе решаются
следующие задачи:
1. Проведение анализа принципов построения, структур современных цикловых приводов и выявление возможности повышения скоростных характеристик приводов.
2. Синтез и исследования структур быстродействующего
поворотного циклового привода колебательного типа, работающего с
использованием способа позиционирования с подхватом рабочего органа
на жесткий упор.
3. Разработка математических моделей и проведение структурных и
Щ> параметрических исследований быстродействующих поворотных
цикловых приводов колебательного типа.
Разработка экспериментальной установки и проведение натурных исследований, подтверждающих достоверность полученных теоретических результатов.
Анализ возможности дальнейшего повышения быстродействия приводов колебательного типа путем применения управления по величине контактного взаимодействия исполнительного органа и упора, а также использованием способа динамического позиционирования.
|ф Методы исследований. Основные результаты работы получены с
использованием методов анализа и синтеза, теории автоматического регулирования, методов поискового конструирования, планирования эксперимента. Проверка полученных результатов осуществлялась методами натурного эксперимента. Методологическую и теоретическую
~ основу составили труды А.И. Корендясева, Б.Л. Саламандра, С.Н. Сысоева,
Л.И. Тывес, Ю.В. Черкасова, и др.
Научная новизна работы заключается в:
структуре циклового поворотного привода, позволяющей
|| значительно повысить быстродействие приводов колебательного типа;
« математических моделях, позволяющих формировать статические и динамические характеристики быстродействующих поворотных цикловых приводов;
» качественных и количественных закономерностях влияния параметров элементов поворотного циклового привода на быстродействие и функциональные возможности.
Практическая ценность работы заключается в:
о создании поворотного циклового быстродействующего привода;
Pf в разработке методики проектирования, позволяющей создавать
поворотные цикловые приводы колебательного типа с оптимальными по быстродействию параметрами;
выявлении возможности дальнейшего повышения
^v быстродействия приводов колебательного типа путем применения
управления по величине контактного взаимодействия исполнительного
органа и упора, а также использованием способа динамического
позиционирования.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются:
Щ в ОАО «СТЕКЛО - ПРОГРЕСС», для модернизации нитеукладчика
автоматической линии по изготовлению нетканого рулонного материала и повышению производительности линии.
*
в Владимирским государственном университетом в учебном процессе при выполнении студентами курсового проекта и лабораторного практикума по дисциплине «Производственное оборудование, наладка и эксплуатация».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Владимирского государственного университета 1994/2005 гг., на Международной научно-технической конференции «Нечеткая логика, интеллектуальные системы и технологии», г. Владимир, 1998 г., на научно - технической конференции «Автоматизированные станочные системы и роботизация производства»
12 Тула: ТулГУ, 1994 г.; на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы машиностроения», ВлГУ, 1995 и 2001 гг., научно-технической конференции «Проблемы машиностроения на современном этапе ВлГУ, 2003г., на всероссийской научно -технической конференции «Мехатроиика. Автоматизация. Управление» Владимир, 2004, на научно-технических семинарах кафедры «Автоматизация технологических процессов» механико-технологического факультета Владимирского государственного университета.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
а математические модели быстродействующих цикловых приводов, позволяющие осуществить проведение параметрических исследований;
методика поискового конструирования цикловых приводов, позволяющая осуществлять синтез новых структур быстродействующих приводов колебательного типа;
« результаты исследований влияния параметров приводов колебательного типа на их быстродействие;
е быстродействующий привод, обеспечивающий высокие скоростные характеристики.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, 2 из которых рекомендованы ВАК РФ, а также патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 139 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 2 таблицы, 2 приложения на 2 страницах и библиографический список, включающий 100 наименования.
1. Анализ цикловых приводов с позиционированием исполнительного органа на жесткий упор
В данной главе дан краткий обзор механизмов фиксации и
позиционирования, применяемые в машиностроении, затем рассмотрен
принцип позиционирования исполнительных механизмов
манипуляциопных систем построенных традиционным образом и резонансным способом и проведен сравнительный анализ принципа позиционирования резонансной маиипуляционной системы и традиционных механизмов позиционирования и фиксации узлов станков.
Способы позиционирования рабочего органа на жесткий упор и устройства для их реализации
Механизмы предварительной фиксации применяют в быстродействующих фиксирующих устройствах. Они предварительно устанавливают в заданное положение выходное или одно из промежуточных звеньев механизма и предотвращают несрабатывание основного механизма фиксации из-за неточного позиционирования при повороте или линейном позиционировании узла. Для гашения колебаний используют демпфирующие устройства. Их применяют в зуборезных и зубошлифовалвных станках, токарных автоматах и полуавтоматах, многопозиционных агрегатных станках и автоматических линиях, станках с Ч.ПУ и многоцелевых станках, манипуляторах и автооператорах, различных загрузочных и транспортных устройствах. Фиксируемые узлы отличаются друг от друга по форме, габаритным размерам, массе, моментам инерции, числу позиций (шагу), действующим внешним нагрузкам, требованиям к точности позиционирования и быстроходности, что определяет разнообразие способов фиксации (табл. 1.1) и типов устройств, применяемых для фиксации обрабатываемых деталей, делительных шпинделей, револьверных головок, столов, суппортов, шпиндельных блоков, конвейеров периодического действия, магазинов и других узлов [69].
Фиксаторы отличают по способам ввода: поступательные (тип I), качающиеся (тип П), вращающиеся (тип III); по форме, числу и сочетаниям фиксирующих и направляющих поверхностей, определяющих надежность ввода, удельные нагрузки на направляющие и фиксирующие поверхности, выборку зазоров, возможность компенсации износа, регулирования в целях повышения точности и предотвращения нежелательных пространственных смещений фиксируемого узла. Механизмы с точечным контактом фиксирующих поверхностей применяют лишь при предварительной фиксации. Различают механизмы с усреднением ошибок изготовления фиксирующих поверхностей и без усреднения этих ошибок. Механизмы ввода и вывода фиксатора, создающие нагрузки, необходимые для точной установки узла и предотвращения расфиксации при работе станка, надежности вывода, разделяют по типу привода, наличию самоторможения, упругих звеньев (с силовым замыканием), направлению сил, действующих на фиксатор и его направляющие.
Вывод фиксатора -упора часто осуществляется узла кулачками, закрепленные на нем. Важную роль при позиционировании исполнительных механизмов цикловых приводов систем играют переходные процессы. Рассмотрим типичные способы останова исполнительного органа на жестком упоре. Возможны три варианта остановки ИО: остановка с жестким ударом (рис. 1.3) v 0, а стремиться к бесконечности; при безударной установке и фиксации объекта в конечном положении нужно выполнить одновременно два условия v = 0 = А = 0; а = 0 = М = 0. Для того, чтобы выполнить условия позиционирования выходного звена в конечном положении необходимо соответствующим образом выбрать закон изменения движущих или управляющих сил. Рассмотрим динамику позиционирования механической системы по упору У (рис. 1.6, а). Обратимся к динамической модели, показанной на рис 1.5, б. При выходе системы на упор У происходит резкое кратковременное высвобождение энергии, в результате чего возникает удар [54]. Если скорость центра масс подвижного звена до удара л, a q+ — скорость после него, то при q+ = 0 удар абсолютно неупругий; при q+ = q_— абсолютно упругий, а при q+=yq_ - не полностью упругий (0 у 1 — коэффициент восстановления). Рассмотрим задачу о колебаниях исполнительного звена массы да, вызванных ударом. Уравнение движения рассматриваемой системы где k = собственная частота системы; с — жесткость привода; v0 = rip делительный радиус зубчатого колеса. Решение I Из формулы (1.5) следует, что для повышения скорости позиционирования (снижения максимальной амплитуды) важно, чтобы торможение начиналось с возможно более низкой скорости Vo. Для снижения скорости позиционирования в манипуляторах используют, в основном два способа. Первый способ - наиболее распространенный, заключающийся в следующем. Используется двухступенчатое позиционирование: сначала осуществляется перевод исполнительного звена на пониженную («ползучую») скорость, составляющую 1...10% от максимальной рабочей, а затем включается дополнительное тормозное устройство, обеспечивающее останов в заданном конечном положении. Второй способ применяется в гидравлических и пневматических цикловых приводах. Используются специалвные демпфирующие устройства, снижающие ошибку при подходе к точке позиционирования. Способ компенсации динамических ошибок с помощью ограничительных упоров (жестких и регулируемых) и демпферов в основном распространен в цикловых приводах. В управляемых приводах (в системах с нестабильным режимом работы) этот прием оказывается крайне нежелательным.
Импульсное добавление энергии в колебательную систему, в начале движения исполнительного органа
Энергию в колебательную систему можно подавать и другим способом. Например, можно в начале двюкения, после снятия с фиксатора или одновременно со снятием с фиксатора, приложить к подвижной части Ь импульс силы, определенный из условий, что его энергия равна или больше энергии, теряемой системой в период движения. Если рассматривать ориентировочный график (рис. 2.8) распределения момента привода добавления энергии в систему Ми и момента сил трения Мт? на пути ф движения исполнительного органа. То для функционирования такой системы необходимо, что бы выполнялось равенство работ: Момент Mn действует на очень малом промежутке перемещения исполнительного органа, что может привести к невыполнению условия (2.6) при незначительных отклонениях Мп от требуемого значения. Для исследования данного способа добавления энергии использовался электромагнит 1, который взаимодействовал с подвижной частью 2 исполнительного органа (рис. 2.9). Осциллограмма скорости и нагружения жесткого упора изображена на рис. 2.10. По результатам эксперимента можно сделать вывод: при условии, что трение в системе постоянно или очень медленно меняется в процессе движения и нет других потерь энергии, можно гарантировать, что система будет устойчивой, т.е. подвилшыи орган дойдет до своего конечного положения и зафиксируется на упоре.
Преимущество данного способа подвода энергии в том, что в начальный момент движения достаточно велики силы трения и система обладает только потенциальной энергией, а если в момент движения сообщить ей и кинетическую энергию, то разгон системы будет проходить более интенсивно. На осциллограмме видно, что в момент расфиксации на упоре возникают значительные нагрузки, порядка 42 кгс, что усложняет точную подстройку добавления энергии в колебательную систему. Это приводит к не стабильной работе привода, что подтверждает сделанное ранее предположение. Использования принципа добавления энергии в момент выстоя ИО позволяет избежать перечисленных выше недостатков. Экспериментальные исследования данного принципа проводились на макете (рис. 2.11.) модуля поворотного привода резонансного типа, кинематическая схема которого, показан на рис. 2.12. Добавление энергии в колебательную систему происходит следующим образом (рис. 2.12). В момент фиксации, когда исполнительный орган отклонен от положения статического равновесия на максимально возможный угол, иневмоцилиндр 8 нагружает пружину 7, изменяя положение статического равновесия всей системы и компенсируя потери энергии в автоколебательной системе. Результаты испытаний показали, что наиболее работоспособный способ компенсации диссипативных сил рассеивания является способ добавления энергии путем смещения положения статического равновесия колебательной системы. Однако на надежность позиционирования влияют значительные инерционные нагрузки, возникающие в системе, что накладывает ограничения на жесткостные и прочностные характеристики конструкции привода в целом. Период колебания исполнительного органа составляет Г=0,28 с без учета выстоя в точках позиционирования. Анализ тензометричееких измерений показывает, что позиционирование на жесткий упор происходит без ударных явлений при коэффициенте динамического нагружения К =21125 = 1,08. В момент расфиксации исполнительного органа на жестком упоре появляется нагрузка QQ = 35 кгс. Отношение силы QQ И максимальной нагрузки на жесткий упор в момент позиционирования Qmas - 27 кгс , равное 1,29, косвенно показывает, во сколько раз можно повысить инерционную характеристику системы или быстродействие системы без поднастройки. Осциллограммы нагрузок на жестком упоре и скорости исполнительного органа в едином масштабе времени показывают, что нагружение на упор начинается еще при приближении исполнительного органа к упору, что снижает динамические нагрузки. В данном приводе по сравнению с известными приводами колебательного типа в 2-3 раза увеличены максимальные угловые скорости и ускорения исполнительного органа, в 8-10 раз снижены динамические нагрузки на упор.
Разработка эксперименталы-юй установки и проведение натурных исследований
Анализ тензометрических измерений показывает, что позиционирование на жесткий упор происходит без ударных явлений при коэффициенте динамического нагружения 21/20=1,05. При расфиксации исполнительного органа на упоре возникает нагрузка порядка 33 кг.
Сравнивая осциллограмму движения и полученные графики при математическом моделировании можно сделать вывод, что математическая модель привода отличается от экспериментальных данных в пределах 15%.
Для повышения надежности колебательной системы предлагается ввести обратные связи по величине контактного взаимодействия ИО о упоры и скорости движения. Использование автоколебаний позволяет повысить стабильность процесса по сравнению с вынужденными. Применим подобный подход для колебательного привода [9].
Общая схема автоколебательной системы может быть представлена в виде подвижной массы 1 (рис. 4.1), перемещающейся по закону ф(/)} на которую при помощи безинерционного регулятора 2, имеющего характеристику Л(ср, ф), подается переменное силовое воздействие u(t)= В [( p(t), ФО)], от источника энергии 3, в точках позиционирования происходит регулярный контакт об упоры 4.
Вид характеристики регулятора В( р, ф) в значительной степени определяет динамическое поведение системы, позволяя реализовать те или иные типы движений, удовлетворяющие определенным технологическим и энергетическим показателям. Поэтому рассмотрим задачу синтеза характеристики 5(ср, ф), реализующей требуемый тип периодического движения системы и притом наилучшим в некотором смысле образом.
В идейном плане такая задача примыкает к известной проблеме аналитического конструирования регуляторов [14], однако используемый в подобных случаях традиционный подход, основанный на построении стабилизирующего регулятора для компенсации рассогласования между идеальным движением, задаваемым от программного устройства, и реально наблюдаемым движением, оказывается затруднительным для ударных систем в силу большой сложности системы управления.
Специфика виброударных систем позволяет предложить иной подход к синтезу [9, 87], при котором отыскивается такая характеристика регулятора, которая позволяет ему одновременно выполнять две основные функции: реализовать требуемое оптимальное рабочее движение системы и компенсировать внешние возмущения. Более того, в структуре регулятора в определенных пределах может быть запрограммирована также желаемая реакция системы на отклонения ее параметров от номинальных. Указанная совокупность свойств позволяет рассчитывать на простую и надежную инженерную реализацию.
Отмеченная специфика виброударных систем состоит, прежде всего, в том, что реализуемые ими режимы движения могут рассматриваться как периодические, Это позволяет вести управление периодическим режимом ИО с помощью релейных устройств, осуществляющих определенные уровни силового воздействия в заданных областях плоскости фазовых координат ИО. В этом случае построение характеристики регулятора В((р, ф) сводится к нахождению величин соответствующих уровней управления Щ и отысканию кривых переключения /7;( р, ф) = 0. Отыскание временного управления и (t) и соответствующего движения системы ф(0 позволяет найти на фазовой плоскости совокупность точек кривых переключения, через которые проходит фазовая траектория оптимального предельного цикла системы, и надлежащие уровни управления (J,- соответствующие участкам траектории между точками переключения (рис. 4.2). Указанные точки имеют координаты {(p(?i), ф(Л)}, где t\ —моменты переключения u{t) определяют оптимальный периодический режим. Дополняя эти точки определенным образом до кривых переключения, можно обеспечить устойчивость режима и придать системе дополнительные полезные свойства, характеризующие ее реакцию на отклонения параметров. Сформулируем математическую постановку описанной выше задачи синтеза. В промежутке между точками позиционирования уравнение системы (рис. 4.1), отнесенное к единичной массе ИО, может быть записано следующим образом: где 5(ф,ф),— отыскиваемая характеристика регулятора. Контакт, происходящий при р = О, описывается соотношением Ньютона где R - коэффициент восстановления, ф.,_ и ф_ скорости ИО до контакта с упором и соответственно после. Учитывая ограничения, накладываемые характеристиками привода на величину развиваемого усилия, естественно предположить Класс реализуемых ИО законов движения ограничивается периодическими функциями периода Т. Вместе с тем в течение периода может осуществляться число контактов q=\. Хотя в системах виброударного действия задача реализации заданного периодического движения является сама по себе достаточно сложной из-за характерной для такого рода нелинейных систем неоднозначности поведения, решение задачи синтеза целесообразно осуществлять на основе каких-либо оптимальных критериев. Естественными показателями интенсивности контактного взаимодействия являются ударная скорость ф_. Она определена прочностными или технологическими соображениями, поэтому задача оптимизации может быть сформулирована как минимизация при заданных величинах [/и Т, либо минимизация при заданных величинах U и ф
Использование взаимовлияние подвижных масс для технологического выстоя исполнительного органа
В приводах цикловых механизмов колебательного типа с позиционированием исполнительного органа на жесткий упор с увеличением быстродействия увеличивается весовой коэффициент времени фиксации, расфиксации исполнительного органа к общему времени цикла. Кроме этого, сложность вызывает организация нескольких точек позиционирования использованием механических фиксаторов, которые загромождают рабочую зону. Одним из путей повышения эффективности манипуляционных механизмов является уменьшение времени "выстоя" исполнительного органа в точках позиционирования. Требование выполнения функций "выстоя" вызывает необходимость выполнения функций фиксации и расфиксации исполнительного органа, которые производятся различными устройствами, например, управляемыми упорами, защелками. Время выстоя исполнительного органа в рабочей зоне определяется выполнением им функций, например, загрузки оборудования. Это опускание захвата с заготовкой на рабочую поверхность, отпускание заготовки, подъем захвата в исходное положение. Время выполнения данных функций в описанных выше захватных модулях составляет десятые доли секунды, что соизмеримо с временем выполнения функций перемещения приводом исполнительного органа. Кроме этого, конструкции разработанных захватных модулей выполнены с возможностью надежно захватывать и устанавливать с требуемой точностью заготовки, корректируя их расположение. Все это позволяет применить такой механизм "выстоя" исполнительного органа в требуемом положении, который бы обеспечил кратковременное нахождение исполнительного органа в требуемой зоне, где в это время будет производиться функция "взять" или "установить" заготовку без устройств фиксации.
Таким образом, необходимо, чтобы манипуляционный механизм самостоятельно, без устройств фиксации совершал "выстой" в требуемой зоне позиционирования. Исполнительный орган в приводе маятникового типа без устройств фиксации будет совершать синусоидальные колебательные движения (кривая 1, рис. 4.6). Эта кривая отображает процесс получения и отдачи исполнительным органом аккумулятору кинетической энергии. Чтобы получить требуемый характер движения (кривая 2, рис. 4.6) исполнительного органа, необходимо при подходе его к зоне выстоя отдавать дополнительное количество энергии, а затем снова получать ее. Предлагаемый "способ динамического позиционирования подвижного исполнительного органа" [31] заключается в следующем. Исполнительный орган перемещают в направлении к зоне позиционирования, а затем тормозят, приводя к колебаниям исполнительного органа при его смещенном положении статического равновесия относительно зоны позиционирования на величину, равную наименьшему из максимально возможных отклонений исполнительного органа от этого положения к зоне позиционирования. Причем при подходе исполнительного органа к зоне позиционирования дополнительно прикладывают усилие на торможение и последующий разгон исполнительного органа в зоне позиционирования, приводящее к увеличению времени нахождения исполнительного органа в зоне позиционирования.
Предлагаемый способ динамического позиционирования подвижного исполнительного органа поясняется графиком скорости исполнительного органа, показанным на рис. 4.7., где 1, 2, 3 - соответственно графики скорости исполнительного органа без дополнительно прикладываемого усилия на торможение и разгон исполнительного органа; от дополнительно прикладываемого усилия на торможение и разгон исполнительного органа; при динамическом позиционировании исполнительного органа. Рмс. 4.7. Графики скорости исполнительного органа Данный способ можно реализовать, установив в приводе колебательного типа вторую систему колебательного типа с рекуперацией энергии, используя энергию дополнительной системы для получения требуемого характера движения исполнительного органа. При разгоне исполнительного органа его кинетическая энергия должна быть как: можно больше (энергия двух систем складывается), а при торможении, выстое в требуемой зоне энергии систем должны компенсировать друг друга. Таким образом, в данном случае используется взаимовлияние двух систем, связанных для улучшения динамических характеристик манипуляционного механизма. Схема предлагаемого привода показана на рис. 4.8. Приводной механизм состоит из исполнительного органа 1 с массой Ш\, установленного с возможностью продольного перемещения по направляющим 2 и подпружиненного относительно среднего положения 00 пружиной 3 с жесткостью С\. В исходном положении исполнительный орган 1 смещен от своего положения статического равновесия и зафиксирован упором 4. Дополнительный элемент 5 с массой ті связан с т\ посредством пружины 6 с жесткостью с2 и зафиксирован упором 7 в смещенном положении от своего положения статического равновесия. Рис,4,8. Схема привода маятникового типа Устройство работает следующим образом. При расфиксации элемента 1 упором 4 исполнительный орган, включая и дополнительный элемент [Ш] + т2), начинает разгоняться, перемещаясь влево под действием усилия от пружины 3, потенциальная энергия растяжения которой переходит в кинетическую перемещения исполнительного органа. После прохождения положения 00 возникает обратный процесс -торможения, накапливания потенциальной энергии пружиной 3. Если 8 момент торможения рас фиксировать элемент 5 фиксатором 4 относительно элемента 1, то элемент 5 начнет перемещаться относительно элемента 1, отнимая энергию движения элемента 1, что приведет к повышению его ускорения торможения. Затем, в зоне позиционирования, отнятая элементом 5 энергия будет использоваться для компенсации на некоторое время потенциальной энергии пружины 1, что приведет к увеличению времени нахождения исполнительного органа в зоне крайнего его положения. Требуемое время выстоя исполнительного органа определяется временем выполнения манипуляционным механизмом функций "взять" или "установить" заготовку и составляет для описанных выше вакуумных захватных модулей в пределах десятых долей секунды. Для определения возможности реализации данного времени выстоя исполнительного органа рассмотрим упрощенную динамическую модель данной системы.
