Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципиальные схемы, системы управления и конструкции гидравлических позиционных приводов 8
1.1. Гидравлические позиционные приводы и требования, предъявляемые К НИИ 8
1.2. Гидравлические позиционные приводы с цикловыми системами программного управления
1.3. Шаговые гидравлические позиционные приводы с цифровым управлением 15
1.4. Электрогидравлические следящие позиционные приводы (ЭГСП) 19
1.4.1. ЭГСП с кинематической обратной связью по положению 20
1.4.2. ЭГСП с электрической обратной связью 27
1.4.3. ЭГСП с релейным управлением 32
1.5. Гидравлический позиционный дискретный привод с программным управлением (ПУ).
Постановка задач работы 36
Глава 2. Исследование процессов разгона и торможения привода с дискретным пу. синтез регулирующего распределителя 4-5
2.1. Обзор теоретических работ по анализу процессов разгона и торможения в гидроприводе
2.2. Исследование переходных процессов в контуре питания при заданном законе движения выходного звена гидродвигателя 49
2.3. Синтез регулирующего распределителя по заданному закону движения выходного звена гидродвигателя 57
2.4. Разброс выбега позиционируемого объекта при торможении с дискретным ПУ б7
2.5. Интегрируемый случай уравнения движения гидропривода при дискретном управлении
"по времени"70
Глава 3. Аналитический расчет гидравлического позиционного привода с ДШКРЕТНШ ПУ 7б
3.1. Выбор и обоснования метода расчета 76
3.2. Динамика симметричного привода в релейном следящем режиме на этапе позиционирования 78
3.3. Исследование гидропривода с несимметричным гидродвигателем
3.4. Выбор параметров привода и устройства управления по заданным быстродействию и точности позиционирования
3.4.1. Определение максимального быстродействия позиционного привода при заданной точности позиционирования .
3.4.2. Расчет корректирующих устройств для повышения быстродействия позиционных приводов 117
Глава 4. Теоретический анализ и расчет на эцвм позиционного гидропривода с дискретным программным управлением 122
4.1. Общая нелинейная математическая модель позиционного гидропривода с дискретным ПУ 123
4.2. Разработка алгоритма решения нелинейной математической модели на ЭЦВМ 134
4.3. Результаты расчетов режимов разгона и торможения гидравлического позиционного привода с дискретным ПУ 138
4.4. Анализ устойчивости привода в релейном следящем режиме на этапе позиционирования
4.5. Синтез алгоритмов управления гидравлического
позиционного привода с линейной и нелинейной коррекцией линий переключения 155
Глава 5. Экспериментальное исследование позиционного гидропривода с дискретным программным управлением
5.1. Задачи экспериментального исследования. Описание экспериментальной установки I6Zt
5.2. Измерительные и регистрирующие приборы и аппаратура. Оценка погрешности измерений 172
5.3. Результаты экспериментальных исследований 179
Выводы и основные результаты работы 191
Литература 193
Приложение 202
Таблица обозначений и исходных данных 202
Материалы о внедрении 204
- Гидравлические позиционные приводы с цикловыми системами программного управления
- Исследование переходных процессов в контуре питания при заданном законе движения выходного звена гидродвигателя
- Динамика симметричного привода в релейном следящем режиме на этапе позиционирования
- Разработка алгоритма решения нелинейной математической модели на ЭЦВМ
Введение к работе
Настоящая диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблемы - разработке и исследованию позиционных гидроприводов для машин-автоматов и промышленных роботов.
Для автоматического управления процессами работы современных универсальных и специализированных машин-автоматов и промышленных роботов требуется гибкая система автоматизации допускающая легкое и быстрое изменения режимов работы машины в широких пределах. Автоматизация производственных процессов неразрывно связана с решением задач позиционирования различных объектов.
Позиционные гидравлические приводы находят широкое применение в металлорежущих {координатно-расточных, координатно-свер-лильных, токарных, фрезерных и др.) и деревообрабатывающих станках, прокатных станах, сварочных и литейных машинах. Например, в машиностроении большая часть металлорежущих станков (порядка 60%) оснащена позиционными системами программного управления. Так же большое место гидравлические позиционные приводы (ШП) занимают при автоматизации вспомагательных операций и процессов. Промышленные роботы (ПР) для обслуживания транспортных, складских, погрузочно-разгрузочных работ, операций установки и съема заготовок в механических, кузнечных, листоштамповочных, литейных и др. цехах оснащаются ГПП /63/. До 90% промышленных роботов имеют позиционные системы программного управления (ПУ), а в 34% из них применяется гидропривод /38/.
Тенденция к увеличению производительности машин-автоматов, а также бурное развитие робототехнических систем предъявляют на современном уровне жесткие требования к гидравлическим приводам как по точности позиционирования (менее 0,1 мм), так и по быстроходности {I - 1,5м/с),
В настоящее время в СССР и ведущих зарубежных странах для решения задач позиционирования различных объектов наибольшее применение получили ГПП с цикловыми системами ПУ, работающие по жестким упорам или конечным переключателям, а где необходимо осуществлять позиционирование в большом количестве точек -электрогидравлические следящие позиционные приводы (ЭГСП), в которых используются электрогидравлические усилители мощности или электрогидравлические шаговые двигатели. Цикловые гидроприводы не удовлетверяют требованиям универсальности, сложны в переналадке, имеют ограниченные функциональные возможности (до 5 точек позиционирования) / 11,19,58.62,63 /.Использование в позиционных системах ЭГСП, как отмечается во многих работах / 4,19, 55,68/ функционально и экономически неоправдано, поскольку в позиционных системах нет необходимости отрабатки любого заданного закона движения, а важен факт достижения объектом заданной координаты. Кроме того, ЭГСП отличаются высокой стоимостью, сложностью в изготовлении и эксплуатации, при высоких скоростях перемещения не могут обеспечить точности позиционирования, менее * 0,5 мм / 20,38/. В этой связи в работе /20/ отмечается: "...Создание и организация производства надежных и достаточно дешевых ЭГСП для ПР является первостепенной задачей. Ее решение обеспечит значительный прогресс в отечественном роботостроении, сделает возможным широкое внедрение роботов для автоматизации сварочных, окрасочных и других работ, создание автоматизированных участков и комплексов на базе оборудования с ЧПУ".
Таким образом, увеличение быстродействия, повышение точности позиционирования, возможность непосредственного управления от цифровых управляющих машин с применением современных микропроцессорных устройств - основные задачи, которые необходимо решать при проектировании приводов машин-автоматов и ПР.
Цель настоящей диссертации заключается в разработке высокоскоростного позиционного гидропривода, позволяющего осуществлять позиционирование выходных звеньев машин - автоматов и промышленных роботов в любой точке рабочего диапазона перемещений с высокой точностью позиционирования и возможностью непосредственного управления от цифровых управлющих машин без; использования дорогостоящих электрогидравлических усилителей мощности.
Научная новизна работы состоит в том, что:
предложен способ управления позиционным гидроприводом, сочетающий в себе преимущества цикловых и релейных следящих приводов;
при исследовании динамики релейных следящих приводов с симмретричным и несимметричным гидроцилиндром методом точечных преобразований получены в общем виде уравнения линий переключения, условия существования предельных циклов и бифуркационные соотношения параметров, связывающие точность позиционирования с параметрами привода на границе устойчивости,
разработаны методы выбора параметров привода и устройства управления, а также алгоритмы управления от ЭВМ, обеспечивающие максимально возможное быстродействие при заданной точности позиционирования и ограничениях на динамические нагрузки,
предложен метод предварительного выбора математической модели контура питания при заданном законе движения гидропривода.
Работа выполнена в лаборатории приводов машин автоматического действия Института машиноведения им, А.А.Благонравова АН СССР.
Гидравлические позиционные приводы с цикловыми системами программного управления
Во многих отечественных и зарубежных машинах-автоматах и промышленных роботах, особенно при массовом и крупносерийном характере производства, пршентотся, гидравлические позиционные приводы с цикловыми системами. программного управления (ГППсЦУ) /II, 19, 45, 46, 62, 75 и.др./. В таких.приводах остановка вы ходного звена исполнительного механизма осуществляется либо по жестким упорам, либо по команде, поступающей от электрических и бесконтактных конечных выключателей. Для остановки позициониру емого объекта без отскока.от.упора и без удара.после запирания полостей гидродвигателя по команде от конечного выключателя в приводах такого типа осуществляется предварительное торможение гидродвигателя.. Для конструкции цикловых систем программного, .управления позиционными гидравлическими приводами.-характерны: небольшая емкость программоносителя, простейшие алгоритмы управления, как правило, имеющие жесткую структуру, большой удельный вес и разнообразие аппаратных средств для сопряжения с приводами, небольшая стоимость.
Среди основных алгоритмов управления необходимо отметить реализацию заданной циклограммы движения манипулятора, контроль программы, реализацию связи с обслуживаемым оборудованием. Процесс обучения ПР обычно состоит в визуальном контроле программы и настройка либо жестких упоров, либо кулачков, воздействующих на конечные выключатели.
Для обеспечения плавного разгона и торможения исполнительных механизмов в ГШІ с Щ" обычно применяется схема, изображенная на рис.1.1 / 19 /. Заданный закон разгона и торможения обеспечивается тормозными золотниками 2 и 3, которые приводятся в действие кулачками, установленными на движущихся частях привода. Реверс обеспечивается направляющим распределителем I. - . Недостатками таких систем являются ограниченное число про-граммироуемых точек позиционирования, что значительно .ограничивает их функциональные возможности; необходимость установки тормозных золотников с напорными трубопроводами з непосредственной близости от движущегося выходного звена исполнительного механизма; выбор.профилей и-тщательная установка.управляющих кулачков; необходимость переноса и установки новых управляющих.кулачков каждый раз при изменении .программы или. режима работы.. ....
В некоторых случаях, если на быстродействие привода не имеется существенных ограничений, применяются, схемы с использованием стандартных.гидрораспределителей с настраиваемой скоростью золотника .
При поступлении, команды от конечного выключателя, на остановку, золотник распределителя 2 устанавливается в среднее положение. В этом случае рабочая жидкость из полостей гидроцилиндра и поступающая от источников питания направляется на слив. Усилие, действующее на поршень со стороны бесштоковой полости, уменьшается, а подпор в штоковой полости способствует быстрому и плавному затормаживанию механизма до скорости, обеспечивающей его безударную остановку, при наезде на упор З.Если в приводе применить распределитель, выполненный по схеме, изображенной на рис.26, то торможение будет более длительным.
Если требования к точности позиционирования ПР не высоки, то часто применяется безупорная остановка исполнительного механизма путем предварительного торможения "по. времени" по команде конечного выключателя с последующим запиранием полостей гидродвигателя распределителем. Это дает возможность позиционирования в большом количестве .точек (как правило 3-5). Однако. точность позиционирования в таких случаях небольшая (+2-3.мм). Такой спо-. соб позиционирования рассмотрен в работах / 33, 45, 55 / и применяется в некоторых образцах промышленных роботов станочного и подъемно-транспортного назначения. К.достоинствам такого способа позиционирования по сравнению с показанным на.рис.1.1 необходимо прежде всего отнести возможность позиционирования в большем количестве точек и отсутствие напорных, трубопроводов в непосредственной близости от движущегося выходного звена. К недостаткам - низкая точность позиционирования часто ограничивает их функциональные возможности.
Исследование переходных процессов в контуре питания при заданном законе движения выходного звена гидродвигателя
При проектировании и исследовании гидроприводов важно знать насколько существенно влияние динамических характеристик насосных установок на переходные процессы, происходящие при неустановившемся движении поршня (разгоне и торможении).
При анализе процессов разгона и торможения и при синтезе управляющих гидроустройств для осуществления заданного закона движения объемных приводов в большинстве случаев используют статическую характернетішу насосных установок. Следует отметить, что динамические свойства предохранительно-переливных клапанов, которые являются неотъемлемой частью любого объемного привода, иногда оказывают существенное влияние на динамику привода в целом и могут в значительной мере изменить характер разгона и торможения гидроприводов. Поэтому важно исследовать переходные процессы в контуре питания при заданном законе движения выходного звена гидродвигателя и определить те пределы, в которых динами-І ческая реакция контура питания близка ...к статической насосной характеристике и, следовательно, учет последней при синтезе УГ вполне оправдан.
В настоящее время различными методами решается задача анализа динамики срабатывания предохранительных клапанов при их мгновенном нагружении /69, 70 /, однако, теоретические вопросы совместной работы клапанов с приводами и их взаимовлияние изучены недостаточно.
Физические процессы, происходящие при срабатывании однокас-кадных предохранительных клапанов описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений. Особенность предлагаемого анализа заключается в том, что по методике, предложенной в работах нелинейные функции расходных характеристик клапанных щелей и гидродинамических сил, действующим на клапан, разлагаются в ряд Тейлора в окрестности характерных точек, полученных из условия статического равновесия системы. Затем предполагается, что закон движения исполнительного механизма привода известен. Следовательно, зная возмущающее воздействие, представляется возможным исследовать динамическую реакцию контура питания при движении привода и оценить отклонение насосной характеристики от статической.
Обозначения и численные значения постоянных в данной системе дифференциальных уравнений для насоса Г 48-22 и предохранительного клапана Г54-І2 приведены на рис.2.1 и в табл.2.1. При -составлении математической модели были сделаны следующие допущения: давление в сливной магистрали равно нулю, величиной полусухого трения в золотнике клапана пренебрегаем, объемный модуль упругости жидкости принимаем постоянным, учитываем влияние на золотник клапана только статической составляющей гидродинамической силы.
Из уравнения (2.9) видно, что преобразование Лапласа для решения системы дифференциальных уравнений (2.6) при ненулевых начальных условиях представляет сумму двух членов, один из которых определяет эффект возмущающего воздействия F(s) и не зависит от начальных условий, другой же MH(s) определяет эффект начальных условий и не зависит от возмущающего воздействия. Таким образом, при использовании решения в операторной форме нет необходимости находить постоянные интегрирования и частное решение каждый раз, когда требуется исследовать динамические цроцессы в контуре питания при другом возмущающем воздействии.
Как указывалось выше, оптимальным по быстродействию при разгоне и торможении приводов является закон постоянного ускорения. Исследуем переходные процессы, происходящие в контуре питания в предположении, что разгон привода происходит по равноускоренному закону.
Из проведенных исследований можно сделать вывод, что в случаях, когда разгон и торможение в приводах происходят с большими ускорениями, либо давление питания устанавливается из условия преодоления сил производственного сопротивления, а масса подвижных звеньев, приведенная к ведущему звену гидродвигателя, незначительна, то при расчетах переходных процессов и синтезе управляющих гидроустройств необходимо учитывать динамические характеристики предохранительных клапанов. Предложенный метод позволяет также для различных приводов получить те пределы, когда можно использовать для расчетов статические характеристики насосных установок. Необходимо отметить, что если в станочных приводах, ра -57 ботаїощих на низких подачах, динамические характеристики контура питания не оказывают существенного влияния, то в позиционных приводах с дискретным управлением, как видно из проведенного исследования, динамическая реакция контура питания может существенным образом исказить заданньм закон разгона и торможения привода (особенно при больших ускорениях). В этом случае, в позиционных приводах рекомендуется применять предохранительно-переливные клапаны с улучшенными динамическими характеристиками. Гамма таких клапанов разработана при участии автора / I, 2, 3 / и нашли применение в народном хозяйстве СССР.
Динамика симметричного привода в релейном следящем режиме на этапе позиционирования
Рассмотрим подробнее движение привода в окрестности точки позиционирования. После запирания полостей гидроцилиндра распределителем 2 в одной из них жидкость сжимается под действием инерционных сил, в другой же, наобором, происходит падение давления. Таким образом при математическом описании процесса торможения необходимо учитывать сжимаемость жидкости.
Если при торможении позиционируемый объект выходит из зоны нечувствительности, то происходит переключение распределителя 2 для перемещения объекта в противоположную сторону. При этом полость со сжатой жидкостью соединяется с напорной магистралью, а полость с пониженным давлением - со сливной. Поэтому, можно предположить, что сжимаемость жидкости на этапе разгона оказывает незначительное влияние на переходный процесс и при математическом описании можно ограничиться уравнением движения для несжи маемой жидкости. Кроме того, процесс позиционирования происходит на сравнительно небольших скоростях движения (до 10 см/с) / 14 / и гидравлические потери в гидролиниях пренебрежимо малы по отношению к потерям в регулирующем распределителе 5. Это же обстоятельство позволяет принять допущение, что давление источника питания остается постоянным (рЛ = Const ).
В общем случае элементам релейных приводов могут соответствовать нелинейные характеристики самого различного вида. Так, релейным характеристикам свойственен гестерезис, который проявляется в том, что реле включается при большем управляющем токе, чем выключается. Однако при помощи дополнительных обратных связей, охватывающих реле, положительный гистерезис удается уменьшить до нуля / 73, 82 /. В этой связи, в дальнейшем будем рассматривать релейные приводы, в которых нелинейные характеристики (релейного усилителя, сухое трение, запаздывание на выходе релейного усилителя) приводятся к одной обобщенной функции релейного типа - релейной характеристике с зоной нечувствительности и временным запаздыванием.
Известно, что движение релейных приводов, описываемых системой дифференциальных уравнений (3.6) и (3.8), вообще говоря, нельзя отобразить на обычной фазовой плоскости. Однако совокупность возможных движений в таких приводах можно отобразить с помощью многолистных фазовых поверхностей, которые представляют картину движений сначала при "t t , а затем по истечении времени -запаздывания t ъ /5, 25 /.
Принцип действия привода таков, что в зону позиционирования объект приходит с постоянной скоростью - » поэтому на интер -85 вале времени 0 t ъ независимо от начальных условий фазовыми траекториями будут Ъ — ± Й .В данном случае фазовая поверхность является однолистной, а фазовыми траекториями служат отрезки прямых линий.
Рассмотрим фазовую поверхность на интервале времени % ъ . В данном случае она является бесконечнолистной, однако ее можно рассматривать как трехлистную, выделяя области особых начальных условий (рис.3.3). На рассматриваемом интервале на листах П и Ш показаны фазовые траектории, соответствующие разгону привода, построенные го уравнению (3.7). Они асимптотически приближаются к прямым т$=йи Если не учитывать временное западывание и считать систему управления безинерционной, то границы листов будут проходить по вертикальным линиям переключения управления, расстояние между которыми определяется величиной зоны нечувствительности ±д. .На рис. 3.3 линии переключения управления обозначены Хх,Хг,Хъ,хл. уравнение этих линий следующее: з -±д .
Однако, наличие временного запаздывания в системе управления и гидравлическом раопределителе приводит к тому, что функция фх будет переключаться на линиях, отстоящих от Хх и Хъ на интервал времени ъ . В связи с этим границы листов претерпевают изменения и необходимо найти действительные линии переключения привода с учетом временного запаздывания.
Разработка алгоритма решения нелинейной математической модели на ЭЦВМ
Дифференциальные уравнения (4.2 - 4.-3) представлены в виде, удобном для численного интегрирования, т.е. разрешены относительно первых производных / 78 /. Одним из наиболее распространенных методов численного интегрирования систем обыкновенных дифферен -135 циальных уравнений является метод Рунге-Кутта четвертого порядка. Этот метод служит основой стандартных программ для численного интегрирования, что значительно сокращает трудоемкость составления алгоритма для ЭЦВМ / 64 /. Метод Рунге-Кутта четвертого порядка обладает повышенной точностью по сравнению с одноша-говыми методами, что необходимо при расчете приводов с высокой точностью позиционирования. Кроме того, метод предусматривает автоматический поиск шага интегрирования в зависимости от заданной точности расчета.
Для реализации нелинейной математической модели использовался алгоритмический язык Фортран. Расчеты проводились на ЭВМ "Минск-32" / 7 /. Блок-схема численного интегрирования на ЭВМ систем уравнений нелинейной модели привода представлена на рис.4.3.
Основными особенностями приведенной блок-схемы, определяемыми спецификой работы ДГШ, является наличие блоков: выбора начального шага интегрирования, алгоритма управления, расчета параметров установившихся режимов и задания линий переключения.
На различных этапах работы ДГШ, продолжительность физических процессов, происходящих в рабочей жидкости, приводе и системе управления изменяется в широких пределах. Так, процессы наполнения и опоражнивания полостей гидроцилиндра при неподвижном штоке имеют длительность в пределах от 0,001 до 0,01 с, время разгона и торможения привода составляет 0,1-0,2 с, а время движения на установившихся скоростях 0,5-1 с. Кроме того, при расчете переходных процессов при позиционировании необходимо учитывать изменение знака силы трения при изменении направления движения, что требует очень мелкого шага интегрирования. Поэтому, в блок-схему расчета введен блок выбора шага интегрирования в зависимости от рассчитываемого процесса, что позволило существенно сок -Об ратить затраты машинного времени.
В блоке алгоритма управления, в зависимости от рассчитываемого процесса, задаются положения распределителей и формируются функции управления по заданным алгоритмам.
Для расчета торможения цривода и устойчивости в режиме позиционирования необходимо вычислить начальные условия. Эти операции производятся в блоке расчета установившихся режимов.
Описания алгоритма решения математической модели привода на ЭЦВМ и процедур, производимых, в блоках согласно рис.4.3 дано в табл.4.1. Блоки, выделенные на схеме двойным контуром, реализованы в виде отдельных программных единиц. Для удобства пользования программой и для сокращения затрат машинного времени в программе предусмотрена возможность как одновременного расчета всего цикла позиционирования, так и его различных этапов раздельно. Так, при вводе исходных данных предусмотрены признаки, по которым в блоке алгоритма управления формируется алгоритм раздельного расчета переходных процессов при разгоне привода, торможении, движении на установившихся скоростях, процессов позиционирования и определения параметров автоколебаний.
Как уже отмечалось, в быстродействующих позиционных приводах время переходных процессов цри разгоне, торможении и позиционировании соизмеримо с временем движения на установившей скорости и существенным образом сказывается на общем времени перемещения. В ряде случаев, когда заданные перемещения малы, весь путь позиционируемого объекта может состоять из участков разгона и торможения. Поэтому целью анализа является определение влияния основных нелинейных факторов, а также конструктивных параметров управляющих гидроустройств на характер неустановившегося движе -139 ния привода. При этом необходимо корректировать конструктивные параметры привода и алгоритм управления от ЭВМ таким образом, чтобы получить наименьшее время переходных процессов при некоторых ограничениях, каковыми могут являться, например, максимально допустимые величины ускорений, заданная точность позиционирования, возникновение кавитации и др. Для получения достоверных результатов при теоретическом анализе необходимо идентифицировать разработанную математическую модель с результатами экспериментального исследования. Одним из наиболее распространенных методов идентификации является сравнение результатов теоретических расчетов переходных процессов на различных этапах движения привода с осциллограммами по совокупности основных регистрируемых параметров. При этом точность теоретического анализа принимается удовлетворительной, если наибольшее относительное расхождение результатов расчетов с экспериментально полученными данными не превышает относительной погрешности экспериментальных исследований. Оценка максимальных относительных погрешностей записи и обработки осциллограмм для различных параметров приводится в гл.5. На рис.4.4 а,-б . приведены результаты теоретических расчетов (пунктирные линии) и осциллограммы (сплошные линии) для полного цикла позиционирования при перемещении привода на величину 250 мм. При этом сравнение производилось по таким основным параметрам, как скорость объекта, ускорения и давления в полостях гидроцилиндра при разгоне, торможении и позиционировании привода. Как видно из рисунков, сходимость теоретических и экспериментальных данных хорошая и находится в пределах относительной погрешности экспериментов по соответствующим параметрам (3-8%).
