Применение электропривода для демпфирования упругих колебаний исполнительных механизмов сбалансированных манипуляторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Хасамбиев, Ибрагим Вахаевич

• Хасамбиев, Ибрагим Вахаевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хасамбиев, Ибрагим Вахаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ.

1.1 Особенности применения сбалансированных манипуляторов с электромеханическим приводом при автоматизации производственных процессов.

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.НО

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение электропривода для демпфирования упругих колебаний исполнительных механизмов сбалансированных манипуляторов»

Появление нового класса машин - сбалансированных манипуляторов (СБМ) - стало логическим этапом в процессе совершенствования средств1 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, обеспечивающих 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 ЭП, обеспечивающий выполнение условий минимизации упругих колебаний механизма СВП СБМ;

- разработаны рекомендации по проектированию ЭМС с УС, настройке регуляторов систем подчинённого регулирования (СПР) 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 научио-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).

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Хасамбиев, Ибрагим Вахаевич

ВЫВОДЫ

1. При исследовании вынужденных колебаний сбалансированных манипуляторов (СБМ) с учётом влияния упругих механических связей существенное влияние на демпфирующую способность электропривода (ЭП) оказывают силовые взаимодействия момента электропривода и момента в упругих элементах механических передач.

2. Увеличение вещественной составляющей тока электродвигателя приводит к возрастанию диссипации энергии упругих колебаний в его якорной цепи, что способствует повышению демпфирующей способности ЭП.

3. Предельные возможности пассивного демпфирования электроприводом упругих колебаний механизмов СБМ ограничены и определяются; в основном, отношением моментов инерции масс разделённых упругим элементом и быстродействием ЭП;

4. Применение двухкратноинтегрирующих систем подчинённого регулирования координат СБМ при их настройке регуляторов в соответствии с предложенными, рекомендациями позволяют получить наилучшие результаты пасг сивного демпфирования упругих механических колебаний с помощью ЭП;; Однако эти системы более, чувствительны к изменении параметров, что необходимо учитывать, при их практической реализации.

5. Применение быстродействующих полупроводниковых.электроприводов (ЭП) и надежных в эксплуатации силоизмерительных устройств позволяет возложить на ЭП дополнительную функцию - активное демпфирование колебаний скорости- и: ограничение-динамических нагрузок в упругих передачах исполнительных механизмов сбалансированных манипуляторов (СБМ).

6. Активное демпфирование колебаний- и ограничение динамических, нагрузок в упругих передачах механизмов СБМ с помощью регулируемого ЭП целесообразно применять,, если полоса равномерного пропускания частот замкнутого контура регулирования скорости двигателя сос превышает резонансную частоту сор упругих колебаний электромеханической: системы при соотношении моментов инерции разделённых упругим элементом 3~ц /Тм = 2 - 5.

7. Дополнительно вводимый, в; систему управления? ЭП канал управления усилиями, механизмов СБМ должен обладать дифференцирующими* свойства-ми.Порядок дифференцирования корректирующего устройства вюбщем случае определяется быстродействием: ЭП; а структура и параметры - условиями его технической реализуемости и параметрами механической части СБМ;

8. Добавление в систему управления ЭП корректирующего устройства с рекомендованными параметрами и выбор коэффициента усиления регулятора скорости из условия сос>о)Р обеспечивают требуемое активное ограничение динамических нагрузок механических передач при минимальных значениях момента двигателя и приводят к существенному улучшению переходных процессов изменения скорости механизма СБМ, вызванных возмущающими и управляющими воздействиями.

9. При реальных изменениях упругости механических передач и массы перемещаемого СБМ груза, при использовании рекомендуемых настроек регуляторов СПР при пассивном демпфировании и структуры и параметров корректирующего устройства при активном демпфировании, адаптивного управления не требуется.

4. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ

4.1' Создание макета системы вертикальных перемещений-сбалансированного манипулятора

4.1.1 Особенности создания макета системы вертикального перемещения сбалансированного манипулятора

В основу физического моделирования положено изучение явлений на моделях одной физической природы с оригиналом, вследствие чего модель воспроизводит комплекс явлений, характеризующих исследуемые процессы, в том числе не поддающиеся точному математическому описанию. Это позволяет глубже понять некоторые свойства и особенности изучаемого объекта и уточнить математическое описание реальных процессов. Создать макет СВП СБМ с учетом реальной конфигурации кинематики является достаточно сложной и трудоемкой задачей. Исследования показали, что на экспериментальном стенде упругие свойства механической передачи наиболее просто имитировать с использованием канатной передачи. Поэтому вместо непосредственной механической связи будем применять канатную механическую передачу соответствующей длины.

Создание макета СВП СБМ необходимо осуществлять с учетом динамического подобия. Это позволит выполнить на ней комплекс исследований по изучению свойств реального объекта управления, уточнить математическое описание СВП СБМ, апробировать предложенные подходы к построению системы регулирования усилия и способы демпфирования упругих колебаний в механической части системы. Расчет параметров и реализация электропривода стенда была осуществлена с учетом массы груза 100 - 150 кг, скорости перемещения (ОД - 0,2) м/с и значения резонансной частоты около 60 рад/с. Кинематическая схема макета СВП СБМ показана на рис. 4.1.

Стенд (см. рис. 4,1) позволяет осуществлять вертикальные перемещения груза массой до 150 кг с перепадом высот 0-2,7 м. Он состоит из высокомо-ментного электродвигателя 1 постоянного тока типа 1 ПИ 12.1Ы1-202 М ( 60 В; 12 А; 4,7 Н м; 1000 об/мин; 0,0054 кг-м2) со встроенным тахогенератором 2 (крутизна характеристики 0,21 Врад/с); втулочно-пальцевой муфты 3; передаточного устройства, включающего в себя планетарный редуктор 4 с передаточным числом ip =36, встроенный в барабан 5 диаметром DE = 0,15 м; канатной механической передачи 6 с коэффициентом полиспаста in = 2, в которой применен канат крестовой свивки с точечным касанием проволок в прядях диаметром dK = 3,9лш, длина которого меняется в зависимости от положения груза от 7,46 м до 2,46 м; блока 7 диаметром D^ = 200мм ; крюка 8 с блоком 9 диаметром Обк = 90лш; тензодатчика 10. Макет перемещаемого груза II представляет собой груз массой т0, набираемый дисками по !0 и 20 кг.

Рис. 4.1. Кинематическая схема лабораторного стенда

Питание, высокомоментного электродвигателя осуществлено от широтно-импульсного преобразователя напряжения типа ЭШИМ1 (8 А; 60 В), который имеет встроенный .датчик тока, необходимый для реализации замкнутого КРТ с релейным РТ. Система регулирования усилия выполнена на базе ЭШИМ1 с учетом особенностей, изложенных в [21].

Для изучения свойств объекта управления и определения возможностей, идентификации упругодиссипативных свойств* механической? передачи были, выполнены его исследованияш; статических и динамических,режимах.

4.1.2. Экспериментальное определение параметров макета системы вертикальных перемещений СБМ

Снятие механических характеристик электропривода СВП СБМ осуществляли только при отрицательной обратной связи по току, используемой в дант ном случае для реализации токоограничения, при различных массах груза т0 в: следующей последовательности:

- устанавливали требуемую массу т0 груза путем снятия или добавления дисков;

- помещали груз в середину диапазона его возможного перемещения;

- определяли величину тока двигателя при начале движения груза вверх или вниз, плавно изменяя задание;

- фиксировали ток и скорость двигателя, устанавливая с помощью задающего напряжения различную скорость движения:груза вверх и вниз.

В-процессе экспериментов использовались поверенные приборы. Для определения величины тока, двигателя в его якорную цепь включался шунт типа 75РИ (7,5 А, класс 0,2), предназначенный для выполнения-научных исследований совместно с микровольтметром* постоянного тока магнитоэлектрической системы типа М45М (75 мВ, класс 1,0). Для измерения скорости, перемещения груза использовался тахогенератор с крутизной характеристики 0,21: В-.рад/с, выходное напряжение которого измерялось двухполярным вольтметром посто1 янного тока магнитоэлектрической системы типа М3666 (30 В, класс 1,0):

На основе обработки экспериментальных данных, получены графики механических характеристик при различных массах груза, один из которых при т0 = 140 кг показан на рис. 4.2, а на рис. 4.3 приведены зависимости момента трогания от массы груза. Расхождения экспериментальных точек в механической характеристике электропривода СВП при движении грузового блока вверх и вниз обусловлены изменением трения при поворотах валов двигателя, редуктора и барабана. Это вызвано несоосностью валов при сборке электропривода СВП, а также кинематическими погрешностями передаточного устройства.

Статистическая обработка экспериментальных данных позволила получить эмпирические выражения, определяющие эквивалентные моменты трения при трогании и движении, приведенные к валу двигателя:

МТР = [мтрп + M"тpп)signQ.д =(0,35 +0,00172т0).57£п£2 д при С1Д =0; ■ М ТР= (мтрд + М"трд ^пО. д + МТРВ = (4.1)

0,29 + 0,0013т0)я£лПд + 0,0005бПд при0.д Ф0, где М'ТРП =0,35Я-л* - составляющая момента сухого трения покоя, практически не зависящая от массы перемещаемого груза;

- м;,л = ^ят0 = 0,00172т0 - составляющая момента сухого трения покоя, зависящая от массы перемещаемого груза;

- 0.д - скорость вращения вала двигателя;

- Мтрд = 0,29Н-м - составляющая момента сухого трения движения, не зависящая от массы перемещаемого груза;

- м"трд = кТРДт0^ 0,00123т0- составляющая момента сухого трения движения зависящая от массы перемещаемого груза;

- МТРВ = кв0.д = 0,00056£2Д - момент вязкого трения, зависящий от скорости вращения двигателя. п рад ¡с 50 О

-50

-100

1 1 1 и

1 I 1,0 Л ТА 1,5 2,0 Мд.Нм

Рис. 4.2. Статическая характеристика макета СВП СБМ при т0 =140 кг

Ы,

Ны 2,0

1.5

1,0

0,5 О

-0,5 4

2 К.! *■* 1 У \6 м •■•'"И ** 1 р* 3 7 к '5 1 г-' } -г.~

Г.'-''

О 20 40 60 80 100 120 т0, кг

1,2- экспериментальные характеристики составляющих момента трогания и движения при перемещении вверх и вниз;

3 - активный момент, создаваемый грузом;

4, 5 - расчетные моменты двигателя при трогании вверх и вниз;

6, 7 - расчетные моменты двигателя при движении вверх и вниз при минимальной скорости вращения вала двигателя Рис. 4.3. Зависимости составляющих момента тропи шя и движения от массы груза

В соответствии с формулами (4.1) результирующие моменты МД, прикладываемые к валу двигателя, при трогании и движении будут равны:

Мд = Мл + мтр = то8Р + {м'трп + к"трпт0 )signQ. д = ппи О. „ = 0:

4.2) 0,0102т0 + (0,35 + 0,00172т0)^п^л при 0.д = 0; мд = мл+ мтр — то8Р + (-мтрд + ктр дт о )ы8п&д + квт&д = 0,0102т0 + (0,29 + 0,00113т0)^пад+0,00056ПД при О, где МА = - активный момент на валу двигателя, создаваемый грузом; р = Об /(21П1Р )= 0,15/(2 • 2 • Зб)= 0,001 м - радиус приведения.

Выполненные эксперименты показали, что исследуемый объект представляет собой нелинейную электромеханическую систему с существенным влиянием сил трения подшипников редуктора, полиспаста и двигателя, что в первом приближении соответствуют свойствам механики СБМ. Момент трения покоя изменяется при изменении направления вращения двигателя, что определяет появление зоны нечувствительности системы. При подъеме (опускании) груза появляется составляющая вязкого трения, зависящая от скорости движения.

Как видно из рис. 4.2 и 4.3, при увеличении массы груза статическая характеристика электропривода сдвигается вправо и имеет момент только одного знака. Это становится возможным, если при движении вниз момент двигателя при трогании и вращении с максимальной рабочей скоростью будет больше или равным нулю: Мд>0. Тогда в соответствии с выражениями (4.2) получим:

МТРП т0 >-:— при = 0;

8Р~ктрП (4.3) мтрд-квад т0>-:- при0.дФ 0.

8Р ~ ктрд

Подставив в (4.3) экспериментальные коэффициенты при номинальной скорости вращения двигателя £1=-104,7 рад/с, получим

Гт0 > 43,3 кг, при = 0; | т0 > 36 кг, при О. д Ф 0.

Как видно из полученных результатов, учет влияггия зазоров при составлении математического описания необходим только при небольших массах объекта. Исследования показали, что при массе груза 45 кг статический момент двигателя, как при подъеме, так и опускании груза будет иметь один знак. Это приводит к постоянному натяжению каната во всех режимах работы СБМ, что предопределяет выборку всех зазоров и люфтов, обязательно присутствующих в передаточном устройстве и неблагоприятно влияющих на динамику ЭМС. Поэтому наличие зазора в механической передаче в математической модели СВП при общих исследованиях можно не учитывать.

В связи с тем, что силы трения составляют значительные величины по отношению к активному моменту, создаваемому грузом, то представляет интерес оценить, какие элементы кинематической схемы СВП имеют наиболее высокое трение, а в каких ими можно пренебречь.

Выполненные исследования показывают, что силы трения в механике СВП составляют значительную величину - 30-50 % по отношению к весу перемещаемого' груза: Поэтому для выявления- наибольшей составляющей был выполнен комплекс экспериментов по определению распределения трения в механике двигателя, передаточном устройстве и блоках [21]. Полученные результаты показали; что трение в механике СВП СБМ на 95-98 % сосредоточено в щеточно-коллекторном узле двигателя и редукторе и только 2-5 % составляет трение в подшипниковых узлах блоков.

Следовательно, можно сделать вывод, что трение в механике СВП существенно и его необходимо учитывать при составлении, математической модели. Однако ввиду того, что величина сил трения в блоках незначительна по отношению к активному моменту и эквивалентному трению в СВП, для упрощения математической модели действие трения целесообразно учитывать только на первой массе, инерционность которой обусловлена якорем двигателя.

Величина жесткости механической передачи СБМ определяется, главным образом,.свойствами механизма пантографа, модуль упругости которого зависит от многих факторов: конструкции, величины растягивающей нагрузки, срока службы [54]. Вычисление коэффициента жесткости механической передачи приводит к значительным ошибкам, поэтому большое значение приобретают экспериментальные методы. Для нахождения эквивалентного коэффициента жесткости и демпфирования предлагается использовать следующие подходы. Первый основан на определении жесткости, которую можно вычислить по формуле с— с1М/й(р= АМ/А<р= АРр/А<р, (4.4) где Ш - приращение момента в упругом'элементе; А(р - приращение угла поворота; ДF - приращение усилия в упругом элементе; р - радиус приведения.

Для экспериментального определения эквивалентного коэффициента жесткости механической передачи СВП рекомендуется выполнить следующий комплекс исследований. Плавно уменьшая или увеличивая усилие, созданное в механической передаче под действием силы тяжести груза, путем постепенного опирания груза о жесткое основание или поднятия груза, необходимо определять угол поворота вала двигателя.

Величину усилия, в механизме можно измерять по показаниям датчика, усилия, а угол поворота вала двигателя - визуально по ранее нанесенным отметкам. На основании полученных результатов в соответствии с формулой (4.4) определяем эквивалентную жесткость механической передачи^ приведенную к валу двигателя. Выполнив аппроксимацию полученных экспериментальных точек с использованием метода регрессивного анализа [20], получаем эмпирическое выражение с= /(М). Подставив в него значение веса груза, приведенного к валу двигателя, получаем эквивалентную жесткость механической передачи СВП при нахождении груза в нижнем положении. Определив удельную жесткость механической передачи, вычисляем возможный диапазон изменения жесткости механической передачи при вертикальных перемещениях груза.

Упругость механики СБМ учитывалось на макете с помощью канатной передачи, которая- также как и в реальных условиях работы СБМ изменяла свою жесткость при движении груза. На основании вышеизложенной методики на макете СБМ были получены экспериментальные зависимости эквивалентной жесткости механической передачи от усилия, создаваемого в ней, которые приведены в [22]. Выполнив аппроксимацию полученных результатов линейной функцией с помощью методов наименьших квадратов при массе груза ш0 = 140 кг, была определена эквивалентная жесткость механической передачи, которая в данном случае в зависимости от возможной длины каната /А = 2,46-7,46 м может принимать значения от 0,55 Н-м/рад до 0,18 Н-м/рад.

Второй подход позволяет определить жесткость с и коэффициент демпфирования b по осциллограммам колебаний усилия в канатной передаче. Такие осциллограммы получены следующим образом: груз подняли на высоту, на которой необходимо определить сиЬ,и приложили ступенчатое или импульсное возмущающее воздействие к перемещаемому грузу при разомкнутой обратной связи по усилию. В этом случае якорь двигателя находится в неподвижном состоянии под действием сил трения и момента, развиваемого двигателем (см. рис. 4.2), а груз совершает колебательные движения с частотой /и логарифмическим декрементом затухания Л. Осциллографирование упругих колебаний осуществлялось с помощью осциллографа и датчика усилия. Коэффициенты с и b, приведенные к валу двигателя, рассчитывались по формулам [26]:

4.5) где Jм - момент инерции перемещаемого груза, приведенный к валу двигателя.

С использованием этого метода были получены осциллограммы колебания усилия в канатной передаче при нахождении груза на высоте 1,5 м, приведенные в [17], по которым определили период колебаний/= 8,3 Гц и логарифмический декремент затухания Л = 0,13. Подставив/и Л в выражения (4.5), получили: с = 0,386 Н-м/рад, b = 3,29-10~4 Н-м-с/рад.

Предложенная нами методология экспериментального исследования статических и упругодиссипативных свойств механики СВП, позволяет определить и уточнить параметры математической модели СВП.

Применив разработанный способ к макету СБМ, были определены следующие усредненные параметры математической модели при т0 = 140 кг:

Jд = 6,48- Ю-3 кг• м2; JM = 1,52-10"4 кг ■ м2\ р= 1,04 Ю-3 м; кду = 0,25 В/ Н-м\ Тду = 0,00051с; с=0,386# • м/ рад, Ь= 3,29 ■ 10"4 Н ■ м с/рад.

Сопоставление реальных динамических свойств макета СВП СБМ и полученной математической модели в виде ДЭМС удобно осуществить с использованием частотных характеристик. Такой подход позволит оценить достоверность математической модели объекта. Для этого были получены и сопоставлены экспериментальная и расчетная частотные характеристики по усилию Wy{ja)=My{jco)¡Ma{jtу). Расчетные амплитудную Ау (со)= modfWy(jai)] и фазовую ру (со)= arg[Wy (y'cj)] частотные характеристики (АФЧХ) можно получить, подставив в модель линейной ДЭМС величины с и Ь, найденные в результате идентификации упругодиссипативных свойств механической передачи СВП, а также рассчитанные величины моментов инерции первой и второй масс.

При снятии, экспериментальных АФЧХ на макете СВП СБМ необходимо обеспечить работу ЭМС в зоне линейных характеристик. Зазоры исключаются, так как т0 = 140 кг. Влияние сухого трения также исключается из-за того, что эксперименты проводились при движении груза. Кроме того, уровень входных сигналов был таким, чтобы-якорный ток не достигал предельного значения (т.е. регулятор тока не входил в ограничение).

Снятие АФЧХ производилось измерителем частотных характеристик типа "Вектор", который измеряет синфазную и квадратурную составляющие напряжения на выходе исследуемого объекта в диапазоне частот от 0,5 рад/с до 1024 рад/с с погрешностью не более 2 %. По полученным экспериментальным данным были определены вещественная и мнимая частотные характеристики. Полученные частотные характеристики Wy{ja) приведены в табл. 4.1 и показаны на рис. 4.4.

Анализ АФЧХ на рис. 4.4 позволяет сделать следующие выводы:

- наличие резонансного всплеска определяет необходимость учета упругодиссипативных свойств механики СВП;

- ввиду того, что резонансный всплеск в полосе пропускания электропривода только один, принятые допущения вполне корректны, поэтому ЭМС СБМ целесообразно описывать в виде ДЭМС. Резонансная частота ЭМС макета СБМ соу = 64 рад/с практически совпадает с резонансной частотой СБМ типа МП-100

1], что свидетельствует о динамическом подобии процессов на макете и реальном СБМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решении важной научно-технической задачи создание СБМ с электромеханическим приводом, отвечающих современному уровню техники. Материалы исследований, представленных в работе, позволяют сформулировать следующие основные выводы, научные и практические результаты:

1. В настоящее время наиболее интенсивное развитие получают СБМ с электрическими- приводами. Стремление минимизировать массу, габариты, повысить производительность СБМ, приводит к тому, что на их работу существенное влияние оказывают упругие механические связи. Это определяет важность использования для демпфирования упругих колебаний СБМ современных ЭП.

2. Для повышения демпфирующих> свойств ЭП необходим комплексный подход к проектированию, механической- и электрической* частей ЭМС с УС. Максимальное демпфирование электроприводом упругих механических колебаний можно обеспечить при выполнении совместной параметрической оптимизации механического и электрического оборудования СБМ исходя из условия совпадение резонансной частоты сор ЭМС и частоты среза сос контура* регулирования скорости ЭП.

3. Предельные возможности пассивного демпфирования электроприводом упругих колебаний механизмов- СБМ ограничены и определяются в основном отношением моментов инерции ]м масс, разделенных упругим элементом, и видом частотных характеристик ЭП в области резонансных частот ЭМС с УС. Наиболее эффективное демпфирование электроприводом постоянного тока упругих колебаний механизмов СБМ, вызванных изменением нагрузки, возможно при Jд/Jм = 2-5.

4. При реализации пассивного демпфирования электроприводом упругих колебаний в ЭМС СБМ для. повышения статической точности регулирования скорости механизма при изменении внешних нагрузок целесообразно использовать СПР с пропорционально-интегральными регуляторами тока и скорости, имеющими следующие параметры настройки кРТ Р = 2 Тэ/[кэ (ТМТС )'!2 ], Трт Р=ТЭ и крс р = Тд /(ТА1 Тс) I , ТРС Р —2 (Ти Тс)! .

5. Эффективность активных способов уменьшения динамических нагрузок и демпфирования колебаний в упругих передачах механизмов с помощью ЭП могут ограничиваться его энергетическими возможностями. Выявлены условия минимизации ограничивающих координат ЭП, которые показали, что необходимый для демпфирования момент электродвигателя определяется, в основном, требуемым снижением динамических нагрузок в передаче и отношением моментов инерции JД¡JÍЛ.

6. Дополнительно вводимый в систему управления ЭП канал активного демпфирования упругих колебаний момента в УЭ и скорости исполнительного механизма СБМ должен обладать дифференцирующими свойствами. При этом порядок дифференцирования корректирующего устройства определяется^ быстродействием ЭП, а его параметры - параметрами механической части СБМ.

7. При достаточном быстродействии ЭП, когда сос > соР заданное активное демпфирование упругих колебаний механизма СВП СБМ возможно обеспечить при использовании корректирующего устройства вида:

I"/2 т.МтлТгде*К1=- 1 + 1 *ДТ>Р) т т д 1с

8. Эффективное ограничение динамических нагрузок в упругих механических передачах СБМ с использованием тиристорных электроприводов постоянного тока с двигателями общепромышленного исполнения возможно при

4—5 и соР < 12-15 рад/с. Для расширении области применения активного способа демпфирования упругих колебаний исполнительных механизмов СБМ необходимо ориентироваться на применения высокомоментных электродвигателей и быстродействующих широтно-импульсных статических преобразователей напряжения.

9. Сопоставление пассивных и активных способов демпфирования электроприводом упругих механических колебаний СБМ показало, что при рекомендуемых настройках систем управления ЭП активные способы уменьшают резонансные значения усилий в 2,5-3,0 раза по сравнению с предельными возможностями пассивных способов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хасамбиев, Ибрагим Вахаевич, 2008 год

1. Сбалансированные манипуляторы / И.Л. Владов, В.Н. Данилевский, П.Б. Ионов и др.; Под ред. П.Н. Белянина. - М.: Машиностроение, 1988. - 264 с.

2. Алексеев Г.П., Мазовер И.С. Справочник конструктора машиностроителя. Л.: Судпромгиз, 1963. 478 е.;

3. Кулешов B.C., Лакота H.A. Динамика систем управления манипуляторами. М.: Энергия, 1971. 304 с.

4. Вайсон A.A. Подъемно-транспортные машины: Учебн. 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1989 536 с.

5. Хасамбиев И. В., Пятибратов Г. Я Особенности построения и реализации электроприводов сбалансированных манипуляторов. /Сб. науч. трудов аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) /Юж.- Рос. гос. техн. ун-тет. -Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ). -2005.- С. 242 245.

6. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. /Под общ. ред. И.П.Копылова, Б.К.Клокова. Т.1.- М.: Энергоатомиздат, 1988- 456 с-Т.2.-М.: Энергоатомиздат, 1989.-688 с.

7. Абрахаме Дж., Каверли Дж. Анализ электрических цепей методом графов.- М.: Мир, 1967.- 175 с.

8. Пятибратов Г.Я. Многокритериальный выбор параметров электромеха/нических систем компенсации сил тяжести при вертикальных перемещениях объектов //Изв. вузов. Электромеханика 1993- № 5- С. 65-70.

9. Полищук В.И. Системы подчиненного, регулирования с компенсацией внутренней обратной связи по ЭДС двигателя //Изв. вузов. Электромеханика.- 1983.-JV» 8.- С. 28-33.

10. Браславский ИЛ., Зюзев AM. Рациональные тиристорные схемы динамического торможения для асинхронных двигателей //Электротехническая промышленность. Электропривод. 1976. № 1 (45). С. 15-16.

11. Браславский ИЛ., Зюзев А.М: Исследование частотных характеристик; асинхронных трехфазных электродвигателей при различных способах параметрического управления //Изв. вузов. Электромеханика. 1982. № 3. С. 268-278.

12. П.Браславский И.Я., Зюзев A.M. Регулирование скорости тиристорных асинхронных электроприводов с параметрическим управлением // Электричество. 1985. № 1. С. 27-32.

13. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер A.C. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов.-М.: Энергия, 1979.- 616 с.

14. Грузоподъемные машины: Учеб. пособие/Под. ред. М.П. Александрова. М.: Высшая школа, 1973. 473 с.

15. Экспериментальное исследование системы регулирования усилий на физической модели стенда обезвешивания: Отчет о НИР /Новочерк. гос. техн. ун-т-Рук. Г.Я.Пятибратов-Новочеркасск, 1998.-45 с.

16. Пятибратов Г.Я., Кравченко O.A., Денисов A.A. Реализация систем регулирования усилий электромеханических комплексов с упругими связями-//Изв. вузов. Электромеханика 1997 - № 3- С. 51-54.

17. Хальфин МН., Иванов Б.Ф., Короткий АЛ. Расчет и эксплуатация крановых канатов: Учеб. пособие /Новочерк гос. техн. ун-т-Новочеркасск, 1993.-95 с.

18. Демиденко Е.З. Линейная и нелинейная регрессии.- М.: Финансы и статистика, 1981.-351 с.

19. Пятибрагов ГЛ. Экспериментальное исследование динамических характеристик; и идентификация структуры и параметров электромеханических систем: Учебное пособие /Новочерк. гос. техн. ун-т Новочеркасск, 1997.-94 с.

20. Браславский И.Я., Зюзев A.M. Опыт внедрения тиристорных асинхронных электроприводов с фазовым управлением. Свердловск: Облсовет НТО, 1981.48 с.

21. Кравченко O.A., Пятибратов Г.Я. Проблемы выбора и реализации сило-измерительных устройств для систем управления усилиями в механических передачах технологических машин /Новочерк. гос. техн. ун-т.— Новочеркасск, 1997.-41 с.-Деп. в ВИНИТИ.

22. Бауман Э. Измерение сил электрическими методами /Пер. с нем. А.С.Вешнякова и С.Н.Герасимова.- М.: Мир, 1978.- 380 с.

23. Полетика М.Ф. Приборы для измерения сил резания и крутящих моментов-М-Свердловск: Машгиз, 1962.- 108 с.

24. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин.- М.: Энергия, 1976.- 104 с.

25. Конюхов М.Е. и др. Электромагнитные датчики механических величин-М.: Машиностроение, 1987 256 с.

26. Левинтов С.Д., Пятибратов Г.Я., Головин B.C. Магнитоупругие измерители крутящего момента на валах механизмов экскаваторов //Изв. вузов. Горный журнал.-1979.-№ 11.-С. 106-110.

27. Зб.Эрлер В., Вальтер Л. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами /Пер. с нем.- М.: Мир, 1974 285 с.

28. Филатов A.C. Электропривод и автоматизация реверсивных станов холодной прокатки М.: Металлургия, 1973 - С. 375.

29. Гутников B.C. Интегральная-электроника в измерительных устройствах: 2-е изд.,перераб. и доп.-Л:: Энергоатомиздат, 1988-304 с.

30. Соколов Н.И. Аналитический метод синтеза линеаризованных систем автоматического регулирования М.: Машгиз, 1966.- 328 с.

31. Райцын Т.М. Синтез систем автоматического управления методами направленных графов-Л.: Энергия, 1970.

32. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства М.: Машиностроение, 1976-184 с.

33. Летов A.M. Динамика полета и управление.-М.: Наука, 1969:- 360 с.

34. Абдулаев Н.Д., Петров Ю.П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов- Л.: Энергоатомиздат, 1985.- 240 с.

35. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления.-6-е изд.,перераб. и доп.-Л.: Энергия, 1977.—280 с.

36. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г. и др. Математическая теория-оптимальных процессов-М;-Л.: Физматгиз, 1961.-391 с.

37. Белман Р. Динамическое программирование /Пер. с англ.- М.: Изд-во иностр. лит., I960.-400 с.

38. Пягабратов Г. Я, Хасамбиев И. В. Оптимизация демпфирующей способности электроприводов сбалансированных манипуляторов при учете упругости их исполнительных механизмов//Изв. вузов. Электромеханика 2007. № 3. С. 29-34.

39. Пятибратов Г. Я., Хасамбиев И. В. Активное демпфирование электропри-водом^ упругих колебаний исполнительных механизмов сбалансированных манипуляторов//Изв. вузов. Электромеханика. 2007. № 4. С.55-61.

40. Пягабратов ГЛ. Применение теории направленных графов для исследования на ЦВМ электромеханических систем с упругими связями /Челябинск. Полигехн. Ин-т. Челябинск, 1978. И с. Деп. В Информэлеетро .17.01.78, № 134-Д

41. Хасамбиев И.В. Выбор рациональной силовой части электроприводов сбалансированных манипуляторов // Труды Грозненского государственного нефтяного института, имени академика М.Д. Миллионщикова. Выпуск 7. Грозный, ГГНИ, 2007.

42. Пятибратов Г.Я. Комплексная методика автоматизированного проектирования следящих электроприводов с упругими механическими передачами /Следящие электроприводы промышленных роботов и манипуляторов: Тез. докл. Челябинск, 1986. С. 18.

43. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. 2-е изд. СПБ.: Энергоатомиздат, 1992. 288 с.

44. Очков В.Ф. Mathcad PLUS 6.0 для студентов и инженеров М.: ТОО фирма "Компьютер Пресс", 1996 - 238 с.

45. В. Дьяконов, И.А. Абраменкова, В. Круглов. MATLAB с пакетами расширений. Нолидж. 2001.

46. И. Черных. Simulink: среда создания инженерных приложений. Диалог-МИФИ. 2003.

47. Пятибратов Г.Я. Возможности применения электроприводов для активного ограничения колебаний упругих механических передач // Изв. вузов. Электромеханика. 1990. № 10. С. 89-93.

48. Пятибратов ГЛ Экспериментальное исследование динамических характеристик и идентификация сгрукгуры и параметров электромеханических систем: Учебное пособие /Новочерк. гос. техн. ун-т Новочеркасск, 1997 - 94 с.

49. Гарнов В.К., Рабинович В.Б., Вишневецкий Л.М. Унифицированные системы автоуправления электроприводом в металлургии: 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Металлургия, 1977- 192 с.

50. Пятибратов Г.Я. Влияние противоЭДС двигателя на демпфирование электроприводом колебаний упругих механизмов // Изд. вузов. Электромеханика. 2001. №3.-С. 53-59.