Активные силокомпесирующие электромеханические системы сбалансированных манипуляторов

Развитие средств механизации производства привело к появлению нового класса машин — сбалансированных манипуляторов (СМ). Сбалансированные манипуляторы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными грузоподъемными машинами на операциях загрузки и разгрузки технологического оборудования, обеспечивают более высокую производительность труда и позволяют механизировать ряд основных технологических операций в литейных, механических. Сборочных и других производствах. СМ позволяют эффективно механизировать ручной труд на операциях, где традиционные средства применять невозможно или экономически не целесообразно. При этом они дополняют и расширяют области применения промышленных роботов, повышают эффективность автоматизации технологических процессов и комплексов с использованием микропроцессорных средств управлениям.

В промышленности нашли применение СМ с электромеханическим, пневматическим и гидравлическим типом привода. Манипуляторы с пневматическим приводами используют для перемещения грузов массой до 150 кг. Для перемещения^ более тяжелых грузов (массой до 500s кг) применяются в основном манипуляторы с электроприводом, а для грузов массой до 2500 кг — преимущественно манипуляторы с гидравлическим приводом [1].

На практике, в различных отраслях промышленности, наибольшее распространение получили СМ с электроприводом, что обусловлено удобством их обслуживания и доступностью электрической энергии. Такие манипуляторы обычно применяются при работе с объектами массой от 100 до 500 кг. Манипуляторы рассматриваемого вида также целесообразно применять для выполнения погрузочно-разгрузочных работ в сельском хозяйстве, строительстве, торговле и в сфере обслуживания.

Современные тенденции ресурсосбережения обуславливают необходимость создавать СМ облегчённой конструкции, что приводит к.

-'¦• 6 снижению жёсткости их конструкций и требует увеличения быстродействия электроприводов, но при этом возникает необходимость учёта упругих связей механизмов. Упругость механических передач и конструкцийСМ способствует увеличению динамических нагрузок и возрастанию колебанийвыходных координат особенно в механизме системы вертикальных перемещений (СВП) груза. Поэтому используемые в настоящее время типовые системы управления электроприводов СМ, 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 позволяющих осуществлять регулирование усилий и демпфирование упругих колебаний исполнительных устройств СМ является важной и актуальной задачей.

Используемые типовые системыуправления электроприводов СМ, не позволяют обеспечить требуемой точности отработки задания скоростных режимов и позиционирования перемещаемых объектов при наличии-упругих связей в механической части системы, зазоров и кинематических погрешностейзубчатых передач. Поэтому разработка, исоздание эффективных электромеханических систем, обеспечивающих уравновешивание грузов благодаря регулированию усилийпри демпфировании упругих колебаний исполнительных устройств. СМ, является важной и актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования сбалансированных манипуляторов, благодаря применению электромеханических систем регулирования, усилий^ обеспечивающих необходимую компенсацию силы тяжести-груза и активное демпфирование электроприводом колебаний в упругих механических передачах.

Для создания эффективных электромеханических систем СМ с применением принципа компенсации силы тяжести груза, позволяющих осуществлять регулирование усилий и демпфирование колебаний исполнительных устройств манипулятора требуется решить следующие задачи:

— определить требования к активным силокомпенсирующим системам СМиспользуемых при механизации различных технологических процессов;

— определить рациональную' структуру системы регулирования усилия СМ при компенсации силы тяжести груза;

— выбрать элементы электромеханической системы СМ, позволяющей с требуемой точностью уравновешивать груз и обеспечивать активное демпфирование электроприводом упругих колебаний в механических передачах;

— разработатк математические модели электромеханической системы СМ, учитывающие силовые взаимодействия в механизмах вертикальных перемещений груза СМ, позволяющие решить задачи анализа и синтеза силокомпенсирующей системы;

— создать физическую «модель силокомпенсирующей системы СМ для исследований силовых и энергетических взаимодействий в ЭМС и подтверждения адекватности разработанного математического описания;

— осуществить синтез структуры и параметров регулятора усилия в системе компенсации силы тяжести груза СМ и определить условия его практической реализации;

— разработать технические решения по реализации системы управления компенсацией силы тяжести груза СМ и предложить рекомендации по ее практической настройке;

— определить перспективы развития электроприводов СМ и их систем (управления.

В результате проделанной работы получена следующая научная новизна:

— впервые научно обоснована целесообразность применения принципа силокомпенсации для заданной сбалансированности груза СМ с помощью электромеханической системы;

— обоснована структура системы компенсации силы тяжести (СКСТ) груза СМ, отличающаяся применением обратнойсвязи по ускорению приводного устройства, что обеспечивает уменьшение влияния механической инерционности приводного устройства на работу манипулятора;

— с использованием методов вариационного исчислениявыполнен оптимальный синтез регулятора усилий в предложенной структуре системы управления, позволяющий обеспечить требуемые показатели качества работы манипулятора и расширить их функциональные возможности;

— определены условия и оценена эффективность применения' активного ограничения динамических нагрузок в упругих элементах СКСТ СМ средствами ЭП;

— обоснованы области рационального применения современных ЭП для создания СКСТ перспективных СМ.

Практическая ценность выполненных исследований заключается в следующем:

— рекомендована рациональная структура СКСТ и получены аналитические выражения для расчета параметров оптимального регулятора усилия в системе с обратной связью по ускорению приводного устройства;

— реализован в математической системе МАРЬЕ V алгоритм практического определения значений параметров регулятора усилия, при изменении параметров ЭМС СМ;

— предложены инженерные рекомендации по настройке регулятора усилия, позволяющие реализовать качественное управление усилием в реальных условиях работы СМ при изменении параметров его механической части;

— создан универсальный стенд, позволяющий экспериментально исследовать ЭМС СМ и сопоставлять возможности существующей системы регулирования скорости8 электродвигателя и предложенной системы компенсации силььтяжести груза:

Таким образом к защите представляются следующие основные положения:

— структура системы" регулирования усилия в упругих механизмах СМобеспечивающаятребуемую сбалансированность груза манипулятора;

— обобщенная математическая модель, СКСТ, адекватно описывающая? электромагнитные т упругие силовые взаимодействияв ЭМС с учетом-реальных свойств механических передач СМ;

— результаты теоретических' и экспериментальных исследований эффективности применения обратной связи-по ускорению электродвигателя;

— методика: и результаты синтеза" оптимального регулятора усилия в структуре СКСТ обратной связи по ускорению электродвигателя;

— результаты исследования? и сопоставления предложенных методов и способов реализации СКСТ СМ, определение областирационального применения? современных- 31® ш перспективыразвития? предлагаемых СКСТ манипуляторов.

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Ш (25 октября 2002 г.) Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (г. Новочеркасск), V (18−21сент. 2007 г.) Международной (XVI Всероссийской) научной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП 2007» (г. Санкт-Петербург), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ЮРГТУ (НПИ) в 2003;2011 г.

Выводы.

Анализ технических характеристик и требуемых функциональных возможностей систем управления современных СМ, позволяет наметить перспективы их развитияблагодаря применению следующих технических решений:

1. Построение ЭМС СМ с применением принципа силокомпенсации и реализацией системы регулирования, усилий с использованием информации о фактическом весе груза для повышения качества функционирования манипулятора.

2. Увеличение быстродействия ЭП до 800рад/с для улучшения демпфирования упругих колебаний в механике СМ с СКСТ.

3. Использование частотно-регулируемых электроприводов переменного тока для повышения надежности.

41 Реализация системы управления СМ с возможностью автоматического вычисления и коррекции сигнала компенсации при изменении веса груза для расширения функциональных возможностей манипуляторов.

Учитывая высокую эффективность СКСТ СМ с электроприводом, в перспективе, возможно их широкое применение в приложениях, требующих повышенной грузоподъемности (до 500−1500кг). В этом диапазоне грузоподъемностей они могут успешно заменить сбалансированные манипуляторы с гидравлическим приводом, для чего потребуется увеличение мощности электропривода до 5−7кВт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе, на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача создания активных силокомпенсирующих систем сбалансированных манипуляторов. При выполнении исследований получены следующие выводы и результаты, имеющие научное и практическое значение:

1. Анализ различных подходов к реализации ЭМС СМ показал, что построение ее системы управления с использованием силокомпенсирующего способа, является наиболее перспективным, так как управление перемещениями груза осуществляется непосредственно усилиями рук рабочего.

2. Обоснованы обобщенные требования к силокомпенсирующим системам управления сбалансированных манипуляторов, обеспечивающие решение перспективных задач применения СМ.

3. Применение СКСТ в СМ требует реализации активного демпфирования колебаний в упругих элементах механической части манипулятора, что позволяет улучшить его работу и повысить производительность при снижении массогабаритных показателей.

4. Выбраны и обоснованы рациональная кинематическая, схема электропривода СКСТ СМ, отличается использованием высокомоментных электродвигателей постоянного тока, способных развивать номинальный момент при нулевой скорости, и широтно-импульсных преобразователей напряжения, обеспечивающих требуемое быстродействие ЭМС. Это позволило при практической реализации СВП СМ без наложения тормоза осуществить удержание груза на весу и применить активное демпфирование упругих колебаний электроприводом.

5. Разработанная обобщенная математическая модель СКСТ СМ, позволяет более точно описывать функционирование механической части манипулятора с учетом упруго-диссипативных свойств ЭМС. Обосновано применение двухмассовой модели механической части СМ, которая позволяет исследовать влияние сил сухого и вязкого трения, изменение жесткости канатной передачи при перемещениях груза.

6. Предложена рациональная структура системы регулирования усилия, содержащая отрицательную обратную связь по току, канал компенсации противоЭДС двигателя, положительную обратную связь по ускорению, главную обратную связь по усилию в подвеске груза, нелинейное устройство, снижающее влияние сил трения, которая позволила обеспечить требуемые показатели качества функционирования сбалансированного манипулятора.

7. Выполнены исследования влияния канала обратной связи по ускорению двигателя, которые позволили определить граничные значения коэффициента передачи с точкизрения" устойчивости системы управления, а так же проанализирована возможность рассмотрения этого канала безынерционным при решении задачи синтеза.

8. Выполнен синтез оптимального регулятора усилия для СКСТ СМ с ПОС по ускорению, получены аналитические выражения для расчета параметров синтезированного регулятора и предложены рекомендации по практической его настройкепозволяющие обеспечить управление усилием с требуемой точностью.

9. Определены условия применения упрощенного регулятора усилия с.

Т Б +1 передаточной^ функцией ^уру{8) = кру-1-. Практическая.

Г6£ + 1 реализация такого регулятора подтвердила возможность достижения заданных качественных показателей функционирования СКСТ СМ. Ю. Выполненные экспериментальные исследования на созданном макете СКСТ СМ подтвердили возможность обеспечения требуемой ошибки регулирования усилия благодаря введению ПОС по ускорению. 11. Проанализированы различные варианты реализации и определены области рационального применения ЭМС СМ с ЭП постоянного и переменного тока в зависимости от требований к качеству функционирования.