автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электромеханический модуль для подъемно-транспортных механизмов и роботов-манипуляторов

РГ6 од

На правах рукопи-Федорещенко Николай Васильевич

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МЕХАНИЗМОВ И РОБОТОВ-МАНИПУЛЯТОРОВ

Специальность 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2000

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете и Иркутском государственном техническом университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Троян В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Иванчура В.И. кандидат технических наук Лыков

Ведущая организация: Ангарский электромеханический завод

Защита состоится « ^ » 2000 г. в « » часов на заседании спе-

циализированного совета Д.064.54.01 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074 Красноярск, ул. Киренского 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения,просим выслать по адресу: 660074, Красноярск, ул. Киренского 26, ученому секретарю совета.

Автореферат разослан « НСсЛ 2000 г.

Ученый секретарь специализированного совета'^^^^А.Н. Ловчиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ускорение научно-технического прогресса в промышленном производстве связано с созданием гибких производственных систем ( гпс ), которые являются эффективным средством повышения производительности труда и сокращения объемов незавершенного производства, экономии производственных площадей и улучшения условий труда. Внедрение гпс позволяет существенно сократить период создания и промышленного освоения новой техники, оперативно и с минимальными затратами средств осуществлять модернизацию отрасли. Создание и промышленное внедрение гпс в условиях серийного машиностроительного производства позволяет в 1,5 - 1,8 раза повысить эффективность оборудования с чпу по сравнению с индивидуально используемыми станками. Кроме этого на 30 % ( в среднем ) снижаются капитальные затраты и себестоимость продукции.

Неотделимой составной частью ГПС, помимо технологического оборудования, контрольно - измерительных комплексов, систем управления и других устройств, является межоперационный транспорт ( МОТ ). К нему относятся различные транспортные устройства - тележки, конвейеры, штабелеры, краны, а также роботы - манипуляторы. В функции МОТ входят: подача заготовок к технологическому оборудованию; передача деталей на последующие операции и склад; перемещение технологического оборудования, приборов и инструмента при переналадке гибкого производства', удаление отходов и брака от технологического оборудования. Гибкость всего автоматизированного производства в значительной степени определяется способностью МОТ в полной мере и с высоким качеством выполнять свои функции. Эффективное совмещение функций транспортных устройств и роботов достигается за счет применения универсального оборудования - мостовых кранов с автоматическим управлением. Существенным недостатком различных видов кранов, которые в настоящее время используются в промышленности, является гибкий подвес груза. Этот недостаток не позволяет существенно повысить быстродействие транспортного механизма и точность его позиционирования, а также исключить участие человека в процессе транспортировки.

В этой связи весьма актуальной становится задача разработки законченного ус т ройства ( модуля ) для замены гибкого тросового подвеса в различных крановых м ханизмах. решение этой задачи необходимо выполнял, на основе агрегатно - модул ного принципа построения устройства, что позволит его использовать и в качесп одной из степеней подвижности в роботах - манипуляторах для ГПС.

Целью диссертационной работы является разработка электромеханическог модуля с высокими технико-экономическими характеристиками для выполнения п< ремещений в условиях ГАП.

Для достижения этой цели в диссертации поставлены и решены следующие о< новные задачи:

1. Разработаны принцип действия и конструкции модуля - телескопического тран< портирующего устройства ( ТТУ ) для точного позицирования ( 3 базовые конст рукции защищены авторски ми свидетельствами );

2. Разработана методика проектирования ТТУ различных модификаций и выполнен оптимизация электромеханических параметров модуля по критерию быстродейс-1 вия;

3. Сформулированы принципы построения и проведены расчеты параметров матема тических моделей ТТУ;

4. Разработана инженерная методика расчета параметров оптимального регулятора 1 критерии - точность и быстродействие) для электропривода модуля;

5. Определен алгоритм, получена методика расчета и оптимизации параметров режи ма гашения колебаний рабочего органа ТТУ при перемещениях.

Методы исследования. При выполнении работы использовались аналитические методы исследования. Анализ свойств, синтез регуляторов и расчеты сделаны на ЭВМ Проводились также эксперименты на макетных образцах. Математическая модел! объекта ( ТТУ) построена на основе уравнения Лагранжа Ж.Л.. 2-го рода, использовались нормальная и матричная формы записи уравнений состояния. Для оптимизации параметров и режимов работы разработанного модуля применялся принцип максимума Л.С .Понтрягина. Оценка уровня автоколебаний релейной системы выполнена по методике, предложенной Я.З. Цыпгашым. При работе на ЭВМ ис-

пользовался комплект специальных программ для расчета и исследования АСУ ТП, разработанный АВ. Башариным и Ю.В. Постниковым. Экспериментальные исследования макетного образца ТТУ проводились с использованием современной измерительной аппаратуры с элементами автоматизации обработки результатов эксперимента.

Научная новизна работы состоит в решении главной задачи - разработки нового класса механизмов позиционирования. Это подтверждено авторскими свидетельствами [1,2,3].

1. Для электромеханического модуля ТТУ разработана методика расчета и оптимизации параметров и режимов работы, позволяющая спроектировать межоперационный транспорт для ГАП с высокими требованиями по быстродействию и точности перемещения

2. Кроме этого найдены решения ряда задач, связанных с главной: показаны принципы построения и выполнен расчет параметров математических моделей ПУ' с различной степенью точности;

3. Разработаны алгоритм, методика расчета и оптимизация способа гашения колебаний рабочего органа модуля при позиционировании (авторское свидетельство № 1800879);

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный электромеханический модуль может быть использован для замены гибкого ( нежесткого ) подвеса груза в различных подъемно - транспортных механизмах.

1. Эта замена позволяет использовать существующее оборудование в различных автоматизированных производствах - цехах, участках, линиях.

2. Кроме этого модуль ТТУ может служить одной из степеней подвижности различных роботов - манипуляторов используемых в промышленном производстве.

3. В работе сформирована методическая и информационная база для проектирования серий подобных модулей, выработаны рекомендации для разработчиков.

4. Математические модели, используемые в работе, применимы для исследования различных электромеханических систем до 8-ого порядка включительно.

5. Предлагаемый способ гашения колебаний может найти применение в самых различных транспортных механизмах;, как с автоматическим,так и с ручным управлением.

6. Используемые в научной работе при построении оптимального регулятора

подходы и методики, применимы для практического решения подобных задач широкого круга объектов с переменивши параметрами.

Реализации работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы были использованы при проведении научно- исследо-■ вательских хоздоговорных работ кафедры электропривода и электрического транспорта ИрГТУ:

Исследование быстродействующих многозвенных систем электропривода с упругими связями для АСУ ТП ( № 02840018374 );

Разработки и исследование МОТ для ГАП ( № 01840041336 );

Разработка системы группового управления оборудования ГАП и РТК ( № 01860063973 ).

Методики проектирования и программы расчета на ЭВМ используются в учебном процессе ИрГТУ при проведении ПИРС, курсового и дипломного проектирований студентов машиностроительного и энергетического факультетов.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований докладывались и обсуждались на конференциях:

Повышение эффективности производства и использование электрической энергии в условиях Сибири. Иркутск,- 1990 - 2000 гг.;

-Автоматизация электроприводов и оптимизация электроснабжения. Красноярск.- 1990 г.

Проблемы экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов. Новосибирск.- 1990 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в четырех авторских свидетельствах, семи статьях, тринадцати тезисах докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы .Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и 2 приложений. Общий объем составляет 197 страниц ." 185 страниц основного текста, 12 страниц приложений. Работа иллюстрирована 48 рисунками в основной части и 4 рисунками в приложениях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе проводится анализ условий функционирования различных промышленных систем позиционирования: приводов подъема - спуска кранов, приводов подачи и перемещений металлорежущих станков, электроприводов по степеням подвижности роботов- манипуляторов и ряда других. Приведены основные характеристики механизмов позиционирования ( жесткость передачи, момент инерции, собственная частота колебаний ). На основании этих данных можно сделать вывод, что основные параметры механизмов в процессе осуществления перемещений существенно изменяются по величине непрерывно или скачкообразно. Это в значительной степени влияет на качество процесса позиционирования, снижает производительность агрегата, усложняет настройку систем управления.

В этой главе сформулированы требования к позиционным электроприводам механизмов перемещения для гибкого автоматического производства. Определены режимы работы системы позиционирования, сформулированы критерии оптимизации и обоснован выбор принципа максимума Л.С.Понтрягина. Перемещение рабочего органа ТТУ производится в 2 этапа:

1 этап - режим больших перемещений с критерием оптимизации " быстродействие + минимум потерь ";

2 этап - режим малых перемещений с критерием " точность ".

Такой подход к осуществлению позиционирования позволяет с одной сторонь повышать точность и быстродействие путем изменения весовых коэффициентов 1 критериях, а с другой стороны становится возможным достижение компромисса меж ду двумя альтернативными критериями.

На основе проведенного анализа условий функционирования позиционных электроприводов, требований к ним, режимов их работы сформулирована задача реализа ции оптимального управления процессами позиционирования.

Вторая глава посвящена решению главной задачи - разработке, исследованию и оптимизации параметров электромеханического модуля для позиционирования -ТТУ. Определены возможные области применения модуля, проведен выбор передаточного механизма ( передача винт - гайка ), рассчитаны характеристики модуля с ТТУ 1-ой модификации. Построены 3 математических модели устройства, которые позволяют исследовать ТТУ всех модификаций при различных уровнях требований к процессу позиционирования. При невысоких требованиях к точности и быстродействию необходимо использовать модель 3-его порядка для всех 4-х модификаций устройства. Если же ТТУ предназначается для функционирования с высокими показателями режима позиционирования ( точность - 0,01 мм, скорость - до 10 м/с, ускорение - до 30 м/с2 ) целесообразно применение моделей 5-ого или 6-ого порядков для модификации 1 и 3 модели и модели 8-ого порядка - для модификаций 2 и 4. Характерной особенностью этих моделей является возможность исследовать влияние переменных параметров ТТУ ( жесткости винта передачи винт-гайка, приведенного момента инерции груза и механизма ) на динамику режимов перемещения. При исследовании на ЭВМ модели 6-ого порядка ТТУ - 8 было определено, что изменение постоянной времени жесткости винта передачи винт-гайка от 0,8 х 10"4 до 0,2 х 10"3 сек перерегулирование по скорости увеличивается в 2 - 3 раза, время переходного процесса изменяется на 0,01 - 0,04 сек. Аналогичные исследования, проведенные с другими ТТУ, показали, что переменные параметры оказывают существенное влияние на динамические характеристики режима позиционирования. Изменение этих параметров необходимо учитывать при построении оптимальной системы позиционирования. Для этого были рассчитаны основные характеристики ( коэффициент соотношения масс - у , жесткость винта - С в, собственная частота колебаний - СО , момент инерции ( приве-

денный ) -1) для модификаций 1 и 3 модуля. На рис 1,2 показаны зависимости этих характеристик от основного параметра ТТУ - длины выдвижения ( длины винта ).

С помощью разработанной методики были рассчитаны ТТУ на грузоподъемности от 20 до 10 ООО кг для разнообразных условий и режимов работы. Опыт, полученный при проведении расчетов, изложен в виде рекомендации в 2-ой главы работы. В этой главе изложены также результаты оптимизации параметров модуля позиционирования.

Для определения оптимального с позиций быстродействия радиуса приведения передачи винт- гайка использовались уравнения:

иц

114-112

^ лмМЛХ;

= 0

ШмАХ-

- при управлении двигателем по цепи якоря без учета потерь мощности и уравне-

ние:

К4 -2112 ——--к2

ммах

П1£+/ рс

^ Д ^^МАХ

+ 211 х-Ь^--=0

ММАХХ-^Д игЛММАХ.

- при учете потерь мощности . В результате решения этих уравнений были получены значения радиусов приведения Л. дающих минимальное время перемещения гайки по винту. На рис. 3,4 показаны зависимости Л = / (Рс/Мд) для серии ТТУ первой модели. Эти графики имеют следующее аналитическое выражение:

И = 0,31 хИд/Тс,

которое позволяет выбирать радиус приведения при проектировании ТТУ по известным ( вероятным ) значениям нагрузки, а также подбирать двигатель со значением момента, дающего оптимальный радиус приведения. Оптимальный радиус приведения зависит от режима отработки перемещения ( треугольный или трапецевидный ), от степени загрузки, максимального момента двигателя. Полученные во 2-ой главе графики, аналитические зависимости, расчеты предназначены для определения наи, лучших значений параметров ТТУ при проектировании, когда проводится оптимизация по критерию " быстродействие ".

с*ю1нм 200

150

100

50

\ V

\ С=1Ч

.....

__3

-4

о.2 1,о г,о ьм Рис. 1 Зависимость жёсткости вала от длинны деформируемого участка вшгга.при различных диаметрах винта: 1-тДв=0Дм; 2—Дв=0,08м 3—Дв=0,0б3м; 4—Дв=0,05м, с*|0*Н»м

40

30

20

10

\.........|........

Г

\ V ;с=/<Ц)

—.2 1

0.2 1,0 2.0 1-(н

Рис.; 2 ¡Зависимость жесткости вала от длины деформируемою участка вгогга, для объектов: 1 - ТТУ-8; 2 - ТТУ-11

2.0-

R=0,31*MA/FC

100' 200 300 400 Миом Рис. 3 ¡Зависимости оптимальных радиусов приведения от степени '-загрузки ТТУпри близких режимах работа с учетом потерь. 1—14 — порядковые номера 1*1 У.

R=0£8*Mamox/FC

200 400 600 800 Л*чкяс Рис. 4 Зависимости оптимальных радиусов приве^ч«,^ 1—13 — порядковые номера ТТУ,

В третьей главе показано построение оптимального регулятора для перемещения ТТУ с заданными быстродействием и точностью позиционирования. Рассчитаны предельные ( возможные ) характеристики для различных режимов работы. Проверены условия оптимальности особых режимов, доказано, что переменные параметры не изменяют оптимальности особых экстремалей (условия Келли, Роббинса, Коппа-Мейера ). В разработанной системе с релейным оптимальным регулятором проведена оценка уровня автоколебаний, определено, что этот уровень не превышает регламентированный для станков с ЧПУ коэффициент неравномерности частоты вращения. Рассмотрены также вопросы измерения координат вектора состояния. Оптимальный регулятор разработан для двух режимов: больших перемещений, малых перемещений. Для всех режимов регулятор строится по одинаковой схеме, различаются только коэффициенты обратных связей, на основе которых формируется переключающая функция М = / ( х ). Характер изменения коэффициентов обратных связей Ь ; ^ / ( 8 3!Щ ) для объекта 3 и 6-ого порядков при отработке больших перемещений показаны на рис. 5,6. Во всех режимах оптимизируется неосциллирующий объект, что позволяет использовать теоре"му об п-интервалах и свести количество переключений к пяти для объекта 6 -ого порядка. Условием неосцилляции является следующее соотношение параметров объекта:

Тм1 / Тад > 3,2;

Тяц х СО 12 ¿0,25. у>5

Получение таких соотношений возможно при проектировании ТТУ путем изменения рада характеристик передачи винт - гайка и двигателя: шага резьбы, диаметра и длины винта, числа заходов резьбы, момента инерции двигателя, массы выдвижных секции.

Четвертая глава посвящена исследованию способа гашения колебаний рабочих органов различных грузоподъемных механизмов, включая ТТУ. Разработаны алгоритм гашения;' Методика расчета и оптимизации параметров системы гашения. Кроме этого исследованы условия возникновения параметрического резонанса при гашении и показаны пути исключения этого явления.

Т I 1 I I ■ Г"

o,í о,г о, i 0,1 ОА' о, в р, 0,2 СЗ /, о /J (,г /;J ¡j

Рис. 5 Зависимость коэффициентов обратных связей от v

заданного перемещения (3-ий порядок)

0,1 0,2. о,5 ОЛ 0,5~ е,£ 0,7 0,8 0,9 1,о /,{ {¡3 /,¥

.Рис 6 Зависимость коэффициентов обратных связей от

заданного перемещения (б-ой порядок)

Сущность предлагаемого способа гашения заключается в изменении длины рабочего органа ( подвеса ) механизма при начале перемещения или колебания. Изменение длины производится в зависимости от соотношения координат точки подвеса и координаты самого груза. ( при Э Подв«а > 8 - уменьшение длины, при в поДВка < Б грра - увеличение длины подвеса ). Изменение длины выполняется на незначительную величину ( « 10 % от общей длины ), за короткий промежуток времени. Это изменение может совмещаться с подъемом или спуском груза в соответствии с технологией транспортировки. При исследованиях на моделях и промышленных механизмах определено, что для эффективного гашения колебаний достаточно произвести 1 - 2 изменения длины по разработанному алгоритму. Это приводит к снижению амплитуды колебаний груза до допустимых значений. В работе получены условия, при которых возможно использование данного способа гашения ( защищенного авторским свидетельством ). Показанное в предыдущих главах 11У является наиболее эффективным устройством для гашения колебаний груза, т.к. электропривод его позволяет быстро изменять длину выдвижения ( по закону, близкому к релейному).

В заключении работы подведены итоги проведенных исследований и показаны положения, выносимые автором на защиту.

В приложениях приведены следующие материалы: кинематические схемы и описания модификаций ТТУ, примеры расчета различных модулей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Разработаны принцип действия и конструкция 4-х модификаций электромеханического модуля для точного позиционирования подъемно - транспортных механизмов и роботов - манипуляторов. Разработки защищены 3-мя авторскими свидетельствами.

2. Определены принципы построения и рассчитаны параметры математических моделей разработанных модулей (ТТУ) с различной степенью точности.

3. Разработаны инженерные методики проектирования и оптимизации параметров и режимов работы всех модификаций модулей. !

4. Выполнены построение, расчет и реализация наблюдающих устройств для определения переменных параметров электромеханического модуля.

5. Исследован и обоснован способ гашения колебаний рабочего органа подъемно -транспортного механизма или робота- манипулятора при позиционировании. Способ защищен авторским свидетельством.

Проведены исследования на математических моделях, а также экспериментальные исследования подтвердили адекватность допущений и правильность построения разработанных методик, моделей, регуляторов.

Практическое применение предлагаемых систем и методик расчета их параметров и режимов позволяют разрабатывать различные устройства ( модули ) для позиционирования с высоким качеством в гибких автоматических производствах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1 Троян В.А., Федорещенко Н.В. Оптимальное управление позиционной системы электропривода/Оптимизация режимов работы систем электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1990. с.З - 5.

2. Троян В. А, Федорещенко Н.В. Особые режимы в нестационарных системах электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1990. с.77 - 79.

3. Лобанов АН., Троян В.А, Федорещенко Н.В. Исследование цифровой модели с наблюдателем, работающим в реальном масштабе времени//Оптимизация режимов работа систем электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1588. с.114 -117.

4. Лобанов АН., Федорещенко Н.В. Модальное управление в электромеханических упругих системах/у Оптимизация режимов работы системы электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1986. с.43 - 46.

5. Лобанов АН., Федорещенко Н.А Определение параметров элементов механических конструкций по динамическим показателям качества системы регулирова-ния//Депопирована в ВИНИТИ, 29.01.87, № 714-887, УДК 62 -27 : 621.87 - 531, 7 с.

6. Федорещенко Н.В. Параметрический резонанс в подъемно - транспортных механизмах^ Оптимизация режимов работы систем электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1995. с. 22-25.

7. Федорещенко Н.В. Управление колебаниями подъемно - транспортных механизмов^ Оптимизация режимов работы систем электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1992. с. 53 - 57.

Получены ав торские свидетельства.

1. А.с. № 1527136 (СССР) В66С 23/68. Телескопическое устройство грузоподъемного механизма. Авторы: В.П.Кольцов, А.Н.Лобанов, Н.В.Федорещенко, В.В.Швыдкий. Заявл. 11.07.87, Опубл. В Б.И., 1989, № 45.

2. А.с. № 1557084 (СССР) В66С 23/68. Телескопическая стрела. Авторы: В.П.Кольцов, АН.Лобанов, Н.В.Федорещенко. Заявл.04.05.89, Опубл. В Б.И., 1990, № 14.

3. Ас. № 1657468 (СССР) 4В66С 23/68. Телескопическая стрела. Авторы: В.П.Кольцов, АН.Лобанов, Н.В.Федорещенко. Заявл.04.05.89, Опубл. В Б.И., 1991, №23.

4. Ас. Кг 1800879 (СССР) Г16 Р7/10. Способ гашения колебаний систем. Авторы: АНЛобанов, Н.В.Федорещенко. Заявл. 16.01.91, Опубл. В Б.И., 1992, № 37.

Формат 60x84 1/16. Бумага типографская. Печать офсетная. Усл. печ. л. ' Уч.-изд.л. ■'.'.'■ Тираж 100 экз. Зак.

ЛР №020263 от 30.12.96 Иркутский государственный технический университет 664074 Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Список сокращений

Введение ь

Глава 1. Анализ условий функционирования и методов оптимизации электромеханических систем позиционирования

1.1 Переменные параметры технологических процессов и систем позиционирования 'О

1.2 Требования к позиционированным приводам 2. о

1.3 Режимы работы систем позиционирования 2.

1.4 Современные методы оптимизации 3 2,

1.5 Постановка задачи 40 Выводы по главе 1.

Глава 2. Электромеханический модуль для позиционирования (ТТУ)

2.1 Области применения и основные характеристики ТТУ

2.2 Разработка и исследование математических моделей ТТУ

2.3 Методика проектирования ТТУ

2.4 Определение оптимального радиуса приведения передачи винт-гайка в Транспортирующем телескопическом устройстве 2/

Выводы по главе

Глава 3 . Оптимальные процессы позиционирования ТТУ 3.1 Предельные характеристики модуля

3.2 Оптимальное управление ТТУ при позиционировании / ¿

3.3 Особые режимы работы и автоколебания оптимального регулятора ТТУ / 2 (

3.4 Измерение координат ТТУ I ^ Выводы по главе 3. )

Глава 4. Оптимальное гашение колебаний рабочих органов ПТМ и РМ

4.1 Классификация способов уменьшения амплитуды колебаний груза и математическая модель ПТМ /

4.2 Оптимальное гашение колебаний груза /4т?

4.3 Исключение параметрического резонанса при гашении колебаний ) 61 Выводы по главе 4. \ €>?■ Заключение 16д Литература 1^1.

Одним из важнейших достижений научно-технического прогресса является автоматизация производства.

Современное автоматизированное технологическое оборудование представляет собой комплекс сложных, динамических систем. Сложность, их обусловлена высокими требованиями к производительности и точности работы технологического оборудования, а также разнообразием выполняемых функций„ Автоматизация различного технологического оборудования требует от систем автоматического управления повышенных техникоэкономических характеристик.

Основным направлением автоматизации в машиностроении признан переход от выпуска отдельных станков к комплектным системам машин, предназначенным для полной обработки деталей и узлов. Эта задача решается путем создания гибких производственных модулей (ГПМ), систем (ГПС), линий (ГПЛ), промышленных роботов (ПР) и другого высокопроизводственного оборудования. Переход к безлюдной технологии с широким использованием гибких производств и роботов потребовал новых технологических решений и в области позиционного электропривода. Сочетание сложности движения с высокими требованиями к качеству (точность, быстродействие) приводит к необходимости интеграции привода с рабочей машиной. Опыт развития техники в нашей стране и за рубежом убедительно показывает, что серьёзные успехи достигаются там, где привод узко специализирован, а в ряде случаев даже уникален. Резкое повышение технологического уровня оборудования при гибкой технологии получается за счет нетрадиционного принципиального решения электропривода, совершенного в технологическом и конструктивном отношениях, максимально интегрированного с технологическим процессом, снабженного современными средствами микропроцессорного управления.

В состав большинства ГПС, помимо технологического оборудования, контрольно-измерительных комплексов, систем управления и других устройств и систем, входят также различные транспортные механизмы: транспортеры, тележки, роботы. Их основными функциями являются подача заготовок к технологическому оборудованию и передача обработанных деталей на последующие операции или на склад. Эффективно совместить функции транспортных устройств, работающих между отдельными операциями и функции роботов-манипуляторов при отдельных станках возможно только за счет применения универсального оборудованияроботизированных мостовых кранов.

Эти механизмы имеют ряд серьезных преимуществ перед другими видами транспорта в ГПС: доступ в любую точку подкрановой площадки, невысокие капитальные затраты, отсутствие потерь площади производственного здания, универсальность в выполнении транспортных операций. Основной недостаток мостового крана- гибкий подвес груза относительно несложно ликвидировать путем замены лебедки на жесткий механизм подъема и спуска груза. Для этого используются различные колонны, шарнирно-рычажные механизмы, телескопические штанги.

На основании вышеизложенного основную задачу научно-исследовательской работы можно сформулировать следующим образом: разработать и исследовать электромеханический модуль с жестким перемещением груза для замены им гибкого подвеса в мостовых кранах, применяемых в ГПС. Вторым применением данного модуля следует назвать использование его в качестве механизма перемещения по одной из координат (перемещение схвата или подъем-спуск всего манипулятора) различных роботов в автоматизированном производстве.

При разработке этого устройства используется агрегатно-модульный принцип построения, в основу которого положены унификация и стандартизация. Этот принцип является научно-методической основой для создания конструкций с широким диапазоном параметров., соответствующих требованиям конкретного потребителя, обеспечивающего гибкость производственных систем разного уровня интеграции. Кроме этого такой подход дает целый ряд преимуществ: снижение стоимости, приспособление к изменению требований производства, уменьшение эксплуатационных затрат, повышение надежности, сокращение сроков разработки новых устройств.

При выполнении научно-исследовательской работы использовались современное математическое обеспечение и теория оптимального управления. Это дало возможность получить требуемое качество динамических процессов и скомпенсировать влияние нестационарных воздействий на объект.

Основная задача научного поиска подразделяется на ряд отдельных, но взаимосвязанных друг с другом, исследовательских задач. К ним следует отнести: разработка механизма в полной мере отвечающего поставленным требованиям; оптимизация параметров и режимов работы системы позиционирования; измерения выходных характеристик модуля; гашение колебаний рабочего органа- схвата.

При решении поставленных задач серьезное внимание уделялось методической стороне производимых расчетов. исследований, моделированию. Это связано с тем, что одной из задач данной работы является разработка современных методов проектирования и исследования систем электропривода для использования при подготовке инженеров-электриков и электромехаников, специализирующихся в областях электрических машин, аппаратов, устройств автоматики и машиностроении. Кроме этого предполагается использовать полученные результаты при разработке и внедрении различных гибких автоматизированных производств.

1. Анализ условий функционирования и методов оптимизации электромеханических систем позиционирования.

Результаты исследования предполагается использовать при разработке межоперационного транспорта гибкого автоматизированного производства в машиностроении и других отраслях. Кроме этого разработанные алгоритмы проектирования и методы исследования могут

Заключение.

Научно-исследовательская работа посвящена вопросам оптимального проектирования и исследования электромеханического модуля для точного позиционирования. Этот модуль предназначен для установки на мостовые краны вместо гибкого подвеса груза (лебедки), а также для осуществления перемещения в различных работах -манипуляторах.

Проведен анализ различных технологических процессов, выявлены основные параметры, которые существенно изменяются в процессе функционирования. Сформулированы требования к составным частям систем позиционирования ПТМ и РМ. Определены режимы работы высококачественных позиционных электроприводов. Проведено сравнение ряда современных методов оптимизации, показано, что наиболее предпочтительным для решения задач оптимизации параметров и режимов работы систем позиционирования является принцип максимума Л.С. Понтря-гина.

Для электромеханического модуля разработаны: оригинальные конструкции механизма; методика проектирования и расчета параметров различных математических моделей. Проведена оптимизация по критерию «быстродействие» параметров электродвигателя и механизма (радиус приведения). Разработан оптимальный регулятор, позволяющий получить высокое быстродействие и точность позиционирования электромеханического модуля. Исследованы особые режимы работы регулятора и уровень автоколебаний при функционировании. Показаны аналоговые и цифровые наблюдающие устройства, с помощью которых измеряются координаты вектора состояния объекта при позиционировании.

Проведен анализ существующих способов гашения колебаний рабочих органов различных ПТМ и РМ, предложено использовать для этого изменение длины подвеса груза по оптимальному закону. Исследованы различные режимы изменения длины подвеса груза, определен оптимальный характер работы привода подъема-спуска ПТМ. Сформулированы условия резонансной работы механизма позиционирования.

1.с №1527136 (СССР) В66С 23/68. Телескопическое устройство грузоподъемного механизма. Авторы: В.П.Кольцов, А.Н.Лобанов, Н.В.Федорещенко, В.В.Швыдкий. Заявл.11.07.87, Опубл. В Б.И.,1989, № 45.

2. А.с №1557084 (СССР) В66С 23/68. Телескопическая стрела. Авторы: В.П.Кольцов, А.Н.Лобанов, Н.В.Федорещенко. Заявл . 12 . 01 . 88, Опубл. В Б.И.,1990, № 14.

3. А.с №1657468 (СССР) 4В66С 23/68. Телескопическая стрела. Авторы: В.П.Кольцов, А.Н.Лобанов, Н.В.Федорещенко. Заявл . 04 . 05 . 89, Опубл. В Б.И.,1991, № 23.

4. А.с №180087 9 (СССР) Б16 Е7/10. Способ гашения колебаний системы. Авторы: А.Н.Лобанов, Н.В.Федорещенко. Заявл . 16 . 01 . 91, Опубл. В Б.И.,1992, № 37.

5. Абраров И.Д., Федорещенко Н.В. Управление ПТМ с высокой точностью позиционирования. В кн. Повышение эффективности производства и использования электрической энергии в условиях Сибири. Иркутск: ИПИ, 1993, с.28.

6. Абросимова Ю.А., Пассова М.В., Петров Ю.П. Аналитическое конструирование регуляторов для систем с переменным коэффициентами.- Изв.вузов. Электромеханика, 1987, № 12, с.65-67.

7. Антомонов Ю.Г. Синтез оптимальных систем. Киев: Нау-кова думка, 1972, 320 с.

8. Ю.Бальбух В.В., Панкратьев Л.Д., Полковников В.А. и др. Динамические свойства релейных и импульсных следящих электроприводов. М.: Энергия, 1972, 232 с.

9. И.Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. -Л.: Энергоатомиздат, 1982, 392 с.

10. Башарин A.B., Постников Ю.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ. -Л. : Энергоатомиздат, 1990, 512 с.

11. Бор-Раменский А.Е.,Воронецкий Б.Б.,Святославский В.А. Быстродействующий электропривод. -М.: Энергия, 1969, 168 с.

12. Борцов Ю.А. Совершенствование электротехнических систем с использованием средств микроэлектронной техники. -Электротехника.- 1984, № 7, С.14-19.

13. Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Путов В.В. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением. -Л.: Энергоатомиздат, 1984, 216 с.

14. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Тиристорные системы электропривода с упругими связями. -JI.: Энергия, Ленинградское отделение, 1979, 160 с.

15. Бурдаков С.Ф., Дъяченко В.А., Тимофеев А.И. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. М.: Высшая школа, 1986, 264 с.

16. Васильев А.И., Анисимов A.C., Оптимальные процессы в микроэлектроприводах. -М.-Л.: Энергия, 1966, 144 с.

17. Вульфсон И.И., Козловский М.З. Нелинейные задачи динамики машин. -М.: Машиностроение, 1968, 297 с.

18. Габасов Р., Кириллова Ф.М. Особые оптимальные управления. -М.: Наука, 1973, 256 с.

19. Герасимяк Р.П. Динамика асинхронных электроприводов крановых механизмов. -М.: Энергоатомиздат, 1986, 168 с.

20. Гольц М.Е., Гудзенко A.B., Остреров В.М. Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями. -М. : Энергоатомиздат, 1986, 184 с.

21. Деруссо П., Рой Р., Клоуз Ч. Пространство состояний в теории управления. -М.: Наука, 1970, 620 с.

22. Дроздов В.Н., Мирошник И.В. Оптимальное регулирование скорости нелинейного электропривода.- Электричество, 1986, № 10, с.53-56.

23. Дунаев В.И. Квазиоптимальные по быстродействию системы автоматического регулирования. М.: Энергия, 1970, 64 с.

24. Жиляков В.И. Аналитическое конструирование линейных оптимальных систем управления. Электричество, 1987, № 9, с.38-42.

25. Земляков В.Д., Задорожный H.A. О демпфировании электроприводом постоянного тока упругих электромеханических колебаний. Известия ВУЗов. Электромеханика, 1984, № 5, с. 9298.

26. Ильин О.П., Галкин А.Л. О выборе оптимального передаточного числа редуктора приводов позиционных механизмов. -Электричество, 1973, № 4, с.83-85.

27. Исследование быстродействующих многозвенных систем электропривода с упругими связями для АСУ ТП. Отчет по НИР. Иркутск: ИПИ, 1983, 126 с. Гос.per. № 02840018374.

28. Квакернаак X., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. -М.: Мир, 1977, 650 с.

29. Клюев A.C., Колесников A.A. Оптимизация автоматических систем управления по быстродействию. М. : Энерго-атомиздат, 1982, 240 с.

30. Ключев В.И., Теличко Л.Я. Оптимизация электропривода с упругой связью по критерию минимума колебательности в переходных режимах.- Электричество, 1977, № 1, с.38-43.

31. Колесников A.A. Принцип построения и алгоритмический синтез комплексно-оптимальных систем управления нелинейными объектами. Дис.доктора техн.наук. -Л.:ЛЭТИ, 1980, 273 с.

32. Комаров М.С. Динамика грузоподъемных машин. -М. : Маш-гиз, 1962, 265 с.

33. Комплектные датчики для электроприводов постоянного и переменного токов. /Никитин В.М., Пименов В.М., Пронина Ф.С. и др. Электротехника, 1988, № 2, с.18-20.

34. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М. : Наука, 1978, 832 с.

35. Кочергин В.В. Следящие системы с двигателем постоянного тока. -Л.: Энергоатомиздат, 1988, 168 с.

36. Кочетков В.П., Троян В.А. Оптимальное управление электроприводами. Красноярск: Изд-во Красноярского университета, 1987, 144 с.

37. Крановое электрооборудование: Справочник/ Под ред. A.A. Рабиновича. М.: Энергия, 1979, 240 с.

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

39. Кузьмин A.B., Чернин И.М., Козинцев B.C. Расчеты деталей машин. Справочное пособие. Минск: Высшая школа, 1986, 332 с.

40. Куропаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы: Учебное пособие для вузов. -М.: Высшая школа, 1980, 287 с.

41. Лебедев A.M., Орлова Р.Т., Пальцев A.B. Следящие электроприводы станков с ЧПУ. -М.: Энергоатомиздат, 1988, 223 с.

42. Лобанов А.Н., Троян В.А., Федорещенко Н.В. Исследование цифровой модели с наблюдателем, работающим в реальном масштабе времени. Оптимизация режимов работы систем электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1988. с.114-117.

43. Лобанов А.Н., Федорещенко Н.В. Модальное управление в электромеханических упругих системах. Оптимизация режимов работы системы электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1986. С.43-46.

44. Лобанов А.Н., Федорещенко Н.В. Определение параметров элементов механических конструкций по динамическим показателям качества системы регулирования. Депонирована в ВИНИТИ, 29.01.87, № 714-887, УДК 62-27:621.87-531, 7 с.

45. Лобанов А.Н. Оптимизация многозвенных электромеханических систем. Диссертация.канд.техн.наук. -Иркутск: ИПИ, 1985, 227 с.

46. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы. -М.: Машиностроение, 1982, 504 с.

47. Мануйлов Ю.С. Синтез оптимального управления жесткостью упругих динамических объектов. Приборостроение, 1986, № 11, с.18-21.

48. Математическая теория оптимальных процессов. / Л.С.Понтрягин, В.Г.Болтянский, Р.В.Гамкрелидзе, Е.Ф.Мищенко. М.: Наука, 1969, 384 с.

49. Мееров М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. -М.: Наука, 1967, 424 с.

50. Мелкозеров П.С. Энергетический расчет систем автоматического управления и следящих приводов. -М.:Энергия, 1968, 304 с.

51. Сейдж Э.П., Уайт 111 Ч.С. Оптимальное управление системами. М.: Радио и связь, 1982, 392 с.

52. Олейников В.А., Зотов Н.С., Пришвин A.M. Основы оп-ти-мального и экстремального управления. Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1969, 296 с.

53. Павлов Н.Г. Примеры расчетов кранов. -Л.: Машиностроение, 1976, 320 с.

54. Панасюк В.И., Панасюк А.И. Асимптотическая магистральная оптимизация управляемых систем. -Минск: Наука и техника, 1986, 317 с.

55. Пановко Я.Г. Механика деформируемого твердого тела. -М.: Наука, 1985, 389 с.

56. Пашура Д.В., Федорещенко Н.В. Проектирование электроприводов для подъемно-транспортных механизмов. В книге:

57. Повышение эффективности производства и использования электрической энергии в условиях Сибири. Иркутск: ИрГТУ, 1995, с.19.

58. Переслегин Н.Г. Демпфирующие свойства электропривода в многомассовых системах с упругими связями. В книге: Автоматизированный электропривод. / Под ред. М.Г. Юнькова, Н.В.Ильинского. -М.: Энергоатомиздат, 1986, 387 с.

59. Петров Б.И., Полковников В.А. Динамические возможности следящих электроприводов. -М.: Энергия, 1976, 128 с.

60. Петров Ю.П. О скрытых опасностях, содержащихся в традиционных методах проверки устойчивости. -Известия ВУЗов. Электромеханика, 1991, № 11, с.76-79.

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

62. Петров Ю.П., Сиверин В.А. Оптимизация электропривода с гибкими и упругими связями. Электричество, 1985, № 3, с.57-59.

63. Поздеев Д.А. Разработка быстродействующих электроприводов подачи металлорежущих станков с пониженной чувствительностью к вариациям параметров упругого и исполнительного механизма. Дис.канд.техн.наук. -М.: МЭИ, 1985, 226 с.

64. Поляков Л.М., Херунцев П.Э. Оптимальное управление динамическими процессами в электроприводе с упругими связями. Электричество, 1979, № 3, с.40-45.

65. Понасюк В.И., Политыко Э.Д. Оптимизация процесса разгона в электроприводе постоянного тока с упругой связью. -Электричество, 1986, № 9, с.28-33.

66. Проектирование следящих систем. / Под ред. JI.В. Рабиновича. -М.: Машиностроение, 1969, 498 с.

67. Пышкало В. Д., Акимов A.B., Шамрай В. П. Оптимальные по быстродействию промышленные электроприводы. -М.: Энергия, 1967, 104 с.

68. Разработка и исследование МОТ для ГАП. Отчет по НИР.-Иркутск: ИПИ, 1985, 166 с. Гос.per.№ 01840041336.

69. Разработка системы группового управления оборудования ГАП и РТК. Отчет по НИР.- Иркутск: ИПИ, 1987, 181 с. Гос.per.№ 01860063973.

70. Репников A.B. Колебания в оптимальных системах автоматического регулирования. М. : Машиностроение, 1968, 239 с.

71. Смехов A.A., Ерофеев Н.И. Оптимальное управление подъемо-транспортными машинами. -М. : Машиностроение, 1975, 239 с.

72. Современные промышленные работы: Каталог/ Под ред. Ю.Г.Козырева, Я.А.Шифрина.-М.: Машиностроение, 1984, 152 с.

73. Соколовский Г.Г. О возможности пренебрежения влиянием упругой связи на работу автоматической системы регулирования скорости электропривода. Электричество, 1978, № 3, с. 4550.

74. Состояние и перспективы развития электроприводов для станков и промышленных роботов. / Поздеев А. Д., Макурин B.C., Кондриков А.И. и др. Электротехника, 1988, № 2 , с. 2-4.

75. Солодовников В.В. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 3. Часть 11. М. : Машиностроение, 1969,367 с.

76. Справочник по автоматизированному электроприводу./ Под ред. В.А.Елисеева и А.В.Шинянского.-М.: Энергоатомиздат, 1983, 616 с.7 9.Справочник по теории автоматического управления./ Под ред. A.A.Красовского. М.: Наука, 1987, 712 с.

77. Справочник по электрическим машинам В 2 Т./ Под общ. ред. И.П.Копылова и Б.К.Клокова.-М.: Энергоатомиздат, 1988, 456 с.

78. Срочко В.А., Хамидулин Р.Г. Метод последовательных приближений в задачах оптимального управления с краевыми условиями. Журнал вычислительной математики и математической физики, 1986, Т 26, № 4, с.508-520.

79. Сташин В.В., Урусов A.B., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. -М.: Энергоатомиздат, 1990, 224 с.

80. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. -М. : Наука, 1964, 440 с.

81. Троян В.А., Федорещенко Н.В. Математическая модель позиционных систем электропривода с передачей винт-гайка. -В книге: Повышение эффективности производства и использования электрической энергии в условиях Сибири. Иркутск: ИПИ, 1991, с.29.

82. Троян В.А., Федорещенко Н.В. Оптимальное управление позиционной системой электропривода. Оптимизация режимов работы систем электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1990. с.3-5.

83. Троян В.А., Федорещенко Н.В. Оптимизация электропривода с нестационарными параметрами. В сб.Автоматизация электроприводов и оптимизация электроснабжения. Красноярск: Кр.ПИ, 1988. с.З.

84. Троян В.А., Федорещенко Н.В. Особые режимы в нестационарных системах электропривода. Оптимизация режимов работы систем электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1990. С.77-79.

85. Федорещенко Н.В. Наблюдающее устройство для электроприводов с переменными параметрами. В кн. Проблемы экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов. Новосибирск: НЭТИ, 1990, с.17.

86. Федорещенко Н.В. О выборе оптимального радиуса приведения в электроприводе с ТТУ. В книге: Повышение эффективности производства и использования электрической энергии в условиях Сибири. Иркутск: ИрГТУ, 1997, с.34.

87. Федорещенко Н.В. Определение параметров математической модели упругой системы электропривода. В сб. Повышение эффективности производства и использования электрической энергии в условиях Сибири. Иркутск: ИПИ, 1990, с.57.

88. Федорещенко Н.В. Оптимальное позиционирование систем электропривода с переменными параметрами. В кн. Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления. Красноярск: Кр.ПИ, 1991. с.5.

89. Федорещенко Н.В. Параметрический резонанс в подъемно-транспортных механизмах. Оптимизация режимов работы систем электроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1995. С.22-25.

90. Федорещенко Н.В. Резонансные явления в подъемно-транспортных механизмах. В кн. Повышение эффективности производства и использования электрической энергии в условиях Сибири. Иркутск: ИрГТУ, 1994, с.13.

91. Федорещенко Н.В. Управление колебаниями подъемно-транспортных механизмов. Оптимизация режимов работы системэлектроприводов. Межвузовский сборник. Красноярск: Кр.ПИ, 1992. С.53-57.

92. Федорещенко Н.В. Управляемость и наблюдаемость позиционных упругих систем электропривода. В книге: Повышение эффективности производства и использования электрической энергии в условиях Сибири. Иркутск: ИПИ, 1992, с.32.

93. Федорещенко Н.В. Условия пренебрежения упругой связью механизма в телескопических транспортирующих устройствах. -В кн. Повышение эффективности производства и использования электрической энергии в условиях Сибири. Иркутск: ИПИ, 1993, с.42.

94. Федорещенко Н.В. Электромеханические параметры серии телескопических транспортирующих устройств. В кн. Повышение эффективности производства и использования электрической энергии в условиях Сибири. Иркутск: ИрГТУ, 1994, с.83.

95. Черноусько Ф.Л., Акуленко Л.Д., Соколов Б.Н. Управление колебаниями. -М.: Наука, 1980, 384 с.

96. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер A.C. Теория автоматизированного электропривода. Учебное пособие для вузов. -М. : Энергия, 1979, 160 с.

97. Чистов В.П., Бондаренко В.И., Святославский В.А. Оптимальное управление электрическими приводами постоянного тока. -М.: Энергия, 1968, 232 с.

98. Шёнфельд Р., Хабинер Э. Автоматизированные электроприводы. -Л.: Энергоатомиздат, 1985, 464 с.

99. Шпиглер JI.А., Гудзенко А.Б., Смотров Е.А. Электроприводы механизмов промышленных роботов. -Электротехника, 1988, № 2, с.7-8.

100. Юньков М.Г., Ильинский Н.Ф. Перспективы развития автоматизированного электропривода. Электричество, 1980, № 5, с.3-7.

101. Luenberger D.T. An Introduction to Observers.-IEEE Transactions on Automatic Control, 1966, Vol.16, № 6, p.p.596-602.

102. Teil I., Marl P. Moderner Materialtransport in Um-formbrtrieben.- Blech Rohre Profile, 1986, 33, № 2, p/p/71-74.

103. Seliger G. Rules for expanding robot applications. -Robots and Computers. -Integr.Manuf., 1988, 4, № 1-2, p.p.187-196.

104. Peter G. Heytler. The Industrial Robot: 1985-1995, Robots and Factories Future. -Ind.Conf.Charlotte, № 1, Dec.1-7, 1984, Berlin, S.68-76.llO.Stauffer R.N. Robotic assembley. Robotoc assembley -Robotics To-day, 1984, V.6, № 5.

105. Kalman R. Contributions to the theory of optimal control.-Bull. Soc.Mat.Mex., 1960, vol.5,p.102-119.

106. Lioi Ching-Tien, Chou Yi-Shyong. Optimal control of linear time-varing sistems via piccewise-linear polynomial functions.-Int. I. Control, 1987, 45,No.4, p.p.1323-1333.