автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация испытаний электроприводов промышленных швейных машин

? . О О Д На правах рукютсн

7 4 НОЯ ?СС7 ^

Белоусов Владислав Юрьевич --

Автоматизация испытаний электроприводов промышленных швейных машин

Специальность 05.13.07 Автоматизация технологических

процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата 1ехШР1ес1шх наук

'Гуяп

Работа выполнена на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" в Тульском государственном университете.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.Г. Нуждихин.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор A.B. Юдаев;

кандидат технических наук, доцент О.В. Горячев.

Ведущее предприятие: АК "Туламашзавод"

Защита диссертации состоится декабря 1997 г. в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 063.47.04 Тульского государственного университета по адресу: 300600, г.Тула, пр. Ленина, 92 (учебный корпус № 9, ауд. 101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.М. Мазуров

Общая характеристика р?боть(

Актудл^пость проблемы. Важнейшим направлением научно-технического прогресса в современном обществе является совершенствование технологических процессов на основе . комплексной механизации и автоматизации производства. Успешная реализация этого направления обеспечивает резкое снижение удельных затрат .производственных ресурсов, повышение качества продукции, значительный рост производительности груда. и другие преимущества.

Дальнейшее повышение уровня автоматизации производства наряду с другими факторами в значительной мерз связано с применением управляемого •электропривода (ЭП).

Одной из областей, где ЭП нашли широкое-применение, является швейное производство, а основным направлением работ в области ЭП промышленных швейных машин (ГШГМ) является создание автоматизированного ЗП с широким диапазоном регулирования скорости и автоматическим остановом рабочих органон П1НМ в заданном положении с целью комплексной механизации и автоматизации.вспомогательных и ручных операций, ведущих к снижению физическом а психологической нагрузки на человека, сидяшего за ПШМ.

В это Я связи происходит постоянное совершенствование ЭП, его \онсгрук!!.чн, систем управления, программного обеспечения, т. е. постоянно возрастает наукоемкость ЭП как представителя класса приводов.

Важное значение приобретает проблема испытаний ЭП, так как работоспособность, соответствие технических характеристик требования:.! технического задания, надежность и другие показатели, заложенные на этапе проектирования ЭП и обеспечиваемые я процессе изготовления,, определяются или контролируются именно в процессе испытании готового ?;зделия_. Качество' проводимых испытаний определяет успех изделия на рынке.

На данный момент о области испытаний ЭП 1ТШМ сложилась сложна? ситуация. С одной стороны: развитие технической базы устройств, используемых при испытаниях ЭП ПШМ, сильно отстает от роста требований, предъявляемых ну;кдами промышленности, что переносит центр тяжести ь проведении испытаний па человека, приводит к его сильной загруженности, а также к снижению качества испытаний. С другой стороны: развитие электроприводов, ля усложнение выдвинет требования по усло;:шению их испытаний (усложнение методик, технических ссздстй); односрймешш растут требования по повышен;';« качества ьйшускаеыоп продукции и, инк следствие, требования но повышению ?;этсствз испытаний; уплличивзется объем работ при испытаниях из-за ростз обьепоэ производства ЭГ1 (расширение сфгр»л применений ЭП), п та!окс пз.-зп уяйдичения числа различных модификаций ЗГ1.

Выходом из создавшейся ситуации яалпйтся еэтомзпшция процесса испытаний, гак как при датоматаззтм дестиггяпсп следующие гренмущестза:

облегчение труда человека, повышение качества испытания, возможносте быстрой плантации к изменениям условий испытаний, увеличение выпуска продукции. ' 1

Препятствием для автомат изации яяляется отсутствие общей теоретической г экспериментальной базы п данной области, а также разрозненность опыта, имеющегося в данной сфере. Несмотря на то, что на отдельных предприятиях занимающихся выпуском ЭП, предпринимаются попытай в какой-то мере автоматизировать процесс испытаний ЭП ПШМ, в целом из-за отсутствш хорошо налаженных связей между предприятиями, их различной ориентации ! промышленности, закрытости 'информации, а также из-за сложной методш« испытаний (поскольку сложен сам объект), из-за необходимости использовал дорогостоящие швейные машины различных классов в качестве нагрузи электропривода при испытаниях к т. д., общего подхода к данной проблеме которым можно било бы воспользоваться, не выработано.

Нерешенными в этой связи остаются такие научные задачи как:

•неисследованность различных классов ПШМ как нагрузки ЭП, а так>:;| отсутствие средств расчета или определения такой нагрузки при проведенп; "испытаний;

»неисследованость функционирования ЭП с классом объектов - ПШМ;

•отсутсвие теоретической базы создания автоматизированных испытательные устройств (испытательных стендов) и методик испытаний на таких устройства (испытательных стендах).

Поэтому, исходя из всего вышесказанного, можно с уверенностью заключить что проблема автоматизации испытаний электроприводов промышленньг швейных машин представляет актуальную научно-техническую задач} стоящую перед разработчиками и производителями названной продукции.

Нелыо работы является повышение эффективности и качества испытана электроприводов промышленных швейных шщин за счет разработки способе . и средств, позволяющих автоыатизнрозать данный процесс. •

Автор защищает;

«способ построения обобщенной кинематической модели ПШМ;

•методики построения математических моделей:

- ПШМ как нагрузки ЭП на осксЕе обобщенной кинематической модел ПШМ с использованием уравнения Лагранка второго рода;

- системы ЭП-ДМ (датчик моигита)-ПШМ на базз общих уравнзни механики; _ -

- системы 'ЭП-ПШМ с использованием дифференциальных зависимостс функционирований асинхронного электродвигателя, элементов тсори автоматического регулирования;

«выявление оценочного диапазона момента нагрузки, создаваемого ПШМ ¡. вал ЭП, основных влияющих фз'ктор:^) ма точность измерение вращик-чцег мач«и;а нагрузки, совпалюмот'а П1ЧМ на вг-я ЭП, а такме успшогмшп

характерного типа и вида нагрузки, влияющего на качество регулирования в системе ЭП- ПШМ;

•методики математического моделирования динамики работы ПШМ в качестве нагрузки ЭП и ЗП под нагрузкой (ПШМ);

•техническую реализацию автоматизированного испытательного нагрузочного стенда ЭП ПШМ, а также методику автоматизированных испытаний ЭП ПШМ. Научная новизна:

•на основании анализа конструкций ПШМ различных классов построена обобщенная кинематическая модель ПШМ, позволяющая свести многообразие реальных ПШМ к единой базовой конструкции.

«построена обобщенная математическая модель ПШМ как нагрузки ЭП с целью получения оценочного диапазона момента сопротивления, возникающег о на валу ЭП при его работе с ПШМ..

•для выявления факторов, влияющих на точность измерения нагрузки, создаваемой ПШМ на валу ЭП, построена математическая модель системы ЭП-ДМ(датчик момента)-ПШМ.

•с целью анализа влияния различных составляющих нагрузки, создаваемой ПШМ на палу ЭП, на качество работы ЭП разработана система цифрового моделирования на ЭВМ динамики функционирования ЭП под нагрузкой.

•разработаны конструкция, программное обеспечение, аппаратура стенда и методика автоматизированных испытаний ЭП ПШМ. Практическая ценность н реализация результатов. Диссертационная работа выполнена в рамках хоздоговорных НИР по темам №№ 13102, 13202, 95-60, проводимых на АК "Туламашзавод" и КБП с участием автора. Важность народно-хозяйственного значения данной работы подтверждается включением её в тематику отраслевых и межотраслевых опытно-конструкторских И научно-исследовательских работ.

В результате проведенных исследований разработана конструкция испытательного стенда, включающего в свой состав средства измерения нагрузки, создаваемой ПШМ (датчики оригинальной конструкции) и нагрузочное устройство (электропривод постоянного тока). Данный стенд может быть использован при проектировании новых ЭП для различных типов ПШМ н для испытаний ЭП в процессе производства.

На основании Проведенных исследований и разработок обоснована необходимость и показана возможность автоматизации испытаний ЭП ПШМ, ведущей к повышению качества продукции и снижению ее себестоимости.

Результаты диссертационной работы используются на АК "Туламашзавод" в серийном производства ЭП для вновь проектируемых ПШМ и других пило» .изделий.

Положения и гглгод:.:, и?ле •пшге я дпссгргацнн, широко отражены б

у^Онч.х '"ро; ртчг;.-. г,т. и Л'/гн1 методично п\ мпг^рнплач я

используются в учебном процессе на кафедре "Робототехника и автоматизация производства".

Апробация работы н публикации.

Результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции "Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств" (Москва-Владимир, 1993 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Диагностика, информатика и метрология - 94" (г. ■ Санкт-Петербург), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета.

Диссертационная работа докладывалась на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" Тульского государственного университета в 1996 и 1997 гг. '

По теме диссертации опубликовано 5 работ, в числе которых 2 научные статьи в центральной печати, 1 научная статья в сборнике научных трудов Тульского государственного университета, 2 депонированные рукописи в ВИНИТИ, г. Москва.

Структура и объем работы. Рабата состоит из введения, шести глав, основных результатов и . выводов, изложенных на 154 страницах машинописного текста, списка литературы из 81 наименования и 5 приложений в объеме 67 страниц. Работа содержит 36 рисунков и 5 таблиц. Общий объем работы 221 страница.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, изложена её структура и кратко раскрыто содержание глав диссертации.

В первом разделе сформулированы общие требования к автоматизированным испытательны устройствам ЭП ПШМ (приведена общая классификация ЭП, используемых в составе ПШМ, указаны основные "требования к ЭП ПШМ, основные технические параметры, некоторых из выпускаемых ЭП, и перечислены виды (вместе с программами) испытаний ЭП ПШМ). Проведен анализ современной ситуации в области испытаний ЭП ПШМ, показано многообразие технических средств, используемых при испытаниях, определена тенденция комплексной автоматизации процесса испытаний и указаны основные задачи, решаемые в диссертационной работе.

Автоматизированные испытательные устройства (испытательные стенды) должны быть расчитаны на работу с широким спектром ЭП, объединенных по признаку: нагрузка - ПШМ; но имеющих различные технические характеристики и параметры, а также позволять реалнзовывать необходимые испытательные методики.и-программы. .

Автоматизнрокшмые ЭП ПШМио.сиеод-Зурегулирования частоты вращения и, соответсивенно, по конструкции, ,могут- быть: классифицированы на яри оспошше группы:

1. Асинхронные электроприводы с сухими фрикционными электромагнитными муфтами и тормозами.

2.Асинхронные электроприводы с индукционными электромагнитными муфтами и фрикционными электромагнитными тормозами.

3.Электроприводы переменного тока с регулированием частоты вращения и торможением непосредственно электродвигателем.

Каждая из указанных групп электроприводов в зависимости от функционального назначения также может быть подразделена на несколько подгрупп, характеризующиеся объемом выполняемых функций.

В »таблице 1 приведены основные технические параметры некоторых га выпускаемых ЭП.

Таблица!.

Наименование пагл метра Ткп электропривода

УаНсйор Т?!>У О'Ио-Е1ск1гошс-5!ор ТЕ8511в ЭКА- шм 1.1ГП1- ЯЮр »С гасчЫог

Номию мощность »,17; <1,5-3; ОЛ; 0,74 0,37; 0*5; 0,75 0,5,0 0^5; 0,75 0,25; 0,40; 0,53 0,60

Минимальная частота 1403 2,«9 25°0 1420 -

Максимальная чзггота 2?к> 60СЭ

Дизпатоя регулкрезшшя 46:1 55:1 .'0:1 СЭ:1 53:1 -

Номинальный мемокг Им - - 1.75 1.8 - 13

Кратность максимального момента 3.0 .1.2 3.2 3.2 3.0 • -

Точность агппглтячсскопз естачева, Ф1.1. ±3 ±3 - ±1 и -

Лрсия г::пго-:">, с V 0.45 Е.5 0,76

Г!г*--чя аЕтоматичссгого оепшои, с 0,610,3- 0,610,3 «,619,3 0,610,3 0,6ИМ

УсгагЮЕлениая !ар-".6отка па ешэд. ч Г9 75 сл '... 150 13»

Основными требования«!», предашялемнма к ЭП ГГШМ, являются: регулирсваггиз частоты Ерглцеиля г. заданны* диапазонах; фщхкрогзнноз время разгона до максимальной скорости и торможения до остгнога (до минимальной с.нзроста); фикскрогашме число ступне¡5 регулиропаптш часюты сращен*!«; программирование строчки; автос-стмоз с- нглой з ззцеямеи пологхеяжг;

автоматический подъем лапки; автоматическое закрепление начала и конца % автоматическое освобождение нити; требования по питанию ЭП; требования по безопасности; требования по средней наработке на отказ, времени восстановления, сроку службы и т. д.

Кроме основных требований" существует множество дополнительных, конкретизирующих большинство из вышеназванных требований. Все они прямо или косвенно, в конечном счете, определяют содержание испытаний, т. е. виды, методик)' и применяемые технические средства для испытаний ЭП ПЩМ.

Основными видами испытаний ЭП ПЩМ являются приемо-сдаточные, периодические и типовые испытание.

Для производственных испытаний ЭП в основном используются специальные стенды - устройства, облегчающие проведение процесса испытаний и позволяющие осуществлять различные проверки на одном рабочем месте. В общем случае стенд должен включать в себя: •имитатор нагрузки;

•устройство проверки работы системы управления; •устройство длч проведения климатических испытаний; •устройство для проведения виброиспытаний;

•устройство регистрации контролируемых параметров (устройство принятия решение о годности ЭП).

Анализ технических устройств, применяемых в процессе испытаний ЭП ПШМ (и которые могут входить в состав стенда), показывает, что на сегодняшний день говорить о решённосш задач создания автоматизированных устройств для испытаний ЭП ПШМ и комплексной автоматизации испытании ЭП ПШМ по различным причинам еще рано, хотя имеются первые шаги в этой области.

"Для выработки общего подхода ПРИ решении проблемц автоматизации испытаний Эр ПЩМ необходимо решить следующие основные задачи:

•автоматизацию получения точной информации о натурных условиях работы ЭП (исследование работы ПШМ как нагрузки ЭП, разработка теоретической базы, создание средств измерения нагрузки);

•автоматизацию адекватного воспроизведения этих условий при испытаниях (создание совершенных имитаторов нагрузки);

«автоматизацию полутени»! (соррскгной информации о ходе испытаний и контролируемых параметрах (создание единого автоматизированного комплекса для проведения ионьпавдй под нагрузкой, а также для контроля устройств автоматтпеи ЭП). ■ По ртрром разделе на основе предложенной методики изложены основные принципы построения обобщенных кинематической и математической моделей ПШМ ¡¡ак нагрузки ЭИ, построена обобщенная математическая модуль ПШМ, позволяющая по выработанной методике -моделирования определить сид, характер и оценочный диапазон изминеиш; нагрузки.

Промышленные швейные машины в качестве нагрузки электропривода представляют собой довольно сложный и специфичный класс объектов.

Во-первых, это это высокоскоростные объекты. Частота вращения главного вала ПШМ может достигать 5000+6000 об/мин.

Во-вторых, это объегсгн с высокой точностью позиционирования (до 4+6° для иглы в верхнем положении).

В-третытх, в объектах данного класса представлены все виды нагрузок. Составляющими момента сопротивления являются:

«момент сил трения (сухое и вязкое трение);

•инерционная составляющая;

•момент сил, возникающих при работе дополнительных устройств (в частности при работе iv.'j; анизма обрезки нити и т.п.) и при прокалывашш материала.

Кроме .того, некоторые составляющие могут иметь переменную величину в зависимости . от углового положения вала, что объясняется наличием кривошипо-шатунных(-ползунных) механизмов.

1 Вместе с тем, в открытой печати отсутствует полная и исчерпывающая информация о функционировании ПШМ как устройства, нагружающего вал электропривода. Такая информация является исходной при разработке элсетроприпода, а также при имитировании ПШМ при его испытаниях. Процесс получения информации о характере нагрузки при различных режимах работы ПШМ методом измерения также наталкивается на ту же проблему отсутствия первоначальной информации, так как датчик должен быть рассчитан на действующую нагрузку (характер н величину), иначе возникает ¡¡опрос адекватности снимаемой информации реальным значениям.

Выходом является теоретическое исследование поведения ПШМ как нагрузки ЭП. С целью получения оценочной информации о виде и характере нагрузки, её величине, о требованиях, которые предъявляет ПШМ к электроприводу и т.п. предлагается использовать математическую модель ПШМ, учитывающую общие принщгпы работы объектов данного класса.

Рассмотрим обебщешгую кинематическую модель ПШМ (рнс.1). Данная схема отра5;;ает общее устройство ПШМ для выполнения однотипных, дпуньточных, з:ягзпгсабрззных строчек, ПШМ для пришивания фурппгуры, изготовления петель, а также ПШМ' других различных классов, которые » общем случае можно представить п г>иде системы калов, грузов и связывающих их крипошипо-тэту!шыг(-ползуиных) механизмов и передаточч;«:.-: соотношений. *

Предлагается искать момент сопротивления вращению вала ЭИ в виде суммы следующих составляющих:

?Дн- ГД!«и-»Дтр.с.^тр.гмЛ*.п + ГЛ/юаустр., (1)

г.":з М:«ч - .»iHi'Miw:-*«')! 'frr'îCHT, •-•г)>..,„;!ющ|ш при >гкореийи прошения гла---; б.ул ПШМ я ■ яри измен:-»'!!! vii--"'ir.a ичермии

Насхсме обозначены; ЭП - электропривод; М, - ¡-ий крнвоишга-итуниый (-ползунный) механизм; т, -уая масса; - п-ос передаточное соотношение.

1-главны!) вал;

2-вал с вертнкал&ной осью вращения; .

3-распрелслительныП вал;

4-мсханизм игловодетеля;

5-мехашам вертикального лерсмешенкх;

6-мехатпм гортоетальвого перемещения,

7-механгом продвижения материала;

8-вал челнока.

Рис. 1. Обобщенная кинематическая модель ПШМ

Мтр.с. - момент сухого трения в кинематических парах узлов Г1ШМ; Мтр.в. - момент вязкого трения в кинематических парах у^лов ПШМ; Мо - момент учитывающий работу сил тяжести;

Мдоп.устр. - момент, возникающий при работе дополнительных

устройств ПШМ или при прокалывании материала иглой. Динамический момеот Мин. получим, используя уравнение Лаграиж второго рода. Применительно к обобщенной схеме ПШМ (см. рис.1) онс примет вид:

• Мин J0p)<? +

а»(9)Ф*

(2)

где J(<p) - приведенный момент инерции ПШМ;

Ф,ф,Ф - угол поворота, скорость и ускорение главного вата ПШМ. Момент сухого трения получим г. виде суммы моментов, создаваемы; различными узлами ПШМ:

мтр.с.-2!мтр.с.)|$;спэ,м, <3) •

ь«

где Мтр.с.; - момент сухого трения, поддеистс>тоии(й на.i - tsü узел ПШ;Л; i-;,' - углозая скорою*, сзязг,:н%я с i- ыг.: узлом; « - число у-а:т;лиг.гмыхучлог. ПШ?>?..

ь;чв\r'i.t '.-.теши- г.т. -¿-.^М e-v.r-v

где ¡1, - коэффициент вязкого трения, относящийся к I - ому узлу ПШМ. Составляющую момента, связанную с работой сил тяжести, будем учитывать для деталей кривошипо-шатунных(- ползунных) механизмов по следующим зависимостям:

= (5)

ы н где

M№a = m.i¡yeli&tlS<f (6)

и •

M,jo - момент сопротивления, создающийся при работе j- ого звена i -ого кривошипо-шатунного(- нолзунного механизма); может иметь как положительный, так и отрицательный знак; niy - масса j - ого звена i - сто кривошипо-шатушюго(- ползунного

механизма); g - ускорение свободного падения;

Vcjj - линейная скорость центра масс j - ого звена i - ого кривошипо-шатунного(- ползунного) механизма; St - элементарное приращение времени;

оф - элементарное изменение угла поворота главного вала ПШМ; п - число учитываемых крнвошнпа-шатунных(- ползунных) механизмов; m - число звеньев i - ого кривопшпо-шатунного(- позунного) механизма (m-var).

И, наконец, момент, возникающий при работе дополнительных устройств ПШМ, учтем следующим образом:

t.'zmysip. = 2Г-Ддоаустр., ií|, (7)

ы

где . •

Мдоп.устр.1 - момент, создаваемый 1 - ьш дополнительным устройством;

h - число учитываемых дополнительных устройств;

Ki 1, если 1 - ое дополнительное устройство в данный

момент времени создает нагружающий момент; '<1 =0, если I - ое дополнительное устройство з данный

момент времени ке создает нагружающего момента. Таким образом, рассчитывая все чышспергчисленные составляющие и суммируя их, можно получить значение полного момента сопротивления, воздействующего на зал ЭТ1, в любой момент.времени;

Структурная схема программы, реализующей математическую модель ПШМ по сыражеИ'.ио (1) и позволяющей находить различные составляющие нагрузки, создаваемой ПШМ на нал ЭП в - соотгетствпи. с предложенной методикой моделирования, представлена на рис.2.

Исследования, проведенные с помощью данной программы Н с учетом того, что параметры модели ПШМ являются усредненными нч основе анализа различных конструкций ПШМ, показывают, что: .

омомент инерции имеет переменную величину- Среднее значение момента инерции составляет 3,46-10"4 гх-ы*. Разброс зца!(С(и;Г( для одной Г1ШМ составляет ± 4+5% от номинальной величины. В течение полного оборота производная момента инерции но углу меняет знак, что приводит к изменению знака динамического момента. Кроме joro, периодичность изменения указывает на возможность резонансных явлений 11 системе ЗП-ПШМ.

•суммарный момент нагрузки имеет амплитуду Е пределах единиц Нм (3-5) п носит переменный характер.

»все составляющие момента сопротивления имеют переменную величину. Наиболее существенным образом меняется инерционная составляющая, которая имеет переменный знак. Амплитуда инерционной составляющей может достигать значений близких к 2 Нм при скоростях вращения до 628

рад/с. Наименее значительной является гравитационная составляющая. Ее величина лежит в пределах тысячных долей Нм. Величина составляющей момента сопротивления, обусловленная трением, варьируется в пределах 0,4+0,7 Нм при диапазоне изменения скорости от 0 до 628 рад/с и имеет разброс значений в зависимости от углового положения вала в пределах 0,1 Нм.

•частота изменения момента »?агрузки кратна частоте вращения главного вала ПЩМ. Частота изменения 1равитационной составляющей и составляющей, обусловленной трением, составляет 1+2 кГц. Частота изменения инерциойной составляющей лежит в пределах 600 Гц. -Необходимо отметить, что пользоваться математической моделью всякий раз при необходимости определить момент нагрузки, создаваемый ПШМ на вал Т)П, нецелесообразно. Логически оправданней производить измерения на реальном объекте. В этой связи возникает задача обеспечения достоверности и точности получаемых путем измерения данных.

П третьем разделе на основе предложенной методики построены математические модели системы ЭП - ДМ - ГГШМ для. различных схем ДМ с целыо выявления основных факторов, влияющих на точность измерения момента нагрузки, создаваемого ПШМ на валу ЭП и позволяющая разработать устройства для измерения этого момента. Произведен анализ датчнкоз, выпускаемых серийно, на предмет поиска удовлетворяющего необходимым требованиям и разработаны оптический и 2 варианта тензометрических датчиков измерения момента нагрузки и проведен их сравнительный анализ.

Исследования, проведенные во второй главе, позволили определить вид и характер нагрузки, которую создает ПШМ на вал ЭП. Сформулированные особенности этой нагрузки будут определяющими при выборе средств измерения, которые должны соответствовать следующим требованиям: «максимальный предел измерения должен составлять 3+5 Нм; «измерительный датчик дол:кеи быть рассчитан на циклический харакгер . ншрузки;

^датчик должен обеспечивать измерение динамической нагрузки частотой до 1 кГц;

^конструктивные параметры датчика должны нс;<лючить резонансные явления в системе ЭП - Датчик - ГПЦМ;

^датчик должен позвод^ь производите измеренил нагрузки, создаваемой ПШМ различных классов.

Анализ датчиков крутящего момента, выпускаемых серийно, показывает, что использование их в данном случае затруднительно, из-за 4 недостатка необходимой информации о конструктивных параметрах и методах проектирования и тарировки гакях датчнкоз.

¡3 связи с указанными особенностями для измерения динамического момента на валу ЭП предлагаются 3 варианта датчика. На рис.3 представлена схема

первого (оптического по принципу действия) (¡;;рнати дэтчика динамического момента (ДЦМ).

Принцип действия данного ДЦМ основан га измерении деформации у..,,/гого элемента (УЭ) под действием изменения момента нагрузки, обусловленного перераспределением масс движущихся частей ПШМ или вариацией их скоростных характеристик. Измерение деформации производится при помощи кодового оптически прозрачного диска (ОПД), Угол поворота ОПД равен углу закручивания УЭ и, в конечном счете, пропорционален динамическому моменту нагрузим.

** й ** СИ

Рис.3.

I - УЭ, г - вал ЭП;

3 - ОПД;

4 -олтопара;

СЦ - счетчик импульсов; •

Мдв - момент,

првложсниын

со стороны ЭП;

Ми - моиент, создаваемый

нагрузкой.

Функционирование системы ЭП-ДДМ-ПШМ с таким датчиком описывается следующими уравнениями: (

Мдв-Мупр^,^,^, (И 411

Мупр -Мс =

н (Л а»

(10) (Н)

где

Мдв - момент, приложенный со стороны ЭП; Мупр - к(ф|-ф2)~ кДф - упруги!! момент пружины; Мс - момент сопротивления ПИ1М,.' .1| - момент инерции ротора электродвигателя; - усредненный суммарный момент инерции подвижных частей ПШМ; ' р! - коэффициент вязкого трения для ротора электродвигателя; Рг - коэффициент вязкого тр&пиа для подвижных частей.ПШМ; Ф1 - угол поворота ротора электродвигателя под действием Мдв; <р2 - угол поворота главно! о вала ПШМ иод действием Мупр. По данным уравнениям щюведено построение логарифмических амплитудных и фазовых частотных характеристик (ЛАФЧХ) системы ЭП-ДДМ-

Ш1М с целью определения ей полосы пропускания и выделения факторов, влияющих на точность измерения. Конструктивные параметры датчика оптимизированы таким образом, чтобы полоса пропускания системы соответствовала заданным требованиям, а также чтобы исключить резонансные явления в системе. Для снятия информации в статическом режиме датчик дополняется специальным устройством, позволяющим по известным значениям тока статора ЭП определить момент нагрузки. ■ '

Принцип действия второго варианта ДДМ (тензодатчика), как и в случае с оптическим датчиком, основан на измерении деформации УЭ. Тензорезисторы, наклеенные на УЭ, при помощи специальной электрической . схемы преобразуют деформацию в пропорциональный ей электрический сигнал, который, будучи усиленным, может 'Сыть измерен каким-либо устройством. Датчик имеет „-онструкцию, представленную на рис.4.

Консоль А выполнена из материала с пониженной жесткостью и является базой для наклеивания тензорезисторов. Данную систему можно описать следующим уравнением:

Мда = JCTq^+ + к<?,(12)

где Мдв - момент, приложенный со стороны электродвигателя; JCT - момент инерции статора электродвигателя; q*■ коэффициент пересчета углов (если L*b, то угол, на который поворачивается статор

электродвигателя и угол изгиба консоли А будут различны: Фи где q=b/L); - ф - угол изгиба консоли А; h - коэффициент вязкого трения в консоли А; к - жесткость консоли А.

Далее по методике, описанной выше, оптимизируются конструктивные параметры датчика.

После сравнительного анализа двух полученных конструкций предложен третий вариант датчика, который по конструкции соответствует первому варианту, а по принципу действия является тензомегрнческим датчиком. Кроме того, для исключения влияния момента инерции на точность измерения гтрн работе с рШМ различных классов датчик оснащен самотарирующим устройством.

Й четвертом разделе ■ на базе предложенной методики построена магечатичесйп модель "ЗП - ШНМ", с помощью которой можно исследовать динамику работы Г'П с нагрузкой'(сгсте^'м управления ЗП, электродвигателя в состой :П|).

Г»«. 4.

1 - »ттрфдогагеи; i - т*шораиа.

На основании исследований, проведенных при помощи данной математической модели по иредожснной методике моделирования, сформированы требования технического задания (совместно с результатами . исследований по второму разделу) на разработку нагрузочного устройства -имитатора ПИ1М, входящего-в состав автоматизированного испытательного стенда.

Показана, возможность использования построенной математической модели для выделения характерных режимов функционирования системы "ЭП-ПН1М" с целью дальнейшего использования полученной информации при выработке . методики автоматизированных испытаний ЭП. ,

Приведены примеры использования математической модели при автоматизированном проекгнрованли ЭП, а также для автоматизированной диагностики неисправностей ЭП при проведении испытаний.

Математическая модель ЭП с нагрузкой ~ построена в соответствия со . струюурной схемой, представленной на рис.5 и включает в свой состав:

•математическую модель системы управления электроприводом;

•математическую модель асинхронного электродвигателя типа 4А, АИХ или ДМЧД; *

•математическую модель нагрузки - промышленной швейной машины.

Система управления реализует 2-х канальное управление асинхронным двигателем (АД) по напряжению и частоте. В систему управления входят задатчик скорости, реализующий закон управления по скорости нагрузки, генератор ШИМ, задающий генератор, логический блок, осуществляющий -коммутацию обмоток асинхронного двигателя, усилитель мощности, датчик скорости в контуре обратной связи и два корректирующих фильтра л канале частоты и канале напряжения, обеспечивающие качество регулирования в системе.

Математической моделью асинхронного двигателя " является система дифференциальных уравнений, связывающих функцию потокосцепления с' параметрами J2-x фазной схемы замещения трехфазного асинхронного двигателя: активные сопротивления статора, ротора, индуктивности статора, ротора и их взанмоиндукгивность.

Нагрузка (ПШМ) представлена б виде математической модели, позволяющей по известным входным параметрам, таким как начальный угол поворота тлалиого вала швейной машины, ускорение, скорость главного r.a/щ швейкой машины, а также массо-икгрцьониым параметрам сё узлоа рассчитывать составляющие момента сопротивления б любой момент времени (см. раздел 2).

Программа моделирование системы "Электропривод - Промышленная шкайная машина" реппизопана на языке Turbo Pascal 7.0 »: требует для работы ЮПтл -ШМ 'FC 4Г.6 с сопроцессоров. Интегрирование дифференциальных завис;« яастей «произведи ¡с." методом <*|И&пги;юго ннгетркроаання (метод

Рис. 5. Электропривод с нагрузкой. На рисунке обозначены: СУ - система управления; ПШМ -прош пиленная швейная мэцпша; 1лв - момент инерции двигателя; Ш - вектор напряжения; <рдв -угол поворота вала электропривода; од» - угловая скорость вала электропривода; мэл - частота гращени» электрического поля; Рп - число пар полюсов электродвигателя; М - момеит в системе. Цифрой I обозначена электромагнитная система электродвигателя; 2 - нелинейность типа "вязкое трение".

По построенной математической модели проведены исследования влияния момента нагрузки, создаваемого ПШМ, "па качество регулирования в системе «ЭП-ПЦ1М» с целыо уточнения требований технического задания на создание нагрузочного устройства - имитатора ПШМ для автоматизированного испытательного стенда. 4 ■

В результате чередований установлено, что переменность момента нагрузки в пределах одного оборота главного вала ПШМ" существенно сказывается на качестве регулирования в системе «ЭП-ПШМ». Сравнение нагрузочного устройства, которое создает только постоянный момент, с реальной ПШМ, которое было проведено с помощью цифрового моделирования, показывает принципиальное различие в характере регулирования скорости в системе. В качестве нагрузочного устройства с постоянным моментах: была использована модель испытательного стенда, описанного в первом разделе диссертации.

Было также оценено влияние различных переменных составляющих момента нагрузки, создаваемого ПШМ, на общую картину регулирования скорости. Выявлено, что частота высокочастотной составляющей переменного момента нагрузки (эта составляющая обусловлена изменением гравитационной и фрикционной составляющих момента сопротивления) не оказывает существенного влияния на процесс регулирования. Имеет значение только амплитуда этой высокочастотной составляющей, вариация которой составляет около 5% от максимального значения момента сопротивления.

Для низкочастотной составляющей момента сопротивления, обусловленной изменением момента инерции ПШМ за один оборот главного вала, было установлено, что роет частоты этой составляющей (При превышении порога 7хГ Гц, где Г - частота вращения главного рвлз) улучпзязт качество регулирования при Отработке мйкшмальи&й скорости дня тшШссягигерцэ^ых ЭД (рис. 6).

Для четырехсотгерцовых ЭД такого улучшения в данном диапазона не 'поисходпт. На основании сказанного видно, что для создания нагрузочного устройства имеет значение диапазон (0-ь7)хГ, где Г - частота вращения главного вала ПШМ (Гц). Существенное влияние оказывает также амплитуда низкочастотной составляющей изменения момента. Кроме того, при низких скоростях вращения (доводочных скоростях) следует учитывать частоты в полосе 0^-50 Гц (большие значения невозможно получить исходя из конструкции ПЩМ и её максимальной доводочной скорости, которая не превышает 20 рад/с), влияющие на точность останова ПШМ (рис 7).

Тамш образом, анализируя выделенные характерные полосы частот и, принимая во внимание влияшю амплитуды момента нагрузки на качество регулирования со всех выделенных диапазонах, целесообразно для воспроизведения нагрузки, создаваемой ПШМ, разработать нагрузочное устройство, способное создавать переменный (по амплитуде и знаку) нагрузочный момент амплитудой до 3+5 Им и частотой до 300 Гц.

Для определения параметров и построения методик!; испытаний серийно выпускаемого ЭП производится моделирорзние ддя различнцх классов ПШМ с целью определения ПЩМ, вызывающей наихудшее качество регулирования в системе. Параметры нагрузки такой ПШМ будут определяющими ддя формирования закона управления нагрузочным устройством. Кроме того, по виду переходного процесса в системе необходимо произвести расчет параметров её эквивалентного ззена и определить собственную частоту системы. Сопоставляя эту частоту с частотой изменений момента, необходимо проверить наличие скоростных режимор, ¡ииысаклцих резонанс, и включить их в программу Автоматизированных испытании ЭП.

Для автоматизированного проектирования н диагностики ЭП в процессе их автоматизированных испытаний могут быть использованы график переходного процесса в системе либо механические -характеристики ЭП, полученные при цифровом моделировании системы ЭП-ПШМ. Добрсаясь соответствия вида графиков реальной дефектной системы с графиками, построешиши но математической модели, можно определить числовые параметры систем!!, вызывающие такое дефектное функционирование, а затем конструктивные г; эксплуатационные параметры испытуемого ЭП, приводящие к его неправильной работе.

Псис.Нч ♦ 10,0

♦ 8,0

♦ 6,0

+ 4,0

+ 2,0

0

- 2,0-

- 4,0-

- 6.0-- 8,0 -10,0

а.з 1.а

1.9 а.О 2.3 3.0 3,3 4.0 4.

всеяя,с

3.00024

Угол, гоад 339.961

Скор,рад/с 0.В01

Поп, Н(9 0.341

Лрвгр, рая/о 0.000

Кратность 2.0Е+00

и,|>ао/е <Р»зган) 90

и.рао/с <торяож) 40

ГГз гТо г.з з.о зТз 4Т0 47а м.с

Рис. 5. Процесс регулирован)« скорости в системе с гоггадеогтитерновым ЭД при разданных частотах изменена« динамического момента.

3,0 Точность останова,

град.

2,0

»,0/

Частота момента. Гц

36 72 108 144 180 216 252 288 324 360

Рис.7. Влияние частоты момента нагрузки ка точность останова О Л

Пятый раздел посвящен разработке структуры автоматизированного испытательного нагрузочного стенда (АИНС), описанию его конструкторской и электронно-аппаратной реализации, а также программному обеспечению и методике автоматизированных испытаний ЭП ПШМ.

Испытательный стенд предназначен для проведения приемо-сдаточных, периодических и типовых автоматизированных испытаний электроприводов промышленных швейных машин под нагрузкой.

Общая структурная схема испытательного стенда изображена на рис. 8.

Тензоплатформа

Тестирующим ЭП

= Î

ддм

"1=1 УСопр. j

Нагрузочный ЭП

"» Тестируемый '____ЭП . .

У стр. силовой автоматики

Защитное устройство

3

Е

ектр. аппаратура

мнкроЭСМ

Рис.8. Структурная схема испытательного стенда.

На схеме приняты следующие обозначения: Тестирующий ЭП - тестирующий электропривод. Предназначен для приведения в движение главного вала ЩЦМ в процессе измерения нагрузки, создаваемой ПШМ на вал ЭП.

тензометрическая платформа. Предназначена для получения информации о суммарном моменте нагрузки на валу тестирующего ЭП.

датчик динамического момента. Предназначен для получения информации о динамическом моменте нагрузки на валу тестирующего ЭП.

устройство сопряжения. Предназначено для механической стыковки валог. ЭП к ГШ1№ или ЭП и ЭП. нагрузочный эллароприьол. Прслаазна«?« для воспроизведено:: liai рузкг., созда^и'смой ГН11М на вал ЭП ь процессе работы

(HMHTTTOj- и"УрУ'У:а'}.

Тензоплатформа -ДДМ -Усопр. -

Нагрузочный ЭП -

Тестируемый ЗП - тестируемый ЭП. Электропривод, являющийся объектом испытаний.

устройства-силовой автоматики. Предназначены для коммутации электрических цепей аппаратуры управления электроприводами.

экранирующее устройство. Предназначено для экранирования устройств силовой автоматики во избежание влияния на работу электронной апаратуры.

электронная аппаратура. Предназначена для сопряжения управл v-i щей ЭВМ с устройствами стенда, преобразования информации, снимаемой с датчиков, входящих в состав стенда, подготовки ко взоду в ЭВМ и т.д. управляющая ЭВМ. Предназначена для управления устройствами испытательного стенда, реализации методики испытания, обработки полученной информации, выдачи заключения о годности изделия и т. д. Датчик динамического момента и тегаоплатформа, входящие в состав стенда и предназначенные для получения экспериментальных данных о нагрузке, которую дол^-ец создавать имитатор ПШМ (нагрузочный привод), подробно оннспны в третьем разделе настоящей работы.

Нагрузочный привод выполнен на базе электродвигателя постоянного тока (марка 2ДВУ Ц5 S) с питанием от источника тока, что позволяет получать нагрузочный момент независимо от скорости сращения. >

В качестве тестирующего электропривода, необходимого для приведения в действие ГП11М при замере нагрузочного момента, применен электропривод марки ЭА-ГЩ1М мощностью 750 Вт, используемый в промышленности как электропривод для ПШМ различных классов.

Программное обеспечение включает в себя подпрограммы управления электроприводами стенда, испытуемым привбдом, подпрограмму управления нзмер!ггелыюй подсистемой стенда, подпрограмму подготовки данных для испытаний, а также программу моделирования работы системы ЗП-ПШМ. Методика испытаний ЭП ПШМ включает в себя:

1 .Методику выбора ПШМ - представительницы набора ПШМ, предполагаемых в дальнейшем использовать с данным типом привода (моделирование работы ЭП с различными ПШМ, определение критических режимов работы ЗП).

2.Методику исследования работы ■ системы ЭП-ПШМ с нелыо анализ-» влияния нагрузки на работу ЗП (исследования просолятся при необходимоеш уточнения и корректировки мегоди'с воспроизведения нагрузки и испытаний ЭП}.

Устр. Силовой автоматики -

Защитное устройство -

Электр, аппаратура -

МнксоЭВМ •

\

2'Л

3 .Методику измерения момента нагрузки, выбранной 1ППМ, создаваемого н£

в. в различных режимах работы ЭП.

4.Методику подготовки данных для испытаний (а также методику формализации нагрузочных данных).

5.Методику воспроизведения нагрузки ПШМ на валу ЭП (собственно испытания ЭП ПШМ) в соответствии с программой испытаний, определяемой ТУ на данный тин электропривода.

В тестом разделе . приведены некоторые результаты практических исследований (измерение нагрузочного ыоме!Гта, создаваемого ПШМ, построение механических характеристик ЭП), направленных на подтверждение достоверности построенных в данной работе математических моделей, полученных с их помощью результатов, а также правильности технически?; разработок, проведенных в рамках данной работы. '

Основные результзтм и выводы

В днсс,л;гационно1! работе решена научно-техническая задача, имеющая сажное народнохозяйственное значение, заключающаяся в разработке способа и средсге автоматизации процесса испытании эЛсктропрщюдоз промышленных швейных машин под нагрузкой, способствующих: повышению эффективности и качества испытаний, снижению себестоимости электроприводов. .

В рамках проведенных исследований получены следующие основные результата:

1 .Предложен способ построения :: построена обобщенная кинематическая модель ПШМ. На базе преднаженноЦ кинематической модели ПШМ разработана методика определения нагрузки, создаваемой ПШМ на нал ЭП, позволяющая выделить основные составляющие момента сопротивления прощению вала ЭП, оцените характер нагрузки и диапазон ее изменения (амплитуда н частота).

- 2.На основе методики получения нагрузки; создаваемой ПШМ, определены » сс.а'исимоста для расчета «отепляющих' момента сопротивления и построена обобщенная математическая модель промышленной швейной машины. 'Разработаны алгоритм . н программа цифрового моделирования функционирования ПШМ как нагрузки ЭП. >

3. Для анализа.факторов, сказывающихся на точности измерения момента иагруз5;и зхенерниишшьным путем, а соответствии с предложенными схемами . шмеренйл аоыента и методиками - Ностроегшя, получены математические подели системы ЗЦ-Дпта::: :кшзнтг) - 1Ш114. Установлено, что главными факторами, влияющими из точность измерения, яишогся ¡хестаость упругого алсмсэтг» и ;-о?.:шт инерции 1ЦШ4-

4.В соаН-егствин с полученным при помощи обобщенной ьшематнческоЦ

г.одаил Щ1М овздочкмм диапазонам яшуузкн, а ташке с учетом выделенных фа:лороБ, с/! которых зависит точность измерения, рассмотрены серийно

выпускаемые датчики крутящего момента и спроектированы оптический и два тензометрических датчика собственной конструкции.

5.С целью уточнения требований технического задания на разработку автоматизированного испытательного нагрузочного стенда предложена методика построения и получена математическая модель системы ЭГ1-ПШМ, позволяющая исследовать динамику еС работы. Цифровым моделированием системы ЭП-ПШМ на основе выработанной методики моделирования произведена оценка влияния различных видов нагрузок, а также выделен частотный диапазон, оказывающий наихудшее влияние на качество регулирования в системе.

6.Предложена методика автоматизированных испытаний ЭП с 1ПИМ различных классов, включающая способ и средства этих испытаний. Показана возможность использования ц (фровой моделирования системы ЭП-ПШМ в процессах автоматизированного проектирования и испытаний ЭП ГШ!М.

7. Разработана конструкторская, электронно-аппаратная и программная реализация автоматизированного испытательного нагрузочного стенда для приемо-сдаточных, периодических и типовых испытаний ЭП ПШМ, в состав которого входят:

И система экспериментального определения нагрузочного момента, создаваемого ПШМ;

Я система воспроизведения нагрузочного момента, создаваемого ПШМ;

В автоматизированная система контроля за параметрами ЭП, проверяемыми в ходе испытаний.

8.На . основе проведенных экспериментов подтверждены достоверность построенных математических моделей и правильность технических разрботок, проведенных в данной работе.

Публикации по теме диссертации

1.Белоусов 13.Ю. Необходимость и возможности автоматизации испытаний электроприводов промышленных швейных машин // Тул.гос.ун-т.- Тула, 1996. -8 с. - Деп. в ВИНИТИ 05.02.97., № 336-В97.

2.Белоусов ВЛО. Теоретические основы создания обобщенной математической модели швейной машины // Тул.гос.ун-т,- Тула, 1996. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ 21.04.97., № 1316-В96.

3.Белоусов В.Ю. Задача построения математической модели промышленной швейной машины // Автоматизация и современные технологии. 1 1997. - № 7. -с. 9-11.

4.Белоусов В.Ю. Измерение динамического момента нагрузки, создаваемого швейной машиной на валу электропривода // Системы автоматического управления и их элементы. - Тул.гос.ун-т.- Тула, 1996, - с. 64 - 74.

5.Белоусоз В.Ю. Особенности нзмер'лжл динамического момента на валу элсктроприеода громышлечпыч швейных машин // Лвючаппаипя и С0вр.'-.!':НН1..0 !•'?<»-О.'С: НИ. - ¡'- -7 - 9. - с У - 10