автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Операционные автоматы технологических комплексов пространственных перемещений с электроприводом прямого действия

$ /? ol S? -

\

ЬДК России

Û'A Ûû _ д . 5 # fj/jß

■ " '

' " - - .__-T^IV !

Томский политехнический университет

УДК 62-83: 007.52

на правах рукописи

ОСИПОВ Юрий Мирзоевич

VI

ОПЕРАЦИОННЫЕ АВТОМАТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

специальность: 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (в промышленности )

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ, академик АИН РФ, д-р техн. наук, профессор Обру сник В.П.

РЕФЕРАТ Всего 275 с., 49 рис., 5 табл.,139 источников, 4 прил.

ОПЕРАЦИОННЫЙ АВТОМАТ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОД ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ(ЭППД), НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ РЕДУЦИРОВАНИЕ, УРАВНОВЕШИВАНИЕ ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА, ДОПУСТИМАЯ ОТНОСИТЕЛЬНАЯ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТЬ, СИММЕТРИЧНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ, ЗНАЧИМОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

Объектом исследования являются высокопроизводительные и высокоточные операционные автоматы нового типа для технологических комплексов пространственного перемещения (ТКПП), эксплуатируемые в условиях возмущений: качек, вибраций, ударов.

Целью диссертационной работы является создание научно-методических основ проектирования, изготовления и эксплуатации операционных автоматов на основе ЭППД, совершающих в широком диапазоне скоростей точные и сложные пространственные манипуляции инструментом или изделием в технологических комплексах пространственного перемещения различного назначения.

Синтезированы структуры и математические модели уравновешенных однокоординатных и многокоординатных операционных автоматов с ЭППД, исследованы их допустимая неуравновешенность, запасы устойчивости, точностные характеристики и быстродействие, взаимное влияние ЭППД координат, построена их классификация. Обоснована концепция симметричной технологической среды, позволяющая создать двурукий операционный автомат для ГПМ с производительностью в два раза более, чем у трациционных комплексов. Технологическое прогнозирование на основе показателя «значимость технического решения» позволило создать схемоконструкторские решения с высоким качеством.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы........................................8

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ

АВТОМАТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ................................28

1.1. Операционные автоматы ТКПП..............................................28

1.1.1. Характеристика операционных автоматов как исполнительных объектов автоматизированной системы........28

1.1.2. Проблемы создания операционных автоматов ТКПП.............33

1.1.3. Концепции построения операционных автоматов

ТКПП нового типа..........................................................................36

1.2. Технологическое прогнозирование операционных автоматов ТКПП нового типа на основе показателя «значимость технического решения»....................................38

1.2.1. Особенности и методы технологического прогнозирования............................................................................38

1.2.2. Метод определения конкурентоспособности

операционного автомата на основе показателя «значимость технического решения».......................................42

1.3. ВЫВОДЫ.....................................................................................49

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ

ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ОПЕРАЦИОННЫМИ АВТОМАТАМИ С ЭППД............51

2.1. Картографическая система «Клавесин».............................51

2.1.1. Задачи, решаемые картографической системой..................52

2.1.2. Состав и общая характеристика системы............................52

2.1.3. Автоматизированная система управления технологическим процессом изготовления

оригинала морской навигационной карты............................65

2.2. Стенд-тренажер бесплатформенной инерциальной навигационной системы «Опора».......................................77

2.2.1. Задачи, решаемые стендом-тренажером................................79

2.2.2. Состав и общая характеристика системы............................80

2.2.3. Блок-схема автоматизированной манипуляции платформой.................................................................................84

2.3. Лазерный комплекс «Кордамон-ЮМО».............................86

2.3.1. Задачи, решаемые лазерным комплексом...........................88

2.3.2. Состав и общая характеристика комплекса.......................89

2.3.3. Блок-схема автоматизированного управления технологическим процессом комплекса «Кордамон-ЮМО»...........93

2.4. Двурукий манипулятор «ЮМО-2-2.1».............................98

2.4.1. Задачи, решаемые двуруким манипулятором......................98

2.4.2. Состав и общая характеристика системы...........................99

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ОПЕРАЦИОННЫХ АВТОМАТОВ С ЭППД.........106

3.1. Критерии синтеза операционных автоматов с ЭППД......106

3.2. Синтез оптимальных характеристик и свойств ЭППД операционных автоматов.........................................................107

3.2.1. Конструкторская концепция ЭППД.........................................107

3.2.2. Критерии оптимального построения однокоординатных электромеханизмов с линейными и дуговыми ЭППД.........113

3.2.3. Синтез имитационной модели проводимости воздушного зазора гребенчатой магнитной системы...............................122

3.2.4. Принцип управления ЭППД на основе электрического дробления шага............................................130

3.3. Структура операционного автомата с ЭППД.................133

3.3.1. Уравнение движения подвижных элементов операционного автомата..........................................................133

3.3.2. Исследование и определение величин допустимой неуравновешенности..................................................................142

3.3.3. Структурная схема уравновешенного

операционного автомата..........................................................147

3.4. Многокоординатные операционные автоматы...............158

3.4.1. Задачи проектирования многокоординатных операционных автоматов........................................................158

3.4.2. Взаимное влияние координат на точностные характеритики..........................................................................159

3.4.3. Классификация операционных автоматов...........................165

ГЛАВА 4. УСТОЙЧИВОСТЬ И КАЧЕСТВО УРАВНОВЕШЕННЫХ

ОПЕРАЦИОННЫХ АВТОМАТОВ...........................................173

4Л. Устойчивость уравновешенного операционного

автомата........................................................................................173

4.1.1. Устойчивость операционного автомата по Ляпунову..........174

4.1.2. Влияние уравновешивания подвижных частей

Э1И1Д на устойчивость операционного автомата.................176

4.2. Исследование влияния неуравновешенности подвижных частей на качество операционного автомата....................181

4.2.1. Интегральный критерий качества уравновешенного операционного автомата.............................................................181

4.2.2. Исследование влияния неуравновешенности подвижных частей на запасы устойчивости.................................................185

4.2.3. Исследование влияния неуравновешенности подвижных частей на точность перемещения и быстродействие рабочего органа.............................................191

4.3. Технологические способы повышения

качества операционных автоматов.....................................197

4.3.1. Способы контроля параметров неуравновешенности

и уравновешивания подвижной частей...............................197

4.3.2. Способ выставки электромагнитных систем гребенчатого типа......................................................................201

ГЛАВА 5. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

ОПЕРАЦИОННОГО АВТОМАТА..........................................206

5.1. Концепция организации технологической среды уравновешенных операционных автоматов.....................206

5.2. Структура «уравновешенный операционный

автомат - симметричная технологическая среда»............207

5.2Л. Концепция симметричности технологической среды.........207

5.2.2. Структура «уравновешенный операционный

автомат - симметричная технологическая среда»..................208

5.2.3. Управление технологическими операциям

в симметричной технологической среде...............................216

5.3. Имитационная модель технологической среды

по параметру «внешние механические возмущения»...221

5.4. ВЫВОДЫ....................................................................................223

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................225

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................230

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................245

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...................................................................253

ПРИЛОЖЕНИЕ 3...................................................................264

ПРИЛОЖЕНИЕ 4...................................................................266

ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы

Автоматизированное технологическое оборудование состоит, как правило, из управляющего и операционного автоматов. Научно-технический прогресс в вычислительной технике, теории управления позволяет создавать совершенные управляющие автоматы, где роль оператора в технологическом процессе исключена или практически мала. В то же время, операционные автоматы, необходимые для непосредственного осуществления технологического процесса с перемещением инструмента или изделия, традиционно консервативны, здесь наблюдается несоответствие технических решений возможностям управляющих автоматов.

Предметом диссертации являются вопросы теории и разработки, изготовления и эксплуатации высокопроизводительных и высокоточных операционных автоматов нового типа для технологических комплексов пространственного перемещения, эксплуатируемых в условиях возмущений: качек, вибраций, ударов. Операционные автоматы должны быть максимально адаптированы в рационально организованную технологическую среду, так как их рабочие органы совершают сложные пространственные манипуляции инструментом или изделием в нестационарной технологической среде. Указанное автоматизированное оборудование эксплуатируется: при длительных наклонах основания (до ± 60° ); качке ( до ± 45° с периодом 6 - 10 с), вибрациях (2 - 10g с амплитудой 1,0 - 0,2 мм), ударах (до 10g импульсом 1 -5 мкс). При этом точность отработки перемещений: линейных не хуже ± 0,05 мм, угловых не хуже ±30" - при скоростях отработки до 1 м/с. Кроме того, рыночные отношения, развивающиеся в экономике страны, определяют существенно новые тенденции в научно-технической деятельности и промышленном производстве - это создание конкурентоспособных техноло-

гий и оборудования, обеспечивающих выпуск качественной продукции при достижении минимальной ее стоимости.

Известные операционные автоматы технологических комплексов пространственного перемещения [1, 3, 4, 8, 25, 26, 35, 39, 90, 92, 95, 102, 115^-117, 120-г126, 128ч-132, 133-ь 135] не выполняют вышеизложенные требования. Если они выполняют требования по точности, то не отличаются высоким быстродействием, если выполняют требования по точности и быстродействию, то не работоспособны на подвижном основании, в условиях нестационарной технологической среды и т.д. И, наконец, практически все существующие технические решения этой наукоемкой проблемы, по крайней мере в отечественном производстве, не отвечают требованиям конкурентоспособности. Значит существующие технические решения и научные положения по этой проблеме не имеют перспектив для дальнейшего совершенствования, получения существенно более высоких результатов. В то же время, научно-технический прогресс, борьба фирм-разработчиков за конкурентоспособность собственной продукции последовательно повышают требования к технико-экономическим характеристикам оборудования и технологиям на основе создания новых устройств, способов и материалов.

Следовательно, объективно существует проблема создания операционных автоматов нового типа для технологических комплексов пространственного перемещения.

В картографических автоматизированных системах, предназначенных для измерения, съемки и сбора гидрографической информации (глубин, рельефа дна и береговой полосы, температуры воды, скорости и направления течений, приливов и т.п., привязанным к координатам Земли), ее обработке, документированию на различных носителях, выполняются следующие основные задачи в реальных условиях плавания:

1. Изготовление подлинника морской навигационной карты (МНК) на бумажном носителе.

2. Изготовление клише МНК на металлическом (пластмассовом) носителе методами гравирования (скрайбирования).

Для выполнения этих работ операционный автомат - координатограф картографической системы должен обладать высокой производительностью при высоком качестве картографирования - точностью и повторяемостью перемещений рабочих головок с отклонениеми не более ± 0,05 мм на поле 1200x1200 мм со скоростями перемещений до 1000мм/с.

В автоматизированном стенде-тренажере, предназначенном для тарировки и начальной выставки бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), накопления статистических данных о работе БИНС, чувствительных элементов в различных режимах, для автоматизированной разработки и испытаний алгоритмов, адаптивных фильтров управления БИНС, необходим операционный автомат - трехосный электромеханизм с тремя углами прокачки платформы в пределах ± 45° с ошибкой не более ±30" и скоростью отработки до 360° /с.

В лазерном автоматизированном комплексе, предназначенном для ре-монтно-восстановительных работ деталей бурового и нефтепромыслового оборудования, необходим операционный автомат - манипулятор-платформа с пространственной ориентацией рабочего стола относительно лазерного луча по 4 6 координатам: линейным - с отклонениями не более ± 0,05 мм в рабочем пространстве 700 х 700 х 700 мм со скоростями перемещений до 1000 мм/с, угловым - в пределах ±45° в вертикальных плоскостях и ±360° в горизонтальной плоскости с точностью с ошибкой не более ± 30" и скоростью отработки до 360°/с.

В гибких производственных модулях для сборки, металлообработки и других операций, необходимо повысить производительность операций

"загрузки - выгрузки" при одинаковых затратах на операционный автомат, не снижая его технических характеристик по точности и быстродействию, таким образом повысить производительность ГПМ в целом.

В диссертации, в своих работах [ 9, 10, 23, 30, 31, 37, 40, 42, 64, 66+68,72+75, 81,85, 93, 100,101,103+114] автор показал оригинальные пути решения этой комплексной проблемы.

Одним из перспективных путей совершенствования операционных автоматов специализированных систем, в которых рабочий орган максимально адаптирован в рационально организованную технологическую среду и совершает сложные пространственные манипуляции инструментом или изделием, является создание их на основе ЭППД [20, 21, 33, 51, 71, 75+77, 79, 82, 89, 118, 119, 127, 133, 136]. Он всегда привлекал внимание исследователей и разработчиков отсутствием промежуточных механических устройств и высокими техническими характеристиками, несмотря на существование ряда нерешенных научных и технических проблем, обусловленных определенным уровнем технологий, материалов и электронной техники. Начиная с 80-тых годов, в связи с появлением промышленных микропроцессоров, функциональных и силовых БИС, новых магнитных материалов, позволяющих управлять сложными нелинейными и динамическими процессами в ЭППД, с обеспечением достаточно высокого уровня выходной механической мощности, внедрение ЭППД в автоматизированное оборудование стало необходимостью. Научно-технические проблемы разработки и внедрения ЭППД широко представлены в рабочих программах ведущих зарубежных и отечественных фирм, в публикациях и патентах. Поисковые исследования автора с целью применения ЭППД в вышеперечисленном оборудовании, эксплуатируемом на подвижном основании, изучение проблем ЭППД, показали недостаточную изученность вопросов разработки и применения ЭППД для сложных пространственных манипуляторов, экс-

плуатируемых в нестационарной технологической среде, малое количество нововведений - оригинальных схемоконструкторских решений и технологий в мировой практике.

Решение проблемы создания операционных автоматов нового типа для ТКПП, в которых рабочий орган максимально адаптирован в рационально организованную технологическую среду и совершает сложные пространственные манипуляции инструментом или изделием, имеет важное народнохозяйственное значение и определяет актуальность настоящих исследований.

Целью диссертационной работы является создание научно-методических основ проектирования, изготовления и эксплуатации операционных автоматов на основе ЭППД, совершающих в широком диапазоне скоростей точные и сложные пространственные манипуляции инструментом или изделием в технологических комплексах пространственного перемещения различного назначения.

Для выполнения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

* разработка научно-методических основ - концепций, методов анализа и синтеза, математических моделей и алгоритмов, конкретных инженерных способов и изобретений по созданию и внедрению операционных автоматов с ЭППД, эксплуатируемых в условиях нестационарной технологической среды;

* разработка концепции технологической среды, адаптированной с операционным автоматом, синтез структур «операционный автомат - технологическая среда»;

* разработка эффективных ме�