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

'' I • ; на правах рукописи

ОСИПОВ Юрий Мирзоевич

Операционные автоматы технологических комплексов пространственных перемещений с электроприводом прямого действия

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск - 1998

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ, академик АИН РФ, д.т.н., профессор Обрусник В.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кориков А. М. доктор технических наук, профессор Хорьков К. А. доктор технических наук, профессор Пугачев Е. В.

Ведущая организация: Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Защита диссертации состоится «23» июня 1998г. на заседании диссертационного Совета Д 063.05.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634004, Томск, ул. Ленина, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 46.

Автореферат разослан " 2-0 " ОЦ 1998г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д063.05.01 «__ д.т.н., профессор

В.А. Бейнарович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

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, хе. в нестационарной технологической среде. Операционные автоматы должны быть максимально адаптированы в рационально организованную технологическую среду, так как их рабочие органы совершают сложные пространственные манипуляции инструментом или изделием. Указанное автоматизированное оборудование эксплуатируется: при длительных наклонах основания (до ± 60°); качке (до ± 45° с периодом 6- 10 с), вибрациях (2 -10§ с амплитудой 1,0-0,2 мм), ударах (до импульсом 1-5 мкс). При этом точность отработки перемещений: линейных не более ± 0,05 мм, угловых не более ±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 технологий и оборудования, обеспечивающих выпуск качественной продукции при достижении минимальной ее стоимости.

Известные операционные автоматы технологических комплексов пространственного перемещения 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 основашш, 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.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью работы является создание научно-методических основ проектирования, изготовления и эксплуатации операционных автоматов на основе электропривода прямого действия (ЭППД) для технологических комплексов пространственного перемещения различного назначения.

Для выполнения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

* разработка научно-методических 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, максимально и взаимно адаптированной с операционным автоматом, синтез структур "операционный автомат - технологическая среда";

* разработка эффективных методов контроля характеристик и технологий регулировки и изготовления операционных автоматов с ЭППД;

* разработка научно-методических основ оценки технического уровня и конкурентоспособности нововведений на основе показателя "значимость технического решения" на всех этапах жизненного цикла;

* внедрение в технологические комплексы пространственного перемещения операционных автоматов с ЭППД.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Реализация сформулированных целей и задач осуществлялась с помощью методов математического и функционального анализов, теории электрических машин и электропривода, теории автоматического управления и регулирования, теории бинарных систем, методов технологического прогнозирования ( экспертных оценок), численного моделирования на ПЭВМ и эвристических методов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Впервые выдвинута и развита идея создания операционных автоматов с ЭППД для технологических комплексов пространственного перемещения как структур ''уравновешенный операционный автомат -симметричная технологическая среда", с уравновешиванием элементов операционного автомата, соверщающих сложные движения в пространстве, обеспечивающим их работоспособность в нестационарной технологической среде. В исследуемую проблему внесены следующие новые положения.

1. Сформулировано условие уравновешивания подвижных частей ЭППД поступательного и вращательного движения с обоснованием величины допустимой относительной неуравновешенности 5т, обеспечивающей работоспособность операционного автомата в условиях статических и динамических внешних механических воздействий. Предложен и обоснован метод оценки качества функционирования операционного автомата с ЭППД, основанный на величине допустимой остаточной неуравновешенности 8т . Метод позволяет по известным параметрам объекта и заданным статическим и динамическим характеристикам определять параметры соотношений для каждого звена многокоординатного операционного автомата.

2. Впервые синтезирована уравновешенная кинематическая структура объекта регулирования, позволяющая реализовать ЭППД без жестких удерживающих связей, снижающая вредное воздействие внешних возмущений на подвижные части в 5т раз, до уровня где можно применить традиционные методы компенсации возмущений или обратные связи. Величина Ът предложена в качестве коэффициента передачи синтезированного уравновешенного звена объекта регулирования и может быть использована в передаточных функциях, при построении структурных схем различных типов уравновешенных ЭППД.

3. Разработана оригинальная математическая модель уравновешенного операционного автомата, включающая алгоритмы: уравновешивания подвижных частей ЭППД; расчета гребенчатых магнитопроводов для создания максимума магнитодвижущих сил; управления гребенчатым электродвигателем с электрической редукцией шагового интервала; оценки взаимного влияния ЭППД координат операционного автомата на основе максимально допустимой неортогональности; имитации технологической среды по параметру "внешние механические возмущения". Модель позволяет синтезировать оптимальные характеристики и свойства любых типов ЭППД операционных автоматов, выявить общие закономерности построения структур "уравновешенный операционный автомат -

симметричная технологическая среда".

4. Впервые сформулирована концепция симметричности технологической среды, являющая основой синтеза адаптивных структур "уравновешенный операционный автомат-симметричная технологическая среда", в которых производительность технологического комплекса повышается вдвое, при затратах меньших, или по крайней мере одинаковых, в сравнении с традиционными компоновочными структурами производств и оборудования.

5. Предложен новый показатель "значимость технического решения" как критерий конкурентоспособности при технологическом прогнозировании на стадиях жизненного цикла продукции, например, операционного автомата. Разработана методика определения конкурентоспособного технического решения порогами несравнимости.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

Создана единая научно-методическая основа разработки различных модификаций автоматизированного оборудования с ЭППД различного типа, экслуагируемых в условиях стационарной и нестационарной технологических сред.

Разработана и внедрена структура операционного автомата с ЭППД линейного движения, защищенная A.C. №551453.

Разработаны основы технологии сборки уравновешенных электромагнитных систем многокоординатных ЭППД всех типов: способ уравновешивания и устройство контроля параметров неуравновешенности Sm подвижной системы, защищенное A.C. № 783609; способ выставки гребенчатых зон магнитопроводов электромагнитных систем, защищен A.C. № 1328885.

Синтезирована бинарная структура с силовой обратной связью, защищенная A.C. № 1781024, двурукий уравновешенный операционный автомат, защищенный A.C. № 18213354, манипулятор-платформа, защищенная патентом РФ № 2093344.

Предложена классификация операционных автоматов ТКПП, выполненная на основе важных характеристик: рабочего пространства, зависящего от степени подвижности и комбинаций компоновок однокоординатных модулей ЭППД поступательного и вращательного движения; производительности, зависящей от количества рук (схватов), работающих как в синхронном, так и в асинхронном режимах.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Результаты работы внедрены в следующие разработки, выполненные с участием автора:

* Картографическая автоматизированная система "Клавесин", предназначенная для измерения, съемки и сбора гидро1рафической информации и изготовления морских и речных карт на борту судна;

* Стенд-тренажер "Опора", предназначенный для тарировки и начальной выставки бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), накопления статистических данных в различных режимах работы, для автоматизированной разработки и испытаний алгоритмов, адаптивных фильтров управления БИНС;

* Проект "Изыскание путей создания манипупяционных систем с безредукгорным уравновешенным электроприводом с непосредственным управлением" по договору с Межотраслевым научно-техническим комплексом "Робот" Министерства станкоинструментальной и инструментальной промышленности СССР и Томским политехническим институтом. Разработан двурукий манипулятор, предназначенный для работы в синхронном режиме с двумя ГПМ;

* Проект "Лазерное упрочнение деталей бурового и нефтепромыслового оборудования" по договору с АООТ "Томскнефтъ" и Томским политехническим университетом в обеспечение территориально-технической программы "Нефть и газ Томской области". Разработана манипулятор-платформа лазерного технологического комплекса, предназначенная для пространственного перемещения ремонтируемых изделий относительно неподвижного лазерного луча, защищенная патентом РФ №2093344;

* Проект "Исследование конкурентоспособности машиностроительной продукции АООТ "Юрпшский машиностроительный завод" Разработаны информационно-советующая система, методические и производственно-технические материалы;

* Проект "Разработка технико-экономических характеристик унифицированного параметрического ряда шахтных крепей М-13 8", заказчик ассоциация "Кузбассугпемаш";

* Проект "Автоматизированный лазерный комплекс для ремонгао-восстановительных работ горно-шахтного оборудования", заказчик ассоциация "Кузбассуглемаш";

* Учебное пособие "Автоматизация процессов машиностроения" / Осипов Ю.М. - Томск: Изд. ТПУ, 1994. - 96с;

* Монография "Автоматизация создания наукоемкой продукции"/ Осипов Ю.М., Быков С.Н. -Томск: ИПФ ТПУ, 1997.- 131 с;

* Монография " Операционные автоматы с электроприводом прямого действия " / Осипов Ю.М. - Томск: ИПФ Щ 1997.- 200 с.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях:

* Межотраслевые научные конференции памяти Острякова H.H., Ленинград, 1982-88г.г.;

* Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы создания и эксплуатации гибких производственных систем и промышленных роботов на предприятиях машиностроения", г. Севастополь, 1990;

* 11-я Всесоюзная научно-техническая конференция по проблемам автоматизированного электропривода, г. Суздаль, 1991;

* 4 - 6-я научно-практические конференция филиала Томского политехнического университета, г. Юрга, 1991 -93;

* Международная научно-техническая конференция "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении", г. Новосибирск, 1995;

* 2-я международная научно-практическая конференция "Реформирование экономики региона: опыт, проблемы, перспективы", г. Кемерово, 1996;

* 1 - 3-я областные научно-практические конференции молодежи и студентов "Современные техника и технологии", г. Томск, 1995 - 97;

* 8 - 10-я научные конференции филиала Томского политехнического университета и Юр ганского технологического центра Кузбасского отделения Российской инженерной академии, г. Юрга, 1995 - 97.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертации отражены в 54-х научных работах, из которых 36 опубликовано в центральных изданиях, в том числе 2 монографии, 1 учебное пособие и 12 авторских свидетельств и патентов.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ РАБОТЫ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ Материалы работы с 1990 года используются в учебных курсах: "Автоматизация производственных процессов в машиностроении" для специальностей "Технология машиностроения", "Автоматизированные системы управления", "Управление качеством и конкурентоспособностью машиностроительной продукции" для специальности "Менеджмент", издано учебное пособие "Автоматизация процессов машиностроения"; разработаны методические указания для лабораторных работ на ПЭВМ. Под руководством автора, с 1995 года материалы работы используются

аспирантами и соискателями в подготовке 5 диссертаций на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Структура диссертационной работы включает: введение, 5 глав, заключение, список литературы (139 наименований) и 4 приложения. Общий объем диссертации составляют 275 страниц машинописного текста, из которых 56 страниц заняты таблицами и рисунками, 15 страниц - списком литературы и 31 страшща - приложениями ( в том числе с актами внедрения результатов работы).

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1 Концепция уравновешивания подвижных частей ЭППД поступательного и вращательного движения, обеспечивающая работоспособность операционного автомата в условиях статических и динамических внешних механических воздействий, в соответствии с которой впервые разработаны и предложены:

* двухмассовая кинематическая структура объекта регулирования, позволяющая реализовать ЭППД без жестких удерживающих связей, снижающая вредное воздействие внешних возмущений на подвижные часяи в 5т раз, до уровня, где можно применить традиционные методы компенсации возмущений или обратные связи;

* метод оценки качества функционирования операционного автомата с ЭППД, основанный на величине допустимой остаточной неуравновешенности §т , где критерием оценки является показатель колебательности м, являющийся функционально зависимым от <5от;

* коэффициент передачи синтезированного уравновешивающего звена объекта регулирования 6т, который может быть использован в передаточных функциях, при построении структурных схем различных типов уравновешенных ЭППД;

* обобщенная имитационная модель операционного автомата с ЭППД, включающая алгоритмы: уравновешивания подвижных частей ЭППД; расчета гребенчатых магнитопроводов для создания максимума магнитодвижущих сгш; управления гребенчатым электродвигателем с электрической редукцией шагового интервала; оценки взаимного влияния ЭППД координат операционного автомата на основе максимально допустимой неортогональности; имитации технологической среды по параметру "внешние механические возмущения";

* технология сборки уравновешенных электромагнитных систем многокоординатных ЭППД всех типов: способ уравновешивания и

устройство контроля параметров неуравновешенности 8т подвижной системы; способ выставки гребенчатых зон магнитопроводов электромагнитных систем;

* классификация многокоординатных операционных автоматов на основе модулей ЭППД поступательного и вращательного движения.

2. Концепция симметричности технологической среды и бинарная структура "уравновешенный операционный автомат - симметричная технологическая среда", в которой компенсируются внешние возмущения среды и вдвое повышается производительность операции "загрузка - выгрузка" при затратах меньших, или, по крайней мере, одинаковых в сравнении с традиционными компоновками.

3. Концепция, структуры и алгоритмы параллельного и взаимосвязанного создания и технологического прогнозирования технического уровня и конкурентоспособности наукоемкой продукции-операционных автоматов с ЭППД технологических комплексов пространственного перемещения на всех этапах жизненного цикла.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введевви дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследований, описаны научная новизна, практическая ценность и внедрение полученных результатов, апробация работы и публикации, структура и объем работы.

В первой главе рассмотрены проблемы создания технологических комплексов пространственных перемещений (ТКПП) с операционными автоматами с ЭППД - функциональных систем с четко выраженными целевыми функциями, реализующих точное, в широком диапазоне скоростей, пространственное перемещение инструмента или изделия на плоской, цилиндрической и сферической поверхностях по произвольной траектории движения.

В технологической среде существующих современных производств имеется много физических и информационных факторов, вредно воздействующих на приводы, исполнительные устройства и информационно-измерительную подсистему операционных автоматов ТККП. В то же время, автоматическое оборудование для эффективного выполнения производственных задач должно функционировать в рациональной технологической среде, поэтому возникают проблемы ее специального проектирования.

Создание работоспособных, точных и высокопроизводительных операционных автоматов ТКПП на основе ЭППД есть комплексная

проблема, включающая наряду с исследованиями, разработкой и изготовлением, многокритериальные задачи технологического прогнозирования оптимальных технических решений, для чего необходимо исследовать и решить проблемы:

* обеспечения работоспособности и точности многокоординатных операционных автоматов на основе ЭППД, эксплуатируемых в условиях нестационарной технологической среды;

* достоверного выбора одного из множества вариантов научно-технических решений с гарантией создания на базе выбранного варианта конкурентоспособного изделия в целом.

Для решения первой проблемы автором предложена концепция построения уравновешенных операционных автоматов: "для созданпя мпогокоордннатных, прецизионных операционных автоматов ТКПП с высокомомептным ЭППД с широким диапазоном скоростей необходимо обеспечение работоспособности в пестацпопарпой технологической среде за счет уравновешивания п максимального совмещения элементов конструкции, совершающих сложные двпжепня в пространстве в автоматическом режиме".

В соответствии с предложенной концепцией, ЭППД операционного автомата должен иметь электрическое редуцирование минимального единичного шага и широкий диапазон скоростей, начиная с "ползучей", при высоких значениях усилия (момента вращения), высокой точности и повторяемости перемещений. Принцип электрического дробления шага, разработанный в МЭИ, обеспечивает электрическое редуцирование шага и скорости движения, соответствует концепции автора для систем управления ЭППД операционных автоматов: "для осуществления редукции шага и скорости рабочего органа операционного автомата применяется электрическое дроблеппе шагового интервала гребенчатого магнптопровода исполнительного электродвигателя па оспове программного формирования наиболее вероятных траекторий в сочетании с обратными связями, корректирующими программу при нзменеппи условий эксплуатации".

Для решения второй проблемы - достоверного, гарантированного выбора конкурентоспособной альтернативы из множества научно-технических решений разработана методика технологического прогнозирования на основе предложенного автором показателя "значимость технического решения". Математическая модель создаваемой продукции представлена в детерминированной форме в виде аддитивного обобщенного показателя "значимость технического решения" - 3 :

1 треп

3 = А П С+МОШ+ПМЭ+КИ, (1

треп и р * и и о к к в с в 7 4

где - актуальность Ая ( экспертная оценка в баллах 1-100) и соответствие программам важнейших работ научно-технического прогресса ЯДЫ,25), место Л/ (1-5) и объем использования ои (1-8), охват охранными мероприятиями шд(5-9), сложность С (1-6,25), технический уровень автоматизированного устройства и тип привода ЯД0,9- 1,5), число координат привода и степень интегрированностиА/ (2- 10), возможность непосредственного управления двигателем от ЭВМ и тип управления Э (1-1,2), технологическая среда и упорядоченность структуры технологической среды Кс( 1 - 1,5), характеристика наличия информационных каналов или датчиков Я (1,05 - 2). Указанные тактико-технические характеристики и их соответствующие количественные коэффициенты, выбираются экспертами го таблиц разработанной методики.

Также определяется показатель 3 ш аналогичной продукции- лидера, где 3 т будет являться порогом. Если известен мировой лидер, то порог можно определить однозначно. Созданная продукция оценивается сравнением показателя ^ с показателем ап существующей на рынке аналогичной продукции. Необходимым условием выхода технического решения на рынок является условие

3 > 3 (2)

тр сп тр ап 4 '

Но когда нет явного лидера, но имеется банк данных существующей на рынке аналогичной продукции, с помощью классического метода порогов несравнимости можно выделить группу наилучших альтернатив. А затем проводят сравнение Зтрсп с 3 трт для каждой альтернативы по вышеизложенной методике. Непосредственное назначение порога несравнимости осуществляется разработчиком продукции.

Преимущества такого подхода следующие:

1. Оценка технической сущности изделия полнее и достовернее, чем сравнение только нормативных технических характеристик ( паспортных данных), несмотря на трудности, связанные с недостаточностью необходимой информации.

2. Методика позволяет, выявляя новые (или дополнительные) критерии в исследуемых технических решениях на данный момент, формировать из них новые таблицы отличительных критериев и проводить оценку технической сущности изделия на их основе, решать задачи прогнозирования материалов и комплектующих элементов, технологического оборудования, процессов изготовления, контроля, эксплуатации и хд.

Во второй главе изложены задачи, состав и характеристики разработок автора:

* картографической системы "Клавесин", предназначенной для изготовления высококачественного оригинала морской навигационной карты (МНК) на борту судна, не уходя из акватории. Для этого необходимы высокие скорость до 1м/с, точность и повторяемость, с ошибкой не более 0,1 мм, перемещения РО координатографа, высокопроизводительные скрайбирующая (пишущая) и алфавитно-цифровая печатающие головки. Система принята к промышленному производству;

* стенда-тренажера "Опора", предназначенного для тарировки и начальной выставки морской БИНС, испытаний алгоритмов управления и адаптивных фильтров в различных режимах плавания, платформа которого имеет три вращательных движения аналогично стабилизированным платформам, проста по конструкции, технологии изготовления и управлению, в сравнении с традиционными конструкциями, обладает быстродействием (скоростью прокачки до 10°/с). Система принята к промышленному производству;

* манипулятор-платформы лазерного комплекса "Кордамон-ЮМО", предназначенного для манипулирования изделиями небольшого веса ( до 50 кг) и малых габаритов (до 0,03 м3) относительно лазерного луча в технологических процессах лазерного упрочнения поверхностей, наплавки, резки, прошивки отверстий, сварки деталей с пространственной конфигурацией. Проект "Кордамон-ЮМО" включен в программу развития АООТ "Томскнефть".

* двурукого манипулятора "ЮМО-2-2.1", предназначенного для обслуживания одновременно, в синхронном режиме, двух рабочих мест в гибких производственных модулях сборки, металлообработки и других операций. Проект включен в программу развития АООТ "МНТК Робот".

Рассмотрены задачи, решаемые указанными технологическими комплексами пространственных перемещений, их состав и тактико-технические характеристики. Полноценно обеспечить выполнение задач и тактико-технических характеристик возможно лишь операционными автоматами с ЭППД на основе программного формирования наиболее вероятных траекторий в сочетании с обратными связями, корректирующими программу при изменении условий эксплуатации.

В третьей главе рассмотрены вопросы синтеза операционных автоматов с ЭППД:

* обеспечение работоспособности электромеханизмов в условиях качек, вибраций и ударов, имеющих место в технологической среде;

* оптимизация конфигурации гребенчатых магнитных систем электродвигателей ЭППД;

* оптимизация управления величиной и скоростью перемещения ротора относительно статора гребенчатой магнитной системы на снове принципа электрического редуцирования;

* определение запасов устойчивости на основе допустимой неуравновешенности;

* определение допустимой неортогональносги электромеханизмов координат на основе геометрического критерия точности системы.

Задача синтеза операционных автоматов с ЭППД решена в соответствии с предложенной автором концепцией уравновешивания подвижных частей электромеханизмов. Для операционных автоматов с ЭППД поступательного движения (рис.1) критерий оптимального построения сформулирован следующим образом: "для создания электромеханической части линейного ЭППД, в которой ограничивается рост сил нагрузки прп воздействий внешних механических возмущении н обеспечивается неснловая "фиксация" положения рабочего органа относительно направляющих, необходима масса, имеющая перемещение параллельно осн направляющих, действующая в противовес рабочему органу, центр тяжести которой лежал бы на осн, параллельной линии действия силы тяжести подвижных частей".

Условие уравновешивания подвижных элементов однокоординат-ного ЭППД поступательного движения имеет вид

^„=0, е ¡у; ~ 0 > О)

где векторы сил, действующие па элементы ЭППД пищ и тур по координате X (на рис. 1 показаны векторы сил Е1 Р} отдельных

элементов);

е1 - эксцентриситет между центрами тяжести элементов и координатными осями У и Ъ (на рис. 1 показаны расстояния е е е ^ е ^ е i . е 21е }■ е 4- от центров тяжестей отдельных элементов до координатных осей ).

Условие (3) выполняется с определенной погрешностью и в случае динамических крутильных воздействий с центром вращения в области, лежащей в плоскости движения поступательных элементов ЭППД, в зоне ограниченной замкнутой кинематической связью. Здесь кинематическая связь, например, ленточная передача, тросик или реечная передача, служит средством уравновешивания подвижных частей ЭППД поступательного движения.

Для операционных автоматов с ЭППД вращательного движения

(рис.2) критерий оптимального построения сформулирован автором следующим образом: "для создания электромеханической части дугового ЭПЦЦ, в которой ограничивается рост сил нагрузка прп воздействии внешних возмущений п обеспечивается безмоментная "фиксация" положения рабочего органа относительно направляющих, необходима масса - противовес рабочему органу, смонтированная с ннм неподвижно, центр та жести которой находился бы симметрично центру тяжести рабочего органа относительно осп дуги направляющих".

Условие уравновешивания подвижных элементов однокоординатного ЭППД вращательного движения имеет вид

1М1х= 0, е1у:=0, (4)

цр м1 х - моменты сил, действующие на элементы ЭППД тдд/ п /шдо относительно оси X (на рис. 2 показаны векторы сил Р] ¥2 ^ отдельных элементов);

е - эксцентриситет между центрами тяжести элементов и координатными осями (на рис. 2 показаны расстояния е е е е 4. е от центров тяжестей отдельных элементов до координатных осей).

На практике условия (3), (4) выполняются с погрешностью, так как все применяемые приемы уравновешивания машин направлены на большее пли меньшее приближение к ним.

Полученные выражения (3) и (4) - критерии оптимального развития конструкторской концепции, они применяются в имитационной модели операционных автоматов ГКГ7П.

В операционных автоматах с ЭППД важной характеристикой является геометрия магнитной системы, ее параметры, определяющие тяговые усилия (моменты). Автором, совместно с профессором Свечарником Д.В., исследована геометрия гребенчатой магнитной системы и получены выражения проводимости й и производной проводимости <Ю / <1% 1 воздушного зазора йд в функции смещения первичного и вторичных элементов [1,4]

о = 1/ьв\1-в(гг-в)/1вг + 9в<гг- 1/3 -с\\. (5) = -1/ъв\ ва/щ,[+ 9в(/г- 1/зб!3) - с] -- в(<18мс, + 9в ¿/щ, - зв <&п/сгс,)аг-в) \ /

Для инженерных расчетов автором предложена цифровая имитационная модель проводимости воздушного зазора гребенчатой магнитной системы для линейных и дуговых электродвигателей. Составлена программа вычислений, получены на ЭВМ расчетные значения магнитной проводимости G - /(с,) для разных значений воздушного зазора Ьв <0,310 и величин h =br впадин гребенчатой поверхности первичного и вторичного элемента, соответственно, равных половине величины единичного шага 10. По ним можно получить тяговые характеристики гребенчатых электродвигателей, выбрав максимальные значения модуляции магнитной проводимости (Gmca-GmJ/Gmax, скорости изменения магнитной проводи- мости dG/d%e определяющих максимальное электромагнитное усилие.

Оптимизация управления величиной и скоростью перемещения ротора относительно статора гребенчатой магнитной системы на основе принципа электрического редуцирования, разработанного в МЭИ, соответствует конструкторской концепции автора в части создания прецизионного мехатрона. Формирование фазных токов управления полем электродвигателя осуществляется воздействием сигналов двух частот \\f2 на оба входа электронного коммутатора, который выполняет функции электрического дифференциала, суммируя два информационных потока. Делители Д иД2, на управляющие входы которых подаются команды в виде цифровых кодов, позволяют в широких пределах изменять частоты

^ген ^ Lj ^ ^2 ^ген ^Jсч2 ' (^0

где i ¡.j^- числа, зависящие от емкости счетчиков, /!си - частота опорного генератора импульсов.

При этом скорость электродвигателя и коэффициент деления основного шагового интервала 1о равны

di/dt = io (ft - а (8)

КД= »„,Ло ' '«I (9)

При равенстве частот ротор неподвижен и фиксируется в любой точке внутри основного шага, положение которой зависит от фазового сдвига сигналов f и f .

Применение микропроцессоров и микроЭВМ в сочетании с развитой памятью и управляемыми источниками тока дало возможность, применив изложенную концепцию управления, основанную на взаимном соответствии вида управления и характера электромагнитных связей,

Рис.1. Кинематическая схема уравновешенного однокоординатного линейного ЭППД

г,

Рис.2. Кинематическая схема уравновешенного однокоординатного дугового ЭППД

решить общую задачу синтеза сложных и точных движений операционных автоматов с ЭППД.

Впервые автором синтезирована уравновешенная кинематическая структура объекта регулирования, позволяющая реализовать ЭППД без жестких удерживающих связей, снижающая вредное воздействие внешних возмущений в 5т раз, до уровня, где можно применить традиционные методы компенсации возмущений или обратные связи. Операционный автомат с ЭППД линейного движения (рис.3), содержит электромеханизм - объект регулирования ОР, снабженный двухмассовым регулирующим органом Р.О., синтезированным в соответствии с критерием построения ЭППД линейного движения. На двухмассовую систему тлд, тур действуют, обусловленные гравитационными и инерционными ускорениями, возмущения Fa, FK, Ft, F . Если массы уравновешены , т.е. тлд - тур то возмущения не влияют на движение РО. Естественно, что полное уравновешивание невозможно, имеется остаточная абсолютная неуравновешенность, равная

А т = I т„„ - т I , (10)

1 ЛД до1 ' v >

Ее величина обусловлена применяемыми технологическими процессами уравновешивания.

Допустимая относительная неуравновешенность

5т = Iтлд - туР\/(тлд + V" (11)

или характеризуется величиной АТ, определяющей нагрузочную характеристику исполнительного органа, описываемую выражениями

FH = (тлд + mJgATsign dl/dt при dl/dt # 0, (12)

- (п,лд + mJgAr < Fu < (тлд + mJgAT при dl/dt-0. (13)

Величина допустимой относительной неуравновешенности должна лежать в пределах \АТ\ < Smmai < 0,01.

Для синтеза оптимальных характеристик и свойств операционного автомата получено обобщенное уравнение движения подвижных частей, с учетом выражений (3), (4), (5), (6), (8), и (9). Процесс движения такой системы, например, cm- фазным гребенчатым линейным электродвигателем на стационарном основании описывается уравнениями

К«) - R i(t)+L dijtj/dt +Em, (14)

К-

1 тЛд 1 -> ^-

о г

? ' 0 РО тур ф Дп' Ьс ' Р.О.

1

ОР

Рис. 3. Функциональная схема операционного автомата с ЭППД

Кл+ V dtlo(f, - f)]/dl + ^BT '.Г/, - /; + + + in^gATsign io(ft - /j) + тДgsma +

+ Vc3/rt + Я d-aldt2 + Ll(da/dt)2 +

+ AB cosß d 2fJ dco2 + (dlk /dt - dîH/dt)2 cosß/d } =

= 0,5(Iw)52 dG / dx(15)

где UJt)- мгновенное значение напряжения на фазах индуктора; R - сопротивление фаз индуктора; i jt) - мгновенное значение тока в фазах; L - индуктивность фаз; Ея -индуктированная ЭДС движения в фазных обмотках; тмад - масса индуктора ЛТД;

m- уравновешивающая масса ( вторая часть подвижного элемента ЛГД, подвижная часть линейного датчика положения); сPI/dt2 - ускорение поступательного движения элементов; кт - коэффициент вязкого трения; dl/dt - скорость поступательного движения элементов; g-ускорение силы тяжести; Ат- коэффициент нагрузки;

а - угол наклона к горизонтали линии движения элементов; rt - расстояние от центра качки до центра поступательно движущихся элементов;

da/dt, cPa/dt1- угловые скорость и ускорение качания линии движения относительно горизонтали;

Vc- скорость орбитального перемещения на качке поступательно движущихся элементов;

R радиус орбитального перемещения поступательно движущихся элементов;

Lk - величина перемещения на качке поступательно движущихся элементов;

Ад- амплитуда вибрационного воздействия;

ß - угол между вибрационными воздействиями и линией движения поступательно движущихся элементов привода; cff/dco2- ускорение сил вибрационного воздействия; dl/dt - конечная скорость ударного воздействия; dl /dt - начальная скорость ударного воздействия; d 1иу - перемещение элсменгов под воздействием ударного импульса;

(31 - угол между ударным воздействием и линией движения поступательно движущихся элементов привода;

- максимальное электромагнитное усилие линейного гребенчатого двигателя;

/ - величина линейного перемещения.

Здесь члены уравнения, представляющие нагрузку: ^^¡„(/¡-/^ " Уси лне вязкого трения в опорах, пропорциональное скорости перемещения, (тпд + 1о([1 - -усилие сухого трения, направление действия

которого зависит от направления перемещения. Внешние механические воздействия: |тлд - тгр\ gsina - усшше скатывания подвижных частей, |тдд - т \[ V2 / гк + (12а/ (к2 + Ь^йа /Щ2] - усилие от качек, | т^- Авсо$р / ¿а2] - вибрационные усилия, |тПД- т№\[(сНкМ - с11и/Ж)2 соя/}/с! 1иу} - ударные усилия, которые в двух-массовой системе, согаасно предложенному алгоритму уравновешивания должны быть равны нулю или близкими к нулю. Что касается условия с _ = 0 , отражающего чисто конструкторские компоновочные параметры и влияющего на возрастание усилий нагрузки, то его параметры в уравнении в явном виде не присутствует; т.к. автоматически учитываются при расчетах усилий нагрузки.

Цифровое моделирование уравнения движения (15) с приоритетными условиями, ограничениями и критериями, принятыми постановщиком задачи на основе теоретических знаний, опыта и интуиции, дает возможность опытного проектирования эффективных операционных автоматов. На основе результатов моделирования разработаны линейный гребенчатый двигатель для ЭППД картографического графопостроителя, а также его дуговая модификация для стенда-тренажера, обеспечивающие точность (повторяемость геометрии изображений) - не более ± 0,05 мм, скорость отработки до 1 м/с.

Структурная схема операционного автомата, соответствующая функциональной схеме, представлена на рис.4.

Передаточная функция разомкнутой системы по главной обратной связи для задающего воздействия имеет вид

}У(р) - К, /Р[(Т1Р+1)^+2^+1) +К], (16)

где К/ = кдп ку кгд кю. К = ку кгд кдс.

Т - постоянная времени свободных колебаний подвижных частей ЭППД, Т = V ТЭТИ;

4 - параметр затухания, определяемый действием сил скоростного вязкого трения и внутренним электромагнитным демпфированием обмоток гребенчатого электродвигателя. При 0 < £ < 1 передаточные функции

ЭППД операционного автомаха описываются колебательными звеньями, при 1 < £ - апериодическим звеном 2-го порядка; 2% = V Ти/ Тэ ;

Через физические параметры ЭППД постоянную времени Тм можно представить в виде

Т» = ^(т^тп^ЛР^Ат^А^ =

/(со1±\8тгисо^\). (17)

Эта постоянная характеризует колебания подвижной части операционного автомата при малых отклонениях от положения устойчивого равновесия, позволяет получить строгую оценку механической подвижности системы и является ее мерой, при помощи которой дается объективная оценка длительности протекания всех процессов в ЭППД.

Действительно, величина Тм зависит от соотношения основных физических размеров системы:

1. Подвижная часть операционного автомата, с суммарной массой тдд+ тур связана с его основными геометрическими размерами.

2. Амплитуда статического синхронизирующего усилия Рт позволяет оценить при известных основных геометрических размерах ЭППД электромагнитные нагрузки или плотность энергии в рабочем зазоре гребенчатого электродвигателя.

3. Величина единичного шага /о определяет степень электромеханической редукции и скорость перемещения РО.

4. Отношение Рт/(тлд+т^ дает теоретически предельное ускорение РО.

Передаточная функция разомкнутой системы по возмущению (по

нагрузке)

- кмкюЬт /р(Т1р+1)(Т2р2+2Е1Тр+1). (18)

Передаточная функция замкнутой системы относительно регулируемой величины /

Ф(р)=К,/р{[(Т,р +1)(Рр? + 2%Тр +1)+К\+ К, }. (19)

Передаточная функция замкнутой системы относительно ошибки Ф/Р)=Р[(Т1Р +1)(Т2р2+ 2Е,Тр +1) + К] /

/Р{[(Г,Р +1)(Гр2 + 2£,Тр +1)+К\ + К,} (20)

Рис. 4. Структурная схема одиокоординатного ЭППД операционного автомата

Передаточная функция замкнутой системы по возмущающему воздействию

Ф/Р)= - кикю&т(Т,р+1) /P{l(TlP+l)W +2%Тр+1)+К\ +К,}. (21)

Величина 6m автором предложена в качестве коэффициента передачи синтезированного уравновешенного звена о&ьекга регулирования и может быть использована для вычисления передаточных функций и построения структурных схем различных типов уравновешенных ЭГТПД.

Таким образом, применение в структуре электропривода уравновешивающего звена, обеспечивающего уменьшения величины внешнего воздействия на подвижные части, позволяет реализовать ЭППД без жестких удерживающих связей, не реагирующий на определенный уровень внешних возмущений, т.е. наклонов, качек, вибраций и ударов. Традиционные системы электропривода эту проблему решают сложно или вообще не решают.

Обосновано построение многокоординатных операционных автоматов ТКПП на основе синтезированных уравновешенных однокоординатных модулей ЭППД поступательного и вращательного движения. Применение ЭППД в каждой координате многокоординатного операционного автомата обеспечивает кинематическую развязку движений по координатам, позволяет осуществить эффективное управление. Основной характеристикой, требующей усилий разработчиков будет обеспечение точности. Критерием оценки взаимного влияния ЭППД в многокоординатном операционном автомате предложена величина максимальной допустимой неортогональности А 1 , меньшая величины дискретности шага электрического редуцирования.

Выполнена классификация операционных автоматов ТКПП на основе важных характеристик: рабочего пространства, зависящего от степени подвижности и комбинаций компоновок однокоординатных модулей ЭППД поступательного и вращательного движения; производительности, зависящей от количества рук (схватов), работающих как в синхронном, так и в асинхронном режимах.

В четвертой главе рассмотрены вопросы устойчивости и качества уравновешенных операционных автоматов.

Определено влияние на устойчивость движения рабочего органа уравновешивания подвижных частей ЭППД на основе базового определения A.M. Ляпунова об устойчивости (неустойчивости). Для этого рассмотрена устойчивость двух типов операционных автоматов:

1. Операционный автомат с ЭППД установлен на неподвижном объекте, на его подвижные части не действует внешние возмущения,

вызывающие отклонения от состояния равновесия или заданного движения. Считаем, что внутренние параметры операционного автомата не являются функциями времени и он является стацпопарноп автономной системой.

2. Операционный автомат с ЭППД установлен на подвижном объекте, например, на судне, дистанционно управляемом самоходном шасси, движущихся по пересеченной местности, на подвижных звеньях многокоординатного манипулятора и т.п. Тоща на его подвижные части воздействует внешние возмущения, обусловленные наклонами, качкой, вибрациями и ударами, вызывающие отклонения от состояния равновесия пли заданного движения. Считаем, что если внутренние параметры операционного автомата не являются функциями времени, в то же время на него действуют внешние возмущения, он является стационарной неавтономной системой.

В определении устойчивости по Ляпунову невозмущенные движения рассматривались при одних и тех же входных сигналах и начальных условиях. Возмущенные движения при одних и тех же входных сигналах системы различаются начальными условиями. Начальные условия являются причиной начальных отклонений от состояния равновесия, это какие то величины входных сигналов ег« (помехи, остаточные сигналы устройств управления и т.п.) ИЛИ ВН6ШБИХ ВОЗМуЩбНИи (Твв (остаточные, недемпфированные и т.п.), или то и другое вместе. Геометрическая интерпретация начальных условий представлена на рнс.5. Начальному отклонению от состояния равновесия в рассматриваемом фазовом пространстве, при наличии начальных внешних возмущений и начального входного сигнала, соответствует нахождение изображающей точки в области радиусом а = стк+ ети (рис.5).

Между тем на практике приходится оценивать устойчивость работы системы при различных внешних возмущениях, заранее неизвестных. Для операционного автомата, существенным фактором, "усиливающим" вредные последствия воздействия внешних возмущений, является неуравновешенность (несбалансированность) подвижных частей, соответственно, линейных п дуговых ЭППД.

Примем, что входная функция системы равна нулю или const, а в качестве начальных условий рассматриваются только внешние возмущения. В этом случае дифференциальное уравнение возмущенных движений можно записать в виде

dlk Idt =ft (t, I,,,.., ¡J +Fk(t,llt...,lJ (k= 1,..., n), (22) где Ft - функции, сколь угодно малые по абсолютной величине при

любых достаточно малых отклонениях внешних возмущений.

Уравновешивание подвижных частей фактически уменьшает воз-датслшяЕнапних воэдущший Ры Р^, Р^ ¥у до величин 8тРск, 8тРх, 8тР^, 8тРу, сколь угодно малых по абсолютной величине.

Уравновешенный операционный автомат будет устойчивым, если отклонение его возмущенного движения от невозмущенного остается сколь угодно малым при достаточно малых начальных возмущениях 8тРск, 6тРк, 5тРв, 8тР^, и при любых входных сигналах, достаточно близких к входным сигналам, соответствующим невозмущенному движению. Возмущенное движение уравновешенного операционного автомата при остаточных возмущениях 5тРск, 8тРк, 8тРв, 8тРу, не влияющих на его устойчивость, будем считать невозмущенным.

Иными словами, нсвозмущенное движение называется устойчивым, если при любом сколь угодно малом в > 0 существуют такие числа а - <г (с) и <т" = <У(с), что для всех возмущенных движении, удовлетворяющих условию

| 1к0,...,1мс>\<а- (к = 1,...,п), (23)

при любом t > t|¡ выполняются неравенства

| /4>...,/«|< е (к = 1,..., п) , (24)

если 18тРк (¡,1<°>,...,1п<°>)\<о>, (к=1,...,п), (25)

Геометрическая интерпретация этих определений выглядит так. В рассматриваемом фазовом пространстве устойчивому движению ( при начальных возмущениях и входном сигнале) соответствует нахождение изображающей точки в области радиусом с/= а(8т) (рис.ба) с центром в начале координат ( 0 < 8т < 8т дд).

Невозмущенное движение уравновешенной системы асимптотически устойчиво, если все возможные фазовые траектории, начинающиеся внутри сферы Са, достаточно малого радиуса с/, стремятся к началу координат при /—> со (рис.66).

Уравновешивание подвижных частей ЭППД операционного автомата позволяет обеспечить работоспособность, нормальное функционирование и нечувствительность подвижных частей ЭППД к неизбежным возмущениям технологической среды, уменьшить начальные возмущения и их действие на движение практически до нуля, превращая возмущенное движение в невозмущенное, устойчивость которого можно обеспечить традиционными средствами.

(7 = СГвс+<Твв

Рис. 5. Геометрическая интерпретация начальных отклонений изображающей точки от со стоящи равновесия

Рис. 6. Геометрическая интерпретация устойчивости уравновешенного операционного автомата

Рассмотрено влияние уравновешивания подвижных частей ЭППД на качество функционирования операционных автоматов: точность, запас устойчивости, быстродействие. Принято, что к одним из важнейших показателей качества относится постоянная времени Тм колебаний подвижной части операционного автомата (17), интегрально характеризующая механическую подвижность системы и электромагнитные нагрузки гребенчатых электродвигателей, возможности электромагнитной редукции движения РО и основные геометрические размеры подвижных частей и, в целом, операционного автомата.

Залас устойчивости характеризует показатель колебательности М, для систем с высоким качеством должен быть равным 1,5 - 2,5. При уравновешивании имеем два значения колебательности, из-за меняющейся направленности внешних возмущений, например, вибрационных сил (17), кроме случая, когда 8т =0. Показатель колебательности М и остаточная неуравновешенность 8т связаны между собой следующим образом - с уменьшением 8т уменьшается разброс величин показателя колебательности М, например, при 8т = 0,01 величина М = 1,15-1,2 (рис.7). Представлены кривые 1 и 2, характеризующие зависимость M=f(8m) уравновешенных операционных автоматов, описанных дифференциальными уравнениями третьего и четвертого порядка соответственно. Из них следует, что в слабодемпфированных системах, описываемых, например, колебательным звеном, необходимого запаса устойчивости достигают при величинах остаточной неуравновешенности 5т < 0,01. Известно, что с практической точки зрения важна не только запас устойчивости операционного автомата, но и характер затухания его переходных процессов. Поэтому кроме запаса устойчивости необходимо исследованы также точность перемещения РО и быстродействие операционного автомата.

Точность операционного автомата оценена по величине установившейся ошибки от воздействия входной единичной ступенчатой функции l(t)= lg l(t), где l0 = const и гармонического вибрационного воздействия f(t) =f0 sincqf t, где f0 = const. Статическая установившаяся ошибка имеет вид

v.= */»= y['+w(°)]+w/0)f0/[n W(0)]=

= 10/(1+К/К)+ кмкю8т/0/К(1+К/К), (26)

где х - составляющая статической установившейся ошибки от воспроизведения входного воздействия l(t);

х. - составляющая статической установившейся ошибки от воспроиз-

3,33

0,04

Рис. 7. Зависимость М =/(5т)

ведения гармонического вибрационного воздействия f(t)\ W(0)= Кj / К- коэффициент усиления уравновешенной разомкнутой системы;

Wj(0)= км кю8 т / К - коэффициент демпфирования уравновешенной разомкнутой системы.

При настройках статических систем первую составляющую ошибки уменьшают или устраняют путем использования неединичной обратной связи или масштабированием входного сигнала, т.е. традиционными средствами. Величина 1+К/К показывает эффективность управления традиционными средствами с точки зрения уменьшения установившейся ошибки. Вторая составляющая ошибки уменьшается или устраняется путем уравновешивания подвижных частей ЭППД операционного автомата в 8т раз , т.е, оригинальными средствами, разработанными автором и представленными в диссертации.

Быстродействие операционного автомата оценивалось по виду переходного процесса - реакции системы на входной сигнал в виде единичной ступенчатой функции. Быстродействие системы определяет время переходного процесса tn. Это промежуток времени, по истечении которого выполняется неравенство

\h(t)-hj<; А, (27)

где Л - наперед заданное положительное число равное (0,01 - 0,05) когда переходный процесс считают закончившимся.

Цифровое моделирование уравнения операционного автомата (15), позволило получить данные о переходном процессе в ЭППД операционного автомата при входном единичном ступенчатом воздействии и гармоническом вибрационном возмущении, из кривых которых видно, что быстродействие увеличивается при 8 т ->0. Величина остаточной неуравновешенности 8т < 0,01 характеризует высокое качество уравновешенного операционного автомата.

Таким образом, уравновешивание подвижных частей ЭППД увеличивает точность перемещения и быстродействие РО операционного автомата, позволяет получить высокое качество его функционирования. Автором разработаны оригинальные технологические способы и установки повышения качества операционных автоматов:

* бесконтактный способ уравновешивания и контроля параметров неуравновешенности подвижных частей ЭППД;

* способ выставки электромагнитных систем гребенчатого типа. Отличительной особенностью этих способов является возможность автоматизации технологических процесов сборки с использованием

штатных конструктивов, получения оптимальных характеристик с использованием целевых функций, отражающих уровень уравновешивания подвижных частей и совмещения гребенчатых зон магнитопроводов многокоординатных ЭГГПД

В пятой главе сформулирована концепция симметричности среды, универсальная для всех структур автоматизированных производств и оборудования. Эффективное функционирование ТКПП невозможно без правильно организованной рабочей среды - его технологической подсистемы, в которой выполняется производственный процесс.

Для нормального функционирования и повышения производительности операционных автоматов ТКПП с ЭППД их технологическая среда должна организовываться в соответствии с предложенной автором концепцией построения: "для каждого типа операционного автомата, параллельно и взаимосвязано с синтезом его структуры, необходимо синтезировать свою специализированную технологическую среду, интегрированную с ним таким образом, чтобы ее возмущающие воздействия на рабочий орган не влияли на работоспособность и качество выполняемого им технологического процесса".

Технологическая среда ТКПП состоит из рабочей зоны и вспомогательных технологических устройств, в которой, и соответственно, при помощи которых, устанавливается изделие, с которым взаимодействует рабочий орган (схват) операционного автомата. Усилие (момент) манипулирования вызывает ответную силу (момент) - реакцию изделия на контакт со схватом операционного автомата. В большинстве случаев схват операционного автомата (рука манипулятора) геометрически протяженное, асимметричное тело с неопределенными координатами центра тяжести. В момент силового контакта, возникающего на границе "схват - изделие", линии действия векторов сил и реакций не проходят через центр тяжести или оси симметрии операционного автомата. Наблюдается смещение подвижных частей системы "схват - изделие". Для придания невозмущаемостп системе "схват-изделие" необходимо ее уравновесить вторым силовым контактом, симметрично расположенным относительно ее кинематического центра. Задача создания операционного автомата со схватами, расположенными симметрично относительно некоторого кинематического центра, работающими одновременно, организована по следующей концепции:

1. Симметричность расположения относительно центра одинаковых по конфигурации рабочих зон.

2. Синхронность, равных по амплитуде и противоположных по фазе, физических воздействий извне.

Операционный автомат с двумя схватами должен обслуживать два

рабочих места, манипулировать двумя изделиями.

Автором синтезирована бинарная структура, защищенная А.С. Лг 1781024, двурукий уравновешенный операционный автомат, защищенный А.С. № 18213354. На этой основе разработан проект двурукого манипулятора "ЮМО-2-2.1", имеющего два одновременно работающих схвата. Технологическая среда организована в соотвествии с концепцией симметричности, но с дополнением - рабочие зоны, развернуты друг относительно друга на 180° из-за конструктивной специфики операционного автомата. На рис. 8 блок-схема операционного автомата представлена классической моделью фон Неймана, которая в нашем случае дополняется симметричной технологической средой ТКПП - совокупностью физических и информационных факторов, воздействующих на приводы, исполнительные устройства информационно-измерительную подсистему, организованную в соответствии с изложенными выше принципами. Технологическая подсистема манипулятора содержит технологическое операционное устройство, устройство ЧПУ, память - накопители деталей, инструментов, интерфейс ввода-вывода - устройства загрузки и выгрузки заготовок, инструмента, периферийные локальные системы различного назначения - устройство чтения штрихового кода, налеты и т.д., симметричную технологическую среду - рабочие зоны манипулятора с оборудованием различного назначения. Все звенья структуры соединены шинами аналогично с объединенной шиной 1 адресов и данных - для шины потока запросов, ответов и сообщений, с шиной 2 данных - транспортной шины потока заготовок, инструментов и изделий, с шиной 3 управления - для шины днспетчирующих команд.

Возможно симметрирование управляющего автомата, его составных частей, блоков, и т.д. При этом информационные сигналы, компенсируют друг друга, или взаимодействуя, снижают погрешности, за счет чего практически исключаются промахи. Симметрирование функциональной системы снижает остаточный уровень помех и управляющих сигналов в структуре "уравновешенный операционный автомат - симметричная технологическая среда" до такого уровня, что будем иметь линеаризированную систему автоматического регулирования, которую можно проектировать традиционными методами. Это дает проектировщику дополнительные возможности по подбору наиболее рациональной структуры, отвечающей техническим требованиям и максимально экономически выгодной.

Низкая информационная насыщенность процесса управления, проблема идентификации заготовок, инструмента и т.п. накладывают определенные требования к конструкции, компоновке и системам

/О©

IV0

Периферийные

локальные

системы

Интерфейсные средства загрузки - выгрузил заготовок, инструментов

Отображение хода выполнения рабочего

IV0

Накопители заготовок, инструментов, изделий

I Реализация {рабочего процесса

Рис. 8. Блок-схема гибкого производственного модуля с симметричной технологической средой

управления ТКПП, организации грузопотоков и технологических операций в реальном масштабе времени. Внешние усилия F,Fr скорости V, Vt и ускорения а, аг возникающие со стороны симметричных рабочих зон и воздействующие на схваты рук манипулятора, например, во время контакта. Указанные параметры, характеризуемые случайными процессами, должны по модулю быть равны друг apyiy, в соответствии с концепцией организации технологической среды уравновешенных операционных автоматов. Устройство управления параметрами F, V, а предлагается выполнить с использованием корреляционно-экстремального принципа сравнения бинарных величин (двух изображений, случайных процессов, физических и информационных полей), разработанного профессорами Тарасенко В.П., Кориковым A.M. В нашем случае эталонной величиной будут параметры и характеристики одного из рабочих полей симметричной технологической среды, текущей величиной - параметры и характеристики другого. Другой особенностью нашего случая будет то, что эталонная величина не будет подготавливаться заранее. Во-первых, любые бинарные сигналы не измерятся одновременно, поэтому будут приниматься эталонными параметры и характеристики любого рабочего поля, измеренные первыми на момент сравнения. Во-вторых, можно принять за эталонную величину параметры и характеристики одного рабочего поля в отдельном цикле измерения, а затем другого, и т.д. Сигналы от датчиков ускорений в каждом схвате манипулятора используются для вычисления функции взаимной корреляции Ф(т*,а*) сравниваемых усилий FJm^aJ и FT [mT(mj,a^m*,a*), aT(m^m*,a*)J

0(m*,a*)=HF/my,aJFTfmT(m^m*,a*), аТ(т,а,т*,а*)]dm da, (28) F cp

где Fcp - модули сравниваемых усилий;

т*, а* - смещение одной величины ( массы, ускорения) относительно другой;

т^ ау тг, аТ - масса и ускорение эталонной и текущей величины.

Получим также автокорреляционную функцию сравниваемых усилий

А(т*,а*) Fy(m„' a) FJm/m^ т*,а*),аТ(т^, m*,a*)]dm da, (29)

F

<7>

Структура многоэкстремальной функции А(т*,а*) является характеристикой эталонной величины F (mf aJ. Отличия функций Ф(т*,а*) и А(т*,а*) характеризуют нарушения текущей величины FT(mv аТ) относительно эталонной Ft(my aJ.

Количественное отличие текущей величины относительно эталонной вычисляется через разности значений т*,а* одноименных локальных экстремальных областей функций Ф(т*,а*) и А(т*,а*) и разности соответствующих собственных чисел и собственных векторов этих областей

к z

8/Г 2 £ (\I +1 (К - К* ZVZV <30> /=/

где к - число экстремумов функций Ф(.) н А(.);

Л" - координаты экстремумов этих функций.

Мера разности 8у, используется для симметрирования усилий Fl, скоростей V, Vt до определенной, заранее заданной величины.

В процессе функционирования рабочая нагрузка на схват операционного автомата может меняться, например изделия могут отличаться по весу в определенном диапазоне. Чтобы не ухудшилось качество функционирования операционного автомата, должна меняться величшм допустимой неуравновешенности дт. А так как уравновешивать подвижные части в процессе функционирования операционного автомата нельзя, то изменения ёт можно компенсировать изменением тягового усилия в ЭППД, например, изменением токов в обмотках управления в допустимых пределах. Это можно осуществить, если мы сможем знать, на сколько нужно изменять величину допустимой неуравновешенности 8т - коэффициент передачи передаточной функции уравновешивающего звена операционного автомата, чтобы на основе этой меры управлять токами обмоток управления электродвигателя ЭППД.

На основе корреляционно-экстремального метода можно синтезировать многомерные фильтры и системы автоматического управления. Их состояние и качество зависит от расположения так называемых нулей и полюсов передаточных функций. Выполняя автоматическое регулирование нулей и полюсов, корректируя параметры фильтров и систем автоматического управления, можем определять разницу коэффициентов передачи 8т передаточной функции уравновешивающего звена и на основе этой меры управлять токами обмоток управления электродвигателя ЭППД.

Взаимная корреляционная функция имеет вид

Ф(8м) = ¡F/<Su*) F/8\t)ds, (31)

где F/&t*) - эталонное поле нулей и полюсов;

F/&t) - текущее поле нулей и полюсов;

8ч*- коэффициент числителя и знаменателя передаточной функции

эталонного фильтра;

- оптимизируемые параметры корректирующего фильтра системы;

5л. - область определения параметров корректирующего фильтра.

Здесь роль оптимизатора сводится к подбору параметров ¿м корректирующего фильтра, а с выхода коррелятора снимается отфильтрованное значение сигнала ЭД с требуемыми характеристиками.

Применение корреляционно-экстремальногого метода сравнения случайных процессов для управления технологическими операциями в симметричной технологической среде повышает качество функционирования операционного автомата ТКПП с ЭППД.

Предложена имитационная модель внешних механических возмущений технологической среды, включающая математические выражения, описывающие статические наклоны основания операционного автомата (воздействие гравитационных сил), регулярную качку, гармонические вибрации и одиночные удары. Она позволяет получить в цифровой модели адекватные реальным, внешние возмущения. Разработанные в соответствии с полученными расчетными параметрами и характеристиками опытные образцы операционных автоматов обеспечивали нормальное функционирование и заданные технические характеристики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является совокупностью новых научных результатов и положений по созданию и внедрению операционных автоматов с электроприводом прямого действия технологических комплексов пространственного перемещения, эксплуатируемых в нестационарной технологической среде. Предложенные автором концепции, методы анализа и синтеза, математические модели и алгоритмы, конкретные инженерные способы и изобретения, имеющие внутреннее единство, вносят значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

В целом создание технологических комплексов пространственного перемещения с операционными автоматами с электроприводом прямого действия в условиях рыночной экономики есть комплексная проблема, включающая наряду с исследованиями, разработкой и изготовлением технических решений, многокритериальные задачи технологического прогнозирования оптимальных решений.

В настоящий момент и, практически всегда, основные трудности и проблемы в технологических комплексах пространственного перемещения

имеют место в вопросах создания многокоординатных адаптивных средств выполнения рабочих операций в нестационарной технологической среде - операционных автоматов. Операционный автомат должен быть адаптированным к технологической среде, а технологическая среда должна создаваться специализированной, с учетом структуры операционного автомата. Это можно осуществить, предложенным автором, параллельным и взаимосвязанным синтезом структур "операционный автомат -технологическая среда" на основе нововведений и традиционных средств, применяя экспертную оценку новой продукции, сравнением ее с продукцией-лидером на основе обобщенного показателя "значимость технических решений" на всех этапах жизненного цикла.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что создание операционных автоматов технологических комплексов пространственного перемещения, способных обеспечить в условиях нестационарной технологической среды точное, в широком диапазоне скоростей, пространственное перемещение рабочего органа возможно лишь при использовагаш электропривода прямого действия, максимально совмещенного с конструктивами операционных автоматов, в котором осуществляется электрическое редуцирование перемещения и скорости.

2. Впервые предложена концепция построения уравновешенных операционных автоматов, по которой работоспособность и нормальное функционирование в нестационарной технологической среде обеспечивается уравновешиванием подвижных частей электроприводов прямого действия. Уравновешивание подвижных частей электропривода прямого действия операционного автомата позволяет обеспечить нечувствительность подвижных частей к возмущениям технологической среды, уменьшить действие внешних возмущений на их движение практически до нуля, превращая возмущенное движение в невозмущенное.

3. Впервые синтезирована уравновешенная кинематическая структура объекта регулирования, позволяющая реализовать электропривод прямого действия без жестких удерживающих связей, снижающая вредное воздействие внешних возмущений в 6т раз, до уровня, где можно применить традиционные методы компенсации возмущений или обратные связи. Определено выражение величины допустимой остаточной неуравновешенности 5т , обеспечивающей работоспособность и невозмущаемость операционного автомата, для традиционных конструкций опор 5т <. 0,01 характеризует высокое качество уравновешенного операционного автомата. Величина 8т предложена в качестве коэффициента передачи синтезированного уравновешенного звена объекта регулирования и может быть использована для вычисления

передаточных функций и построения структурных схем различных типов уравновешенных операционных автомагов.

К важнейшим показателям качества синтезированной структуры относится:

* постоянная времени Тм колебаний подвижной части операционного автомата, определяемая в зависимости от относительной неуравновешенности £т, характеризующая одновременно механическую подвижность системы и электромагнитные нагрузки электродвигателей, возможности электромагнитной редукции движения рабочего органа и основные геометрические размеры;

* показатель колебательности М, определяемый в зависимости от относительной неуравновешенности йт, характеризующий запасы устойчивости операционного автомата.

Величина остаточной неуравновешенности 8т < 0,01 для традиционных конструкций опор характеризует высокое качество уравновешенного операционного автомата.

4. Предложена имитационная модель синтеза оптимальных характеристик и свойств операционных автоматов с электроприводом прямого действия, содержащая алгоритмы: уравновешивания подвижных частей электромеханизмов операционного автомата; оптимизации конфигурации гребенчатых магнитных систем электродвигателей; электрического дробления шагового интервала гребенчатых магнитных систем; процессов в технологической среде - наклонов, качек, вибраций и ударов.

5. Применение электропривода прямого действия в каждой координате многокоординатного операционного автомата обеспечивает кинематическую развязку движений по координатам, позволяет осуществить эффективное управление. Критерием оценки взаимного влияния электропривода прямого действия координат предложена величина максимальной допустимой неортогональности Д1 * меньшая величины дискретности шага электрического редуцирования.

6. Предложена классификация операционных автоматов для технологических комплексов пространственного перемещения, выполненная на основе важных характеристик: рабочего пространства, зависящего от степени подвижности и комбинаций компоновок однокоординатных модулей электропривода прямою действия поступательного и вращательного движения; производительности, зависящей от количества схватов, работающих как в синхронном, так и в асинхронном режимах.

7. Предложены оригинальные технологические способы повышения качества операционных автоматов: бесконтактный способ контроля

параметров неуравновешенности и уравновешивания подвижных частей электропривода прямого действия; способ выставки электромагнитных систем гребенчатого типа.

8. Сформулирована концепция симметричности среды, универсальная для всех структур автоматизированных производств и оборудования, являющаяся основой синтеза структуры "уравновешенныйоперационный автомат - симметричная технологическая среда", повышающая производительность технологического комплекса практически вдвое, при затратах меньших, или по крайней мере одинаковых, в сравнении с традиционными производствами и оборудованием. Применение корреляционно-эксгремального метода сравнения случайных процессов в структуре "уравновешенный операционный автомат - симметричная технологическая среда", позволяет формировать адаптивное управление операционным автоматом в условиях нестационарной технологической среды, изменений реакций при контакте схватов со средой, веса грузов. Предложенная имитационная модель внешних механических возмущений технологической среды, включающая математические выражения, описывающие статические наклоны основания операционного автомата (воздействие гравитационных сил), регулярную качку, гармонические вибрации и одиночные удары, позволяет получить в цифровой модели адекватные реальным, внешние возмущения. Разработанные в соответствии с полученными расчетными параметрами и характеристиками опытные образцы операционных автоматов обеспечивали нормальное функционирование и заданные технические характеристики.

9. Разработана и внедрена картографическая система "Клавесин" для изготовления высококачественного оригинала морской навигационной карты на борту гидрографического судна, имеющая в составе координатограф, высокопроизводительные скрайбирующую, пишущую и алфавитно-цифровую печатающую головки и т.п.

10. Разработан и внедрен стенд-тренажер "Опора" для тарировки и начальной выставки морской БИНС, испытаний алгоритмов управления и адаптивных фильтров в различных режимах.

11. Разработан проект манипулятор-платформы "Кордамон-ЮМО" для лазерного упрочнения поверхностей, прошивки отверстий, резки, сварки деталей с пространственной конфшурацпей. Проект включен в программу развития АООТ "Томскнефть".

12. Разработан проект двурукою операционного автомата"ЮМО-2-2.1" для обслуживания одновременно, в синхронном режиме, двух рабочих мест. На его основе рекомендуется создавать гибкие производственные модули для сборки, металлообработки и т.п., производительность операций "загрузки-выгрузки" которых вдвое выше, чем у их традиционных

аналогов. Проект включен в программу развития АООТ "МН1К Робот".

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Осипов Ю.М. Операционные автоматы с электроприводом прямого действия. - Томск: ИПФ ТПУ, 1997. - 200с.: ил.

2. Осипов Ю.М., Быков С.Н. Автоматизация создания наукоемкой продукции". - Томск: ИПФ ТПУ, 1997. - 131 е.: ил.

3. Осипов Ю.М. Автоматизация процессов машиностроения: Учебное пособие для машиностр. спец. вузов. - Томск: изд. ТПУ, 1994. -96с.: ил.

4. Свечарник Д.В., Осипов Ю.М. Графопостроители с линейным электроприводом//Приборы и системы управления, №5, 1981.

5. Осипов Ю.М. Методика оценки значимости изобретений//Па-тентно-лицензионная работа: Сб. ГК СССР по делам изобретений и открытий ВНИИП.№ 4(126), М., 1986.

6. Осипов Ю.М. Оценка качества безредукгорнош манипулятора по параметрам неуравновешенности // Производственно-технический опыт, М.,ЦНТИ Поиск, №11, 1990.

7. Осипов Ю.М. Тенденции развития манипуляционной системы робота//Производственно-технический опыт, М., ЦНТИ Поиск, №12, 1990.

8. Осипов Ю.М. Показатель "значимость технического решения" имитационной модели АСУ конкурентоспособностью продукции // Автоматизация и современные технологии. - 1994. -№ 3.

9. Быков С.Н., Осипов Ю.М. Экономические критерии показателя "значимость технического решения" АСУ конкурентоспособностью продукции//Автоматизация и современные технологии.- 1996.-№1.

10. Осипов Ю.М. Специализированная технологическая среда // Автоматизация и современные технологии. - 1996. -№ 11.

П.Маслов А.В., Быков С.Н., Осипов Ю.М. Имитационная модель АСУ конкурентоспособностью наукоемкой продукции//Автоматизация и современные технологии. - 1997. - № 1 .

12. Осипов Ю.М. Перспективы создания электромеханической части привода графопостроителя на линейных двигателях. БСИ Судостроение, вып. 2,1978, сер. 2.

13. Осипов Ю.М. О структуре электромеханической части привода графопостроителя с линейными двигателями. БСИ Судостроение, вып.7, 1978, сер. 2.

14. Картографическая система с двухкоординатным построителем/ Осипов Ю.М.;Том. политех, ун-т. - Томск, 1996.- 26с. Бибяиоф.: 1 назв. -РУС. - Деп. в ВИНИТИ.

15. Навигационная система с трехкоординатной сферической шгатфор-

мой/Осипов Ю.М.;Том.политех, ун-т.-Томск,1996-12с.Библиогр.:1 назв.-РУС.- Деп. в ВИНИТИ.

16. Лазерный комплекс с манипулятор-платформой с пространственной ориентацией рабочего стола/ Осипов Ю.М.; Том. политех, ун-т. - Томск, 1996.- 28с. Библиогр.: 1 назв.- РУС. - Деп. в ВИНИТИ.

17. Прогнозирование эффективности технических решений на стадии научных исследований/Быков С.Н., Осипов Ю.М. и др.; Том. политех, ун-т.-Томск, 1996.- РУС.-Деп. в ВИНИТИ.

18. Концепция "параллельности и взаимосвязанности" в жизненном цикле структуры "операционный автомат-технологическая среда"/ Осипов Ю.М.; Том. политех, ун-т. - Томск, 1996. - 9с. Библиогр.: 5 назв. -РУС.-Деп. в ВИНИТИ.

19. Осипов Ю.М. Уравновешенный манипулятор с безредукторным электроприводом. / Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конфер., г. Севастополь, 18-21 нояб. 1990г.-М.:ВНИИТЭМР, 1990.

20.0сипов Ю.М. Силомоментное управление безредукторным электроприводом / Докл. на 11-ой Всесоюз. науч.-техн. конфер. по проблемам автоматизированного электропривода (АЭП-91), г.Суздаль, 1-4 окт. 1991.

21. Осипов Ю.М. Лазерный автоматизированный комплекс для изделий с пространственной конфигурацией/Тр. междунар. науч.-техн. конфер. "Авангардные технологии, оборудование и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении", г. Новосибирск, 1011 окт. 1995г. Изд. НГТУ, 1995.

22. Осипов Ю.М. Имитационные модели технологической среды автоматизированных производств / Сб. тез. и тр. науч. конфер. Юрг. фил. ТПУ и Юрг.. науч.-техн. центра Российской шок. акад., г. Юрга, 1996.

23. Осипов Ю.М. Структурный синтез технологической среды автоматизированных производств на основе принципа бинарности / Сб. тез. и тр. науч. конфер. Юрг. фил.111У и Юрг. науч.-техн. центра Российской инж. акад., г. Юрга, 1996.

24. Осипов Ю.М., Маслов A.B., Быков С.Н. Прогнозирование конкурентоспособности наукоемкой продукции - гарантия экономической эффективности //Реформирование экономики региона: опыт, проблемы, перспективы. Тез. докл. 2 междуиар. науч.-практ. конфер.- Кемерово: Кузбассвузиздат; 1996.- С. 118.

25. A.C. № 456287. Устройство для счета импульсов / Осипов Ю.М. - Опубл. в бюл. Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки, 1975, № 1.

26. A.C. № 537245. Поворотная печатающая головка / Осипов Ю.М. и др. - Опубл. в бюл. Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные

знаки, 1976,№ 44.

27. A.C. № 544059. Сельсин-приемник / Осипов Ю.М. - Опубл. в бюл. Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки, 1977, № 3.

28. A.C. № 553451. Графопостроитель/Осипов Ю.М. - Опубл. в бюл. .Открытия.Изобретения. Пром. образцы. Товарныезнаки, 1977, № 13.

29. A.C.№ 6535^.Графопостроитель/Осипов Ю.М.-Опубл. в бюл. Открытия.Изобретения. Пром. обрацы. Товарные знаки, 1979, № 11.

30. A.C.№671 ООб.Сельсин-нриемник/Осипов Ю.М.-Опубл. в бюл. Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки, 19769, №24.

31. A.C. №783609. Устройство для контроля параметров неуравновешенности подвижной системы / Осипов Ю.М. - Опубл. в бюл. Открытия.Изобретения Пром. образцы. Товарные знаки, 1980, №44.

32. A.C. № 1092638. Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии с неподвижной части устройства на подвижную / Осипов Ю.М. и др. - Опубл. в бюл. Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки, 1984, № 18.

33. A.C.№ 1328885. Способ согласования электромагнитных систем/ Осипов Ю.М. и др. - Опубл. в бюл. Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки, 1987, №29.

34. A.C. № 1781024. Устройство управления манипулятором / Осипов Ю.М. - Опубл. в бюл. Открытия. ИзобретенияЛром. образцы.Товарные знаки,1992, № 46.

35. A.C. № 1821354. Уравновешенная манипуляционкая система / Осипов Ю.М. - Опубл. в бюл. Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки,1993, № 22.

36. Патент РФ № 2093344. Манипулятор-платформа/ Осипов Ю.М. и др. - Опубл. в бюл. Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные

знаки, 1997, № 29.

Подписано к печати 17.04.98. Формат 60x84/16. Бумага ZOOM. Печать RIS0" Усл-печ-"-2>45- Уч.-изд.2,21. Тираж 100 экз. Заказ № 74. J-JL::???^ ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94. Типография ТПУ. TI1У 634034, Томск, пр.Ленина, 30.