автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение точности управления приводами технологического оборудования на основе применения электромагнитореологических управляющих элементов

На правах рукописи

Комлева Оксана Анатольевна

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИХ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальности 05.13.06 -Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении),

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2012

005049544

005049544

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Игнатьев Александр Анатольевич

Официальные оппоненты Глазков Виктор Петрович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующий кафедрой «Системы искусственного интеллекта»

Иващенко Владимир Андреевич, доктор технических наук, доцент, Институт проблем точной механики и управления РАН (Саратов), ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный

технический университет»

Защита состоится «26»декабря 2012 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корп.1 , ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «23» ноября 2012 г.

Ученый секретарь Л

диссертационного совета (У/ - - ^ А. А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшими критериями развития и совершенствования машиностроительного производства являются повышения точности и эксплуатационной надёжности машин, приборов и аппаратуры, снижения энергозатрат при производстве продукции, возможность гибкой программной перестройки, постоянное обновление элементной базы.

Одно из направлений совершенствования приводов связано с улучшением характеристик исполнительных элементов, а другое - с совершенствованием систем автоматического управления (САУ) приводами и входящих в их состав элементов. В ряде приводов используется технологическое оборудование (ТО), для изготовления и компоновки печатных плат, обработки малогабаритных деталей, точечной сварки, сборки деталей и т.п., в котором совершенствование привода ТО способствует повышению точности позиционирования рабочего органа (РО) обеспечивает высокую надежность и гибкость в производстве.

Вопросам разработки приводов ТО посвящены работы отечественных и зарубежных учёных, таких как О.П. Михайлов, A.B. Ратмиров, Ю.С. Михеев, BJI. Сосонкин, В.Ц. Зориктуев, П.Н. Белянин, Е.П. Попов, С.Ф. Бурдаков, В.А.Дьяченко, А.Н. Тимофеев. Рассмотрены принципы действия и конструкции различных, механических передач, электро-, пневмо- и гидроэлементов, а также характеристики элементов САУ, произведены расчеты точности позиционирования рабочих органов. Ряд известных приводов имеют недостаточно высокую точность позиционирования РО (от 0,2 до 0,4 мм) и быстродействие, относительно большие габаритные размеры, так же возникает необходимость установки демпфирующих устройств на функциональные элементы приводов ТО. Это приводит к неизбежному снижению качества управления; уменьшается крутизна статических характеристик и быстродействие, усложняется структура САУ.

В настоящее время в ряде быстродействующих приводов ТО используются электрогидравлические управляющие элементы, рабочей жидкостью которых является масло, что способствует повышению точности и снижению вибраций при управления приводами РО. Теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении выполнены Д. Вильямсом, Б.В. Шандровым, А.Д. Чуда-ковым, В.П. Глазковым, G.A. Spinin, A.C. Мнышенко и другими учёными. Анализ показал, что ряд характеристик приводов не полностью удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к элементам систем управления по быстродействию, простоте конструкции, надёжности и точности позиционирования РО.

Решение таких задач может быть достигнуто совершенствованием электрогидравлических элементов САУ ТО на основе применения электромагниторео-логических управляющих элементов (ЭМУЭ). Рабочей жидкостью в них является магнитореологическая жидкость (МРЖ), состоящая из мелко дисперсионных металлических частиц и ПАВ, которая изменяет свои физические свойства при изменение управляющего магнитного поля. Это обусловливает возможность перемещения штока привода РО с высокой точностью и быстродействием.

Характерной особенностью электрогидравлических САУ гидрофицирован-ным ТО является необходимость многократного преобразования различного вида энергии из одного вида в другой (механической, электрической, гидравлический и др.). Это приводит к усложнению структуры САУ, появлению значитель-

ной энергетической избыточности управления, уменьшению быстродействия и крутизны статических характеристик.

Развитию различных направлений автоматизации и управления гидрофици-рованным ТО посвящены работы; В.В.Власова, Н.С. Гамынина, И.М. Красова, В.А. Лещенко, Д.Н. Попова, В.А. Хохлова, A.A. Денисова, A.B. Власова и других учёных, однако вопросам управления приводами, в состав которых входит ЭМУЭ, уделено недостаточное внимание. Повышение точности САУ приводами ТО на основе совершенствования ЭМУЭ позволяет повысить точность позиционирования РО и быстродействие, снизить энергетическую избыточность при управлении, повысить функциональные возможности, что обусловливает актуальность данной работы.

Цель работы — повышение точности управления приводами рабочих органов технологического оборудования на основе применения в них электромагни-тореологических управляющих элементов, позволяющих реализовать высокоточные технологические процессы.

Для достижения поставленной цели сформулирован и решен ряд задач.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования базируются на методах теории автоматического управления, математической физики, моделировании процессов с помощью программных продуктов Elcut, Femlab, 3D МАХ. Экспериментальные исследования выполнены на специальном стенде на базе технологического робота с применением экспериментального образца электромагнитореологического управляющего элемента с использованием современных измерительных средств. Обработка результатов проводилась методами математической статистики с использованием программных средств MathCad 14.0 и Matlab 7.5.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Построена и обоснована модель САУ приводами рабочего органа технологического оборудования в виде передаточной функции, отличающаяся введением электромагнитореологического управляющего элемента, передаточная функция которого связывает управляющее входное воздействие - напряжение, обеспечивающее создание управляемого магнитного поля, с выходным параметром - перемещением рабочего органа — штока, с оценкой параметров качества процессов САУ.

2. Разработана и обоснована математическая модель электромагнитореологического управляющего элемента, включающая комплекс последовательных частных моделей:

- моделей, позволяющих установить зависимость изменения вязкости МРЖ от напряжённости магнитного поля ЭМУЭ и силы трения поршня управляющего элемента от вязкости;

- модель ЭМУЭ как системы с распределёнными параметрами, позволяющая установить зависимость распределения давления МРЖ, зависимость перемещение рабочего органа от давления в ЭМУЭ и найти теоретическую передаточную функцию управляющего элемента;

- модель изменения магнитного поля ЭМУЭ, позволяющая определить его локальные значения в выбранной точке управляющего элемента, а также его пространственное распределение;

— модель визуализации работы ЭМУЭ, позволяющая сконструировать управляющий элемент под заданный тип привода технологического оборудования.

3. Проведен синтез дискретной САУ приводом рабочего органа технологического оборудования с ЭМУЭ на примере технологического робота с заданными параметрами качества, выполненный с использованием идентифицированной по экспериментальным данным модели ЭМУЭ, в виде передаточной функции третьего порядка, а также разработаны специализированный алгоритм и программный модуль для управления ЭМУЭ, позволяющий в интерактивной форме изменять значения параметров движения рабочего органа.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- разработана САУ приводом ТО РО с заданными параметрами качества с применением ЭМУЭ;

- разработана конструкция ЭМУЭ, позволяющая повысить быстродействие привода до 0,4 с и точность позиционирования РО до 0,01 мм;

— разработана инженерная методика расчета, позволяющая произвести расчет любой конструкции управляющего элемента и выявить недостатки; рекомендуется для создания новых ЭМУЭ с различной геометрией для систем управления гидрофицированным технологическим оборудованием.

Внедрение разработанного ЭМУЭ рекомендовано в приводах рабочих органов ТО на предприятиях ООО «ТОРЭКС» и ООО «Патриот-Авто» для повышения точности выполнения операций сборки печатных плат и точечной сварки, что позволяет повысить качество выпускаемой продукции, а также в ЗАО «НПК прецизионного оборудования».

Научные и практические результаты работы использованы в плановых госбюджетных НИР, в учебном процессе по дисциплинам «Локальные системы управления», «Теория автоматического управления», выполненных на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ в 2005-2012гг., в учебном процессе по дисциплинам: «Физические основы преобразователей энергии», «Объекты управления» на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного политехнического института имени Гагарина Ю.А.

Апробация работы. Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 научных конференциях различного уровня:

- 5 Международных конференциях: «Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2010); «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (Одесса, 2011); «Наука и техника в современном мире» (Новосибирск, 2012); «Достижения и перспективы естественных и технических наук» (Ставрополь, 2012); «Научная дискуссия: инновации в современном мире» (Москва, 2012);

— 4 Всероссийских конференциях: «Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация» (Саратов, 2010); «Актуальные проблемы прикладной и теоретической науки» (Екатеринбург, 2011); «Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий» (Москва, 2011); «Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы » (Самара, 2011);

- научных семинарах на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники технологии и управления (филиал) СГТУ имени Гагарина Ю.А., на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., 2005-2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент и 2 свидетельства на программные продукты.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований, 8 приложений. Диссертация содержит 215 страниц, 10 таблиц, 125 рисунков.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Модель САУ приводом рабочего органа технологического оборудования с учетом использования электромагнитореологического управляющего элемента.

2. Комплексная математическая модель электромагнитореологического управляющего элемента.

3. Результаты расчетов характеристик электромагнитореологического управляющего элемента как системы с распределёнными параметрами.

4. Результаты синтеза дискретной САУ с использованием идентифицированной модели ЭМУЭ в приводах РО технологического оборудования.

5. Результаты экспериментальных исследований привода с ЭМУЭ на специальном стенде на базе технологического робота, подтверждающие адекватность теоретической модели, и рекомендации по практическому применению ЭМУЭ в САУ приводами технологического оборудования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость, представлены научные положения и результаты работы, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ состояние вопроса и исследования. Проведен обзор научно-технической информации, в которой рассматриваются электрогидравлические управляющие элементы, применяемые в системах управления технологическим оборудованием. Вопросам разработки САУ ТО посвящены работы О.П. Михайлова, A.B. Ратмирова, Ю.С. Михеева, И.Л. Повх, Т.М. Баши-ты, B.C. Нагорного, Ю.И. Чупракова, Т.А. Синицына, И.И. Беязова, Ю. Иринга, Р.Моля, J1.C. Ямпольского, J.-M. Kofman, F. Lot, P. Asfalt и ряда других отечественных и зарубежных ученых. Проанализированы различные конструкции управляющих элементов и отмечены их недостатки. Литературный и патентный анализ новых и существующих технических решений по регулирующим устройствам, электрогидравлическим преобразователям и электромагнитным индукторам магнитного поля показал, что классические исполнительные элементы гидравлического технологического оборудования обладают значительной энергетической избыточностью при управлении потоками рабочих жидкостей. Это связано с тем, что механические управляющие устройства (золотники, заслонки и другие) обладают достаточной массой. В современных приводах РО ТО необходимо быстродействие порядка 0,2-0,5 с, поэтому необходимы новые технические решения элементов привода, которые могли быть решить эту задачу. Для этого

рекомендуется применение ЭМУЭ, принцип действия которого основан на воздействие управляющего магнитного поля на МРЖ, изменение физических характеристик которой обеспечивает перемещение штока, связанного с рабочим органом. В соответствии с целью работы сформулирован ряд задач.

Во второй главе проведён анализ и представлена модель САУ приводом рабочего органа технологического оборудования, в состав которой входит ЭМУЭ, на примере специального стенда на основе технологического робота. Важным является вопрос о выборе управляющих элементов, обеспечивающих повышение качества управления. Система автоматизированного управления приводом РО с ЭМУЭ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Система автоматизированного управления приводом технологического оборудования с ЭМУЭ: МК - микроконтроллерное устройство (встроенным АЦП и ЦАП); К - компрессор с ресивером; У - усилитель; РК - редукционным клапан; ЭПК - электропневматический клапан (распределитель); ПЦ - пневмоцилиндр; ЭМУЭ - электромагниторео-логический управляющий элемент; ДП - датчики линейного перемещения; ДВ - датчики вибрации; РО - рабочий орган; Ub U2, Ui, U4 - напряжения управляющих сигналов МК и от датчиков обратной связи; ри р2, р^ - давления, создаваемые элементами пневматической линии; L - перемещение рабочего органа U -управляющий сигнал на ЭМУЭ

Для построения модели САУ получены и обоснованы передаточные функции всех основных ее элементов. Модель ЭМУЭ получена в главе 3 в виде передаточной функции 3-го порядка на основе теоретических расчетов системы с распределенными параметрами:

Wl л _3,548_

(0,142/? + 1) -(0,018/7 + 1)

Передаточная функция непрерывной части САУ приводом имеет вид: w , , _О035_

W (р) =--Í91

за" 2,6 р1 +11/?6 +28/?5 +51р4 + 62/г1 +46/Г +16/? + 1 Оценка устойчивости системы выполнена по критерию Михайлова -система является устойчивой.

По графику переходного процесса непрерывной части системы (рис. 2) определяются прямые показатели качества системы: время регулирования tp= 7,4 с и перерегулирования а = 0, а также определена полоса пропускания 0<ш<20 Гц. По полученпым результатам сделан вывод, что САУ с ЭМУЭ является устойчивой, однако необходимо решить вопрос повышения показателей качества.

I 7 3 45678°

Рис. 2. Переходный процесс непрерывной части системы

В третьей главе разработана математическая модель ЭМУЭ, включающая комплекс последовательных частных моделей, обоснованных закономерностями физических процессов, направленная на обоснование связи управляющего напряжения и перемещения штока. Конструкция и общий вид ЭМУЭ представлены на рис. 3, 4.

ЭМУЭ работает следующим образом. При подаче напряжения на обмотку катушки возникает неравномерное магнитное поле, которое изменяет характеристики МРЖ, что обусловливает перемещение штока. Подаваемое напряжение изменяется в диапазоне до 12 В, диапазон перемещения штока определяется длиной ЭМУЭ и может составлять несколько десятков миллиметров, управление параметрами движения осуществляется специальной программой.

Рис. 3. Общий вид электромагнитореологического управляющего элемента

Математическая модель ЭМУЭ рассматривается как модель система с распределенными параметрами. На первом этапе моделирования для нахождения объемной плотности энергии возмущения магнитного поля рассчитывается зависимость вязкости магнитореологической жидкости от напряженности магнитного поля с применением известной методике А.Г. Бутковского. После выбора дифференциального уравнения для системы с распределенными параметрами компоненты уравнения конкретизируются под поставленную задачу.

(3)

Рис. 4. Электромагнитореологический управляющий элемент: I - корпус; 2 - поршень-катушка; 3 - крышка; 4 - шток; 5 - шток с отверстием под кабель-канал; 6 - планка; 7 - уплотнительное кольцо; 8 - прокладка

Уравнение для вязкости имеет вид

ь0( X ) ■ Щ*1 + ьх ( X ) ■ <2( X ) = я А- ) ,

ах

где с(х)- входная координата, характеризующая напряженность магнитного поля в ЭМУЭ; [(х) = \\г~ ■ у где \"/2(х) - объемная плотность энергии возмущения магнитного поля, Дж/м3; V - скорость магнитной жидкости, при переходе из одной области полости в другую, м/с; О^х)- начальная вязкость жидкости, при температуре 1=20°С; 0(х) - выходная величина, зависящая от пространственной переменной х, характеризующая вязкость магнитной жидкости в электромагни-тореологическом управляющем устройстве, (Па-с).

В результате преобразования уравнения (3) получаем расчетную функцию

идим

0(х)= |

1

-Ц-Е

•ехр

IV'

\У -Ц-Е

■(и+ -<20)

У

<¡4

(4)

На основании уравнения (4), где получены зависимости вязкости МРЖ от напряженности магнитного поля (рис. 5). Из графика статической характеристики видно, что при увеличении напряженности магнитного поля, создаваемого магнитной катушкой, в электромагнитореологическом элементе увеличивается вязкость магнитной жидкости, что позволяет снизить время реакции управляющего элемента на входное воздействие.

На втором этапе моделирования производился расчет зависимости силы трения от вязкости магнитной жидкости в ЭМУЭ. На основании выбранного базового уравнения (3), получили итоговую расчетную формулу

1

Я (х) = |

• ехр

(5)

где f(x)— входная координата, характеризующая вязкость магнитной жидкости в электромагнитореологическом элементе, Па-с; Н(х) - выходная величина, характеризующая силу трения в ЭМУЭ, Н.

На основании формулы (5) получены зависимости вязкости магнитной жидкости от силы трения в ЭМУЭ (рис.6). Из графика статической характеристик видно, что при увеличении вязкости магнитной жидкости в ЭМУЭ увеличивается сила трения.

Для расчета динамической характеристики распределения давления МРЖ в ЭМУЭ и статической характеристики перемещения рабочего органа от давления воспользуемся уравнением (6), которое выбираем по методике по методике А.Г. Бутковского

Рис. 5. Зависимости вязкости МРЖ Рис. 6. Зависимости силы трения в ЭМУЭ от напряженности магнитного поля от вязкости магнитной жидкости

Из уравнения (6) определяем зависимость характеристик перемещения рабочего органа от давления, где /(г,г) - выходное возмущение перемещения, Р(г, г) - входная величина давления, а - вязкость МРЖ. Для этого по методике А.Г. Бутковского с использованием уравнения (6) получили статическую характеристику (рис. 7). Из исходного уравнения (6) получаем также континуальную передаточную функцию, на основе которой осуществляется построение исходной логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ) (рис. 8), аппроксимация которой отрезками ломаной линии позволяет получить

Р;Па ____

Рис.7. Сстатическая характеристика ЭМУЭ - Рис. В. Логарифмическая амплитудно-

перемещение рабочего органа от давления МРЖ частотная характеристика ЭМУЭ

Рис. 9. Переходный процесс ЭМУЭ

Анализируя график переходного процесса ЭМУЭ (рис. 9), построенного по методике А.Г. Бутковского, определяем время регулирования = 0,9 с и перерегулирование а = 0.

Моделирование магнитного поля (рис. 10) в программе ЕЬСиТ позволяет определить направление магнитных потоков и распределение напряженности магнитного поля в ЭМУЭ.

Рис. 10. Распределение напряженности магнитного поля в ЭМУЭ

Для объемной визуализации создали 3-мерную модель в программе 30 МАХ и построили 3-мерное распределение магнитного поля в программе РетІаЬ. В программе ЗБ МАХ разработали внешний вид ЭМУЭ с МРЖ (рис. 11).

¡..^ ^.■¡»н.:™* ЮІ.І*, СІІГЇІ*.. .... л ¡^..„а-чл^.м^.у.« I. .11!... ........ ....... И ' l-.ll

.з* а1 ■ ...А;'!? «а ій:а а

Рис. 11. Вид трехмерной модели ЭМУЭ, подготовленной для анимации

С помощью 3-мерного моделирования ЭМУЭ выполнена визуализация работы устройства при движении штока в зависимости от подаваемого напряжения на сердечник, совмещённый со штоком. При изменении свойств МРЖ, таких как вязкость и текучесть, при соответствующем изменении подаваемого напряжения на сердечник моделируется движения по заданному закону (рис. 12).

Рис. 12. Моделирование движение штока в ЭМУЭ по заданному закону

На основании 3-мерной модели построили распределение магнитного поля в программе РеттИаЬ. В качестве основы построения модели рассмотрена трехмерная краевая задача магнитостатики: цилиндрическая катушка с ферромагнитным сердечником, в качестве которого выступает шток ЭМУЭ. Цилиндрическая катушка имеет следующие геометрические параметры (параметры ЭМУЭ): внутренний радиус слоя обмотки и соответственно радиус сердечника Явн=8 мм, наружный радиус слоя обмотки к„=10 мм, внутренний радиус корпуса ЭМУЭ Як=15 мм; ось сердечника, катушки и корпуса совпадают с осью г системы координат; высота катушки Ькат=40 мм, высота корпуса Ьк=110 мм. Катушка с сердечником и корпус расположены в пространстве симметрично относительно плоскости хОу.

Расчет основан на основных уравнениях магнитостатики. Известно, что магнитостатическое поле описывается следующими уравнениями (10):

Г ппН = У

\divB = 0 (Ю)

{ВттН + В

где Н - вектор напряжённости магнитного поля, А/мм; 3 - вектор плотности тока, А/мм"; В - вектор магнитной индукции, Тл; гпиа - абсолютная магнитная проницаемость среды, мкГн/мм; ш11а = ти0 -ти; т^, = 4-10",я мкГн/мм - абсолютная магнитная проницаемость вакуума; т„ - относительная магнитная проницаемость среды; Вг = тио -М, - вектор остаточной магнитной индукции, Тл (для областей, занятых постоянными магнитами); Мг - вектор остаточной намагниченности вещества, А/мм.

На основании расчетов ЭМУЭ получено 3-мерное изображение (рис. 13) -картина зависимости плотности магнитного потока, создаваемого обмоткой катушки, соответственно намагниченности и вязкости окружающей катушку маг-нитореологической жидкости от подаваемого на катушку напряжения. Из полученных трехмерных изображений можно сделать вывод, что после подачи определенного напряжения на ЭМУЭ, напряженность магнитного поля, и соответственно и вязкость МРЖ увеличивается до р =1,047-Ю"3 в области, приближенной

к самой катушке и незначительно увеличивается до р =4,98-1 (У4 в отдаленных областях, что и объясняет магнитореологические свойства жидкости.

/

7

Рис. 13. Трехмерная модель ЭМУЭ в разрезе параллельными плоскостями

Моделируемая с помощью Рет1аЬ трёхмерная модель отражает общую картину действия ЭМУЭ, включающую изменение магнитного потока и вязкости жидкости в области, окружающей катушку, и движения штока. На основе построенных моделей разработана инженерная методика расчёта ЭМУЭ, используя которую выполнено также моделирование конструкции корпуса ЭМУЭ с желобами для обдува, позволяющее использовать ее при повышенных температурах. Таким образом, построен комплекс моделей, которые позволил обосновать физические принципы работы и инженерную методику расчета ЭМУЭ, а также обосновать энергоэффективность управляющего элемента.

Четвертяя глава посвящена синтезу дискретной САУ с использованием ЭМУЭ в приводах технологического оборудования с микропроцессорным управлением.

Предварительно выполнена идентификация передаточной функции ЭМУЭ на специальной установке. Эксперименты проводились с использованием ЭМУЭ, заполненного МРЖ, изготовленной в лабораторных условиях на основе высокодисперсного железо (ферромагнитные ОКИСЛЫ Ре20з, Ре304, ферритов никеля, кобальта), дисперсные частицы, вследствие малости их размеров (около 10 нм) при температуре 25,35 "С.

На вход ЭМУЭ подавались короткие импульсные напряжения, которые можно рассматривать как входной сигнал типа «дельта-импульс». Импульсная переходная функция ЭМУЭ ш(0 - перемещение штока - фиксировалась вибродатчиком, сигнал с которого преобразовывался в цифровой и визуализировался на экране компьютера (рис. 15).

50

»СП

40

30

20

10

О

4

1,С

Рис. 15. Экспериментальная весовая функция ЭМУЭ

Рис. 16. Аппроксимированная импульсная функция ЭМУЭ \у(0

Для нахождения импульсной переходной функции ЭМУЭ определили среднюю весовую функцию путём усреднения экспериментальных данных (рис. 16).

Используя метод конечных элементов, аппроксимировали экспериментальную весовую функцию и по формуле W(p)=L{ w(t)}, где L - оператор преобразования Лапласа получили реальную передаточную функцию ЭМУЭ (11), которая соответствует найденной ранее в главе 3 теоретической передаточной функции 3-го порядка (1):

3.624

Жр):=—--- (11)

(0.183> + I) (0.02р + 1) Проведён синтез дискретной САУ приводами на специальном стенде с микропроцессорным управлением на базе технологического робота МП-11 с использованием реальной передаточной функции ЭМУЭ (рис. 17, 18).

Рис. 17. Робот-манипулятор МП-11

1 - механизм выдвижения руки, 2 - механизм ро- Рис. 1В. Экспериментальная установка

тации схвата, 3 - схват, 4 - план-шайба крепления на основе робота-манипулятора

схвата к руке, 5 - основание манипулятора, 6 - МП-11 ЭМУЭ поворота, 7 - упоры поворота, 8 - ЭМУЭ выдвижения, 9 - электропневматический клапан

Функциональная схема дискретной системы представлена на рис. 19.

Рис. 19. Функциональная схема дискретной САУ приводами рабочего органа с ЭМУЭ на специальном стенде с микропроцессорным управлением на базе технологического робота

Проведен анализ системы с расчетом надежности, точности и качества регулирования.

Преобразовав функциональную схему САУ и получив общую передаточную функцию, провели г-преобразования с помощью программы Ма(1аЬ, задав время дискретизации, равное времени опроса датчика: Т=0,1 с. Характеристическое уравнение САУ имеет вид

z7 -4.66■ z6 + 8.971 • z5 -9.115■ z4 + 5.16• z3 -1.555 ■ z2 + 0.2047 ■ z -0.0042 = 0 (12)

По критерию устойчивости Шур - Кона система устойчива. По построенному переходному процессу дискретной САУ с помощью программы Matlab определили время переходного процесса tp = 6,4 с и перерегулирование о = 0. Определено, что быстродействие не отвечает требованиям качества управления. Для достижения заданного быстродействия САУ проведен синтез последовательного дискретного корректирующего устройства, передаточная функция которого имеет вид

... , , 1927,5 • (2.5■ z +1) -(0,03z +1)

WKy(z) =----(П)

(10 • z +1) ■ (0,24 • г +1)

Результаты синтеза показывают, что скорректированная система является устойчивой. Используя программную среду MATLAB, по построенному графику переходного процесса скорректированной системы (рис.20) определены показатели качества: время регулирования tp=0.42 с, перерегулирование а =0. Таким образом, установлено, что при включении последовательного корректирующего устройства в исходную систему достигнуты требуемые показатели качества процессов управления.

Для управления ЭМУЭ создан программный продукт «Программа управления ЭМУЭ» в среде Delphi, используемый для управления вязкостью магнитной жидкости путем воздействия на неё магнитным полем за счет

изменения входного напряжения.

Рис. 20. График переходного процесса скорректированной системы

Программа предназначена для вычисления необходимого напряжения, которое нужно подать на ЭМУЭ. Пользователь имеет возможность, занеся технические характеристики ЭМУЭ и характеристики магнитной жидкости, вычислить напряженность магнитного поля, которое будет воздействовать на магнитную жидкость, и вязкость МРЖ, которая будет замедлять вибрационные движения ЭМУЭ. Входными данными является занесение в поля необходимых техни-

ческих характеристик ЭМУЭ (напряжение, сопротивление, число витков катушки и диаметр проводника) и магнитной жидкости (диаметр частиц, намагниченность, температура рабочей среды и плотность). Выходными данными является отправка пакета данных, содержащего информацию о величине необходимого напряжения, на микроконтроллер. Внешний вид окна программы представлен на рис. 21.

Рис. 21. Внешний вид окна «Программа управления ЭМУЭ»

Программа позволяет управлять физическими свойства МРЖ и на основании введенных данных строить зависимости изменения вязкости от подаваемого напряжения и тока.

Алгоритм работы программы ЭМУЭ представлен на рис. 22.

Вво5 электрических параметров и, И., а, с!

Вво-параметров магнитореологнческой жидкости «1, М, Т, р

Расчет электрических параметров

Расчет магнитореологическкх параметров

В ыоор 6ЯЗКО-

Формирование пакета данных

Т

О

Проз ери подключены устройств

^

Обнаружение '.'сіронстзі

Отправка пакеті данных

Псаучевне стена

.

Отаиоченяе устройства.

7 и

Рис. 22. Алгоритм программы управления ЭМУЭ

Для оценки точности работы привода с ЭМУЭ на стенде проведены измерения погрешности позиционирования рабочего органа - штока ЭМУЭ, встроенного в манипулятор. Выполнены многократные перемещения (30 измерений) в контрольную точку в рабочей области манипулятора. Измерения погрешности выполнялись с помощью индуктивного датчика Minikom с дискретностью 0,1 мкм. Исходная погрешность позиционирования РО - без включения ЭМУЭ -составляла порядка 0,05 мкм. При включении в САУ приводом ЭМУЭ погрешность позиционирования составила 0,01 мкм, то есть по сравнению с исходной снизилась в 5 раз. Приведённые результаты исследований свидетельствуют о том, что привод с ЭМУЭ рабочего органа технологического оборудования обеспечивает высокую точность и быстродействие.

Приводятся данные использования ЭМУЭ в автомобилестроении как элемента управления гашением колебаний, выполняющего роль демпфирующего устройства - амортизатора.

Практическое использование ЭМУЭ подтверждается двумя актами внедрения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Существующие приводы рабочих органов технологического оборудования в ряде случаев не удовлетворяют современным требованиям (быстродействие, погрешность позиционирования), в связи с чем для повышения качества управления перспективным является применение в приводах ЭМУЭ, принцип действия которого основан на изменении характеристик МРЖ под воздействием управляющего магнитного поля, в результате чего перемещается шток, связанный с рабочим органом.

2. Проведён анализ САУ приводом рабочего органа технологического оборудования, включающим ЭМУЭ, что позволило по полученной передаточной функции определить параметры качества процессов управления и обосновать необходимость введения корректирующего устройства для повышения быстродействия.

3. Предложен и обоснован комплекс моделей для анализа ЭМУЭ как системы с распределёнными параметрами, что позволило определить его передаточную функцию, разработать методику инженерного расчёта и конструкцию управляющего элемента, а также разработать рекомендации для создания ЭМУЭ с различной конфигурацией.

4. Проведён анализ дискретной САУ приводом рабочего органа технологического оборудования, включающим ЭМУЭ, па примере специального стенда на основе технологического робота, что позволило получить передаточную функцию САУ с идентифицированной по экспериментальным данным реальной передаточ-пой функции ЭМУЭ, выполнить синтез дискретного последовательного корректирующего устройства, введение которого обеспечивает заданные значения параметров качества управления (быстродействие 0,4 с и перерегулирование а =0).

5. Результаты экспериментальных исследований по оценке точности позиционирования рабочего органа при использовании привода с ЭМУЭ показали, что погрешность позиционирования составляет 0,01 мкм, что в 5 раз меньше исходной погрешности позиционирования рабочего органа, а также позволили рекомендовать ЭМУЭ к внедрению в приводы технологического оборудования на ряде предприятий.

Публикации по теме диссертационной работы

Основные результаты работы изложены в 18 печатных работах (из общего количества 26)

В журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Комлева O.A. Система автоматического управления с применением электромаг-нитореологического управляющего элемента / O.A. Комлева А.А Игнатьев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №3(58). С. 188-191.

2. Комлева O.A. Оценка точности позиционирования рабочего органа роботизированной системы / О.А Комлева // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №3(58). С. 191-194.

3. Комлева O.A. Динамическая характеристика электромагнитожидкостного управляющего элемента робототехники / О.А Комлева // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 2(45). С. 116-12.

4. Комлева O.A. Моделирование магнитореологического упраляющего элемента в прграммном комплексе FEMLAB / O.A. Комлева A.A. Игнатьев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №2(56). С.225-230.

Охранные документы

5. Патент на полезную модель № 118704 от 27.07.12. Электромагнитореологический управляющий элемент / Комлева O.A.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615982 от 29.06.12. Виртуальная лаборатория с использованием электромагнито-реологического управляющего элемента / Комлева O.A.

7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011617719. от 4.10.11. Программа управлением магнитореологическим управляющим элементом / Комлева O.A., Игнатьев A.A.

В других изданиях

8. Комлева O.A. Автоматизация процесса сборки с применением электромагнито-реологического управляющего устройства / O.A. Комлева // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С.117-120.

9. Комлева O.A. Моделирования магнитного поля в электромагнитореологическом управляющем устройстве в робототехнике с применением программы ELCUT/ O.A.Комлева// Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем: тр. Междунар. конф. Пенза: ПДЗ, 2010. С 68-71.

10. Комлева O.A. Расчёт качества системы автоматического управления захватом робота манипулятора с магнитореологическим виброгасителем / О.А.Комлева Н Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация: сб. ст. II Всерос. конф. Саратов: СГТУ, 2010.С 42-46.

11. Комлева O.A. Задачи с использованием системы автоматизированного моделирования управляющего элемента в робототехнике / O.A. Комлева И Актуальные проблемы прикладной и теоретической науки: сб.тр. Всерос. конф. Екатеринбург, 2011.С. 50-52.

12. Комлева O.A. Электромагнитожидкостный управляющий элемент, как способ решения увеличение точности в технологическом процессе робототехнике / O.A. Комлева // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте: сб.тр. Междунар. конф. Одесса, 2011. С. 40-43.

13. Комлева O.A. Анализ системы автоматического управления захватом робота манипулятора / O.A. Комлева // Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий: сб. тр. IV Всерос. конф. М.: НИИРРР, 2011. С. 84-89.

14. Комлева O.A. Применение магнитореологической жидкости в управляющих элементах в робототехнических системах промышленных роботов / O.A. Комлева // Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы: сб.тр. VI Всерос. конф. Самара: СГТУ, 2011. С. 168-172.

15. Комлева O.A. Экспериментальные исследования динамических характеристик магнитореологического управляющего элемента / O.A. Комлева // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2011. С. 136-139.

16. Комлева O.A. Повышение качества робототехнических систем с использованием управляющего магнитореологического элемента / О.А Комлева // Наука и техника в современном мире: сб.тр. Междунар. конф. Новосибирск, 2012. С. 123-127.

17. Комлева O.A. Расчёт дискретной автоматизированной робототехнической системы с использованием магнитореологического элемента / O.A. Комлева // Достижения и перспективы естественных и технических наук: сб.тр. I Междунар. конф. Ставрополь: ЛОГОС, 2012. С.10-13.

18. Комлева O.A. Выбор функциональных элементов для автоматизированной системы с применением электромагнитореологического элемента в приводах робота / O.A. Комлева // Научная дискуссия: инновации в современном мире: сб.тр. I Междунар. конф. М„ 2012. С. 89-92.

KOMJ1EBA Оксана Анатольевна

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГИИТОРЕОЛОГИЧЕСКИХ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Автореферат

Корректор Л.А. Скворцова

Подписано в печать 2.0.И. 12

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 198

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ni

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно