автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Разработка и исследование моноблочных электромеханических приводов с высокой плавностью выходного перемещения

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.51, 621.831

НОВИКОВА Елена Александровна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОБЛОЧНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ С ВЫСОКОЙ ПЛАВНОСТЬЮ ВЫХОДНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Специальность 05.02.03 - Системы приводов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.В.Морозов

Владимир 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................3

Глава 1. Плавность — важный показатель качества работы привода...........7

1.1. Требования к плавности перемещения в различных устройствах следящих систем.....................................................................................7

1.2. Анализ применяемых оценок плавности. Обоснование критерия.....9

1.2.1. Понятие плавности и анализ применяемых оценок плавности......................................................................................9

1.2.2. Определение показателей плавности........................................14

1.3. Обоснование моноблочных конструкций приводов и анализ плавности исполнительных механизмов............................................19

1.3.1. О преимуществах приводов моноблочного исполнения в решении задачи обеспечения, плавного выходного перемещения.........................& .-г.'...:..........................................19

1.3.2. Анализ плавности исполнительных механизмов....................21

1.4. Выводы. Постановка задачи исследований.........................................22

Глава 2. Анализ динамики моноблочного электромеханического привода поступательного перемещения....................................................................24

2.1. Математическая модель моноблочного электромеханического привода поступательного перемещения.............................................26

2.2. Анализ динамических характеристик линейной модели...................38

2.2.1. Устойчивость линейной системы..............................................38

2.2.2. Определение амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик при различных возмущениях..........................43

2.2.3. Анализ плавности моноблочных приводов при гармонических возмущениях....................................................55

2.3. Анализ плавности в системе с зазором................................................63

2.3.1. Зазор в передаче и его модель...................................................63

2.3.2. Анализ применимости метода гармонической линеаризации для определения автоколебаний...............................................65

2.3.3. Исследование автоколебаний численными методами............68

2.3.4. Численный анализ плавности в системе с люфтом

в установившемся режиме.........................................................72

2.4. Плавность работы на низких скоростях..............................................75

2.4.1. Процесс трения в механической части привода

и его модель................................................................................75

2.4.2. Исследование динамики в режиме фрикционных автоколебаний.............................................................................78

2.4.3. Численный анализ плавности в системе с «сухим трением». 87

2.5. Экспериментальные исследования динамических характеристик моноблочного привода.........................................................................90

2.5.1. Описание эксперимента.............................................................90

2.5.2. Анализ результатов испытаний.................................................98

2.6. Выводы по главе..................................................................................101

Глава 3. Плавность роликовинтовых исполнительных механизмов.........103

3.1. Влияние кинематической погрешности

на плавность работы РВМ..................................................................103

3.2. Зазоры в РВМ и способы их устранения...........................................115

3.2.1. Определение вероятного зазора в РВМ..................................115

3.2.2. Способы устранения зазоров в сопряжениях РВМ...............118

3.2.3. Анализ влияния устройств для выбора зазоров на плавность выходного перемещения.........................................................123

3.3. Выводы по главе..................................................................................126

Глава 4. Синтез моноблочного электромеханического привода

с высокой плавностью выходного перемещения.....................................127

4.1. Силовой синтез по минимуму потребляемой мощности.................131

4.1.1. Определение допустимого диапазона кинематических передаточных функций............................................................131

4.1.2. Оптимизация КПФ по минимуму потребляемой мощности 132

4.1.3. Расчет тепловыделения при форсированных режимах........138

4.2. Синтез привода по качеству переходного процесса........................143

4.3. Проектирование РВМ с повышенной плавностью...........................153

4.3.1. Определение схемы конструктивного исполнения РВМ.....153

4.3.2. Методика проектирования РВМ с повышенной плавностью................................................................................156

4.4. Пример расчета моноблочного привода с применением методики синтеза по плавности........................................................160

4.5. Примеры разработанных конструкций..............................................165

Общие выводы.................................................................................................167

Список литературы.........................................................................................169

Приложения.....................................................................................................176

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время значение электромеханического привода в системах управления значительно возросло. Это объясняется тем, что в современной технике все больше требуется автономных устройств, обладающих наименьшими массой и габаритами, а так же систем наиболее экономичных с точки зрения энергопотребления. Причем, чем «ответственнее» система управления, тем более жесткие требования предъявляются к качеству выходного движения привода.

Вопросы повышения качества выходного движения всегда были в поле зрения разработчиков приводов и следящих систем. Эти вопросы решались, в основном, средствами управляющей части — синтез наилучших корректирующих звеньев, синтез оптимальной управляющей части, выбор оптимальной структуры регулятора и обратных связей и т.п. Как известно, силовая часть привода также оказывает существенное влияние на работу следящей системы, и поэтому изучение особенностей, вносимых редуктором, весьма сложна и актуальна.

Один из резервов получения «качественного» выходного движения привода находится в конструктивном исполнении его силовой части. Оно может быть реализовано в новых компактных приводах на базе современных электродвигателей с полым ротором и перспективных исполнительных механизмов. Такая модернизация силовой части позволит значительно улучшить выходные характеристики управляемого объекта.

Поэтому совершенствование методик анализа и синтеза электромеханических систем является непременным условием успешного выполнения многочисленных требований к качеству выходного движения электромеханических систем управления.

В последнее время стало недостаточным оптимизировать и синтезировать приводы по критериям быстродействия и точности. Все чаще стала возникать необходимость в таком показателе качества динамики как плавность.

Работы в этом направлении проводили И.И.Артоболевский [7, 8], В.А.Бесекерский [17,18,75], Б.В.Новоселов [19, 68-70], Б.К.Чемоданов [77], Е.П.Попов [18,76], О.П.Михайлов [47]. Во Владимирском государственном университете в течение 15 лет под руководством профессора Морозова В.В. проводились работы по созданию перспективных электромеханических приводов. За это время были разработаны методы расчета и проектирования электромеханических модулей с высоким быстродействием, точностью и низкой виброактивностью. Однако, в известных работах не

нашли отражения методы проектирования силовой части привода по критериям плавности выходного движения. Авторами основное внимание уделялось разработке оптимальных с точки зрения плавности законов управления.

Таким образом, разработка и исследование моноблочных электромеханических приводов с высокой плавностью поступательного перемещения актуальная задача, решению которой и посвящена эта работа.

Работа состоит из четырех глав, введения и заключения.

В первой главе сформулированы требования к плавности различного технологического оборудования. Показано, что в каждом классе следящих систем можно выделить устройства, где плавность движения исполнительного звена является определяющим требованием. Так, например, неплавность в механизмах медленных подач станков почти всех типов, в том числе и в высокоточных станках с программным управлением может привести к ошибке позиционирования Высокие требования по плавности технологических перемещений, предъявляются к приводам установок выращивания монокристаллов, которые обусловлены тонкостью физических процессов кристаллизации различных материалов. В металлорежущих станках неплавное движение режущего инструмента или заготовки приводит к колебаниям в относительном движении инструмента и заготовки и является причиной неточного формообразования в процессе резания, снижения чистоты обрабатываемой поверхности и повышения износа режущего инструмента. В системах автоматического сопровождения (приводы антенн радиолокаторов, тяжелых астрономических приборов, устройства перемещения кино- и телевизионных камер) требования к выходному движению определяются законом движения «цели». Здесь обеспечение плавности слежения необходимо для повышения разрешающей способности перемещающихся приборов.

На основании анализа известных оценок плавности предложены критерии плавности, которые позволяют количественно оценивать плавность приводов с поступательным перемещением.

Показано, что электромеханические приводы моноблочного исполнения на базе РВМ имеют предпосылки обеспечения выходного перемещения с высокой плавностью. Применение двигателей ДБМ на постоянных магнитах позволяет размещать исполнительный механизм внутри полого ротора. В такой моноблочной конструкции источник движения (двигатель) максимально приближен к исполнительному звену. Неравномерность вращения ротора будет частично сглаживаться за счет его утяжеления механической передачей. В приводе данной конструкции важную роль в обес-

печении плавности выходного перемещения играет исполнительный механизм. В этом случае применение РВМ является наиболее предпочтительным. Имея в сопряжении до 500 точек контакта, они обладают высокой плавностью поступательного перемещения. РВМ компактны, имеют высокий КПД (0,85), грузоподъемность, долговечность. Большой выбор конструктивных исполнений позволяет проектировать самые разнообразные приводы на их основе. Сделан вывод, что моноблочные электромеханические приводы на базе РВМ имеют предпосылки обеспечения выходного перемещения с высокой плавностью.

Во второй главе исследуется динамика моноблочного привода с роли-ковинтовым исполнительным механизмом. Для этого предложена двух-массовая математическая модель. В модели учитываются нелинейности люфт, «сухое трение» и следующие возмущения: возмущение по напряжению, вызванное помехами датчиков обратной связи, пульсациями управляющего напряжения или момента двигателя; возмущение от кинематической погрешности, обусловленное технологическими погрешностями изготовления или деформациями звеньев РВМ при эксплуатации; возмущение от нагрузки, вызванное колебаниями нагрузки или действием внешней среды на выходное звено. Проведен анализ динамических характеристик линейной модели, определены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, дан анализ плавности в зависимости от вида возмущений. Показано влияние на плавность выходного перемещения привода нелинейности типа «люфт», исследована плавность работы привода на низких скоростях. Для проверки адекватности математической модели проведено экспериментальное определение динамических характеристик моноблочного электромеханического привода.

В третьей главе исследовалась плавность роликовинтовых исполнительных механизмов модулей. Показано, что самыми трудно устранимыми причинами неплавности поступательного перемещения роликовинтовых механизмов являются кинематическая погрешность и зазоры. Для оценки плавности РВМ проводилось моделирование кинематической погрешности и расчет максимального осевого зазора в зависимости от вида сопряжения и класса точности изготовления. Показано влияние устройства выборки зазоров в роликовинтовых механизмах на плавность выходного перемещения.

В четвертой главе рассматривается задача синтеза моноблочного электромеханического привода с высокой плавностью поступательного выходного перемещения. В задаче синтеза системы учитываются ограничения на такие свойства системы, как мощность, качество переходного

процесса, быстродействие, масса и габариты привода и т.п. при оптимизации по критерию плавности.

Синтез моноблочного электромеханического привода с высокой плавностью выходного перемещения проводится в нескольких этапов: силовой синтез по предельным динамическим возможностям привода и определение КПФ по минимуму потребляемой мощности; синтез параметров системы по качеству переходного процесса; проектирование исполнительного механизма привода с высокой плавностью выходного перемещения; проведение проверочных расчетов, определение динамических характеристик и показателей плавности спроектированного привода. Приводится пример проектирования электромеханического привода системы управления стабилизатором согласно предложенной методике синтеза по плавности.

На защиту автором выносятся следующие основные положения:

- математическая модель моноблочного электромеханического привода поступательного перемещения и ее динамические характеристики;

- уточненные критерии плавности и их аналитические выражения, применяемые при частотном анализе и оценке качества переходного процесса;

- зависимость плавности моноблочного электромеханического привода от различных возмущений;

- зависимость плавности работы от параметров привода в режиме автоколебаний, вызванных зазором;

- зависимость плавности работы на «низких» скоростях от параметров привода в режиме фрикционных автоколебаний;

- зависимость плавности работы исполнительного роликовинтового механизма от кинематической погрешности и ее составляющих;

- методика синтеза моноблочного электромеханического привода с высокой плавностью, включающая методики синтеза по минимуму потребляемой мощности, синтеза по качеству переходного процесса и синтеза схемы конструктивного исполнения РВМ.

Автор выражает благодарность ведущему программисту кафедры ТММ и ДМ Владимирского государственного университета Костерину Андрею Борисовичу, оказавшему неоценимую помощь в получении некоторых численных решений.

1. ПЛАВНОСТЬ — ВАЖНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА РАБОТЫ

ПРИВОДА

1.1. Требования к плавности перемещения в различных устройствах следящих систем

Развитие техники выдвинуло новые научно-технические проблемы и среди них — проблему обеспечения плавного выходного перемещения. Существует целый ряд устройств и технологического оборудования, в которых неплавность выходного перемещения просто недопустима по двум причинам: либо неплавное перемещение нагрузки снижает выходные характеристики объекта, либо неудовлетворительное качество движения вообще не позволяет обеспечить заданный закон управления.

В каждом классе следящих систем можно выделить устройства, где плавность движения исполнительного звена является определяющим требованием.

Прецизионные следящие системы. Самым распространенным примером являются механизмы медленных подач в станках почти всех типов: токарных, фрезерных, шлифовальных, расточных. Неравномерность медленных подач недопустима в высокоточных станках с программным управлением. Неплавность движения при тонких установочных перемещениях, например, при установке межцентровых расстояний для обработки отверстий на расточных и многооперационных станках может привести к ошибке позиционирования, составляющей более половины погрешности обработки [43].

Высокие требования по плавности технологических перемещений, предъявляются к приводам установок выращивания монокристаллов, которые обусловлены тонкостью физических процессов кристаллизации различных материалов. Независимо от схемы процесса (перемещается или плавильный узел, или кристалл) неплавность технологических перемещений является причиной температурных колебаний в зоне кристаллизации. Эти колебания вызывают появление дефектов структуры получаемых монокристаллов, которые приводят к браку получаемой продукции. Анализ процессов выращивания монокристаллов из различных материалов, показывает, что эти процессы являются прецизионными, требующими применения высокоточных систем стабилизации условий роста [50].

В следящих системах контрольно-измерительных приборов неплавность работы приводит к дополнительным динамическим погрешностям измерений. Например, приборы, для контроля кинематической погрешно-

сти зубчатых колес, содержащие фазоимпульсиые измерители. У