автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование планарного электропривода в составе лазерных технологических установок

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГИИ ЧЕСШ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КОБАЛЩ 1ШУКА ИГОРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАНАРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В СОСТАВЕ ЛАЗ ШИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.09.03 -Электромеханические комплексы и системы, аюгючжт их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1991

' / / " N

Работа выполнена на кафедре автоматизированного электропривода Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Научный руководитель - лауреат Государственных премий СССР, доктор технических наук, профессор Ивоботенко Б.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Рубцов В.П.

кандидат технических наук Попов М.А.

Ведущее предприятие - Электромеханический завод им. В.И.Ленина.

Згццита состоится " (3 " СВЫ^^рУ, 1991 г. в [4* час. 00мин, в аудитории Ы-214 на заседании спевдализированного Совета К 053.16.06 в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетическом институте.

Отзыв на автореферат с заверенной подписью просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан дкэ/УЭ! 1991 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент

Анчарова Т.В.

•Г.Ч'

)НЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теин. Современное промышленное производство должно ориентироваться на интенсивный путь развития, на повышение эффективности и качества в условиях намечающегося перехода нашей экономики на рыночные отношения. Одним из основных путей повышения эффективности промышленного производства является комплексная автоматизация на основе новейших достижений науки и техники, переход к безлюдной технологии изготовления промышленной продукции.

В таком видении вопроса, очень актуальным является создание конкурентоспособных лазерных технологических автоматов на базе бесфрикционных мехатронных модулей движения. Лазерная обработка материалов применяется в технологических процессах нового типа, обеспечивающих повышение производительности, надежности и качества, это лазерная сварка, гравировка, прошивка отверстий и многое другое. Бесконтактная лазерная обработка (отсутствие силовой реакции инструмента) упрощает систему перемещения детали и создает идеальные условия для автоматизации процесса. Вместе с тем высокие требования к точности,многообразие технологических аспектов, архитектурная совместимость накладывают жесткие требования на комплектный электропривод лазерных технологических установок.

В диссертационной работе путем сопоставительного анализа спе-ци({ики лазерной технологии, технических и функциональных возможностей бесфрикционных модулей движения обосновано их применение в оборудовании для данной технологий.

Требования к таким показателям движения как точность траекториях перемещений и позиционирования, быстродействие, допустимые значения скоростей и ускорений, а также выбор механических и программных средств обеспечения.требуемых показателей, потребовало провести широкий спектр исследований.

В результате проведенной научно-технической работы был разработан и исследован удовлетворяющий требованиям лазерной технологии планарный электропривод, на базе которого были созданы лазерные технологические установки "-Ьотон-1" и "Фотон-2".

Целью диссертационной работы является обоснование и разработка новых технических средств и способов управления для расширенной адаптации бесфрикционного координатного электропривода к типовш задачам лазерной технологии.

Для достижения этой цели в работе били поставлены следующие эадада:

1. Сопоставительный анализ требований лазерных технологий, технических и функциональных возможностей бесфрикционных модулей движения.

2. Создание и опытно-промышленная эксплуатация лазерного автомата для раскроя стальных листов, а также других листовых материалов ограниченных размеров для проверки и уточнения требований к базовому электроприводу лазерных установок и возможных специальных его модификаций.

3. Отбор и оценка конструктивных и технологических приемов, обеспечивающих различные уровни требований точности к числу степеней подвижности лазерной технологи ческой установки.

4. Разработка встраиваемого датчика положения, стенда для его метрологической аттестации и рекомендации по его использованию в составе базового планарного электропривода.

5. Исследование режимов работы замкнутого планарного алект¡»привода и отбор рекомендуемых структур цифрового и цифро-аналогового управления.

6. Теоретические и экспериментальные исследования общего случая управления пленарным электроприводом с замыканием по координатам объекта обработки.

Методика исследований. Результаты работы получены на основании теоретических и экспериментальных методов исследования дискретного электропривода. Использованы метода графо-аналитического расчета и частотный метод для определения частотных показателей исследуемых систем. Теоретические результаты подтверждены экспериментально с привлечением современных средств вычислительной техники, на действующем опытном образце лазерной технологической установки "Фотон-1".

Научная новизна работы заключается в следующих результатах:

1. Выявлены существенные особенности лазерной технологии, на основании чего обоснована возможность и целесообразность использования в лазерных машинах бесфрикционных мехатронных модулей движения как в разомкнутых, так и в замкнутых структурах управления.

2. Разработан и предложен интегрируемый с якорем магнитореэис-торный датчик положения (МРДП), позволяющий отказаться от конструктивно сложной и дорогой внешней сенсорной части привода и снять reo-

метрические ограничения движения, налагаемые последней.

3. Разработана новая конструкция якоря пленарного электропривода с интегрированным в нее МРДП, позволяющая повысить точность измеряемых положений якоря до приемлемого (- 10 мкм) для лазерной технологии уровня.

4. Обоснована необходимость и предложены алгоритмические и аппаратные средства подавления угловых колебаний якоря и объекта обработки, возникающих из-за нарушения центральной симметрии в отсутствие жестких механических направляющих пленарного электропривода.

5. Выявлено экспериментально и обосновано теоретически, что при нарушении определенных массо-габаритных показателей обрабатываемого объекта и якоря двигателя система может вырождаться в двух-иассовув. Предложено ее математическое" описание и исследовано отрицательное влияние колебаний такой системы на точностные и динамические показатели привода. Предложены и разработаны в лабораторных условиях структуры управления, подавляющие эти колебания при одновременном использовании датчика положения и акселерометров с локальным замыканием системы по контролируемым координатам якоря и объекта обработки.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в следующем:

1. Разработана и проверена в промышленном оборудовании новая базовая конструкция пленарного шагового электропривода встроенным ИРД[1. Созданный базовый электропривод и его модификации удовлетворяют требованиям типовых лазерных технологий и могут быть приняты в качестве основы для агрегатно-модульного построения различных лазерных автоматов.

2. Разработанный МРДП является лрицезионным встраиваемым прибором, обеспечивающим точность измерения положения до - 10 мкм линейных, планаркых и поворотных модулей движения. Этим обеспечивается использование координатных модулей движения в замкнутых структурах управления без ограничений в способах их агрегатирования между собой и без заметного увеличения стоимости.

3. Результаты диссертационной работы внедрены на электромеханическом заводе им. В.И. Ленина при создании опытной серии лазерных

технологических установок для обработки листовых материалов ЛТУ-МРО-200/500.

4. Разработанные схемо-технические и конструктивные решения позволили значительно повысить точность, надежность и производительность пленарного электропривода лазерных установок.

Апробация работы. Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на заседании кафедры АЭЛ, МЭИ (Москва, МЭИ, ноябрь 1900 г.);

- на научном семинаре ЫЭИ-ВГПШ с демонстрацией автомата "МАЛК-2"на выставке научно-технического творчества молодежи в г. Лейпциге, октябрь 1989 р.

Публикации. Основное содержание работы нашло отражение в трех печатных работах и в одном изобретении.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 86-ти наименований и одного приложения. Основная часть работы содержит 95 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 18 таблиц. Общий объем диссертации 175 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОЩ

Введение содержит обоснование актуальности темы, обзор публикаций по данной теме, определение основной цели работы и конкретных задач по ее выполнению.

Первая глава посвяцена сопоставительному анализу особенностей лазерной технологии и технических и функциональных возможностей бесфрикционных мехатронных модулей движения. На основании этого анализа формируются требования предъявляемые к электроприводам лазерных технологических установок и обосновывается их адекватность к данной технологии.

Самое большое преимущество лазерной технологии в том, что она дает возможность бесконтактной обработки и, как следствие, создает идеальные условия для автоматизации процесса. Знакомство с лазерами, применяемыми для обработки материалов, и анализ технических характеристик этих лазеров, позволили сделать вывод, что они яв-

ляются идеальными неградационными инструментами для обработки различных материалов, при этом лазерный луч может делиться на несколько лучей и подаваться на труднодоступные места. Эти преимущества дают возможность применения лазеров в таких современных технологических процессах как лазерная микропайка, сверление, резание, сварка, скрайбироваше и многое другое. Проведенный анализ лазерной технологии позволил сформулировать требования к электроприводам данной технологии. Они приведены в таблице I.

Установка лазерной обработки материалов состоит из следующих устройств: I) лазер, 2) система перемещения и фокусировки луча, 3) система перемещения детали. Последняя играет огромную роль при создании надежных, конкурентноспособных и точных лазерных обрабатывающих установок. В этой главе диссертационной работы в качестве электропривода лазерных установок предлагаются бесфрикционные ыехатронные модули движения - линейные (однокоорданатные) и плалар-ные (двухкоординатные) шаговые двигатели (ЩД) индукторного типа. Они выполнены без механических направляющих я полноотью избавляют систему перемещения детали от дополнительных механических преобразователей движения. Электромеханические X, У, или ¡р- модули строятся из идентичных элементарных модулей двух типов - однофазных и двухфазных, содержащих якорь в виде поляризованных электромагнитов с зубчатыми плюсами и индуктор в виде магнитомягкого сталь» ного материала с зубчатой рабочей поверхностью. В настоящее время в СССР разработаны и выпускаются линейные модули - X, двухкоординатные линейные (пленарные) модули - Х,У, трехкоординатные Х,У,У>-модули и четырехкоординатные Х,У, £ ,<Р-модули. Различные комбинации данных модулей обеспечивают нужную организацию сервисного пространства. Технические характеристики линейных и плянарных модулей приведены в таблице 2 и в таблице 3 соответственно. В таблицах использованы следующие обозначения-^- единичный шаг двигателя с учетом электрического дробления конструктивного шага; р - максимальное синхронизирующее усилие; СХ - предельное развиваемое ускорение;

IГ - предельная скорость; & - погрешность позиционирования;

(Ч - масса подвижной части (якоря); £ - габаритный размер якоря; [_, - рабочий ход. Упомянутые выше координатные модули представлены на рис. I а,б,в,г соответственно.

-t

."> «с

58

JT'

Таблица I

Требования к ЭП лазерных технологических установок

-4

1. Скорость перемещения - 10 н/с + I »/с

2. Точность перемещения - ¿1 + -100 мкм

3. Режим работы - позиционирование, контурный, аварийное

торможение

4. Число координат -1+6

5. Виды движения - линейное, пленарное, поворотное

6. Вспомогательные операции - транспортировка, загрузка

7. Координатные модули движения

Таблица 2

Характеристики линейных модулей

Модель Цмю! ^Н Ом/с* Км/с ¿мкм юкг ¿ш Д т

079 10 16 10-20 0,5-0,8 10 0,5 122 1000

108 10 60 20 0,5-0,8 10 I 135 600

113 10 . 32 10-20 0,5-0,8 10 0,8 ИЗ 1000

190 10 120 20 0,5-0,8 10 2 135 600

Таблица 3

Характеристики планарнмх модулей

Модель !о/^км ^Н а,м/с*1 1Г}м/с т^кг

0 32 10 45 30 0,8 10 1.5 150

076 10 24 20 0,5 10 1,1 154

003 10 60 20 0,3 10 1,6 228

138 10 45 20 1,0 10 1.2 200

па 10 45 20 0,8 10 1.2 135

112 10 10 10 0,5 10 0,35 75

Как следует из приведенных в таблицах данных координатные модули движения в общем случае могут удовлетворять требованиям лазерных технологических установок. Однако в этой сложной

и совершенно неизученной задаче было бы неубедительно выделить чисто логическим путем какой-то один вариант и исследовать только его. Было принято решение о необходимости создания опытно-промышленной установки для прямой проверки ряда возможностей и решений.

Во второй главе проанализированы результаты лабораторных и заводских испытаний опытной лазерной технологической установки для раскроя стальных листов ограниченных размеров "Фотон-1" и предложен широкий спектр технологических и конструктивных решений, обеспечивающих различные уровни точности и число координат электроприводов лазерных установок.

Установка "Фотон-1" была создана ВНГК "Время-2" совместно с электромеханическим заводом им. В.И. Ленина, для прямой проверки и уточнения требований базовым электроприводам лазерных техноло-нических установок.

Ери выборе базового электропривода данной установки анализ оптимальных конструкций ыехатронных модулей движения показал, что в большинстве случаев при организации многокоординатного рабочего пространства для прецизионных операций удобным является двухкоор-динатный линейный модуль с планарнда шаговым электроприводом индукторного типа на аэростатической подвеске. Разработка пленарного дискретного электропривода с таким двигателем ведется в МЭИ на протяжении последних 10 лет под руководством профессора Ивоботенко Б.А. Результаты опубликованы во многих работах и являлись основой для. изобретений.

Достигнутый современный уровень чисто программного формирования необходимых токовых состояний и адаптации этих электрических состояний к механическим, позволяет наряду с замкнутыми структурами управления применить и разомкнутые структуры, в известной мере удовлетворяющие требованиямк точности электроприводов лазерных установок. Это было использовано и в установке "йотон-1" на первом этапе применена разомкнутая структура управления. При этом мы получили возможность воспользоваться основными готовыми модулями движения и ограничиться простой структурой управления и простым контроллером, который входит в состав компьютера ХТ 640Т.

Компьютер служит для осуществления диалогового режима и позволяет синтезировать траекторию движения для нужной нам операции раскроя. Системой можно управлять также от программируемого конт-

роллера или от системы ЧПУ, если сигнал задания превратить в унитарный код и создать искусственное подтверждение положения.

Анализ наблюдений, сделанных за двухлетний период опытной эксплуатации, поз юлил сформировать основные выводы по "Фотон-1":

- для ряда лазерных технологий допускающих точность до

^ 100 мкм достаточно использовать привод с электрическим дроблением конструктивного шага, простые усилители мощности и специальную логику в плате, которая входит в состав компьютера;

- в приводе, где отсутствуют датчики обратной связи, динамические и граекторкые ошибки могут быть существенными (.- 50 мкм), система надежна, но требует обязательного присутствия оператора;

-наиболее слабым местом является обязательное соблюдение соразмерности массогабаритных показателей объекта обработки и соответствующих показателей двигателя.

Проведенный практический и теоретический анализ по "Фотон-1" убедил в том, что. для создания надежных лазерных автоматов на базе планарного шагового двигателя, необходима разработка способов замыкания, средств управления и конструкции привода соответствующих более жестким требованиям лазерной технологии. Второй этап работы на установке "Фотон-!" - это использование акселерометров для коррекции динамических ошибок разомкнутого планарного электропривода.

В данной главе проведен анализ применения датчиков ускорения (акселерометров) для замыкания системы. Рассмотрены имеющиеся в. Советском Союзе и во многих зарубежных странах разработки применения акселерометров в качестве наблюдателя поведения системы. В; опытном образце установки "Фотон-1" применение акселерометров позволило снизить корридор динамической ошибки до 30-40% от исходной величины и выработать сигнал аварийной остановки привода.

Вместе с тем сделан вывод, что использование акселерометров как косвенных измерителей положения подвижной части шагового электропривода не позволяет достичь требуемых показателей траекторией точности движения .

Для достижения высоких точностных показателей планарного шагового электропривода лазерных установок рассматривался широкий спектр решений применения датчиков положения с незаписимой системой отчета координат, что составило третий этап работы с установкой "Фотон-1и и дополнительно созданной установкой"Ш1ЛК-2". Пред-

ложены и рассмотрены оптоволоконные датчики положения, отчитывающие информацию о положении ЩЦ от дополнительной информационной поверхности нанесенной на индуктор ЩД. Сконструирован оптический датчик положения с растровой сателитной решеткой размером 70x70 мм. На базе такого датчика было разработано устройство точного позиционирования с применением двух планарных двигателей. Само устройство и способ точного позиционирования описывается в данной главе диссертационной работы и является основой изобретения. Устройство и способ точного позиционирования реализованы при участия автора в опытном образце лазерной технологической установки для гравирования ' "МАЛК-2". Она демонстрировалась на выставке "Научно-технического творчества молодежи" в г. Лейпциге, ГДР, в 1989 г. и вызвала интерес советских и зарубежных специалистов.

В качестве конструктивных решений предложен оригинальный способ закрепления интегрируемых с якорем датчиков положения, избавляющий последних от флюктуадии воздушной опоры пленарного двигателя, которая возникает в нем вследсгвии неравномерного распределения сил притяжения. Разработана и предложена новая конструкция планарного пьеэомагнитного шагового двигателя, по своим точностным показателям значительно превосходящая пленарные двигатели индукторного типа. Он является основой изобретения.

Все предлагаемые технологические и конструктивные решения являются перспективными, но одновременно требуют серьезной разработки соответствующих технологических процессов при производстве двигателя. Поэтому существенный упор сделан на датчики положения не требующие дополнительных технологических приемов, а способных использовать готовую информационную поверхность одновременно являющуюся энергетической, т.е. индуктор шагового двигателя.

На четвертом этапе работы с установкой "Фотон-1" был проведен анализ датчиков положения использующих зубчатую поверхность индуктора как информационную.

На основе теоретического анализа и практических работ в лаборатории в качестве базового был выбран магниторезистивный датчик положения ШРДП).

Третья глава посвящена разработке датчика цифрового измерителя положения (МРДП). Анализ информационного фонда показывает, что современный цифровой преобразователь перемещения (ЦПП) должен

состоять из относительно простого (насколько это возможно дая обес-

печения заданной точности) электромеханического первичного преобразователя (ПП), непосредственно воспринимающего измеряемое перемещение и вторичного преобразователя (ВП) - электронного узла, обрабатывающего полученную информацию и представляющего ее в цифровом виде.

Базовая конструкция устройства первичного преобразования представлена на рис. 2. Она состоит из П-образного магнитопровода (МП), связанного с зубчатым индуктором (И). Магнитопровод содержит постоянный магнит (Ю и сквозной поперечный разрез, в котором расположен магниторезистор (МР). Полюса магнитопровода имеют зубчатость, шаг которой равен зубцовому шагу индуктора. При движении устройства вдоль поверхности индуктора под зубцами полюсов П-образного магнитопровода изменяется магнитная проводимость рабочего зазора в функции положения. В соответствии с этим законом изменяется величина магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом, а следовательно и значение сопротивления магниторезистора

Я =йа+Я1 № 4^00 ,

где Йо - постоянная составляющая сопротивления магниторезистора",

- амплитуда первой волны изменения сопротивления магниторезистора;

X - значение координаты перемещения.

Такое построение ПП отличает его простотой и надежностью, но имеет и недостатки, которые перечислены и проанализированы в настоящей диссертационной работе. На рис. 3 предложен конструктив ПП, обеспечивающий положительное решение всех недостатков кроме одного, которое связано с тем, что при объединении якоря и считывающего устройства образуется единый конструктив. Нежесткость воздушного зазора, проявляющаяся в подвижности якоря по оси нормальной к плоскости индуктора,передается л датчику, у которого также происходит изменение зазора между зубчатым П-образным полюсом и индуктором ВД. Это ведет к изменению амплитуды полезного сигнала.

Конструктив ПП (рис. 3) содержит два П-образных магнитопровода I и 2, разделенных постоянным магнитом 3 с направлением намагничивания, указанный на рисунке. В поперечных сквозных разрезах полюсов 4,5,6,7 размещены магниторезисторы 8,9,10 и II, сопротивление которых соответственно И, Й2, ИЗ, К4. На зубчатых полюсах имеются зуб-

цы, взаимное расположение которых имеет пространственный сдвиг. Если в данный момент оси зубцов полюса 4 совпадают с осями зубцов индуктора (сдвиг А X = 0), то на полюсе 5 ¿dX «= |?*/2, на полюсе 6 АХ «= "^/4 и на полюсе 7 АХ « ЗТ/4. При движении устройства вдоль поверхности индуктора изменяются сопротивления магнитореэисто-. ров KI, R2, R3, R4.

Rl = Ro + RiCos ^DC ; R2 =Ro -RíCOS ^fcc i R3 =Ro+RiSlnif&;

2JT

R4 =/?0 -RiStn -^vc.

Способ питания чувствительных элементов и предварительное усиление организовано так, чтобы компенсировались постоянные составляющие и на выходе получились 2 сигнала.

Uí-U^stnfoc; uz=UmC0a^foc;Um=2RiK.

Рассмотренная структура ПП образует схему двухканального дифференциального ДП с аналоговым фазозависимым видом выходного сигнала. Проанализированы температурные режимы ПП и предложена структура термокомпенсационного канала. В этом же разделе и графоаналитический расчет ПП на ее основе.

В практике построения ЦПЛ фазового типа большое значение имеет второй этап преобразования фаза-код. С учетом наблюдаемой нестабильности амплитуд исходных ортогональных сигналов ПП и теоретических исследований был предложен оригинальный способ обработки исходных сигналов, который заключается в следующем. Если на фазовой плоскости вектора U Un С U U¿ — выходные сигналы ПП) дополнительно ввести опорный врящатцийся вектор F CiP) (рис. 4) с известным текущими параметрами положения, то фаза результирующего вейто^а U может быть определена в момент совпадения векторов • U И г по направлению, связанному со значением его параметра ¡р ,

а)

зафиксированного в указанные моменты совпадения направления векторов. Анализ векторной диаграммы (рис. 4) показывает, что совпадение направлений векторов £ и U может быть зафиксировано независимо от мгновенного значения амплитуды результирующего вектора Ü . Тем самым может быть снято условие амплитудной нестабильности соответствующих векторов Ui и V¡ . Если текущее положение вектора U представить в виде сигнала отношения составляющих

а текущее положение вектора F _как íg (рис. 4), то в момент совпадения направлений векторов U и Т получим точки Q,S,...,B (рис. 4) tgMoc = tQy>, (2)

т. е. = У.

Условие (2) позволяет определить положение вектора U посредством дискретной выборки параметра '¡р , в указанные моменты совпадения. Анализ показал, что отношение ^/с/д составляющих U , не зависит от величины воздушного зазора.

В этом состоит преимущество способа, позволяющее сохранить стабильность регистрируемых характеристик в реальных условиях эксплуатации пленарного привода. Структура технической реализации способа описана в данном разделе диссертационной работы.

Дня метрологической аттестации разработанного ЦПП был создан экспериментальный стенд. Эксперименты объединены в три блока.

Первый блок экспериментов имеет целью исследование 11П, т.е. определение точности преобразования перемещение-параметр, в качестве которого рассматривались выходные сигналы.

üj = sin Щх S U&= COS Тр - а: •

Оценка точности производится посредством гармонического анализа кривых Ui и Uz • Анализ приведенных в диссертации таблиц гармонического разложения Фурье и спектрограмм показывает, что из всех ПП подвергнутых исследованию, большинство содержит исключительно 1-ую гармонику, честь ПП содержит в спектре выходных сигналов,

кроме основной волны, 3-ю гармонику с уровнем амплитуды не превышающей Ь%. .

Цель второго блока экспериментов - оценка точности преобразования параметр-цифра. Оригиналы таблицы сравнения преобразованного параметра с эталонным приведены в диссертационной работе.

Третий блок экспериментов посвящен точности измерения положения, путем сравнения показаний эталонного к исследуемого ЦДЛ. Абсолютная ошибка исследуемого измерителя лежит в пределах (+6- -8) мкм (рис. 5). Гистограмма имеет четко выраженный период повторения, что указывает на систематический характер ошибки преобразования.

Расчеты и эксперименты позволили осуществить конструктивную доработку МРДП и дать рекомендации по его производству, сборке и закреплению на двигателе.

С учетом этих рекомендаций и методики метрологической аттестации удалось создать весьма точный и недорогой встроенный привод для измерения перемещений координатных модулей индукторного типа.

Четвертая глава суммирует полученный в работе опыт работы с установкой "4отон-1", результаты работы по использованию экспериментов, и разработанный датчик положения для обоснования базовой замкнутой структуры и конструкции планарного электропривода лазерных установок.

На рис, 6 представлены структуры цифрового (позиция "а") и цифро-аналогового управления приводом от устройства ЧПУ (поэиция"б") с применением разработанного датчика положения (ДД). Показано, что в рамках этих структур априорное формирование токов двигателя, как и в случае разомкнутого управления, целесообразно и способствует уменьшению динамической ошибки. Подробные результаты этого раздела работы не вносятся в автореферат, поскольку над замкнутым приводом работал коллектив лаборатории.

Важным новым наблюдением автора в процессе работы с замкнутым электроприводом было следующее:

1. При нарушении геометрической соразмерности меаду якорем без механических направляющих и объектом обработки вместе с необходимыми технологическими приспособлениями резко увеличивается траектор-ная ошибка;

2. В наблюдаемой ошибке доминируют условия девиации обрабатываемой детали.

Эти наблюдения потребовали анализа, теоретического исследова-

ния и создания специального стенда для изучения нарушений и проверки рекомендованных мер по их устранению.

Установлено, что при нарушении массо-габаритной соразмерности "якорь-деталь" система проявляет себя как двухмассовая. Ее поведение может быть представлено уравнениями

Для выделения сигналов, характеризующих динамическое состояние такой двухмассоюй системы, предложено в дополнение к МРДП устанавливать в точках наибольшего удаления от центра масс акселерометры. Структурная схема комбинированной системы управления показана на рис. 7. (контур регулирования по положению на рис. не показан).

На стенде, реализованном согласно показанным структурным схемам, проведен большой объем натурных исследований. Сняты амплитудно-частотные характеристики привода без замыкания по сигналам акселерометров и с замыканием. Полученные осциллограммы (рис. 8) убедительно подтверждают правомерность использованного математического описания и эффективность алгоритма учета возникающих угловых колебаний.

В работе даны рекомендации, регламентирующие геометрическую соразмерность "якорь-деталь", а также рекомендации по подавлению нежелательных явлений, если соразмерность не удается обеспечить в полной мере.

Совокупность простых разомкнутых систем привода, замкнутых по сигналам положения МРДГ1 и дополненных акселерометрами^ в сложных случаях охватывает подавляющее большинство ситуаций, встречающихся в лазерных технологических установках.

Таким образом агрегатно-модульное построение лазерных установок с мехатронньми узлами движения может быть рекомендовано промыи-ленности.

Fi -Г« -Раг = ^ ;

с1гв<

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненной работы:

1. Предложен, разработан, теоретически и экспериментально исследован и подготовлен к. серийному производству МРД-положения встроенного типа, предназначенный для комплектации пленарных, линейных

и поворотных бесфрикционных модулей движения многокоординатного электропривода.

2. Дополнительно рассмотрены и предложены другие средства конструктивной и технологической интеграции органов измерения положения в составе многокоординатного электропривода, "рекомендуемые при увеличении требований к его точности и числу координат.

3. Разработана новая конструкция пленарного двигателя с МРД и схемы выделения его сигнала, позволяющие повысить точность измеряемых положений.

4. Показано, что при соразмерности масса-габаритных показателей якоря пленарного двигателя и объекта обработки, система может рассматриваться как одномассовая, при этом МРД достаточен для создания замкнутых структур привода и позволяет надежно реализовать все режимы работы привода с контролем и подавлением угловых девиаций якоря и практически одинаковыми показателями траекторной точности движения на всех его участках.

5. При нарушении соразмерности масса-габаритных показателей и нагрузки установлено, что система при некоторых допущениях может и должна рассматриваться как двухмассовад. Получено математическое описание этого общего случая, предложены и разработаны л лабораторных условиях структуры управления, при одновременном использовании МРД

и датчиков акселерометров.

6. Снятые в натурном эксперименте амплитудно-частотные характеристики подтвердили пригодность математической модели для синтеза реальных структур планерного привода, позволяющих минимизировать установленную мощность и размеры привода лазерных установок.

7. Впервые построенные на базе пленарного электропривода экспериментальные установки "Фотон-1", "ШШК-1" и "МАЛК-2" подтвердили сделанные в работе выводы о целесообразности широкого применения бесфрикционного многоксординатного привода в лазерных установках.

Основные положения диссертационной работы нашли отражение в следующих публикациях:

1. Дрброелов В.Г., Кобалия М.И., Московская Е.С. Способ измерения усилий и моментов линейных и многокоорданатных шаговых электродвигателей. - М., 1990 - 9 с. - Деп. в Информвлектро. 19.11.90 № 148-ЭТ90.

2. Доброслов В.Г., Кобалия М.И. Системы с переменной струк»-турой для управления шаговыми электроприводами производственных комплексов. - Ы., 1990 - 7 с. - Деп. в Информэлектро. 19.11.90

» 149-ЭТ90.

3. Валковой А.П., Габов А.П., Рыжов С.Н., Кобалия М.И. Датчики тока в электроприводе// Изв.вузов - 1991,- 61-65 с.' Электромеханика № 2.

Подписано к лгчати Псч л.

Т"и1мг|м<|мй Kpat нонатйрж'мчар, 13.

Тираж /СО 3«»' i/3