автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка силовых электромеханических модулей многокоординатного шагового электропривода

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ СИЛОВЫХ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ.

1.1. Устройство и принцип действия электромеханического модуля

1.2. Особенности проектирования силовых электромеханических модулей.

1.3. Обоснование базовых конструкций силовых электромеханических модулей.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ.

2.1. Обоснование метода исследования силовых электромеханических модулей.

2.2. Анализ процесса электромеханического преобразования энергии и нагрева, вывод безразмерных комплексов

2.3. Анализ процессов в аэростатических опорах, вывод безразмерных комплексов

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ.

3.1. Организация эксперимента в связи с постановкой задачи синтеза

3.2. Обоснование плана эксперимента.

3.3. Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов

3.4. Тепловые испытания и исследование силовых характеристик

3.5. Экспериментальное определение точности позиционирования и вторичных параметров . III

3.6. Исследование аэростатических опор

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСЖОГО ОПИСАНИЯ

СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ЗАДАЧ СИНТЕЗА И МОДУЛЕЙ,

ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ПО УДЕЛЬНЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ

4.1. Обработка экспериментальных данных и вывод уравнений синтеза

4.2. Критериальные модели однофазных электромеханических модулей

4.3. Оптимизация силовых электромеханических модулей по удельным показателям.

ВЫВОДЫ.

Среди множества современных автоматизированных технологических установок выделяется класс таких, основная специфика которых заключается в необходимости выполнения электроприводом сложных многокоординатных перемещений рабочих органов с высокими быстродействием и точностью. Сюда входят автоматизированные установки производства печатных плат, изготовления и контроля изделий микроэлектроники, чертежное и печатающее оборудование, оптико-механические системы, манипуляторы для автоматизации сборочных операций в приборостроении и радиопромышленности.

В последние годы в таких устройствах все более широкое применение находит многокоординатный шаговый электропривод, непосредственно, без кинематических преобразователей реализующий многокоординатные перемещения, обеспечивая при этом р линейные скорость и ускорение до I м/с и 50 м/с соответственно, ошибку позиционирования не более 20 мкм при разомкнутой структуре привода [i , 2J . Основой появления многокоординатного шагового электропривода явились разработанная в МЭИ концепция построения сложного движения [з, 4], новые конструкции бесконтактных электродвигателей, непосредственно выполняющих сложные движения [ 5 ] , оригинальные методы электронного редуцирования движения и калибровки электрических состояний шаговых электродвигателей,£ 3, 6J.

С учетом новейших достижений микроэлектроники и преобразовательной техники сформулированы [ 7 J основные принципы синтеза многокоординатного шагового электропривода :

- за счет усложнения системы управления максимально упростить конструкцию бесконтактного электромеханического преобразователя, сведя его к совокупности однотипных электромеханических модулей;

- конструктивно объединить подвижные части привода, способные выполнять сложные перемещения, с рабочими органами механизмов;

- наоборот, разделить, обособить каналы управления отдельными координатами результирующего сложного движения.

Модульную базу современного многокоординатного шагового электропривода образуют электромеханические модули - простейшие по конструкции типовые электромеханические преобразователи, несложные топологические преобразования которых порождают разнообразие видов движений, и электронные модули системы управления, обеспечивающие распределение управляющих импульсов по фазам двигателя и усиление мощности этих импульсов, электрическое дробление конструктивного шага, демпфирование колебаний скорости в конце движения, калибровку электрических состояний двигателя и т.д. Благодаря модульному построению электропривода обеспечивается гибкость разработки новых технологических установок, поскольку процесс их создания сводится в основном к выбору, рациональной компоновке и конструктивному объединению с рабочими органами типовых функциональных модулей. Даже ограниченный набор реализованных модулей многокоординатного шагового электропривода позволил получить многообразие их композиций и создать гамму уникальных по технологическим показателям изделий Qe —1(5] .

Указанные выше свойства многокоординатного шагового электропривода, приспособленность его к управлению от ЭВМ, в том числе - к микропроцессорному, простота реализации согласованных перемещений обусловливает целесообразность использования многокоординатного электропривода в современных ро-бототехнических устройствах, составлящих основу переналаживаемых и безлюдных производств. Как подчеркивалось на ХХУ1 съезде КПСС, "поистине революционные возможности открывают создание и внедрение миниатюрных электронных управляющих машин, промышленных роботов. Они должны получить самое широкое применение", необходимо "развивать производство и обеспечить широкое применение автоматических манипуляторов (промышленных роботов),встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, создавать автоматизированные цехи, заводы" .

При создании разнообразных робототехнических устройств возникает многообразие требований к электроприводу. В этих условиях эффективность широкого внедрения многокоординатного шагового электропривода определяется наличием простых, понятных широкому кругу специалистов, пусть оценочных, но достоверных, как принято называть - инженерных методов синтеза привода и электромеханических модулей как его основы.

Основная цель настоящей работы в связи с изложенным состоит в разработке силовых электромеханических модулей, предназначенных в первую очередь для электропривода робототехнических устройств, и получении обобщенного математического описания силовых электромеханических модулей, приспособленного к решению задач синтеза. й Материалы ХОТ съезда КПСС -М.:Политиздат,1981.-223 с.

В работах £2, 7, II ] исследуются электромеханические модули и образованные из них шаговые двигатели прецизионного многокоординатного электропривода. При этом в центре внимания авторов сообразно поставленным задачам находятся вопросы компоновки и взаимодействия электромеханических модулей, точности позиционирования, а представленные методы расчета электромеханических модулей либо основываются на линейных представлениях, либо приближенно учитывают нелинейности модулей, но неудобны при решении задач синтеза.

Научная новизна настоящей работы состоит в следующем :

1. Обоснованы базовые конфигурации и сформулированы основные алгоритмы проектирования силовых электромеханических модулей.

2. Впервые для исследования и разработки электромеханических модулей обоснован и использован метод теории подобия в сочетании с планируемым экспериментом.

3. Получены критериальные соотношения, связывающие параметры, показатели и свойства электромеханических модулей, позволяющие разрабатывать силовые модули и электроприводы на их основе.

4. Впервые использован расчетно-экспериментальный метод определения основного показателя силовых электромеханических модулей - амплитуды статической электромагнитной синхронизирующей силы.

5. Установлены основные закономерности, которым подчиняются оптимальные соразмерности силовых электромеханических модулей и выявлены способы повышения их удельных показателей.

В диссертации получены и на защиту представлены :

I. Методика исследования и разработки силовых электромеханических модулей с применением теории подобия.

2. Результаты экспериментальных исследований силовых электромеханических модулей в виде полиномиальных уравнений, максимально приспособленных к решению задач синтеза.

3. Практические рекомендации по повышению удельных массогабаритных и энергетических показателей силовых электромеханических модулей.

Диссертационная работа является частью исследований, выполняемых кафедрой Автоматизированного электропривода ГШ в соответствии с Координационным планом АН СССР по проблеме "Научные основы электротехники и электрофизики".

Работа выполнялась в тесном содружестве с промышленностью и для удовлетворения ее потребностей.

Основные положения диссертации докладывались на Юбилейной научной конференции Московского энергетического института, посвященной 60-летию образования СССР, г.Москва,1982 г.; У Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования, г.Москва,1983 г.; III Всесоюзной научно-техшь ческой конференции "Роботы и робототехнические системы", г .Челябинск,1983 г.

Основное научное содержание настоящей работы отражено в публикациях [ 12, 13 J .

ВЫВОДЫ

I. В результате обработки экспериментальных данных получены обобщенные полиномиальные уравнения синтеза силовых двухфазных электромеханических модулей и аэростатических опор» Установлено, в частности, что в выбранном диапазоне варьирования факторов жесткость опоры не зависит от параметров питания опоры, а для получения адекватных представлений электромагнитных сил необходимо осуществлять преобразование функции цели, исключающее эффект взаимодействия .

2. Предложен расчетно-экспериментальный метод, с помощью которого построены критериальные модели силовых однофазных электромеханических модулей для задач синтеза. Выявлено, что при одинаковых параметрах модулей амплитуда статической электромагнитной силы однофазных электромеханических модулей, взятой по основной гармонике, в большей части области варьирования факторов превышает минимальное значение амплитуды статической электромагнитной силы двухфазных модулей.

3. Показано, что для оптимизации силовых электромеханических модулей по удельным показателям целесообразно использовать метод Нелдера и Мида (деформируемого многогранника) с использованием штрафной функции.

4. Проведена оптимизация силовых электромеханических модулей по основным удельным показателям. Установлено, что для обеспечения оптимальности параметры Z f (f / ^ необходимо поддерживать на нижнем, а / ^ *" на верхнем уровне диапазонов варьирования.

5. Получены оптимальные соразмерности силовых электромеханических модулей и определены направления повышения удельных показателей в процессе проектирования. Показано, что основную роль играют параметры & / ^ ж ^ » ДРИчем их оптимальные сочетания подчиняются закономерности: при увеличения по отношению к среднему уровню одного из них другой уменьшается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследованы силовые электромеханические модули многокоординатного шагового электропривода, на основе экспериментальных результатов разработаны обобщенное математическое описание, адаптированное к реше- ' нию задач синтеза, и оптимизированные по удельным показателям силовые электромеханические модули. При этом получены следующие основные результаты:

1. Анализ особенностей синтеза многокоординатного шагового электропривода позволил определить два алгоритма разра- . ботки силовых электромеханических модулей, один из которых предполагает создание специальных модулей с помощью инженерных уравнений синтеза, а другой - их выбор из числа предварительно оптимизированных по основным удельным показателям статической и динамической добротности и энергетической эффективности.

2. Обоснованы в качестве базовых душ широкого применения, прежде всего, в робототехнике конструкции двухфазного модуля с размещением фазных обмоток на спинках сердечников якоря, а постоянного магнита - между сердечниками и однофазного модуля с расположением постоянного магнита между сердечниками.

3. Разработан инженерный метод синтеза силовых электромеханических модулей и аэростатических опор на основе теории подобия. В результате общего анализа процессов электромеханического преобразования энергии, нагрева и газовой смазки получены безразмерные комплексы,которые характеризуют эти физические процессы в электромеханических модулях и аэростатических опорах и позволяют осуществлять подобные цреобразова-ния для решения задач синтеза. Установлено при этом, что в число безразмерных комплексов входят известные в теории подобия числа Ньютона, Био и Лагранжа. Безразмерные комплексы можно приводить к виду, удобному для объяснения и использования, в частности комплекс Uj^ t / F сводится к соотношению магнитодвижущих сил фазы и постоянного магнита IffjVf/ Fq . Особенности питания ЭММ от источника тока учитываются заменой безразмерного комплекса U^ i / Pqu ^ на It Реи / F^z и добавлением безразмерного параметра коэффициента форсировки kq> и безразмерных параметров, характеризующих форму фазных токов.

4. По результатам экспериментальных исследований получено обобщенное математическое описание для задач синтеза силовых ЭММ. При этом предложен и разработан расчетно-экспери-ментальный метод определения основных характеристик модулей. Выявлено, что на стадии цредварительного выбора параметров силовых ЭММ можно пренебречь влиянием на величину номинального тока всех параметров за исключением диаметра обмоточного провода, а постоянную времени фазной обмотки и соотношение высот постоянного магнита и сердечника считать постоянными.

5. Разработаны силовые ЭММ, оптимизированные по удельным динамическим, массогабаритным и энергетическим показателям и установлены основные закономерности, которым подчиняются их соразмерности. Установлено, в частности, что практически все оптимизированные ЭММ должны иметь максимальную относительную длину зубцов якоря / и минимальные число зубцов Z полюса и относительный рабочий зазор

S"/*CZ .

6. В результате оптимизации силовых электромеханических модулей по каждому из основных удельных показателей, установлены соразмерности, позволяющие повысить соответствующие показатели: в 1,5 раза - динамическую добротность, в 4,85 раз - статическую добротность, в 1,5 раза - энергетическую эффективность в сравнении с показателями серийных ЭММ.

Разработанные набор силовых ЭММ и инженерные методы их синтеза позволяют в кратчайшие сроки создавать автоматизированное оборудование на базе многокоординатного шагового электропривода. Полученные в результате оптимизации силовые ЭММ с улучшенными удельными показателями дают возможность повысить производительность электропривода, его энергетическую эффективность и массогабаритные характеристики.

Метод исследования и синтеза ЭММ с помощью теории подобия, разработанный в диссертации, может быть применен в отношении любых электромеханических устройств и систем. Созданная экспериментальная установка и полученные математические модели, имеющие вполне самостоятельное значение, открывают вместе с тем дорогу к совершенствованию математического описания как с точки зрения его точности, так и расширения круга варьируемых в процессе синтеза параметров электромеханических модулей.

1. Приборные системы с прецизионным шаговым электроприводом / Сазонов А .А., Мелкумов Г .А., Соломахин Д.В., Добро-слов В «Г. - Тр./ Моск.энерг.ин-т, 1979, вып. 440, с.75-81.

2. Луценко В.Е., Баль В.Б. Выбор и расчет электромагнитных модулей многокоординатных шаговых двигателей. Тр./ Моск. энерг.ин-т, 1979, вып. 440, с.31-37.

3. Ивоботенко БД., Ильинский Н.Ф., Кожин С.С. Физические принципы и структуры электрического дробления шага в дискретном электроприводе. Тр./ Моск.энерг.ин-т, 1979, вып. 440, с.5-20.

4. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф. Управление прецизионным движением шаговых электродвигателей. Тр./ Мездунар. конфер. по системам с шаговыми двигателями, Университет в Лидсе, Англия, 1979, с.33-37.

5. Луценко В.Е., Соломахин Д.В., Григорьев В.Е. Принципы построения и конструкции многокоординатных шаговых электродвигателей. Тр./ Моск.энерг.ин-т, 1979, вып. 440, с.20-30.

6. Кожин С.С. Разработка дискретного позиционного электропривода с электрическим дроблением шага. Дис.канд.техн. наук. - М., 1984.- 209 л.

7. Гониашвили Э.С. Исследование двухкоординатного позиционного линейного шагового электропривода. Дис.канд.техн. наук. - М.-Тбилиси, 1978.- 155 л.

8. Многокоординатные высокоскоростные прецизионные системы с программным управлением на базе линейных шаговых двигателей / Онегин Е.Е., Филиппович Е.В., Белявский Е.И. и др.

9. Электронная техника, серия 7, вып. 6(97), 1979, с.50-54.

10. Двухкоординатный линейный шаговый двигатель на магни-товоздушной подвеске / Белявский Е.Й., Зенькович В.А., Ля-шук Ю.Ф. и др. Электронная промышленность, вып. 6, 1978,с .41.

11. Производство линейных шаговых двигателей / Белявский Е.И., Онегин Е.Е., Ляшук Ю.Ф., Ярош А.В. Электронная промышленность, 1979, вып. 3, с.26-27.

12. Баль В.Б. Разработка и исследование линейных шаговых электродвигателей. Дис.канд.техн.наук. - М., 1982.- 162 л.

13. Попов М.А. Применение теории подобия для анализа и синтеза электромеханических модулей. Тр./ Моск.энерг.ин-т, 1983, вып. 600, с.92-99.

14. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Ивоботенко Б.А., Рубцов В.П., Садовский Л.А. и др.: Ред.

15. М.Г.Чиликни. М.: Энергия, 1971.- 624 с.

16. Луценко В.Е., Баль В.Б. К вопросу выбора типа линейного шагового электродвигателя для привода манипуляторов. -Тр./ Моск.энерг.ин-т, 1979, вып. 413, с.13-19.

17. Мельников Н.В. Исследование новых многокоординатных систем шагового электропривода для роботов и манипуляторов. -Дис.канд.техн.наук. М., 1981.- 148 л.

18. А.о. 746830 (СССР). Механизм шаговых перемещений / Авт. изобр. Луценко В.Е., Зенькович В.А., Филиппович Е.В. и др. Заявл. 26.12.77, № 2562618; Опубл. в Б.Й., 1980, № 25; МКЙ Н 02 к 41/02.

19. А.с. 657539 (СССР). Двухкоординатный шаговый электродвигатель / Моск.энерг.ин-т; Авт. изобр. Ивоботенко Б.А., Баль В.Б., Луценко В.Е. и др. Заявл. 14.07.76, & 2442566; Опубл. в Б.И., 1979, $ 14; МКЙ Н 02 к 41/02.

20. Опоры скольжения с газовой смазкой / Шейнберг С.А., Жедь В.П., Шишеев М.Д. и др.: Ред. С.А.Шейнберг. М.: Машиностроение, 1979.- 336 с.

21. Barber N.J. Electric drives step forward in robot ranks. Elec. rev. f r.211, Or. Brit., Ш2.

22. Мишкинд С.И., Фомин А.В. Применение промышленных роботов в сборочном производстве. В сб. Технология и оборудование механосборочного производства (Итоги науки и техники, ВИНИТИ АН СССР), М., 1982, В 5.

23. Фомин А.В. Основные направления развития сборочного производства за рубежом. Автомобильная промышленность, 1980, № 7, с.32-33,

24. Maser Н. Mechanisierung cier Montage.

25. VDI Nacbr., 1980, 34, а/6, S. 18.

26. Drazan P. Limit an assemblg robotsdexterity and increase its flezliy.-Proc. Eng., 1Ш, 61, p. 18-19.

27. Astrop A. Robots dominate Italian exhibition-Ma,ch. and. prod. eng., 1982, N3607,19-21

28. A braham R.D. Programmable automation ofbatch assembly operations .-The ind. robot, /£77,4, N3.

29. Larsen R.J. Automated assembly makes its mark in mfgIron age, 197Q, N22.

30. Abraham R.C. Computer vision and sensor-based robots, Plenum press, N. -J.- Ind., №79.

31. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер A.C. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979.- 616 с.

32. Проектирование электрических машин / Копылов И.П., Горяинов Ф.А., Клоков Б.К. и др.: Ред. И.П.Копылов. М.: Энергия, 1980.- 496 с.

33. Ивоботенко Б.А., Козаченко В.Ф. Шаговый электропривод в робототехнике. М.: МЭИ, 1984.- 100 с.

34. Постоянные магниты: Справочник / Альтман А.Б., Гер-берг А.Н., Гладышев П.А. и др.: Ред. Ю.МЛятин. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980.- 488 с.

35. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. М.: Высш. школа, 1973.- 296 с.

36. Ильинский Н.Ф. Элементы теории эксперимента. М.: МЭИ, 1980.- 92 с.

37. Клайн С.Дж. Подобие и приближенные методы. М.: Мир, 1968.- 302 с.

38. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. М.: Высш. школа, 1976.- 479 с.

39. Шенк X. Теория инженерного эксперимента: Пер. с англ. / Ред. Н.П.Бусленко. М.: Мир, 1972.- 381 с.

40. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии: Пер. с англ. / Ред. С.В.Страхов. М.-1.: Энергия, 1964.- 528 с.

41. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Энергия, 1975.184 с.

42. Ключев В.И., Теличко Л .Я. Оптимизация электропривода с упругой связью по критерию минимума колебательности в переходных процессах. Электричество, 1977,№ I, с.38-43.

43. Бродовский В.Н., Иванов E.G. Приводы с частотно-токовым управлением. М.: Энергия, 1974.- 169 с.

44. Борисенко А.И., Данько В.Г., Яковлев А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. М.: Энергия, 1974,- 560 с.

45. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981.416 с.

46. Жукаускас АЛ. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982.- 472 с.

47. Модели электромеханических устройств и систем в задачах синтеза / Ильинский Н.Ф., Ивоботенко Б.А., Копылов И.П. и др. Электричество, № 3, 1973, с.36-39.

48. Орлов И.Н., Маслов С.И., Крючкова Т.Н. Алгоритмы оптимизации в автоматизированном проектировании электромеханических устройств. М.: МЭИ, 1983.- 112 с.

49. Развитие теории шагового электропривода / Чиликин М.Г., Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф. и др. Электричество, * 3, 1973, с.17

50. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965.340 с.

51. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования. М.: Высш. школа, 1984.- 439 с.

52. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.- 280 с.

53. Специальные электрические машины / Бертинов А.И., Бут Д.А., Мизюрин С.Р. и др.: Ред. А.ИЛэертинов. М.: Энерго-издат, 1982.- 552 с.

54. Кио B.C. S-bep Motors and Control Systems'.- Champaign, Illinois: University of Illinois at Urbana -Champaign, 1979. 471 p.p.

55. Вольдек А.И. Электрические машины. Изд. 2-е, пере-раб. и доп. - Л.: Энергия, 1974.- 840 с.

56. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин Машинный анализ электронных схем: Пер. с англ. / Ред. В.Н.Ильин. М.: Энергия, 1980.638 с.

57. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование: Пер. с англ. / Ред. М.Л.Быховский. М.: Мир, 1975.534 с.

58. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы: Пер. с англ. / Ред. Д.Б.Юдин. М.: Мир, 1982. - 583 с.

59. Spend ley W., Hext &.R., Himsurorth F.R.

60. Sequential Application of Simplex Designs Of Optimisation and Evolutionary Operations. Technometrics, 1062, N4, p.p. 441-461.