Разработка и исследование моноблочных электромеханических приводов с высокой плавностью выходного перемещения

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 кинои 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 обеспечении 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 двигателявозмущение от кинематической погрешности, обусловленное технологическими погрешностями изготовления или деформациями звеньев РВМ при эксплуатациивозмущение 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 мощностисинтез параметров системы по качеству переходного процессапроектирование исполнительного механизма привода с высокой плавностью выходного перемещенияпроведение 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.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе, и практической реализации разработаны методы расчета и проектирования моноблочных электромеханических приводов с высокой плавностью выходного перемещения.

Получены следующие основные результаты.

1. Уточнены критерии плавности, позволяющие количественно оценивать плавность приводов с поступательным перемещением.

2. Разработана математическая модель динамики моноблочного привода поступательного перемещения, учитывающая конструктивные особенности, нелинейности исполнительного механизма и возмущения, действующие на привод.

3. Анализ динамики привода при гармонических возмущениях позволил выяснить, что высокочастотные составляющие оказывают существенное влияние на плавность: показатель первого рода растет до первого резонанса, после которого растет или постоянен до всплеска в окрестности второго резонанса. Второй показатель растет до максимума при втором резонансе. Предложены аналитические зависимости показателей от параметров системы и источника возмущений. Показано, что при возмущении на входе плавность повышается с ростом коэффициента утяжеления ротора, коэффициента обратной связи по скорости, уменьшением коэффициента электромеханической связи двигателяпри возмущении от кинематической погрешности — с ростом коэффициента обратной связи по скоростипо возмущению от нагрузки — с ростом коэффициента утяжеления ротора, массы нагрузки, коэффициента обратной связи по скорости, с уменьшением КПФ, коэффициента обратной связи по положению.

4. Анализ динамики привода с люфтом показал, что в системе возникают пилообразные автоколебания. Получены приближенное аналитическое условие возникновения автоколебаний и формулы их амплитуды и частоты. Амплитуда автоколебаний зависит только от величины зазора, а частота АК уменьшается с ростом коэффициента утяжеления ротора, массы нагрузки, коэффициента обратной связи по ускорению, коэффициента электромеханической связи двигателя, с уменьшением коэффициентов обратной связи по положению и по скорости. Численный анализ плавности показал, что при АК критерий 1{ пропорционально зависит от амплитуды и частоты АК, а критерий /2 — от амплитуды и квадрата частоты АК.

— 5. Плавность перемещения на низких скоростях зависит от наличия фрикционных автоколебаний. Для линеаризованной модели аналитически определены условия возникновения ФА, получены выражения критической скорости и частоты ФА. Численный анализ позволил определить различные режимы автоколебаний: гармонический и релаксационный. При переходе от релаксационных колебаний к гармоническим амплитуда ФА, а, следовательно, неплавность максимальна. Плавность растет при уменьшении скачка силы трения, увеличении скорости скольжения, массы нагрузки, КПФ.

6. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанной математической модели реальным приводам. Расхождение расчетных и экспериментальных результатов не превышает 5%.

7. Наибольшее влияние на плавность РВМ оказывают высокочастотные составляющие кинематической погрешности: периодическая погрешность по шагу, овальность, погрешность угла профиля. Плавность растет с увеличением диаметра роликов (^М от 0>5 до 2 на 60%) — с увеличением числа роликов (от 3 до 9 на 45%) — с ростом длины сопряжения (число витков от 5 до 50 на 48%) — с повышением точности изготовления (от 4 до 0 класса точности на 96%) — с уменьшением угла профиля (от 45° до 20° на 62%).

8. Разработана методика определения гарантированного осевого зазора в сопряжениях РВМ, способы выборки зазора. Предложена методика расчета жесткости устройств для выборки зазора в РВМ, при которой автоколебания, вызванные зазором, отсутствуют.

9. Предложена методика синтеза, позволяющая проектировать моноблочные электромеханические приводы с высокой плавностью выходного перемещения.