CC BY
11
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Лебедев Д.В., Ткаченко А.И. Управление сферическим движением космического аппарата в магнитном поле Земли: Часть 2. Ориентация и стабилизация // Проблемы управления и информатики. -1996. -№ 3. -С. 5-18.
2. Бухгольц И.Н. Основной курс теоретической механики. Часть 2. -М.: Наука,1969.-332 с.
3. Белецкий В.В. Движение спутника относительно центра масс в гравитационном поле. -М.: Изд. Моск.ун-та, 1975. -308с.
4. Барабашин Е.А. Функции Ляпунова. -М.: Наука, 1970. -240с.
5. Демидович П.Б. Лекции по математической теории устойчивости. -М.: Наука, 1967. -472с.
6. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г.
Регуляризирующие алгоритмы и априорная информация. -М.: Наука, 1983. -197с.
7. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.: Наука, 1986. -286с.
8. Панов А.П. Математические основы теории инерциальной ориентации. - Киев: Наукова думка, 1995. -278 с.
9. Малкин И.Г. Об устойчивости при постоянно действующих возмущениях. // ПММ. -1944. -т. 8, вып. 4.-С. 241-245.
10. Барабашин Е.А., Скалкина М.А. К вопросу об устойчивости по первому приближению // ПММ. - 1955, вып. 5.- С.623-624.
11. Малкин И.Г. Теория устойчивости движения. -М.: Наука, 1966.-530с.
УДК 621.757:621.88.08
ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОКАНАЛЬНОЙ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ДЛЯ ГРУППОВОЙ СБОРКИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Б. Ю. Житников, А. Л. Симаков
В работе предложена реализация системы синхронно-синфазного перемещения рабочих органов сборочного оборудования с параллельным подключением каналов на базе механических элементов управления. Полученная система обеспечивает адаптацию скорости вращения рабочих органов к возмущениям, высокий уровень синхронности работы и надежности сборочного устройства.
The paper suggests an implementation of the system of synchronic cophasing displacement working elements of the assembly equipment with parallel connection of the channels of mechanical control elements. The system obtained provides adaptation of the working elements rotation speed to the disturbances, a high level of operating synchronism and reliability of the assembly equipment.
Для технологического оборудования, выполняющего групповые сборочные операции, возникает задача синхронизации движений рабочих органов в ходе выполнения операций. В ряде случаев, например, при групповой сборке резьбовых соединений с установкой уплотнений, от равномерности их затяжки в значительной мере зависит герметичность уплотняемого стыка. Синхронизация движений рабочих органов осуществляется, как правило, в условиях действия на соединяемые детали, закреплённые в рабочих органах, сил и моментов сопротивления движению, которые являются возмущающими воздействиями. Их величина не является постоянной, а изменяется во времени. Возмущения для каждого канала управления имеют различные значения, характер их изменений также может быть индивидуален для каждого рабочего органа. Поскольку параметры движения - значения координат, скоростей, ускорений, а также время перемещения соединяемых деталей зависят не только от движущих силовых факторов и параметров привода, но и от
возмущающих воздействий, для получения синхронных движений необходима адаптация параметров приводов рабочих органов к изменению возмущения. Для обеспечения основного условия групповой сборки -одновременного начала и окончания сборочных операций всеми рабочими органами, приводы движения соединяемых деталей должны отслеживать изменение сил и моментов сопротивления движению, обеспечивая стабилизацию длительности выполнения операции. Параметры движения рабочих органов могут изменяться по определённому закону, задаваемому условиями сборки и соответствующей программой управления приводов. Выполнение указанных требований в системах управления технологическим оборудованием для групповой сборки может быть обеспечено применением схем синхронно-синфазного перемещения рабочих органов с параллельным соединением каналов [1], причём каждый из каналов должен иметь структуру, обеспечивающую выполнение заданной программы изменения параметров движения рабочего органа. Подобные системы, включающие несколько электромеханических приводов, чувствительные элементы, корректирующие звенья, устройства обратной связи, электронные схемы управления имеют достаточно высокую степень сложности и дорогостоящи.
В тех случаях, когда программа движения рабочих органов ограничивается небольшим количеством режимов изменения скорости (например, остановка, малая скорость - большой крутящий момент, большая скорость - малый крутящий момент) со ступенчатым переходом от одного режима к другому, возможно более простое решение в построении адаптивной многоканальной
системы управления технологическим оборудованием.
В данной работе рассматривается возможность создания многоканальной адаптивной системы управления технологическим оборудованием для групповой сборки резьбовых соединений на базе одного электромеханического привода. Система должна обеспечивать вращательное движение шпинделей (от 2 до 8) в трёх режимах (останов, медленное вращение, быстрое вращение) в зависимости от величины момента сопротивления движению, реализуя одновременное окончание движения.
Структурная схема системы синхронно-синфазного перемещения рабочих органов с параллельным соединением каналов и возможностью переключения скоростей вращения шпинделей в каждом канале приведена на рис. 1.
На схеме приняты обозначения:
ЗУ - задающее устройство, формирующее программу управления;
и - управляющее программное воздействие для всех каналов;
БП1 - блок переключения режимов первого канала;
и11, и12 - управляющее воздействие для приводов первого канала;
^прив1, ^прив2 - передаточные функции по моменту
приводов первого канала;
Мц, М12 - движущие моменты приводов первого канала;
Мвозм - возмущающий момент, действующий на рабочий орган;
Шнагр - передаточная функция по скорости рабочего органа первого канала;
Шос - передаточная функция устройств обратной связи, формирующих сигнал, пропорциональный значению суммарного момента сопротивления в первом канале;
gl - сигнал обратной связи для переключения приводов первого канала;
, (г = 1, 2, 3 ... п) - угловая скорость рабочего
органа в г-ом канале.
Управляющее воздействие и1, сформированное задающим устройством, поступает на блоки переключения режимов БП;, (г = 1, 2, 3 ... п). В зависимости от значения сигнала обратной связи gi, пропорционального величине суммарного момента сопротивления М^ {,
действующего на рабочий орган, блок переключения режимов формирует управляющие воздействия и^, и^
ЗУ
О 2
Рисунок 1
для приводов каждого из каналов. В результате на нагрузку действует либо движущий момент ^ , либо
момент 2 , обеспечивающий тот или иной диапазон
скорости рабочего органа. Подобная система решает задачу стабилизации длительности выполнения операции каждым рабочим органом косвенно - через стабилизацию скорости вращения рабочего органа. Если величина требуемых перемещений рабочих органов одинакова, то стабилизация длительности выполнения операции достигается. В противном случае, для достижения этой цели необходимо введение дополнительных обратных связей, обеспечивающих коррекцию управляющего программного воздействия, и по результатам интегрирования угловых скоростей рабочих органов сравнение результатов для всех каналов. Такая система обеспечит адаптацию не только к возмущающим воздействиям, но и к конструктивным особенностям каждого из собираемых узлов.
Традиционно в качестве приводов каналов управления используются электромеханические устройства, включающие электродвигатели, редукторы, дифференциальные механизмы. В этом случае управляющие воздействия и сигналы обратных связей являются электрическими величинами. Переход к реализации подобной структуры
схемы управления на базе одного привода возможен, если в качестве управляющего воздействия использовать не электрический сигнал, а механическую величину -крутящий момент на выходном валу привода. При этом упрощается структура схемы при сохранении всех её функций. В качестве блока переключения режимов в этом случае целесообразно использовать устройства, непосредственно реагирующие на управляющее воздействие - момент сопротивления движению. Такими устройствами являются муфта предельного момента (МПМ), обеспечивающая передачу крутящего момента от двигателя, если его величина не превышает некоторого значения момента сопротивления движению, и механизм свободного хода (МСХ), обеспечивающий передачу крутящего момента при условии, что угловая скорость входного звена механизма превышает угловую скорость выходного звена. Комбинация этих устройств позволяет реализовать алгоритм переключения кинематических цепей с разными передаточными отношениями и инерционными параметрами, соответствующие приводам на схеме рис. 1. Разделение канала управления на две кинематические цепи обеспечивается применением дифференциального механизма. Структурная схема системы для частного случая, двух каналов управления, приведена на рис. 2.
WIT
М1
Wl2(p) «12
1 р
"Л : МСХ 1
О!
Мс1,
Мкр )
М мпм ^^ —ь М) м
У——► Мп„ Д1\
^-►
Д
Ш21(р)
Рисунок 2
Муфта предельного момента представлена кинематическим элементом, описываемым уравнением:
М = 0 при МКр - Md-Мс2 < 0 и МКр- Md-Мс2 > Mмпм,
М = Мкр - Мс при 0 < Мкр - Мс1 - Мс2 < Ммпм , где: Мкр - крутящий момент на выходе привода;
Мс1 , Мс2 - моменты сопротивления, действующие в первом и втором каналах управления;
Ммпм - момент, на который настроена муфта предельного момента.
Механизм свободного хода также имеет нелинейную характеристику. Если пренебречь люфтом, равным шагу зубчатого храпового колеса, то уравнение, описывающее эту характеристику, имеет вид
М = 0 при - -0 < 0 ;
М = Мкр при 1 - -0 > 0 , i = 1, 2, 3, ...
где —0 - угловая скорость вращения входного вала механизма свободного хода;
Q;1 - угловая скорость вращения выходного вала
кинематической цепи, связанной с дифференциалом.
На структурной схеме рис. 2 введены обозначения:
Шпр - передаточная функция по моменту привода, включающая передаточную функцию по моменту двигателя Wдв(р) и передаточное отношение редуктора i - Wпр = W^)i;
Wn(p), W12(p), W21 (p), W22(p) - передаточные функции по скорости кинематических цепей первого и второго каналов.
М1, М2 - возмущающие моменты, действующие на рабочие органы.
Д - дифференциальный механизм.
Моменты сопротивления движению Мс1 и Мс2 включают вязкое трение и возмущающие моменты.
Обратные перекрёстные связи между кинематическими цепями одного канала, замыкаемые механизмами свободного хода, обеспечивают переключение кинематических цепей.
В случае, когда значение крутящего момента и суммарного момента сопротивления не превышает момент муфты предельного момента, вращение через дифференциальный механизм передаётся на кинематические цепи Wn^) и W21^). Передаточные отношения этих цепей должны обеспечивать значения скоростей Оц и Q21 превышающие —0 . В этом случае:
A-1 = Q11 - -0 > 0 и A-2 = Q21 - -0 > 0,
□ 12 = ^22 = 0 и = Оц , 0.2 = О21 . Очевидно, эти кинематические цепи должны обеспечивать быстроходный режим работы системы. Момент сопротивления при этом должен быть незначительным.
При возрастании момента сопротивления в одном из каналов (например, в первом) возможно отключение муфты предельного момента (М = 0 ), при этом значения угловых скоростей Оц и О21 становятся равными
0, что приводит к выключению через механизмы свободного хода кинематических цепей '^2(р) и Ш22(р). Выходные скорости будут равны: О1 = О^ и О2 = О22 .
Синхронность вращения при этом сохраняется. Кинематические цепи Wl2(р) и W22(р) должны, таким образом, обеспечивать более медленное вращение рабочих органов с большим крутящим моментом. Если задающее устройство формирует определённое прямое воздействие и и Мкр изменяется в соответствии с этой программой,
функционирование кинематических цепей в каждом из каналов при изменениях моментов сопротивления остаётся аналогичным описанному. В тех случаях, когда возрастание момента сопротивления в быстроходной кинематической цепи одного из каналов недостаточно (находится в пределах линейной части характеристики 0 < ДМ < Ммпм ), возможно переключение только одного
канала на режим с большим крутящим моментом за счёт вычитания моментов сопротивления из момента на выходном валу дифференциального механизма ( М11
или М21 ). Если эта разность близка или равна нулю,
произойдёт переключение через перекрестную связь МСХ, тогда как второй канал может работать в прежнем режиме. Таким образом, возможна реализация четырёх вариантов сочетания режимов работы для системы с двумя каналами управления.
Условием функционирования системы должен быть правильный выбор передаточных отношений кинематических цепей. Эти отношения должны обеспечить выполнение неравенств:
012 <О0 <011
022 < О0 < 021 < 0дв ,
где 0дв - угловая скорость вращения вала двигателя.
Значение угловой скорости Оо, определяющей момент кинематических цепей, может задаваться передаточным отношением г,
и суммарные моменты, действующие на кинематические цепи W12(p) и W22(p) будут равны 0 (Мсум =
= Мкр -М ). Следовательно, угловые скорости
-0 =
0
В этом случае входной вал МСХ будет кинематически связан с выходным валом привода. Кинематическая схема описанной системы управления, соответствующая структурной схеме представлена на рис. 3.
Рисунок 3
Двигатель 1 через редуктор 2 связан с зубчатым колесом 3, которое находится в зацеплении с шестернями 4. С каждой шестерней 4 жестко связаны обоймы 5 механизмов свободного хода (МСХ) храпового типа, а ведомые обоймы 6 жестко посажены на валы шпинделей 7 гайковертов, оканчивающихся патронами 8. На валу зубчатого колеса 3 жестко закреплена ведущая обойма 9 муфты предельного момента, ведомая обойма 10 которой связана с водилом 11, дифференциала. На оси, перпендикулярной оси водила 11, расположены сателлиты 12, взаимодействующие с зубчатыми колесами 13, которые выполнены заодно с шестернями 14. Шестерни 14 находятся в зацеплении с колесами 15, жестко сидящими на валах шпинделя 7. Электрический контакт 16, расположенный вблизи муфты предельного момента, управляется последней при ее "пощелкивании", формируя электрические импульсы, которые считаются счетчиком 17, связанным с реле 18 в цепи питания двигателя гайковерта. Конструкция гайковерта предусматривает подачу на каждый из шпинделей "быстрого" вращения с малым крутящим моментом по цепи: муфты предельного момента 9,10, дифференциал 11,12,13,14 колеса 15 и "медленного" вращения шпинделя с большим крутящим моментом до цепи: зубчатые передачи 3,4, механизмы свободного хода 5,6. Для обеспечения "быстрого" и "медленного" вращений шпинделя необходимо иметь
следующее соотношение г4/Г3 = г 15/г^ , где г -
радиус делительной окружности шестерни или колеса соответствующего номера позиции.
При вращении шестерни 4 медленнее колеса 15 МСХ 5 и 6 должен совершать свободный ход, то есть цепь "медленного" вращения разрывается на МСХ.
Гайковерт работает следующим образом. До тех пор, пока суммарный момент сопротивления на шпинделях 7 остается меньше момента, на который настроена муфта предельного момента 9 и 10, "быстрое" вращение от двигателя 1 передается по следующей цепи: редуктор 2, муфта предельного момента 9 и 10, дифференциал 11,12,13,14 колеса 15, шпинделя 7 гайковерта. За счет свойств дифференциала "быстрое" вращение будет у того шпинделя 7, сопротивление, на котором в данный момент меньше. При этом МСХ 5 и 6 этого шпинделя совершает свободный ход. Второй шпиндель, сопротивление на котором в данное мгновение больше, будет иметь "медленное" вращение, так как по цепи колесо 3 шестерни 4, при замкнутом МСХ 5 и 6, на шпиндель 7 передается большой крутящий момент. Затем величины сопротивлений на шпинделях 7 могут поменяться, и, следовательно, изменятся скорости их вращения. Если разница в моментах сопротивления на шпинделях 7 будет меньше момента сил трения в подвижных элементах дифференциала, оба шпинделя будут совершать "быстрое" вращение.
При достижении суммарного момента сил сопротивления на шпинделях 7 большего значения,чем момент, на который настроена муфта Предельного момента 9 и 10, ее полумуфты начинают проскальзывать. "Быстрое" вращение передаваться не будет, а оба шпинделя 7 будут вращаться с "медленной" скоростью, но синхронно обеспечивая их одинаковый поворот, получая движение от зубчатой шестерни 3 через колесо 4 и замкнутые МСХ 5 и 6.
Поворот шпинделей на заданный угол обеспечивается системой отсчета, которая при "пощелкивании" муфты предельного момента 9 и 10 передает замыканиям и размыканиям контакта 16 электрические сигналы на счетчик импульсов 17, который при помощи реле 18 отключает питание двигателя.
Цифровое и физическое моделирование двухполосной адаптивной системы управления технологическим оборудованием подтвердило возможность получения в рассматриваемой схеме высокого уровня синхронности движений рабочих органов, высокой чувствительности к изменениям моментов сопротивления. Реализация принципов автоматического регулирования на нетрадиционной элементной базе - нелинейных механических устройствах - позволила повысить надёжность устройства. Анализ устройства как нелинейной системы автоматического регулирования позволяет разработать методику расчёта основных параметров переключающих механизмов.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Новосёлов Б.В. Некоторые пути совершенствования систем наведения и стабилизации / Вопросы оборонной техники. Сер. 9. Специальные системы управления следящие приводы и их элементы, 1998 - Вып. 2 (222) - С. 5-8.
2. Житников Ю.З., Житников Б.Ю. Многошпиндельные гайковёрты нового класса /Вопросы оборонной техники. Сер. 9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. - 1998. Вып. 2 (222) - С. 59-63
УДК 621.865.8
УПРАВЛЕНИЕ МНОГОСВЯЗНЫМИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИ АДАПТИВНЫМИ
МЕХАНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
А. Н. Иванов
В работе выведены алгоритмы управления многосвязной, неуравновешенной механической системой, учитывающие перекрестные связи и действующие возмущения. Полученная система управления по каждому каналу позволяет подавить влияние перекрестных связей и действующих возмущений, расчленить многосвязную, неуравновешенную систему на ряд независимых подсистем (каналов).
The paper gives the algorithms of controlling a multiply connected unbalanced system taking into account the cross connections and the disturbances taking place. The control system created for each channel makes it possible to suppress the influence of cross connections and occurring disturbances, to break up the multiply connected unbalanced system into a number of independent subsystems (channels).
В настоящей работе решаются вопросы теории управления многосвязными механическими системами, обладающими свойствами адаптивности. Рассмотрена структурная схема управления, позволяющая многосвязную систему свести к сумме независимых подсистем по каждой степени свободы. Впервые вопросы декомпозиции многосвязной системы были рассмотрены в работах [1, 2].
Не умаляя общности, в качестве многосвязной механической системы рассмотрена динамика силового четырехзвенного манипулятора.
Предложенная схема управления манипулятором позволяет при сохранении устойчивости системы неограниченно увеличивать коэффициент усиления замкнутой системы по каждому каналу управления, что теоретически обеспечивает полную независимость каждого отдельного канала управления от влияния перекрестных связей, параметров манипулятора и действующих на него возмущений.
Упрощенная схема силового манипулятора приведена на рис. 1.
На рисунке приведены следующие обозначения:
OqXqYoZo - неподвижная система координат, оси OXo,OYo которой лежат в горизонтальной плоскости, ось OZo направлена вверх и совпадает с вертикальной осью вращения кабины силового манипулятора;
Рисунок 1 - Кинетодинамическая схема силового манипулятора
00X^^1 - система координат связана с кабиной оператора, оси 00Х1,О0У1, расположены в горизонтальной плоскости, ось ОоZl совпадает с осью ОоZо;
ф - угол вращения кабины вокруг оси ОоZl;
а, в , у, 5 - углы отклонения звеньев манипулятора ОА, АВ, ВБ, Б Б относительно горизонтальной плоскости;
Ма, Мф , Мр , Му, М5 - управляющие моменты сил;
Р^, Рр - силы тяжести кабины и груза;
С^, Ср - центры масс кабины и груза;
О, А, В, Б - оси вращения звеньев манипулятора.
На рис.1 не показаны силы тяжести звеньев
