WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

ПЕРЕЛЫГИНА Александра Юрьевна

МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ В

ТРЕХМАССОВЫХ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 01.02.06 – Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иркутск - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кузнецов Николай Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гозбенко Валерий Ерофеевич кандидат технических наук, доцент Леоненко Алексей Сергеевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Томский политехни ческий университет», г. Томск

Защита диссертации состоится 1 5 декабря 2009 в 12.00 часов на заседании совета по защите кандидатских и докторских дис сертаций Д 218.004.02 при ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

(664074, Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15, ауд. А-803).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения».

Отзывы на автореферат в 2 -х экземплярах, заверенные печатью организ ации, просим направлять по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, д.

15, ИрГУПС. Диссертационный совет по защите докторских и кандидатских диссертаций Д218.004.002, ученому секретарю и по факсу 8 (3952) 59 -84-28.

Автореферат разослан «12 » ноября 2009 г.

Учёный секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 218.004.02, кандидат технических наук, доцент Ю.В. Ермошенко

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное производство развивается в н аправлении создания быстродейс твующих машин с цифровым управлением, которые являются объектом исследования ново й научной дисциплины - мехатроники.




К таким машинам можно отнести высокоточны е металлорежущие станки, гибкие производственные модули, промышленные и манипуляцио нные роботы, краны-штабелеры, прокатные станы, транспортные, грузоподъемные машины и т. д. В отличие от цикловых машин, предназначенных для реализации явно выраженного уста новившегося движения, мехатронные си стемы представляют собой единый комплекс двигательного, передаточного и исполнительного механизмов с системой автоматического управления и п озволяют осуществлять механическое движение любой сложности, в том числе управляемые переходные режимы, приводящие к большим динамическим н агрузкам. Рост рабочих скоростей и нагрузок этих машин, ужесточение показ ателей точности и надёжности их функционирования, предъявляют высокие требования к уровню их динамических расч ётов.

Во многих работах двух последних десятилетий, посвященных проблеме ограничения упругих колебаний мехатронных систем, как правило, учитываю тся только упругие свойства звеньев и механических передач движения и использ уется двухмассовая расчетная схема, с помощью ко торой моделируется движение по отдельным степеням подвижности и сполнительных механизмов. Как показал анализ динамических свойств высокопроизводительных мехатронных систем, во многих практически важных случаях необходимо уч итывать не только упругие, но и инерционные элементы и использовать многомассовые расчетные схемы.

Речь, прежде всего, идет о трехмассовых колебательных системах, которые п озволяют расширить класс моделируемых мехатронных систем. В известных р аботах, в которых используется трехмассовая рас четная схема, рассматриваются в основном вопросы компенсации вынужденных колеб аний. Что касается задачи ограничения свободных колебаний, то это направление не п олучило должного развития.

Актуальность работы подтверждена, в том числе, её выполнением в рамках программы Министерства образования и науки РФ по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2005 г. «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» (раздел: Механика в машино- и приборостроении) – тема: «Динамика виброактивных систем и синтез систем виброизоляции технол огического оборудования».

Целью диссертационной работы является разработка методов и средств компенсации упругих колебаний быстродействующих мехатронных систем при учёте упруго-инерционных связей на осно ве трехмассовой расчетной схемы.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Выбор и обоснование расчетных схем быстродействующих мехатро нных систем и исследование их колебательных процессов.

2. Разработка и исследование алгоритмов компенсации колебаний тре хмассовых мехатронных систем на основе приводов программных движений.

3. Исследование предельных возможностей и эффективности компенс ации колебаний трехмассовой мехатронной системы на основе динамического воздействия на промежуточную массу.

4. Идентификация параметров серийного электромеханического пр омышленного робота и численное моделирование динамики систем активного гашения колебаний промышленного робота.





5. Создание математического и программного обеспечения з адач управления движением мехатронных систем с учетом упруго -инерционных связей.

Методика исследований. В работе проводились аналитические и численные исследования. Аналитические исследования основывались на методах теоретической механики, теории механизмо в и машин, теории автоматического управления и прикладной теории колебаний. В численных расчетах примен ялись методы численного интегрирования и визуального моделирования. При моделировании использовался программный пакет MATLAB 7.0, а также входящий в его состав пакет визуального программирования SIMULINK, некоторые вычисления выполнены с помощью системы символьной математики Mathcad 14.

Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в работе, подтверждена совпадением результатов аналитических исследований с результатами, полученными при численном моделировании с использованием реал ьных значений параметров серий ной модели промышленного робота, а также с аналогичными результатами исследований других а второв.

Научная новизна работы:

1. Получены алгоритмы компенсации упругих колебаний для трехмассовых мехатронных систем на основе приводов программных движений с учетом их конструктивных и динамических особенностей.

2. Предложен и исследован метод компенсации упругих колебаний трехмассовых мехатронных систем, основанный на управляемом перемещении промежуточной массы.

3. Обоснован и исследован способ динамического гашения упругих колебаний мехатронных систем на основе использования упруго -инерционных связей и активного воздействия на промеж уточную массу.

4. Предложен и обоснован метод гашения колебаний трехмассовых мехатронных систем за счет целенаправленного, скачкообразного изменения у пругих свойств механических передач движения.

5. Разработаны алгоритмы и программы для автоматического получения уравнений движения меха тронных систем с учётом упруго -инерционных связей и автоматического выбора метода компенсации упругих колебаний.

Практическая ценность полученных результатов:

1. Предлагаемые методы компенсации упругих колебаний позволяют обеспечить комплексное решение пробл емы снижения упругих колебаний в трехмассовых мехатронных системах путем изменения конструкции исполн ительных механизмов, использования приводов программных движений и дополнительных приводов.

2. Созданный программный комплекс может быть использован как при автоматизированном проектировании, так и в системах программного управл ения движением мехатронных систем.

3. Разработанные методы и средства снижения упругих колебаний п озволяют повысить быстродействие, точность и надежность работы мехатронных систем различного назначения.

Внедрение работы Научные результаты, полученные автором в диссе ртации, реализованы в программном комплексе, предназначенном для автоматизированного расчета, проектирования и управления мехатронными системами. Результаты исследований внедрены на Иркутском авиационном заводе -филиале ОАО Корпорации «Иркут», ОАО ИркутскНИИхиммаш, ГОУ ВПО «Братский государственный университет», ГОУ ВПО «Ангарская государственная техн ическая академия», ГОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный техн ологический университет» что подтверждается соответствующими актами внедрения, и используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацио нной работы докладывались и обсуждались на V Международном симпозиуме по трибофатике “ ISTF - 2005” (г. Иркутск, 2005); всероссийской научной конференции молодых ученых “ Наука. Технологии. Инновации ” (г. Новосибирск, 2006); III и IV международных конференциях “Проблемы механики современных машин” (г. Улан-Удэ, 2006, 2009); международной научно-технической конференции “Динамика и прочность машин, зданий, сооружений ” (г.

Полтава, 2009).

Личный вклад автора заключается в выборе и обосновании расчетных схем и получении математически х моделей динамики исполнительных мех анизмов мехатронных систем; выборе метода реализации активного способа компенсации упругих колебаний трехмассовой системы и обосновании его э ффективности; в исследовании возможности и эффективности динамического гашения колебаний; проведении аналитических и численных исследований д инамики предложенных методов, обеспечивающих снижение свободных колеб аний трехмассовых мехатронных систем.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных р абот, четыре из которых – в рецензируемых научных журналах и изданиях, рек омендованных ВАК РФ, одно свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ.

Структура и объём работы Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (144 наименования) и приложения. Основная часть диссертационной работы изложена на 165 страницах машинописного текста, включая 73 иллюстраций и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы учёта упруго инерционных связей в исполнительных механизмах мехатронных систем и дается общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе анализируются особенности динамики быстродейству ющих мехатронных систем, обосновывается необходимость учёта упруго инерционных связей, обсуждаются известные методы и средства компенсации упругих колебаний исполнительных механизмов мехатронных систем, опред еляются основная цель и задачи исследов аний.

В современных условиях интенсивного развития производства появляется большое многообразие мехатронных систем. Повышение их производительности и точности выполняемых операций невозможно без уч ёта упругих колебаний исполнительных механизмов в переходных режимах работы. При этом ошибки, вызванные свободными колебаниями, в несколько раз превышают ст атические погрешности позиционирования исполнительных механизмов, а время затухания этих колебаний оказывается соизмеримым со временем в ыполнения программных движений или технологических операций.

Значительный вклад в развитие динамики мехатронных систем с упругими звеньями внесли отечественные и зарубежные учёные : В.К. Асташев, С.Ф.

Бурдаков, В.Л. Вейц, Д.П. Волков, Е.И. Воробьев, И.И. Вульфсон, В.Г. Градецкий, В.В. Гурецкий, С.В. Елисеев, С.В. Иносов, В.А. Зубов, С.А. Казак, Б.В.

Квартальнов, В.И. Ключев, А.Е. Кобринский, М.З. Коловский, С.Н. Кожевников, М.С. Комаров, В.А. Кудинов, Э. Лавендел, В.Б. Ларин, Р.Ф. Нагаев, Л.М.

Резников, Е. Ривин, Д. Ружичка, А.В. Синев, Б.А. Смольников, С. Тимошенко, В.А. Троицкий, А.М. Формальский, К.В. Фролов, И.Б. Челпанов, Ф.Л. Черноусько, H. Asada, J. Denavit, S. Dubowsky, T. Fukuda, R. Gonzalez, R. Hartenberg, D. Karnopp, H. Kleinwachter, J. Maatic, W. Sunada, H. Tokumaru, D. Turcic, M.

Uchiyama, M. Vukobratovich, J. Wicker и др.

В то же время, несмотря на постоянный интерес к этой пробл еме, многие вопросы остаются недостаточно изученными. В известных работах, посв ященных вопросам компенсации упругих колебаний исполнительных механи змов мехатронных систем, как правило, учитываются только упругие свойс тва элементов, обеспечивающих передачу движения от приводов к рабочим орг анам, и расчетная схема представляется в виде двухмассовых колебательных систем. Однако во многих мехатронных системах зачастую возникает необх одимость учета не только упругих, но и инерционных связей. Например, в мех атронных системах с одной степенью свободы необходимо учитывать инерц ионные свойства преобразователей механического движения (волновых, план етарных, зубчатых и других передач). В токарных станках необходимо учитывать инерционность суппорта продольной подачи резцедержателя с инструментом, а из-за массивности шпиндельного узла при исследовании процесса вр ащения шпинделя с заготовкой возникает необходимость учета инерционных характеристик последних. В станках фрезерно-сверлильной группы, в завис имости от положения рабочего органа относительно зоны рез ания, необходимо учитывать инерционность консолей, салазок, столов и т.д. В мехатронных си стемах со многими степенями подвижности, в частности, в манипуляционных роботах приводы могут расп олагаться как на основании, так и на подвижных звеньях. В первом случае увеличивается длина кинематической цепи, связ ывающей соответствующие элементы, и количество упруго-инерционных связей, во втором случае увеличивается инерционность исполн ительного механизма, что приводит к необходимости рассмотрения многомассовых колебательных систем.

Так при исследовании динамики промышленных роботов, работающих в прям оугольной, цилиндрической и сферической системах координат необходимо уч итывать инерционность вертикальных стоек, подъемных кареток, траверс и поворотных платформ, а при динамических исследованиях роботов, р аботающих в угловой и смешанной системах координат, возникает необходимость учёта инерционности приводов, располагающихся на подвижных звеньях. Необход имость учета промежуточных масс возникает также в задачах динамики и упра вления движением грузоподъемных и транспортных машин, пр окатных станов и других управляемых машин с традиционными системами управления.

Как показал проведенный анализ, наиболее приемлемой расчетной моделью в задачах динамики быстродействующих мехатронных систем является трехмассовая расчетная схема, которая с достаточной степенью точности п озволяет моделировать движение как мехатронных систем с одной степенью подвижности, так и движение по отдельным степеням подвиж ности исполнительных механизмов мехатронных систем со многими степенями подвижности.

В тоже время вопросы компенсации упругих колебаний в основном решались применительно к двухмассовой расчетной системе. Что касается трехмасс овых мехатронных систем, то в них, как правило, рассматривались только задачи виброизоляции исполнительных механизмов от внешних вибрационных воздействий. Вопросы же ограничения с вободных колебаний в переходных режимах работы этих систем изучены в меньшей степени.

В заключение первой главы сформулирована цель и определены задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены методы активной компенсации упругих колебаний трехмассовой мехатронной системы на основе приводов програм мных движений и дополнительных приводов, воздействующих на про межуточную массу.

Для формирования основных требований к системам гашения упругих колебаний предварительно были проведены исследования колебательных дв ижений трехмассовой системы, показанной на рис. 1. Дифференциальные уравнения движения трехмассовой сист емы имеют вид Рис. 1. Трехмассовая расчетная схема колебательной системы :

q* обобщенная координата программного движения; q1, q 2 обобщенные координаты масс; mn, m1 соответственно приведенные массы привода и механ ических передач движения; m приведенная масса исполнительного мех анизма;

Q n – приведенная движущая сила привода; с1 – приведенный коэффициент жес ткости механических передач движения; с – приведенный коэффициент жесткости исполнительного механизма; bn, b1, b – коэффициенты вязкого трения.

Приведены выражения для собственных и парциальных частот и проанализированы интегральные квадратичные оценки колебаний в зависимости от параметров колебательной системы на основе численного моделирования. П оказано, что интенсивность колебаний существенным образом зависит от соотношения между парциальными частотами, массами и демпфирующи ми свойствами системы. В зависимости от этих параметров возможно как значите льное усиление интенсивности колебаний, так и их ослабление до полного исключ ения (наблюдались режимы динамического гашения).

Рассмотрены особенности трехмассовых колебательных систем, которые необходимо учитывать при разработке систем компенсации колебаний. В этих системах в отличие от двухмассовой, возможны два варианта активного гашения колебаний. Во-первых, для гашения колебаний исполнительного механизма возможно использование приводов программных движений с организацией с оответствующих цепей управления. Во-вторых, в трехмассовой системе появл яется возможность компенсации колебаний с помощью дополнительных прив одов, воздействующих на промежуточную массу. И, наконец, возможны три варианта формирования компенсирующих воздействий : по упругому отклонению промежуточной массы q1 q1 q, по упругому отклонению исполнительного механизма q1, и по абсолютному отклонению исполнительного м еq2 q ханизма q. Блок-схема формирования компенсирующих воздействий трехмассовой мехатронной системы показана на рис.2.

Рис.2. Блок-схема компенсации колебаний трехмассовой мехатронной УМ - усилитель мощности; ЭД - электродвигатель; Qн - полезная нагрузка Проведены исследования эффективности этих методов компенсации упругих колебаний с помощью интегральных квадратичных критериев где J 0, J m - интегральные квадратичные оценки упругих колебаний соответственно исходной системы ( q0 ) и системы с обратной связью ( q m ).

На первом этапе для оценки предельных возможностей методов активной компенсации колебаний привод представлялся в виде "идеального" усилительного звена с передаточной функцией где k D, kV, k A - коэффициенты "усиления", пропорциональные соответс твенно упругому отклонению, его скорости и ускорению.

Оценки (4) определялись с помощью передаточной функции для абсолютного отклонения исполнител ьного механизма q используемых при исследовании двухмассовых колебательных систем, введены частота колебаний промежуточной массы c1 m1 и коэффициент соотношения масс m n m1, позволяющие учитывать упруго -инерционные свойства кинематической цепи.

С помощью квадратичных критериев (4) определены условия эффективн ого гашения колебаний исполнительного механизма на основе использования приводов программных движений и дополнительных приводов при различных вариантах цепей управления: по упругим отклонениям промежуточной массы и исполнительного механизма, по абсолютному отклонению исполнительного м еханизма, а также по скоростям и ускорениям упругих колебаний. Определены параметры компенсирующих воздействий, обеспечивающи х наиболее эффективное гашение упругих колебаний с учетом ограничений, накладываемых усл овиями устойчивости. Как показал анализ, их эффективность существенным обр азом зависит от соотношений между частотами 0 и 1, параметрами, n и.

Показано, что для гашения колебаний трехмассовой системы с пом ощью приводов программных движений и дополнительных приводов наиболее э ффективным оказывается компенсирующее воздействие, формируемое по абсолютному отклонению исполнительного механизма q и его производных. При определенном соотношении параметров си стемы эффективнее может оказаться управление приводами по упругим откл онениям промежуточной массы q1 и исполнительного механизма q2.

В качестве иллюстрации, на рис. 3 приведены области эффективного и спользования приводов программных движений, полученные на основе оценок (4) согласно соотношения где J 1 - интегральные квадратичные оценки гашения упругих колебаний трехмассовой системы с использованием привода программного движения. На рис.

4 показаны соответствующие графики упругих колебаний исполнительного механизма. Переходные процессы были получены при следующих параме трах:

n 0, 2 ; 2 ; 1 15 Гц ; 0 8 Гц ; 0,3. Сплошной линией обозначены у пругие колебания без компенсирующего воздействия, а штриховой – с компенсирующим воздействием по абсолютному отклонению исполнительного мех анизма.

Аналогичные графики, иллюстрирующие эффективность применения д ополнительных приводов, полученные на основе соотношения k 20 J 2 / J 0 ( J 2 интегральные квадратичные оценки гашения упругих колебаний трехмассовой системы с использованием дополнительного привода), показаны на рис. 5 и 6.

Графики упругих колебаний построены для параметров системы: n 0,8 ;

для исходной системы до 0,69 для системы с компенсирующим воздейс твием, во втором (рис. 6) – соответственно с 0, 21 до 0,39. Введение компенсирующих воздействий позволило сократить длительность переходных процессов с 1,5 до 0,7 (0,9) сек соответственно.

Установлено также, что использование привода программного движения для гашения колебаний наиболее эффективно при больших значениях частоты колебаний 1 промежуточной массы ( 1 0 ) и малых значениях коэффициента n. Применение дополнительных привод ов, воздействующих на промеж уточную массу, для компенсации колебаний эффективно при соотношении частот 1 0 и достаточно больших значениях коэффициента n ( n 0, 4 ). Изменение же коэффициента, в пределах возможных значений, незначительно сказывается на эффективности гашения колебаний. На рис.7 приведены области эффективного гашения колебаний с помощью привода программного дв ижения и дополнительного привода при управлении ими по абсолютному отклонению исполнительного механизма. Как видно из этого рисунка, использование перв ого привода эффективно при соотношении частот 1 0 (рис. 7,а), а второго – Изучено влияние замкнутости системы управления приводом програм мных движений на эффективность компенсации колебаний исполнительного м еханизма. При этом движущая сила привода представлялась в виде выражения Здесь ky - коэффициент пропорциональности; koc – коэффициент усиления о братной связи; qзад – заданное значение управляемой коо рдинаты. Показано, что замкнутая система управления в ряде случаев снижает эффективность испол ьзования привода программного движения для компенсации колебаний испо лнительного механизма.

Исследовано влияние динамических свойс тв приводов на характер упр угих колебаний в трехмассовой системе. При этом привод описывался следу ющим уравнением где Qn 0 / q*0 ; Qn 0 - движущая сила (момент) ненагруженного привода; q*0 bn скорость холостого хода; Qn - текущее значение движущей силы (момента) привода; - постоянная времени привода.

На основе выражений (1) - (3) и (8) получена математическая модель движения трехмассовой мехатронной системы и выполнено численное моделиров ание её колебательных процессов. Проведенные исследования показали, что увеличение постоянной времени, в известных пределах, позволяет сохранить эффективность предлагаемых вариан тов активного гашения упругих колебаний.

Третья глава посвящена вопросам разработки методов и средств гашения свободных колебаний исполнительного механизма в трехмассовой системе на основе целенаправленного выбора и изменения упруго-инерционных параметров механической передачи движения и управляемого перемещения промежуточной массы.

В отличие от известных работ, в к оторых исследуется возможность и спользования промежуточной массы для д инамического гашения вынужденных работе исследуются вопросы гашения свободных колебаний этого механизма. Расчетная схема колебательной системы показана на рис. 8. Рассматривалась задача Дифференциальные уравнения дв ижения колебательной системы, полученРис.8. Расчетная схема коленые из уравнений (1) - (3) при затормобательной системы и переходе к обозначениям рис. 4, имеют вид колебаний массы исполнительного механизма; v m2 / m1 - коэффициент отношения масс; m1 – промежуточная масса; m 2 – масса исполнительного механи зма; b1, c1 – соответственно коэффициенты демпфирования и жесткости механической передачи; c2 – коэффициент жесткости исполнительного механизма.

Показано, что при определенном соотношении параметров промежуто чная масса m1 будет играть роль динамического гасителя колебаний исполн ительного механизма m 2. Приведены оптимальные значения коэффициентов частоты и вязкого трения, обеспечивающие минимальные величины интегральных квадратичных оценок свободных колебаний исполнительного механизма, возникающих при начальном смещении q2 (0) Определены границы допустимых значений коэффициентов вязкого трения и соотношения масс v. Обсуждаются возможные способы технической реализации этого метода гашения колебаний на основе настройки частоты 1 путем изменения жесткости звеньев механических передач (валов, стоек, зубчатых колес и т.п. ).

Поскольку целенаправленный выбор упруго -инерционных параметров механических передач движения ограничивается технологическими соображениями и неизбежным усложнением и утяжелением конструкции мехатронных систем, предложен способ гашения колебаний на основе активного управления параметрами механических передач движения, в частности жесткостью. Показано, что если скачкообразно изменять жесткость c1 дважды за период колебаний со значения c1 на c1 ( c1 c1 ), то логарифмический декремент колебаний определится выражением а если изменять четыре раза за период, то логарифмический декремент будет т.е. увеличится в (c1 / c1 )1 / 2 раз. Чем больше разница между этими коэффицие нтами и чем выше частота их мгновенных изменений, тем выше интенси вность затухания упругих колебаний. Приводятся примеры упругих звеньев с упра вляемым изменением жесткости на основе алгоритма Исследована возможность активного динамич еского гашения свободных колебаний выходного элемента путем управляемого перемещения промежуто чной массы m1 (рис. 8). На основе интегральных квадратичных критериев (4) определена наиболее эффективная структура цепей управления приводом перемещения этой массы, обеспечивающи м гашение свободных колебаний исполнительного механизма m 2, Рис. 9. Графики свободных колебаний системы: 1 - при выключенном приводе; качестве иллюстрации, на рис. 2 - при управлении приводом по упругому показаны графики свободных отклонению; 3 - при управлении приво- колебаний исполнительного м едом по скорости; 4 - при управлении при- ханизма, снабженного электроводом по ускорению механическим приводом пер емещения промежуточной массы. Очевидно, что при выбранных значениях п араметров наиболее эффективным оказывается управл ение приводом в функции скорости изменения упругого отклонения исполнительного м еханизма.

В четвертой главе описывается процедура идентификации упругоинерционных параметров и диссипативных свойств электромеханического робота и приводятся результаты численного моделирования эффективности предложенных методов активного гашения колебаний.

Схема экспериментальной установки по определению параметров испо лнительного механизма промышленного робота с электромеханическим п риводом модели «Электроника НЦТМ-01» показана на рис. 10. Упругие свойства исполнительного механизма этого робота изучались путем нагружения его вертикальной P b, радиальной P n и тангенциальной P нагрузками при различного положении рабочего органа 1. Исследования показали, что наименее жестким звеном робота является шток механизма вертикального перемещеН / м ). Величины коэффициентов жесткости шариковых п ения ( с редач винт-гайка механизма горизонтального перемещения руки 4 и механизма перемещения каретки 6 изменялись в пред елах с 2 ( 6, Рис. 10. Схема экспериментальной установки :

1 – рабочий орган; 2 – шток механизма вертикального перемещения ; 3 - шариковая передача винт-гайка; 4 – механизм горизонтального перемещения ; 5 – привод механизма горизонтального перемещения ; 6 – каретка с механизмом поворота; 7 – привод перемещения каретки ; 8 – пьезоэлектрический датчик ускорений Парциальные частоты и коэффициенты вязкого трения находились по о сциллограммам упругих колебаний рабочего органа 1, соответствующих в ыдвинутому положению штока 2 и фиксированным положениям механизма горизо нтального перемещения 4 и каретки 6 и втянутому положению штока 2 при н еподвижном положении привода 7 перемещения каретки. Получение этих осци ллограмм осуществлялось с помощью виброкол лектора СК-1100, оснащенногопрограммой виброанализа, на основе показаний пьезоэлектрического да тчика ускорений 8. Коэффициенты вязкого трения рассчитывались по известным з ависимостям через логарифмические декременты, найденные путем измерения последовательных значений амплитуд колебаний на соответствующих осци ллограммах. Приведенные массы колебательных систем определялись по пол ученным значениям парциальных ча стот.

Описываются результаты численного моделирования систем активного гашения упругих колебаний рабочего органа этого робота с использованием параметров колебательных систем, полученных для различных конфигураций исполнительного механизма. Численное моделирование осуществлялось с п омощью программы MATLAB, в которой была построена Simulink-модель трехмассовой мехатронной системы, полученная на основе уравнений (1) – (3) с учетом электромагнитных и электромеханических процессов в двигателе п остоянного тока с независимым возбу ждением где u Я, iЯ, еЯ - напряжение, ток и ЭДС якоря; LЯ, RЯ, TЯ - индуктивность, сопротивление и электромагнитная постоянная времени якоря; m,M,M Н, m механическая угловая скорость, электр омагнитный момент, момент нагрузки и механический угол поворота вала ; J - момент инерции ротора; коэффициенты k E, k M являются конструктивными постоя нными.

В процессе численного моделирования была исследована эффективно сть гашения колебаний рабочего органа 1 в направлении выдвижения с помощью привода 7 программного движения в этом направлении и привода 5 механизма горизонтального перемещения, играющего вместе с кареткой 6 роль «промеж уточной» массы. Проведенные исследования показали, что при выдвинутом штоке 2, когда частота колебаний рабочего органа составляет 0 10,8 Гц, а частота колебаний механизма поворота с горизонтальным звеном 18,5 Гц, для гашения колебаний более эффективно использование привода 7 перемещения каретки. При втянутом же штоке, когда частоты колебаний близки ( 0 16,6 Гц и 1 14,4 Гц ), более эффективным оказывается привод 5 механизма горизонтального перемещения. Графики упругих колебаний рабочего о ргана с предлагаемыми системами гашения показаны на рис. 11.

1 – без компенсирующего воздействия; 2 – при гашении колебаний приводом перемещения каретки; 3 – при гашении колебаний приводом механизм а горизонтального перемещения В первом случае (рис. 11,а) декремент колебаний увеличивается с 0,13 для исходной системы (кривая 1) до 1 0,38 при использовании привода 7 перемещения каретки (кривая 2) и 0,22 при применении привода механизма горизонтального перемещения (кривая 3). Во втором случае (рис. 11,б) эффективность использования привода 7 несколько снижается ( 1 0,26 ), а привода 5, наоборот, повышается до значения 0,31. При этом время затухания колебаний при применении систем акти вного гашения снижается в 1,5 -2 раза по сравнению с исходной системой.Выполненные исследования, хотя и показ али некоторое снижение эффе ктивности систем активного гашения колебаний по сравнению с результатами, полученными при использовании приводов с идеальными характеристиками (см. рис. 4, 6), в целом подтвердили результаты аналитических расчетов.

Пятая глава посвящена вопросам разработки алгоритмического и программного обеспечения задач компенсации ко лебаний быстродействующих мех атронных систем с учетом упруго-инерционных свойств кинематических цепей.

Описываются алгоритмы автоматического составления дифференциальных уравнений движения исполнительных механизмов мехатронных систем и решения прямых и обратных задач динамики. Процедура получения диффере нциальных уравнений движения выполнена на основе исполнительного мех анизма в виде плоского двухзвенника. Уравнения движения составляются с помощью принципа наименьшего принуждения Гаусса. При этом энергия ускорений вычислялась по формуле где mi, J xi, J yi, J zi - массы и главные центральные моменты инерции звеньев исполнительного механизма; m j, J x j, J y j, J z j - массы и главные центральные моменты инерции звеньев механических передач движения ; Wxi, Wyi, Wzi, Wxi, W yi, Wzi - проекции абсолютных ускорений центров масс i –х звеньев и их отклонения на оси неподвижной системы коор динат.

Программный комплекс реализован на алгоритмическом языке Фортран с компилятором Microsoft Fortran PowerStation 4.0, основанный на использовании как стандартных программ, входящих в библиотеки математического обеспеч ения ЭВМ, так и специальных програ мм, учитывающие специфические особе нности динамики исполнительных механизмов мехатронных систем.

В заключение главы описывается разработанный на основе исследов аний, приведенных во второй главе, алгоритм автоматизированного выбора метода компенсации упругих колебаний и расчета соответствующих цепей упра вления.

Предлагаемый алгоритм может быть использован при решении задач гашения упругих колебаний мехатронных систем как на этапе их создания, так и в пр оцессе реализации управляемого движения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Основные результаты исследований следу ющие:

1. Для трехмассовой колебательной системы получены аналитические соотношения для выбора наиболее эффективной структуры цепей управления приводами программных движений, обеспечивающие активную компенсацию упругих колебаний.

2. Получены аналитические соотношения для выбора наиболее эффе ктивной структуры цепей управления дополнительными приводами, воздействующих на промежуточную массу, для гашения свободных колебаний испо лнительного механизма.

3. Обоснован и исследован спо соб динамического гашения упругих кол ебаний трехмассовых мехатронных систем на основе использования упруго инерционных связей и активного воздействия на промеж уточную массу.

4. Разработан и обоснован метод гашения колебаний мех атронных систем за счет целенаправленного, скачкообразного изменения упругих свойств механических передач движения.

5. Работоспособность и эффективность предлагаемых методов и средств гашения колебаний трехмассовых мехатронных систем с упругими звеньями подтверждена результатами численного моделирования с использованием реальных значений параметров, полученных на серийной модели промышленного робота с электромеханическим приводом.

6. На основе проведенных исследований разработан ы алгоритмы и программы автоматического получения дифференциальных уравнений движения мехатронных систем с учетом упруго -инерционных связей и автоматизированного выбора методов и средств компенсации упругих колебаний, которые могут быть использованы как в системах расчета и проектирования подобных систем, так и в системах программного управления движ ением.

7. Предложенные методы и средства гашения колебаний мехатронных си стем с упругими звеньями, а так же алгоритмы и прог раммы прошли апробацию и реализованы в научно – исследовательских институтах и конструкто рских бюро в процессах проектирования оборудования, а также в учебном пр оцессе.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

- публикации ведущих рецензируемых научных журнал ов, входящих в перечень ВАК:

1. Кузнецов Н. К. Разработка прогр аммного обеспечения задач динамики и управления движением манипуляционных роботов / Н.К. Кузнецов, А.Ю. Перелыгина. // Вестник ИрГТУ. – Иркутск, 2006. – №4. – C. 35-41.

2. Кузнецов Н. К. Управление колебаниями трехмассовой системы / Н.К.

Кузнецов, А.Ю. Перелыгина. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. ИрГУПС. – Иркутск, 2007. – №1. – С. 14-18.

3. Кузнецов Н. К. Исследование эффективности управления колебаниями на основе трехмассовой расчетной схемы / Н.К. Кузнецов, А.Ю. Перелыгина. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. – Иркутск, 2008. – №1. – С. 85-92.

4. Кузнецов Н. К. Динамическое гашение колебаний упругой трехмасс овой системы / Н.К. Кузнецов, А.Ю. Перелыгина. // Современные технологии.

Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. – Иркутск, 2008. – №3. – С. 14-19.

- программы для ЭВМ, зарегистрированные в Отраслевом фонде алг оритмов и программ Государственного координационного центра информацио нных технологий Федерального агентства по образованию :

5. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 5641 код по ЕСПД.03524577. 01299-01. Программный комплекс для исследования динам ики и управления движением исполнительных механизмов роботов / Н.К. Кузнецов, А.Ю. Перелыгина ; Иркут. техн. ун-т. – ГР № 50200600134 ; зарег. 6.02.06.

– М. : ОФАП, 2005. – 5с.

- публикации в российских изданиях, доклады на российских и междун ародных конференциях:

6. Кузнецов Н.К. Автоматизация расчета гидравлических демпферов с переменным сопротивлением / Н. К. Кузнецов, В.Н. Перелыгин, А.Ю. Перелыгина // Трибофатика : Сборник докладов V Международного симпозиума по трибофатике. Иркутск : ИрГУПС, 2005. – Том. 3. – С. 378-382.

7. Кузнецов Н. К. Управление движением трехмасс овой колебательной системы / Н.К. Кузнецов, А.Ю. Перелыгина // Проблемы механики современных машин : Материалы третьей международной конференции / ВСГТУ. – Улан-Удэ, 2006. – Т. 1. – С. 188-191.

8. Перелыгина А.Ю. Численное моделирование упругих колебаний трехмассовой системы // Наука. Технологии. Инновации : Материалы всеро ссийской научной конференции молодых ученных в 7 -ми частях. – Новосибирск, 2006. – Ч. 1. – С. 114-115.

9. Кузнецов Н. К. Особенности управления колебаниями трехмассовой системы / Н.К. Кузнецов, А.Ю. Перелыгина. // Проблемы механики совреме нных машин : Материалы четв ертой международной конференции / ВСГТУ. – Улан-Удэ, 2009. – Т. 1. – С. 244 – 247.

10. Кузнецов Н. К. Особенности управления движением трехмассовой колебательной системы / Н.К. Кузнецов, А.Ю. Перелыгина. // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, бу дівництво). ПолтНТУ. – Полтава, 2009. – Вып. 25. – Т. 3. – С. 121-124.



 
Похожие работы:

«Фомина Инна Владимировна РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СИСТЕМ С СОЧЛЕНЕНИЯМИ ЗВЕНЬЕВ Специальность 01.02.06. – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Иркутск – 2011 Работа выполнена в ГОУ ВПО Иркутский государственный университет путей сообщения Министерства транспорта РФ Федерального агентства железнодорожного транспорта. засл. деятель науки РФ,...»

«Усманов Давид Бисенович МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО ТРАНСФОРМИРУЕМОГО РЕФЛЕКТОРА 01.02.04 — Механика деформируемого твердого тела Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Томск – 2006 Работа выполнена в Томском государственном университете. Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор Скрипняк Владимир Альбертович Официальные оппоненты : доктор...»

«Корниенко Денис Олегович НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОД ОСЦИЛЛЯЦИЙ ЗАРЯЖЕННОЙ КАПЛИ И ЗАРЯЖЕННОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ТАЮЩЕЙ ГРАДИНЫ 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Пермь – 2011 Работа выполнена в лаборатории математического моделирования физических процессов Ярославского государственного университета им. П.Г.Демидова Научный руководитель : доктор...»

«Шарипов Александр Сергеевич Исследование процессов воспламенения и горения синтетических топлив в адиабатическом реакторе и за ударными волнами в термически неравновесных условиях Специальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2014 Работа выполнена в ФГУП Центральный институт авиационного моторостроения имени...»

«Богачев Иван Викторович МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОЛЕБАНИЙ НЕОДНОРОДНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИХ СВОЙСТВ 01.02.04 – механика деформируемого твердого тела АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Ростов-на-Дону – 2014 Работа выполнена в федеральном государственном автономном образователь­ ном учреждении высшего профессионального образования Южный федераль­ ный университет. Научный руководитель : доктор физико-математических наук,...»

«ИЛЬИН Илья Юрьевич МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ КОЛЕННОГО СУСТАВА ЧЕЛОВЕКА ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ (Специальность 01.02.08 - биомеханика) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2001 Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете Научные руководители: доктор технических наук, профессор Шолуха В.А. доктор биологических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Зинковский А.В....»

«Сутырин Олег Георгиевич РАСПРОСТРАНЕНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН В НЕОДНОРОДНЫХ ГАЗОВЫХ СРЕДАХ 01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2011 Работа выполнена на кафедре гидромеханики механико-математического факультета и в лаборатории газодинамики взрыва и реагирующих систем Института механики Московского государственного...»

«Пыльник Сергей Валерьевич ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОПРЯЖЕННОГО МАССООБМЕНА В ОРОШАЕМОМ БИОФИЛЬТРЕ 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Томск – 2008 Работа выполнена на кафедре математической физики физикотехнического факультета ГОУ ВПО Томский государственный университет Научный руководитель : Кандидат физико-математических наук, доцент Леонид Леонидович Миньков (ГОУ ВПО Томский...»

«Биткина Елена Владимировна РАЗРАБОТКА МЕТОДА АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО – ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ТЕМПЕРАТУРНЫХ, СИЛОВЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ Специальность 01.02.04 Механика деформируемого твердого тела Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Самара - 2009 2 Работа выполнена на кафедре Механика Государственного образовательного учреждения высшего профессионального...»

«Крайко Алла Александровна ПРОФИЛИРOВАНИЕ СОПЕЛ И ПЕРЕХОДНЫХ КАНАЛОВ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2014 Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова Научный руководитель : доктор технических наук, профессор, Крашенинников Сергей Юрьевич Официальные...»

«Китаева Людмила Владимировна МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГИДРОДИНАМИКИ В ПРОНИЦАЕМЫХ КАНАЛАХ Специальность 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Бийск – 2003 2 Диссертация выполнена в Бийском технологическом институте (филиале Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования) Алтайского государственного технического университета Научный...»

«Костеренко Виктор Николаевич МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ВЕНТИЛЯЦИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Томск - 2011 2 Работа выполнена в государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования Томский государственный университет Научный руководитель : доктор технических наук, Палеев Дмитрий...»

«Долганина Наталья Юрьевна ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ СЛОИСТЫХ ТКАНЕВЫХ ПЛАСТИН ПРИ ЛОКАЛЬНОМ УДАРЕ Специальность 01.02.06 – динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Челябинск – 2010 Работа выполнена на кафедре Прикладная механика, динамика и прочность машин Южно-Уральского государственного университета. Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Сапожников С.Б. Официальные...»

«Орлов Максим Юрьевич УДК 539.3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ СТРУКТУРНО – НЕОДНОРОДНЫХ ПРЕГРАД ПРИ УДАРНОВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ Специальность 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук Научный руководитель к.ф.-м.н., с.н.с. В.П. Глазырин Томск Работа выполнена в НИИ прикладной математики и механики и кафедре теории прочности и проектирования...»

«РУДЕНКО Юрий Фёдорович УПРАВЛЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ УДАРНЫХ ВОЛН В СЕТИ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ ПРИ ВЗРЫВЕ ГАЗА И ПЫЛИ 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Томск - 2009 2 Работа выполнена в Томском государственном университете. Научный руководитель : доктор технических наук, ст. н. с. Палеев Дмитрий Юрьевич Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, профессор,...»

«ИВАНОВ Кирилл Сергеевич ВИБРОУДАРНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ СЫПУЧИХ СРЕД И ДЕФОРМИРУЕМЫХ ТЕЛ – ПРИЛОЖЕНИЕ К МОДЕЛИРОВАНИЮ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА СИТОВОЙ КЛАССИФИКАЦИИ 01.02.06 – динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем машиноведения Российской академии наук и Научно-производственной...»

«Эрикенов Сеит Муратович СТРУКТУРА РЫВКА ГИРИ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СПЕЦИАЛЬНОВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ УПРАЖНЕНИЙ В ТРАДИЦИОННЫХ И ИСКУССТВЕННО СОЗДАННЫХ УСЛОВИЯХ 01.02.08 - Биомеханика 13.00.04 - Теория и методика физического воспитания, спортивной тренировки, оздоровительной и адаптивной физической культуры АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Нальчик 2003 Работа выполнена в Кабардино-Балкарском...»

«АСЕЕВА Наталья Владимировна ЧИСЛЕНОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ И ВОЛН В СРЕДАХ СО СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ 01.02.05 – МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ, ГАЗА И ПЛАЗМЫ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Нижний Новгород, 2007 1 Работа выполнена на кафедре Информационные системы и технологии Нижегородского филиала Государственного университета – Высшая школа экономики, г. Нижний Новгород и на кафедре Прикладная математика...»

«Осипов Юрий Викторович МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТЬЮ АППАРАТА ВНЕШНЕЙ ФИКСАЦИИ УНИВЕРСАЛ Специальность 01.02.06 – динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Томск 2000 Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Люкшин Б.А. Официальные оппоненты : доктор технических наук, Реутов Ю.И....»

«РЕУТОВ АНАТОЛИЙ ИЛЬИЧ НАДЕЖНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК Специальности 01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук ТОМСК 2011 www.sp-department.ru 2 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Томский...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.