Разработка силовых электромеханических модулей многокоординатного шагового электропривода

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 КПССМ.: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.