На тему: «Регулирование позиционного перемещения манипулятора»
2005
Содержание
Введение
1. Описание технологического процесса
2. Требования к системам управления манипуляторами
3. Действующие координатные возмущения
4. Выбор регулируемого параметра и способа его задания
5. Выбор измерительных устройств
6. Построение функциональной схемы системы регулирования
7. Расчленение системы на типовые звенья
8. Построение структурной схемы системы регулирования
9. Расчёт численных значений постоянный времени и коэффициентов преобразования
11. Определение передаточной функции системы
12. Оценка устойчивости
Список литературы
ВведениеВ данной курсовой работе рассмотрена система регулирования позиционного перемещения манипулятора.В настоящее время к точности размеров проката предъявляются повышенные требования. Это объясняется требованием к повышению эффективности прокатного производства и конкурентоспособности продукции на внутреннем и мировом рынках. Оптимизация позиционного перемещения манипулятора является обязательным условием нормального протекания технологического процесса. При неточном перемещении манипулятора нарушается процесс прокатки. Таким образом, одним из главных технологических требований при прокатке является позиционное перемещение манипулятора.Поэтому манипуляторы необходимо оснащать системами автоматического регулирования перемещения (САРП), без которых процесс прокатки на этих станах, в принципе, невозможен. Таким образом, вопрос позиционного перемещения манипулятора при прокатке остаётся актуальным.Совместить высокую производительность комплекса, высокое качество продукции и экономию ресурсов, т.е. достичь наилучших экономических показателей передела, можно путем такого оперативного согласования режимов прокатного стана и манипулятора, когда тот и другой работают на условно оптимальных режимах, учитывающих, в частности, изменяющийся в широких пределах сортамент. Указанное согласование параметров стана и манипулятора, оптимальное в среднем по всему множеству сортаментов, входящих в портфель заказов, должно быть достигнуто за счет соответствующего выбора состава и параметров оборудования, а осуществление оптимальных режимов этого оборудования должно быть обеспечено соответствующей АСУ ТП (Автоматическая Система Управления Техническим Процессом) [3].Целью автоматизации манипулятора является повышение параметров точности проката при высокой производительности. Данная цель достигается при решении ряда задач. Одной из часто встречающихся является управление приводом манипулятора.1. Описание технологического процессаСлиток по рольгангам подается в рабочую клеть 4 в ручей номер 1, где производится первичная прокатка (рис.1). Далее заготовка подается на приемный рольганг 5 и с помощью манипулятора 6 перемещается в ручей номер 2 для дальнейшего проката. Затем заготовка подается на приемный рольганг 7 и с помощью манипулятора 8 перемещается в ручей номер 3 для заключительного проката. Затем блюмы рольгангами 9 подаются к ножницам 10 для обрезки передней задней дефектных частей.Рис.1. Схема движения заготовкиХарактеристика рабочей клети блюминга 1250Наибольший диаметр бочки валка по буртам, мм 1250Наименьшее расстояние между осями переточенных валков, мм 1180Длина бочки валка, мм 2800Диаметр шейки валка, мм 750Наибольший подъем верхнего валка (от номинального положения), мм 1150Резьба нажимного винта -- упорная, двухходовая, мм 480Ч32Ч2Передаточное число редуктора нажимного устройства i 3.08Поступательная скорость нажимных винтов, мм/с 185_220Высота клети от уровня поля цеха, мм 9480Электородвигатели привода валков (2шт.)тип П24-160-6,8мощность, кВт 6800скорость, об/мин 0_60_90Общая масса клети (примерно), 738В том числе масса одной станины, т 110Рис.2Привод манипулятора1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - линейкаОсновные параметры электродвигателя серии 1МG7 представлены в таблице 1 [7]:
Электродвигатели Siemens серии 1MG7, производятся мощностью от 18,5 кВт до 200 кВт и полностью адаптированы для российского потребителя.
Таблица 1. Характеристики электродвигателя [8]
P,
Габа-рит
Тип
n,
(об/мин)
КПД, %
cosц
I,(А)
M, (Н*м)
KL
Ј, (
M, (кг)
4 пол, 1500 об/мин, 50Гц.
110
315S
1MG7310-4CA
1488
94.8
0.86
194
706
2.5
7.0
2.7
16
2.20
870
Основные параметры редуктора представлены в таблице 2 [6]:
Скорость вращения быстроходного вала редуктора, n об/мин
Момент на тихоходном валу, Н
Ц2У-200
38,98
100%
600
2500
2. Требования к системам управления манипуляторамиСистемы управления манипуляторами предназначены для обеспечения своевременного перемещения заготовки между ручьями клети, сохранности валков клети и оборудования, безопасности работы на клети и предотвращения аварий.3. Действующие координатные возмущенияНа регулирование перемещения манипулятора действуют следующие координатные возмущения [3]:- колебания скорости валков рабочей клети;- колебания температуры, изменение размеров, массы заготовок;- износ валков,- колебания температуры окружающего воздуха; - изменение свойств заготовок,- потери на преобразование энергии в другие виды энергии (шум, излучение и др.),- изменение напряжения в сети электропитания.4. Выбор регулируемого параметра и способа его заданияДля того чтобы обеспечить заданное перемещение заготовки на выходе из клети, необходимо изменять значения угловых скоростей вращения вала электродвигателя посредством регулирования тока якоря электродвигателя. Это необходимо для оптимальной работы реверсивной клети, ликвидации простоев стана.В работе рассмотрен путь регулирования.Для начала действия САРП используется сигнал о выходе заготовки из валков клети. Для регулировки угловой скорости вращения вала электродвигателя принимается принцип компенсации ошибки, для этого необходимо использовать сигнал о текущем перемещении, который идет непосредственно от датчика перемещения.5. Выбор измерительных устройств
Для обнаружения выхода заготовки из клети необходимо знать изменение усилия на клети, для чего используется датчик усилия тензорезисторный универсальный типа 5001 ДСТУ - ГОСТ 28836. [9].
Датчики устойчивы к воздействию температуры и влажности по группе С3, атмосферного давления по группе Р1 ГОСТ 12997, со степенью защиты IP67 по ГОСТ 14254, к воздействию синусоидальных вибраций высокой частоты по группе N2 ГОСТ 12997. Электрическое питание 12 В или 24 В по ГОСТ 18953.
Табл. 2 Технические характеристики датчика усилия.
Номинальное усилие
Габаритные размеры датчиков, не более, мм
Масса датчиков, не более,
кН
тс
D
d
B
H
h
К1
К2
кг
500
50
180
130
195
206
90
М60х3,0
М24 глуб.30 (8отв.)
18
Для обеспечения рабочего режима клети необходим блок задержки сигнала датчика усилия, в противном случае заготовка не успеет выйти из станины клети, что приведет к поломке стана. Для чего нам необходимо знать время запаздывания tзап:
,
где vпр=1 м/с - скорость прокатки.
Выбирается блок задержки Мастак БЗ_11, с временем запаздывания 0,1_3с.
Для управления электродвигателем используется частотный преобразователь LS600 фирмы Siemens.
Для измерения угловой скорости вала двигателя используется энкодер Siemens 1XP8001-2 (версия ТTL) [9].
Энкодеры Siemens предназначены для измерения линейных и угловых перемещений. Принцип действия энкодеров основан на оптическом методе измерения угла поворота линейных перемещений, что обеспечивает высокую точность. При наличии импульсного энкодера жестко закрепленного на валу электродвигателя, стандартный асинхронный электродвигатель выполняет функции высокоточного регулируемого электропривода.
Техническая характеристика датчика:
· Напряжение питания _ +5В ± 30В
· Входной ток без нагрузки _ 150 м
· Маскимальный нагрузочный ток _ Макс. 20 мА
· Точность (импульсов/оборот) - 1024
· Пульсация смещения между двумя выходами _ 90 Гр ± 20%
6. Построение функциональной схемы системы регулированияРис.3. Функциональная схема регулированияД.У.- Датчик усилия 5001 ДСТУ - ГОСТ 28836; Б.З. - блок задержки БЗ_11; ПУ - преобразующее устройство LS600ДВ - электродвигатель 1МG7;Ред - редуктор Ц2У-200;М - манипулятор;Э - энкодер 1XP8001-2.7. Расчленение системы на типовые звеньяПреобразующее устройство ПУ является безынерционным звеном, так как постоянная времени Тпу. приблизительно равна 0, следовательно, передаточная функция WПУ примет вид:,Двигатель является апериодическим звеном, т.к. при вращении ротора появляется маховой момент инерции и Wдв равна:.Редуктор так же является апериодическим звеном, т.к. при разгоне (торможении) колеса и шестерни появляются маховые моменты инерции вращающихся элементов и передаточная функция Wред равна:.Манипулятор с лежащим на нем заготовкой также являются апериодическим звеном и передаточная функция Wм равна:.Энкодер является безынерционным звеньом и передаточная функция WЭ. равна:.8. Построение структурной схемы системы регулированияРис.4. Структурнаясхемасистемы9. Расчёт численных значений постоянный времени и коэффициентов преобразованияМинимальное время передвижения заготовки определяется из системы:, (1)где S - перемещение заготовки, растояние между осями калибров:,S0 - начальное перемещение заготовки, S0=0м,v - скорость перемещения,v0 - начальная скорость перемещения, v0=0м/сa - ускорение перемещения.Следовательно минимальное время перемещения заготовки из системы 1:, (2)Ускорение а определяется из формулы:, (3)где m=500 кг - масса заготовки, - максимальная динамическая сила действующая на манипулятор, определяется из формулы:F = +Fст, (4)где F - сила действующая на манипулятор:,гдеР=110кВт - мощность электродвигателя.=0,3 - скорость рейки,,Fст - статическая сила действующая на манипулятор:Fст=G·м, (5)гдеG=5т - вес заготовки,м=0,3 - коэффициент трения.Тогда:Fст=5·0,3·10=15кН,382кН,м/с2,с.Необходимо расчитать динамические характеристики элементов системы.Момент на валу двигателя:,гдеMст=0 - статический момент двигателя.Mдин - динамический момент двигателя:,
где b - коэффициент, зависящий от типа двигателя и условия пуска.
Для двигателя постоянного тока и асинхронных двигателей с фазным ротором b = 1.4 ё 1.6. Для данного двигателя b = 1.6.
Тогда:
кН,
Определение приведённого момента электропривода.
Маховой момент системы электропривода, приведённый к валу двигателя из уравнения:
,
где: a - коэффициент, учитывающий маховые массы редуктора (находится по каталогу).Обычно он лежит в пределах от 1.1 до 1.15. В данном случае принимаем a = 1.1.
GD2дв - маховый момент двигателя ;
GD2дв = 2,2 .
GD2м- маховый момент соединительной муфты ;
GD2м = 1 .
G - сила сопротивления поступательно движущегося элемента (Н);
где Q - вес перемещаемого груза (кг.);
g - ускорение свободного падения (постоянная величина), g = 9.8 м/с2 ;
H.
nдв- номинальная скорость вращения двигателя (об/мин) ;
nдв=1488 об/мин.
кг м2.
Момент на валу редуктора:
,
где i=38.98 - передаточное отношение редуктора,
тогда: кН.
Расчитаем моменты инерции масс элементов механизма.
Моменты инерции манипулятора рассчитывается как сумма моментов инерции линейки и шестерни:
,
,
где L=0,05 м - длина шестерни,
с=7800 кг/м3_ плотность стали,
Dш=0,756м - диаметр шестерни.
Тогда:
кг/м2,
,
Тогда:
кг·м3.
Момент инерции редуктора:
разбивается передаточное число редуктора по ступеням Ц2У-200
, m=235 кг, D=800мм.
, m=720 кг, D= 1165 мм.
Данные берутся из справочника [6].
, (8)
кг.
Приведенный момент инерции редукторов к валу двигателя:
,
где =1,12 - коэффициент учитывающий инерцию вращающихся муфт.
319 кг
Постоянная времени двигателя:
Постоянная времени редуктора:
,
где =40 сек-1 - угловая скорость редуктора.
сек
Постоянная времени манипулятора:
Передаточный коэффициент привода манипулятора:
,
где x = ц - функция угла поворота вала двигателя,
y = Rш·цш - передвижение манипулятора,
Rш=0,225м._ радиус шестерни,
цш= ц/i - угол поворота вала редуктора
При повороте вала двигателя на 1° вал редуктора повернется на:
цш= ц/i=1/38,98=0,026°,
Тогда:
м/°
10. Передаточные коэффициенты элементов механизма
Перемещение задается c помощью задающего устройства (ЗУ).
Передаточный коэффициент манипулятора с заготовкой:
,
Передаточный коэффициент энкодера:
.
11. Определение передаточной функции системыПередаточная функция всей системы определяется по формуле,(14). (15)12. Оценка устойчивостиПередаточная функция всей системы:Так как передаточная функция получилась третьего порядка, то устойчивость проверяется по критерию Вышнеградского. Для этого необходимо и достаточно выполнение двух условий:1) все коэффициенты характеристического уравнения должны быть положительными (a1>0; a2>0; a3>0; a4>0);2) произведение средних коэффициентов должны быть больше произведения крайних (a2a3> a1a4).;.По критерию Вышнеградского система устойчива.Список литературы1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Изд. 5-е в 3-х тт. - М.: Машиностроение, 1980.2. Буглак В.Н. Автоматизация методических печей. Изд. 3-е М.: Металлургия, 1981. 3. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин, 7-е изд. М.: Высшая школа, 2001.4. Тымчак В.М. Справочник печей прокатного производства. Изд. в 2-х тт. Том 2-ой -М.: Металлургия, 1970.6. Харахаш В.А. Справочное руководство по цилиндрическим редукторам. - М.: МАШГИЗ, 1961.7. Копылова И. П. Справочник по электрическим машинам. - т1. - М.: Энергоатомиздат, 1988 - 455 с.8.http://tehprivod.ru/kat_elsiemens.htm.9. http://www.tenzo.ru/default.aspx?ti=1&hti=14&p=710.http://tehprivod.ru/kat_preobraz.htm.