Разработка методов расчета и проектирования линейных электромагнитных приводов средств автоматизации технологических процессов

В последние годы в цикловых и следящих приводах средств автоматизации всё более широкое применение находят линейные электромагнитные приводы (ЛЭМП). В частности, они используются в различных средствах автоматизации, ковочном, штамповочном, прессовом оборудовании, испытательных вибрационных установках, отдельных транспортных системах и пр. ЛЭМП могут применяться как в разомкнутой (при перемещениях от упора до упора), так и в замкнутой системе (с обратной связью). В них используется линейный электромагнитный двигатель (ЛЭМД), состоящий из сердечника, одной или нескольких обмоток и подвижного элемента — ферромагнитного якоря, имеющего одну поступательную степень свободы. При подаче напряжения на обмотку (обмотки) и установлении тока благодаря взаимодействию возникающего магнитного поля с якорем появляется тяговая сила, приводя-" щая в движение якорь. Основной магнитный поток протекает через сердечник, якорь и рабочий зазорконфигурация поверхностей последнего определяет ход якоря, а его магнитная проводимость — тяговую характеристику, зависимость тяговой силы от положения якоря.

Типовой ЛЭМП обладает высокой надёжностью, низкой себестоимостью вследствие простоты и технологичности конструкции, эффективно управляется изменением силы тока в обмоткерациональный выбор типа исполнения и конструктивных параметров магнитопровода позволяет в весьма широких пределах изменять вид тяговой характеристики. В отличие от пневматического и гидравлического приводов, в ЛЭМП отсутствует промежуточное преобразование вида носителя энергии, что позволяет существенно уменьшать габариты, а также избегать проблем, связанных с утечками рабочего тела (газа, жидкости). При использовании ЛЭМД для получения возвратного или возвратно-поступательного движения рабочего органа привод обычно выполняется прямым, не содержащим Передаточных звеньев. Это позволяет достичь высоких точности и быстродействия, а также интегрировать двигатель в исполнительный механизм, что повышает надёжность, уменьшает габариты и стоимость машиныэлементы системы управления (датчики) также могут быть встроены в конструкцию. С другой стороны, преимущества ЛЭМД позволяют успешно использовать его в сочетании с передаточным механизмом, используемым для получения врашательного или более сложных видов движения рабочего звена либо для преобразования силовых характеристик. Рациональный выбор параметров передаточного механизма даёт возможность оптимально согласовать ЛЭМД по перемещению и усилию с нагрузкой. К основным факторам, ограничивающим применение ЛЭМП, относятся малый ход (до десятков-сотен миллиметров), малые силы (до сотен ньютонов), мощности и частоты ходов (до десятков Гц), что во многом обусловлено сложностью рационального проектирования ЛЭМП.

В отличие от вращательных электродвигателей общетехнического применения, ЛЭМД не стандартизованы, хотя отдельными фирмами (напр., ЕТЕЬ) предпринимались попытки разработки унифицированных рядов ЛЭМД, Как правило, для каждой конкретной задачи ЛЭМД проектируется вместе с остальными узлами привода. В большинстве случаев такой подход оправдан, поскольку позволяет разрабатывать приводы с характеристиками, оптимальными для конкретной задачи.

В настоящее время проектирование ЛЭМП сопряжено с многими трудностями и требует высокой квалификации инженера-механика. Н. П. Ряшенцевым, Б. К. Булем, А. В. Гордоном, ИГ. Ефимовым и другими учёными^ [25,54,24,46,31,30,78] проведены серии теоретических исследований ЛЭМД и других электромагнитных устройств, разработаны методики расчёта их статических и динамических характеристик. В данной диссертации использованы результаты этих работ. Однако в этих разработках ЛЭМД рассматриваются преимущественно изолированно, без связи с механикой приводимых в движение механизмов. При их практическом использовании в реальных условиях для эффективного и рационального проектирования ЛЭМП под конкретные задачи недостаточно традиционного инструментария инженера-конструктора. Отсутствуют рекомендации по рациональному выбору схемных решений и параметров ЛЭМП для обеспечения необходимого быстродействия при требуемой механике движений. Кроме того, для эффективного решения ряда практических задач (в частности, проектирования цикловых ЛЭМП средств автоматизации) желательно наличие стандартного ряда типоразмеров ЛЭМД, отсутствующего в настоящее время.

В последнее десятилетие благодаря доступности аппаратных и развитию программных средств вычислительной техники появилась возможность разработки специализированного пакета автоматизированного проектирования и расчёта ЛЭМП, использующего методы вычислительной математики для решения задач, которые не могли быть эффективно решены традиционными методами. В основу пакета должна быть положена методика расчёта и проектирования ЛЭМП, позволяющая выбирать параметры привода с учётом совокупности таких разноплановых критериев, как производительность, себестоимость, а также неформализуемых качественных показателей — эколо-гичности, технологичности, экономической эффективности и пр.

Актуальность выбранной темы определяется тем, что во многих автоматических и автоматизированных машинах и агрегатах применение ЛЭМП даст возможность существенно улучшить эксплуатационные показатели, а разработка научно обоснованной методики выбора схем и параметров привода позволит значительно повышать эффективность и сокращать время проектирования.

Цель диссертации — разработка научных основ проектирования линейных электромагнитных приводов, как перспективных исполнительных устройств систем автоматизации производственных процессов, и концептуальной схемы компьютерной сйстемы автоматизации проектирования ЛЭМП.

Для достижения указанной цели ставятся и решаются следующие задачи:

— анализ опыта применения ЛЭМП в различных областях техникимногоаспектная классификация областей применения ЛЭМПанализ и ранжирование основных требований;

— анализ типов ЛЭМД, их параметров и тяговых характеристик, а также наработанных методик расчёта электромагнитных устройств;

— разработка общей математической модели ЛЭМП, получение основных уравнений, связывающих конструктивные параметры привода, силовые характеристики и параметры быстродействия;

— анализ частных математических моделей в целях выявления основных путей улучшения характеристик приводаанализ возможности оптимизации ЛЭМП по быстродействию;

— исследование и сравнительный анализ различных видов передаточных механизмов и возвратных устройств с точки зрения оптимального быстродействия привода;

— определение сил трения, возникающих в различных узлах привода, анализ их влияния на точность расчёта ЛЭМПанализ возможности пренебрежения трением для упрощения расчётов;

— определение радиальной силы, возникающей в ЛЭМД в результате погрешностей формы и взаимного расположения деталей, и её влияния на тяговую характеристикуразработка рекомендаций по рациональному выбору точности изготовления и сборки деталей ЛЭМД;

— разработка структурной схемы программного пакета автоматизации расчёта и проектирования ЛЭМПформулировка основных требований к пакету, рациональный выбор инструментального программного обеспечения.

Основные положения, выносимые на защиту, формулируются следующим образом.

1. ЛЭМП исполнительных механизмов может быть с успехом использован при автоматизации производств, когда требуемые усилия невелики, но необходимо высокое быстродействие.

2. Необходимый закон изменения силы на выходном звене может быть с высокой степенью эффективности обеспечен как за счет формирования тяговой характеристики двигателя, так и путем выбора типа и параметров механизма передачи и возвратного устройства.

3. Построенная математическая модель ЛЭМП основана на нелинейном дифференциальном уравнении, по результатам аналитического или численного решения которого определяются законы движения и показатели быстродействия,.

4. Для предварительной оценки показателей быстродействия ЛЭМП, а при постоянной передаточной функции — и для окончательного расчета, можно использовать приближенные выражения, полученные путем интегрирования упрощенного дифференциального уравнения движения.

5. Параметрическая оптимизация ЛЭМП с использованием разработанной методики позволяет значительно (на десятки процентов) повышать быстродействие.

6. При выборе зазоров в линейном электромагнитном двигателе необходимо учитывать погрешности смещения якоря относительно геометрической оси статора, вследствие чего Может значительно возрастать сила трения. Существует значение паразитного зазора, при котором суммарная тяговая сила двигателя максимальна.

7. Для режима возвратно-поступательного движения в цикловых ЛЭМП при применении двигателя одностороннего действия существенна фаза обратного ходапредложенная методика выбора типа и параметров возвратного механизма позволяет значительно сокращать время цикла.

— 108. Электромагнитные переходные процессы в двигателе при установлении тока в обмотке в ряде случаев могут существенно влиять на динамику ЛЭМПих анализ может быть успешно произведен при помощи разработанной модели и существующих программных пакетов исследования динамических моделей. 9. Разработанная методика расчета и проектирования ЛЭМП может быть положена в основу САПР ЛЭМП, схема которого предложена в диссертации.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 82 наименований. Объем диссертации составляет 182 страницы машинописного текста, в том числе 118 рисунков и 2 таблицы.

7.5. Основные результаты по главе.

1) Сформулированы основные и дополнительные требования к С АЛЛ ЛЭМД.

2) Сформулированы основные требования к инструментальному программному обеспечению для разработки пакета. Выделены пакета основные составные части пакета по функциональному признакудля реализации каждой из частей выбрано инструментальное программное обеспечение.

3) Предложены варианты алгоритмов работы, структурная схема пакета.

4) Разработаны основы построения пользовательского интерфейса. Приведены возможные варианты интерфейса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе исследований, проведенных в рамках Диссертации, получены следующие основные результаты.

1) Осуществлена многоаспектная классификация ЛЭМП. Обобщен опыт конструирования и использования ЛЭМП в различных областях техники. Проанализированы особенности их применения.

2) Разработана общая математическая модель ЛЭМП, учитывающая существенную нелинейность тяговой характеристики ЛЭМД, передаточной функции и нагрузки, а также непостоянство приведенной массы. Предложена упрощенная методика расчета быстродействия ЛЭМП (во многих случаях более эффективная) и определены границы области ее применимости.

3) Доказана возможность параметрической оптимизации ЛЭМП, дающей существенное (на десятки процентов) увеличение быстродействия.

4) Указаны пути повышения быстродействия ЛЭМП за счет рационального выбора параметров ЛЭМД, передаточного механизма и возвратного устройства;

5) Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать силы трения в ЛЭМД, порождаемые радиальной электромагнитной силойпоказано существование оптимальной величины паразитного зазора, соответствующей наибольшей тяговой силе.

6) Разработана модель ЛЭМП, позволяющая с использованием среды моделирования Бшайдак исследовать переходные процессы в ЛЭМД при установлении тока в обмотке, а также их влияние на характеристики привода.

7) Предложена структурная схема САПР ЛЭМП, разработаны основы построения пользовательского интерфейса, показана возможность реализаций пакета на основе сделанных в диссертации наработок.