5. Автоматизация типовых промышленных механизмов циклического действия

Лекция 14

5.1. Общие сведения

Автоматизация рабочего цикла механизмов циклического действия [12] исключает человека-оператора из процесса управления машиной, что повышает требования, предъявляемые к ЭП. Несмотря на большое разнообразие, механизмы циклического действия имеют однотипный цикл и относятся к позиционным механизмам. Элементарный цикл работы его представляет собой перемещение рабочего органа или звена из исходной позиции в заданную с требуемой точностью. Задачу автоматизации таких механизмов следует разделить на две группы: первую группу с конечным числом фиксированных положений (двухконцевой скиповый шахтный подъемник, пассажирский лифт, кран специального назначения, обслуживающий конечное число пунктов на территории цеха, промышленный робот (ПР), работающий по жесткой программе) и вторую группу установок, предназначенных для обслуживания любой точки в рабочей зоне пространства, плоскости или линии-механизмы, указанные для первой группы, но с числом позиций настолько большим, что нет смысла их фиксировать, и требуется постоянный контроль текущего положения органа и автоматическая отработка дозированных перемещений – с позиционной автоматизацией.

5.2. Автоматическая точная остановка подъемно- транспортных механизмов

При цикловой автоматизации установка рабочего органа (РО) в требуемое фиксированное положение обеспечивается в простейшем случае отключением двигателя от сети и наложением механического тормоза, причем команда на отключение поступает с датчика точной остановки (ДТО), установленного на некотором расстоянии от точки точной остановки (ТО), (рис. 5.1).

При таком способе точность остановки полностью определяется условиями движения ЭП с момента поступления в схему импульса на отключения и момента полной остановки. Весь процесс останова можно разделить на два этапа. Первый обусловлен наличием собственного времени срабатывания аппаратуры t_А.

Рис. 5.1

В течение этого времени РО продолжает движение со скоростью v_П с которой он подошел к ДТО и проходит путь S^/ = v_Пt_А. По истечении времени t_А двигатель отключается от сети и накладывается тормоз. На втором этапе запасенная во время поступательного и вращательного движения кинетическая энергия расходуется на совершение работы по преодолению сил статического сопротивления движению на проходимом пути S^//:

m_v_П² = (F_Т + F_СТ) S^//, (5.1)

где m_ = J_/ – суммарная масса движущихся частей установки, приведенная к поступательному движению РО, J_ – приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции ЭП,  = v/ – радиус приведения,  – угловая скорость ЭД, соответствующая линейной скорости v_П движения РО, F_Т и F_СТ – суммарное усилие сопротивления движению, обусловленное моментом механического тормоза М_Т и моментом статической нагрузки М_СТ, приведенное к поступательному движению РО. Искомый путь S^// на втором этапе:

S^// = v_П²/2а, (5.2)

где а = (F_Т + F_СТ)/m_ Величины, определяющие полный путь изменяются, что изменяет и путь и делает невозможной точную остановку. Максимальная неточность остановки будет определяться:

S = S₀^/(v/v_по+ t/t₀) + S₀^//(2v/v_по + а/а₀), (5.3)

где v, t, а и v_по, t₀, а₀ – отклонения и средние значения соответствующих параметров. Анализ полученного соотношения свидетельствует, что неточность остановки тем больше, чем больше отклонения переменных.

Среднее время срабатывания и возможный разброс его значений для большинства аппаратов  15–20 %, поэтому относительное t/t₀ = 0,15 – достаточно точная величина для практических расчетов. Но стараются уменьшить t₀ использованием быстродействующих аппаратов и сокращения числа последовательно действующих элементов схемы. Для повышения точности останова стремятся к увеличению а₀ и а/а₀. Значения статического усилия F_СТ и приведенной массы m определяются конструктивными особенностями и режимом работы механизма, поэтому они не поддаются корректировке. Тормозное усилие F_Т при проектировании выбирается возможно большим, поскольку оно увеличивает среднее замедление при торможении и в то же время при прочих равных условиях уменьшает его относительное отклонение, поскольку тормозное усилие является более стабильным, чем другие параметры. Можно полагать, что F_T = 0, но для некоторых механизмов необходимо учитывать возможность изменения усилия тормоза в пределах  15–20 % (случайные изменения коэффициента трения, настройка тормоза и др.). Возможности снижения неточности остановки за счет F_T невелики вследствие необходимости ограничивать максимальное замедление допустимым значением а_ДОП. Отсюда F_T.ДОП :

F_T.ДОП = m_a_ДОП – F_{СТ.МАХ .} (5.4)

Из формулы следует, что увеличение F_T.ДОП возможно за счет увеличения суммарной приведенной массы установки, например, путем установки на валу ЭД маховика. Однако увеличение инерционных масс установки, работающей в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками и замедлениями, является нежелательным, т.к. влечет за собой увеличение динамических нагрузок ЭД и обусловленных ими потерь электроэнергии. Поэтому подобный способ повышения точности останова находит применение лишь в некоторых лебедках с червячным редуктором, предназначенных для пассажирских лифтов. В них на валу ЭД размещают массивную соединительную муфту, выполняющую также роль тормозного шкива повышением момента инерции. С учетом указанных факторов реальные значения а/а₀ = 0,1–0,5, что является возмущением, вызывающим неточность остановки.

Влияние средней остановочной скорости определяется механической характеристикой (МХ) ЭД (рис. 5.2). Если МХ в процессе работы ЭД неизменна, скорость двигателя при подходе к ДТО определяется статической нагрузкой на валу ЭД и жесткостью характеристики, и отклонения скорости зависят от изменения нагрузки. Средняя остановочная скорость v_ПО. оказывает наибольшее влияние на неточность остановки, поэтому ее уменьшают. Чем выше жесткость механической характеристики ЭД перед остановкой, тем стабильнее начальная скорость привода v_П, тем выше точность останова.

Рис. 5.2

При проектировании ЭП отклонения скорости от среднего значения обычно принимают в пределах 0,2–0,5. Выбор слишком малых v/v_ПО < 0,2 требует слишком жесткой МХ, чего достичь бывает трудно. Выбор v/v_ПО > 0,5 также нежелателен, поскольку значение пускового момента недопустимо приближается при этом к максимальному моменту статической нагрузки. Кроме того, выбор слишком мягкой характеристики неблагоприятно отражается на длительности процесса дотягивания механизма к ДТО. При рассматриваемом классическом способе точной остановки подбор необходимых значений скорости и v/v_ПО является единственно возможным способом получения любой заданной точности остановки, что является задачей проектирования. Ниже приведены неточности S_ДОП (мм) остановки некоторых ОПМ.

ОПМ	Неточность
Лифты скоростные, больничные и грузовые, загружаемые посредством напольного транспорта; остальные	10–20; 35–50
Клетевые шахтные подъемники с качающимися площадками; с посадкой на кулаки	50–200; 50–100
Грузовые подъемники с вагонетками на рельсах	5–10
Скиповые шахтные подъемники и канатные дороги	200–300
Мостовые краны с установкой по координатам	10
То же, при автоматическом вызове и адресовании	300–500

5.3. Автоматическое точное регулирование положения при цикловой автоматизации

Повышение требований к точности остановки ПТМ и совершенствование техники управления ЭП привели к широкому использованию при цикловой автоматизации систем автоматического регулирования положения рабочего органа (РО) механизма по отклонению от уровня точной остановки. При этом процесс протекает в два этапа: замедление ЭП до пониженной скорости и вхождение в зону автоматического контроля, где система регулирования устанавливает РО в заданную позицию с требуемой точностью. Система регулирования положения непрерывно компенсирует возмущения, обусловленные упругостью подъемного каната.

Схема расстановки датчиков контроля приведена на рис. 5.4, а.

Рис. 5.4

Индуктивные датчики точной остановки ДТВ и ДТН, расположенные на кабине подъемника, у уровня точной остановки замыкаются скобой ЗС. При таком положении сигналы на выходе датчиков имеют наименьшие значения и равны друг другу. При опускании кабины вниз на расстояние l магнитопровод датчика ДТВ размыкается и сигнал на его выходе максимален. При подъеме сигнал соответственно максимален на датчике ДТН. Датчики ДТН и ДТВ используются для управления релейной системой контроля положения либо включены в непрерывную дифференциальную систему контроля положения, дающую в зависимости от положения кабины сигнал U_КП = f(S), действующий на САР положения.

В релейной системе (рис. 5.4, б) на выход датчиков ДТН и ДТВ подключаются реле РТН и РТВ, которые в режиме выравнивания непосредственно управляют реверсивными контакторами КВ и КН. Если кабина находится ниже уровня этажа, то включен КВ и осуществляется подъем кабины со скоростью V_П до точки, в которой напряжение на выходе ДТВ, уменьшаясь, станет равным напряжению отпадания реле РТВ. Оно отпадает и отключает контактор КВ и накладывается механический тормоз. В процессе торможения кабина может достигнуть точки уровня выше этажа, в которой напряжение на выходе ДТН, увеличиваясь, становится равным напряжению срабатывания РТН, которое включает КН, и после остановки происходит пуск привода в противоположном направлении. Двигаясь вниз, кабина проходит положение, в котором отпадает РТН и КН. Далее процесс выравнивания проходит аналогично описанному выше, пока начальная скорость в момент отключения КВ (КН) не станет достаточно малой. При этом кабина остановится, не дойдя до точки срабатывания РТН (РТВ), и процесс выравнивания закончится. Очевидно, что расстояние 2l_cp между точками срабатывания РТВ и РТН должно быть связано с допустимой неточностью остановки соотношением 2l_cp = 2S_доп.

Таким образом, процесс выравнивания сопровождается затухающими колебаниями, а при определенных условиях за счет влияния времени срабатывания аппаратуры – и неустойчивым. Удовлетворительное затухание колебаний обеспечивается выбором такой средней начальной скорости V_ПО, при которой за время торможения скорость успевает снизиться до V_ПК = (0,2–0,3)V_ПО. При этом с приближением можно записать:

V_ПОt₀ + 0,91V_по²/2a₀  2S_доп, (5.5)

решение которого дает: _________________

V_ПО  1,1[(a₀²t₀² + 3,6a₀S_доп) – а₀t₀] (5.6)

Вариант схемы, позволяющей получить на выходе непрерывный сигнал U_КП = f(S), представлен на Рис. 5.5, б. Здесь напряжение

U_КП = U_D1 + U_D2,

где U_D1 и U_D2 – напряжения на выходе выпрямителей В1 и В2 соответственно зависящие от индуктивного сопротивления ДТВ и ДТН. Характеристики системы приведены на pис. 5.5, б.

Рис. 5.5

В системе непрерывного действия теоретически можно получить любую требуемую точность остановки. Если обозначить статический коэффициент усиления схемы выравнивания: K_В.СТ = М/U_КП, а максимальный сигнал на выходе системы контроля положения U_Кпmax, то можно установить взаимосвязь между допустимой неточностью остановки и коэффициентом усиления K_В.СТ при заданной ширине зоны 2l в пределах которой U_КП изменяется от U_Кпmax до – U_Кпmax, и полагая, что S_доп < l, получим уравнение:

К_аст = М_ст.maxl/U_кп.maxS_доп . (5.7)

В процессе выравнивания динамический момент ЭП непрерывно изменяется, то возрастая от нуля до наибольшего значения, то уменьшаясь до нуля. Если принять среднее ускорение при замедлении и разгоне в зоне выравнивания равным (0,2-0,3)а_доп, то из условия ограничения колебаний можно получить ориентировочное соотношение для определения средней остановочной скорости уравнение:

V_ПО < (0,9 – 1,1)(a_допt). (5.8)

Например, если для скоростного лифта V_Р = 3,5 м/с, l = 0,02 м, а_доп = 2 м/с², то требуемая остановочная скорость должна выбираться из условия V_ПО < 0,18–0,2 м/с. Выбирают V_ПО = 0,15–0,2 м/с.

Лекция 15