Delist.ru

Автоматизация технологических процессов перемещения грузозахватного устройства крана-манипулятора и защита его от перегрузок, опрокидывания и работы в стесненных условиях (24.02.2009)

Автор: Базин Станислав Сергеевич

Методы исследования. Теоретические и расчетно-аналитические исследования базировались на фундаментальных положениях автоматизированного проектирования технических систем, теории автоматического управления, теории систем, теории вероятностей и других областях науки.

Экспериментальные исследования опирались на методы моделирования и обработку результатов на ЭВМ.

Научная новизна. Основным научным результатом является развитие теории и практики автоматического управления и оптимизации технологических операций монтажного цикла с использованием кранов-манипуляторов и защиты их от перегрузок, опрокидывания и работы в стесненных условиях.

1. Проведен системотехнический анализ специфических особенностей технологических операций монтажного цикла с использованием кранов-манипуляторов в целях определения принципов структурного синтеза и функционального наполнения автоматизированной технологии производства строительно-монтажных работ.

2. На основании принципа максимума решена оптимальная задача перемещения захватного устройства кранов-манипуляторов в зону ориентации по максимуму быстродействия перехода системы из одного состояния в другое.

3. Решена задача повышения динамической точности отработки траекторий движения и позиционирования объектов при выполнении монтажных операций на основе применения алгоритмов адаптивного управления, которые позволяют обеспечить требуемое качество динамических процессов в исполнительной системе кранов-манипуляторов при существенном изменении массы и моментов инерции объектов манипулирования.

4. Разработаны принципы и механизм формирования двухпроцессорной системы защиты кранов-манипуляторов от перегрузок, опрокидывания и работы в стесненных условиях, обеспечивающей высокую надежность аппаратуры защиты.

На защиту выносятся:

1. Комплекс теоретических и практических методов автоматического управления и оптимизации технологических операций монтажного цикла с использованием кранов-манипуляторов, базирующихся на концепции адаптации промышленных роботов к условиям строительной площадки.

2. Матричный метод стандартных кинематических связей и универсальная аналитическая модель кинематики управления модульным грузозахватным устройством с заданным числом степеней свободы.

3. Методы и средства защиты строительных кранов-манипуляторов от перегрузок, опрокидывания и работы в стесненных условиях.

4. Роботизированная система перемещения захватного устройства крана-манипулятора при выполнении монтажных операций на объектах строительства.

Практическая ценность и внедрение результатов исследований.

Практическую ценность работы составляет разработанная автоматизированная система управления перемещением захватного устройства крана-манипулятора и позиционирования объектов при выполнении монтажных операций, методы расчета вновь проектируемых и находящихся в эксплуатации манипуляционных систем, а также средства защиты строительных кранов-манипуляторов от перегрузок, опрокидывания и работы в стесненных условиях. Применение разработанной манипуляционной системы автоматизации монтажных операций позволяет решать задачи оптимизации технологических режимов кранов-манипуляторов, обеспечивая, тем самым, повышение качества строительно-монтажных работ и ряда других технико-экономических показателей строительного производства.

Результаты исследований в виде методик и программных продуктов использовались в составе средств автоматизации процессов в ООО «Технопромстроймонтаж» и ОАО «Волгагипротранс».

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов.

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств, а также практическими результатами внедрения теоретических положений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции «Интерстроймех-2006» (МГСУ, 2006 г.), обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях МАДИ (ГТУ), кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ (ГТУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы. Основное содержание составляет 188 страниц текста, 77 иллюстраций, 14 таблиц, список литературы включает 106 наименования.

При рассмотрении вопросов разработки двухпроцессорной системы защиты кранов-манипуляторов научным консультантом являлся к.т.н., профессор Тихонов А.Ф.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований, формулируются цель и поставленные задачи, характеризуется научная новизна и практическая ценность работы.

Глава 1 посвящена системотехническому анализу специфики использования методов и средств роботизации монтажных работ при строительстве зданий и сооружений и определению принципов построения и необходимого функционального наполнения систем автоматизации.

Анализ методов и средств выполнения монтажных работ показывает, что успешное решение задач их комплексной механизации и автоматизации связано с разработкой и внедрением методов принудительной установки и ориентирования монтируемых элементов в проектное положение, основанных на достижениях робототехники.

Основными задачами управления строительными кранами является возможность управлять подачей грузов по заданной траектории движения. Операции по захвату, транспортированию строительного элемента к месту монтажа и фиксации с высокой точностью в монтажном гнезде могут выполняться при помощи манипуляторов. Использование их совместно с кранами обеспечивает существенное расширение функциональных возможностей. При этом исполнению узла между несущим элементом (крюком крана, несущим канатом) и средством крепления (в данном случае – грузозахватным устройством) придается особое значение. Захватные устройства строительно-монтажных роботов, кроме обычных функций взятия и удержания в определенном положении объектов манипулирования, должны выполнять ориентацию объектов в одной или нескольких плоскостях.

Для поддержания оптимальных динамических режимов работы крана в зависимости от массы поднимаемого груза, необходима его защита от перегрузок и опрокидывания, координатная защита при работе в стесненных условиях. Устройства защиты кранов должны обеспечить высокую точность, повышенную надежность, электромагнитную и информационную совместимость с другими подсистемами микропроцессорной системы автоматического управления узлами и агрегатами кранов. Современные устройства защиты кранов от перегрузок и опрокидывания реализуются, как правило, с помощью средств микропроцессорной техники.

Повышение надежности устройства защиты путем рационального выбора комплектующих элементов и обеспечение оптимальных режимов их работы – способ, широко используемый разработчиками. В этом направлении все резервы практически исчерпаны. Поэтому реального повышения надежности можно добиться только за счет использования структурных мер, т.е. путем построения многопроцессорной системы защиты.

Во второй главе решается задача оптимизации движений строительного крана-манипулятора.

Обеспечение целенаправленного движения рабочего органа крана вдоль заданной траектории с определенной ориентацией и скоростью составляет основную цель управления исполнительными приводами машины.

Для строительно-монтажных кранов при проектировании траекторий движения следует для каждого участка перемещения установить оптимальный маршрут. Анализ роботизируемых строительных операций показывает, что траектории движения рабочего органа манипулятора определяются в первую очередь технологией выполняемой операции.

Любая сложная траектория движения может быть представлена в виде последовательности типовых элементарных участков, для которых в составе программного обеспечения кранов включаются типовые планирующие алгоритмы движения. В связи с этим планирование движений любого строительного манипулятора можно свести к планированию типовых элементарных движений исполнительного механизма. Анализ этих типов движений и их характеристик дает возможность разделить задачу построения кинематических схем строительных кранов на составляющие, обеспечивающих перемещение грузозахватного устройства и его ориентацию.

Перемещение грузозахватного устройства в зону ориентации может быть оптимизировано по максимуму быстродействия перехода системы из одного состояния в другое при ограниченной мощности. При этом сами затраты мощности будут минимальными. Задача ориентации грузозахватного устройства требует иного подхода, который предполагает более точное пространственное фиксирование грузозахватного устройства.

Рис. 1. Траектории транспортирования конструкции в зону монтажа

Анализ технологии монтажа показал, что наиболее целесообразно использовать траектории движения состоящие из двух или трех прямоугольных участков (рис. 1). Они обязательно включают вертикальный подъем детали на заданную высоту, ее горизонтальное перемещение по прямой в точку позиционирования и вертикальное опускание детали в процессе установки.

Управление движением захватного устройства по участкам производится с помощью трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, описываемого уравнениями:

=0 за минимальное время при заданном ограничении величины напряжения, приложенного к двигателю, т. е. при

Umax=Uн,, (2)

Mk.max = Mkн,

В первом приближении уравнение механической характеристики асинхронного двигателя выражается следующей зависимостью:

загрузка...