Разработка и исследование бесконтактных децентрализованных устройств адресования систем управления автоматизированными транспортно-складскими комплексами

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНЫХ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ УСТРОЙСТВ АДРЕСОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМИ ТРАНСПОРТНО-СКЛАДСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Антонец Иван Васильевич

Ульяновск 2008

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете.

Научный консультант:

- доктор технических наук, профессор Табаков Владимир Петрович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Дмитриев Владимир Николаевич

- доктор технических наук, профессор Бржозовский Борис Максович

- доктор технических наук, профессор Светлов Анатолий Вильевич

Ведущая организация - Институт точной механики и управления РАН, г. Саратов

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Казаков М. К.

Общая характеристика ДИССЕРТАЦИОННОЙ работы

Актуальность темы. В условиях научно-технического прогресса крупные транспортно-складские системы претерпевают существенную эволюцию и превращаются в современные предприятия с высокоорганизованным технологическим процессом - транспортно-складские комплексы (ТСК). Четкий ритм функционирования ТСК обеспечивается применением сложных автоматизированных поточно-транспортных систем (ПТС) и подъемно-транспортных механизмов (ПТМ). Устройства автоматического адресования (УАА) входят в состав системы управления перемещением штучных грузов на внутризаводском поточном и циклическом транспорте и во многом предопределяют эффективность ее эксплуатации. Следовательно, повышение работоспособности УАА является крупной научной проблемой, решение которой имеет важное хозяйственное значение.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации УАА показывает целесообразность использования функционально более надежных децентрализованных электромагнитных УАА. Известные конструкции децентрализованных электромагнитных УАА обладают рядом существенных недостатков, главным из которых является требование минимального зазора взаимодействия блоков адресования. Это вынужденное требование является следствием использования в УАА типовых (стандартных) блоков хранения, записи и считывания информации, параметры которых определены без учета специфики работы транспортных механизмов. Взаимодействие подвижных и неподвижных блоков известных УАА обеспечивается специальными механическими ловителями, использование которых влечет появление ударных нагрузок, снижающих срок службы УАА и ограничивающих скоростные характеристики ПТМ. Создание децентрализованных УАА с бесконтактно взаимодействующими блоками является актуальной задачей, решение которой позволит повысить надежность их функционирования, снизить требования к точности изготовления и монтажа узлов конвейера, а также практически устранить ограничения на величину скорости и направление перемещения грузонесущего устройства.

Техническими средствами систем управления ТСК являются весоизмерительные устройства, которые не только осуществляют учет перемещаемых грузов, но организуют и оптимизируют процесс перемещения, в частности, ПТМ периодического действия. Вместе с тем при использовании автоматических весов, работающих в условиях динамических нагрузок, необходимо решить задачу минимизации времени измерения при заданной величине чувствительности.

Таким образом, разработка научных основ создания децентрализованных бесконтактных УАА, а также весоизмерительных устройств малой инерционности и высокой чувствительности, с учетом общих принципов построения систем управления производственными процессами и специфики работы ТСК, является актуальной проблемой.

Диссертационная работа выполнялась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Ульяновского научно-исследовательского и проектно-технологического института машиностроения, а также Ульяновского государственного технического университета.

Цель работы: разработка методологии формализованного схемотехнического синтеза блоков децентрализованных электромагнитных УАА, обеспечивающей условия бесконтактного взаимодействия, функциональной инвариантности и минимизации аппаратных затрат для повышения работоспособности систем управления автоматизированными ТСК. автоматизированный транспортный электромагнитный адресование

Для достижения поставленной в диссертационной работе цели необходимо решить следующие научные задачи:

1. Разработать научное обеспечение синтеза бесконтактно взаимодействующих блоков децентрализованных электромагнитных УАА, включающего:

а) систему понятий, базовая часть из которых открыта для операциональных измерений и объективной идентификации;

б) математические модели, результаты численных расчетов и экспериментальных исследований пространственного множества, в котором осуществляются процедуры обработки данных, определяемого траекторией движения грузонесущего механизма;

в) математические модели, результаты численных расчетов и экспериментальных исследований носителей информации, блоков записи и считывания, упругих чувствительных элементов весоизмерительных устройств, осуществляющих аппаратную реализацию бесконтактного взаимодействия блоков УАА на определенном множестве.

2. Разработать методы логико-алгебраического моделирования и схемотехнического синтеза устройств сравнения и формирования команд управления ПТМ циклического действия, а также устройств управления блоками записи и считывания информации при параллельной или последовательной организации работы последних.

3. Разработать технологию проектирования бесконтактно взаимодействующих децентрализованных электромагнитных УАА и малоинерционных, с равной чувствительностью во всем диапазоне измерений весоизмерительных устройств различных конструкций и типоразмеров и освоить их серийное производство.

4. Разработать методики расчета и необходимое экспериментальное оборудование синтеза и производства УАА, провести опытно-промышленные испытания и внедрить УАА и весоизмерительные устройства в системы управления внутризаводским поточным и циклическим транспортом.

Методы исследований. Теоретические исследования, нацеленные на разработку научного обеспечения, основаны на использовании фундаментальных положений теории автоматизации управления производством - в частности, теории точности машин и приборов, а также теории расчета магнитных систем; современных численных методов решения задач с использованием регрессионного моделирования, теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях и включали исследование статических и динамических характеристик грузонесущего устройства, параметров адресоносителя, адресователя, считывателя информации и весоизмерительного устройства, при этом использовались аттестованные измерительные средства и применялись методы регрессионного и дисперсионного анализа.

Научная новизна. В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения их результатов в промышленность решена актуальная научно-техническая проблема, заключающаяся в разработке научного обеспечения проектирования, изготовления и применения бесконтактно взаимодействующих блоков децентрализованных УАА с целью повышения работоспособности систем управления внутризаводским поточным и циклическим транспортом.

Научной новизной обладают следующие положения:

1. Математические модели пространственного множества, в котором осуществляются процедуры обработки данных, определяемые траекторией движения грузонесущего механизма и позволяющие обосновать методологию выбора параметров бесконтактно взаимодействующих блоков децентрализованных электромагнитных УАА.

2. Математические модели подвижных информационных носителей на основе постоянных магнитов, обработка которых осуществляется на определенном множестве, учитывающие параметры магнитов и их взаимное расположение, а также внутренние и внешние размагничивающие факторы.

3. Математические модели взаимосвязей информационных элементов с процедурами обработки данных соответственно при записи и считывании, а также аппаратная реализация взаимодействия на определенном множестве, использующая принципы перемагничивания или вращения постоянных магнитов при записи и нелинейный контур в цепи возбуждения феррозонда при считывании.

4. Предложен и развит новый подход к решению задач управления ПТМ циклического действия с использованием малоинерционных весоизмерительных устройств на основе кольцевого упругого элемента и вторичного фотодатчика, а также устройств с последовательной и параллельной работой упругих колец, обеспечивающих равную чувствительность в широком диапазоне измерений.

5. Методы и программное обеспечение синтеза систем управления блоками записи и считывания информации УАА, синтеза устройств сравнения и формирования команд управления движением ПТМ циклического действия, а также синтеза систем оптимального управления ПТМ циклического действия по критерию максимальной производительности.

6. Способы функционирования блоков децентрализованных электромагнитных УАА, реализующих процессы записи и считывания информации, а также весоизмерения, их конструкции и схемотехнические решения, защищенные патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность и реализация работы заключаются в том, что созданы:

1. Методики определения параметров блоков УАА, а также конструкции бесконтактных децентрализованных УАА штучных грузов, работающие в реальном диапазоне отклонений адресоносителя (А.с. № 695927; Пат. США

№ 3,982,275; Пат. Великобритании № 1512725; Пат. Франции № 7521406; Пат. Италии № 41623А/75; Пат. Японии № 51-151966).

2. Методики определения параметров весоизмерительных устройств, а также конструкции, работающие в условиях линейно нарастающих до максимума нагрузок (А.с. № 840003; Пат. РФ № 2090485; Пат. РФ № 2108958; Пат. РФ № 2108959; Пат. РФ. № 2171773).

3. Методики определения параметров схем управления блоками адресования и весоизмерения (А.с. № 430410; А.с. № 674219; А.с. № 747790; А.с. № 759437; А.С. № 1222607).

Внедрение и опытно-промышленные испытания УАА и весоизмерительных устройств в условиях действующего производства машиностроительных предприятий «АвтоВАЗ» (г. Тольятти), «Моторный завод» (г. Мелитополь), «Автонормаль» (г. Белебей), ОАО «Ульяновский автомобильный завод» (г. Ульяновск), а также предприятий других отраслей промышленности «Мос-электронкомплекс» (г. Фрязино), «Ликеро-водочный завод» (г. Ульяновск), «Хлебокомбинат», ОАО «Мельница» (г. Барыш), ЗАО «Инзенская фабрика нетканых материалов» (г. Инза) подтвердили результаты теоретико-экспериментальных исследований и повышение функциональной надежности указанных устройств на 40 ? 80 % по сравнению с базовыми вариантами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели и методики, алгоритмы, программы и результаты численного расчета и экспериментальных исследований пространственного множества, на котором осуществляются процедуры обработки данных, определяемого траекторией движения грузонесущего механизма.

2. Методы, методики и результаты численных решений и экспериментальных исследований носителей информации, блоков записи и считывания, упругих чувствительных элементов весоизмерительных устройств, осуществляющих аппаратную реализацию бесконтактного взаимодействия на определенном множестве.

3. Результаты экспериментальных исследований работоспособности оригинальных блоков УАА в процессе записи и считывания информации, а также в процессе весоизмерений.

4. Конструкции блоков децентрализованных электромагнитных УАА с магнитными носителями информации в виде пластин, цилиндров или эллипсоидов, использующими принципы перемагничивания или вращения при записи и нелинейную схему возбуждения феррозонда, с компенсацией магнитного поля Земли, при считывании.

5. Методики расчета и результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения разработанных конструкций и схемотехнических решений для систем управления внутризаводским поточным и циклическим транспортом.

6. Рекомендации по проектированию, изготовлению и применению децентрализованных электромагнитных УАА и весоизмерительных устройств на основе упругих чувствительных элементов.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Технология - 96» (Новгород, 1996); «Механика машиностроения» (Набережные Челны, 1997); «Новые методы, средства и технологии в науке, промышленности и экономике» (Ульяновск, 1997); «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 1999); «Инженерно-техническое обеспечение АПК и машинно-технологические станции в условиях реформирования» (Орел, 2000); «Проблемы машиностроения и технологии металлов на рубеже веков» (Пенза, 2003); «Динамика технологических систем» (Саратов, 2004); всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях и семинарах «Поточно-транспортные системы с применением конвейерного транспорта и АСУ» (Ленинград, 1977); «Комплексная механизация и автоматизация погрузочно-разгрузочных, подъемно- транспортных и складских работ в машиностроении» (Москва, 1980); «Проблемы создания и эксплуатации гибких автоматизированных систем в машиностроении» (Вильнюс, 1984); «Автоматизация и механизация трудоемких процессов на предприятиях республики» (Уфа, 1984); «Проблемы внедрения достижений научно-технического прогресса в области автоматизации и механизации производственных процессов» (Уфа, 1985); «Современное состояние и перспективы развития устройств ввода-вывода информации в САПР, АСУ технических процессов и ГАП» (Москва, 1985); «Проблемы автоматизации перенастраиваемых производств в машиностроении» (Волгоград, 1988); «Автоматизация машиностроения на базе гибких технологических систем и робототехнических комплексов» (Баку, 1989); «Наука производству» (Набережные Челны, 1990); научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ, 1983 - 2008).

В целом работа обсуждена на научно-техническом семинаре кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ (2008); научно-техническом совете факультета информационных систем и технологий УлГТУ (2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 печатных работы; в том числе 1 монография, 28 авторских свидетельств и патентов на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографического списка из 178 наименований, изложенных на 333 страницах машинописного текста, приложения, включает 176 рисунков, 39 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснованы актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи работы, новизна исследований и научные положения, выносимые на защиту, аргументированы их обоснованность и достоверность, приведены сведения о научном и практическом значении, апробации работы, структуре и объеме диссертации.

В первой главе на основе анализа и обобщения научно-технической информации проведено обоснование необходимости разработки научных основ создания бесконтактно взаимодействующих блоков децентрализованных УАА штучных грузов, входящих в систему управления ПТК (рис. 1), а также весоизмерительных устройств малой инерционности и высокой чувствительности.

Показано (рис. 2), что запись и считывание информации существующих децентрализованных УАА происходит в отсутствии электрического контакта, однако использование механических ловителей, для обеспечения взаимодействия блоков, существенно снижает функциональную надежность УАА.

Исследование вопросов расчета бесконтактных децентрализованных УАА, включающих параметры постоянных магнитов, намагничивающих устройств, магнитометрических датчиков и кольцевых упругих элементов, базируется на трудах Л. Е. Андреевой, В. К. Аркадьева, Ю. В. Афанасьева, Б. К. Буля, Я. С. Ицхоки, В. В. Солодовникова, М. М. Семенова и др. ученых. Результаты данных работ внесли большой вклад в решение проблемы создания бесконтактно взаимодействующих блоков УАА и сыграли важную роль в решении ряда теоретических и практических задач управления ТСК.

Однако до сих пор отсутствуют научно обоснованные методики проектирования бесконтактно функционирующих децентрализованных УАА и малоинерционных весоизмерительных устройств, обладающих равной чувствительностью в широком диапазоне измерений.

Существующие конструкции адресоносителей на базе постоянных магнитов разработаны из условия, что их перемагничивание и считывание информации будут осуществляться в замкнутых магнитных цепях практически без зазора. Отмеченные выше недостатки такого взаимодействия блоков УАА связаны прежде всего с тем, что напряжения, возникающие в магните при наличии вибрации и ударов, вызывают переориентацию доменов и существенно снижают остаточную магнитную индукцию. Как показал проведенный анализ работы подобных конструкций, срок эксплуатации магнитных адресоносителей не превышает четырех лет, что в два раза меньше срока эксплуатации ПТМ.

Разработка бесконтактно взаимодействующих адресоносителей УАА предполагает исследование параметров конкретных конструкций, характеризующихся значением магнитной индукции и ее распределением в пространстве, изменением этих величин при воздействии дестабилизирующих факторов, а также возможностью перемагничивания и размагничивания при соблюдении ограничений на габаритные размеры. До настоящего времени указанная задача не решалась.

Процесс записи информации в децентрализованных электромагнитных УАА осуществляется при взаимодействии адресоносителя с адресователем. Для намагничивания и размагничивания магнитотвердых материалов применяются устройства с непосредственным питанием от сети переменного напряжения и устройства, использующие разряд накопленной в конденсаторе энергии. Первые из этих устройств обладают высоким быстродействием, но создают большую нагрузку на питающую цепь. Устройства, основанные на использовании емкостных накопителей, склонны к возникновению во вторичных цепях обратного импульса тока, приводящего к появлению размагничивающего поля в рабочем зазоре намагничивающей системы. Традиционно намагничивающие устройства имеют минимальный рабочий зазор.

Процесс бесконтактной записи информации происходит при наличии относительно большого зазора между взаимодействующими блоками, что влечет за собой необходимость решения ряда принципиально новых задач. Во-первых, осуществление самого процесса перемагничивания при возможных отклонениях адресоносителя, во-вторых, предотвращение взаимного влияния соседних полюсов электромагнитов при перемагничивании и, наконец, обеспечение заданного быстродействия процесса записи информации. Решение перечисленных задач должно быть проведено при условии соблюдения ограничений на габаритные размеры конструкции и перегрев намагничивающих обмоток.

Использование магнитного адресоносителя предопределило выбор датчиков считывателя информации - чувствительных к магнитному полю. Для регистрации индукции постоянных магнитных полей чаще всего используют их воздействие на физические свойства вещества. Существующие УАА используют в качестве магнитометрических датчиков либо герметизированные контакты, либо датчики Холла. Первые из них обладают рядом существенных недостатков: ограниченное количество срабатываний, низкая чувствительность, необходимость специальных решений для определения направления магнитного поля и др. Датчики Холла имеют относительно низкую чувствительность и не имеют выраженной магнитной оси.

Исходя из проведенного анализа и практических исследований, можно сказать, что магнитомодуляционные датчики наиболее полно отвечают требованиям и задачам автоматизации процессов управления ПТМ. Выходной сигнал этих датчиков является функцией магнитной индукции элементов адресоносителя, а также пространственного положения последнего, то есть датчики имеют магнитную ось. В этом случае каждый датчик считывателя информации взаимодействует с одним магнитным элементом адресоносителя, если последний отклоняется в допустимых пределах.

Метрологические параметры магнитомодуляционных датчиков, а также их надежность и экономичность в значительной степени определяются режимом возбуждения. Известный режим синусоидального тока не позволяет получить достаточную напряженность возбуждающего поля, а для создания датчика, чувствительного к направлению магнитного поля, используются довольно сложные схемы - например, схема трехкомпонентного датчика. Режим импульсного возбуждения магнитомодуляционных датчиков позволяет получать существенно большую чувствительность с одновременным снижением потребляемой энергии, однако имеющиеся в этой области научные работы посвящены лишь симметричным импульсным режимам возбуждения, которые не позволяют получать простые схемные решения магнитомодуляционных датчиков, чувствительных к величине и направлению магнитного поля. Кроме того, в известных датчиках не решена задача компенсации магнитного поля Земли, которая появляется при необходимости считывания информации магнитного адресоносителя на относительно больших расстояниях.

Низкая эксплуатационная надежность известных весоизмерительных устройств, работающих в автоматическом режиме, объясняется инерционностью измерительных механизмов и относительной сложностью их конструкций, основу которых составляют упругие чувствительные элементы (УЭ). Наибольшей чувствительностью обладают балочные УЭ, меньшей - кольцевые, мембранные и стержневые УЭ. Максимальный коэффициент быстродействия при присоединении дополнительной массы имеют мембранные УЭ, меньший - кольцевые, балочные и стержневые. Коэффициент приведения массы УЭ уменьшается от стержня к балке равного сечения, увеличивая тем самым влияние присоединенной массы. Таким образом, наиболее универсальным является упругий элемент кольцевого типа, который прост в изготовлении, а регистрация его деформации под действием нагрузки не вызывает больших сложностей. Технические требования к кольцевому УЭ определяются параметрами и режимами работы системы, в состав которой входит упругое кольцо.

Чтобы обеспечить дальнейшее развитие технического уровня ТСК, в частности, повышение надежности эксплуатации технических средств систем управления, необходимо разработать научные основы создания де-централизованных бесконтактных устройств УАА штучных грузов, а также весоизмерительных устройств малой инерционности и высокой чувствительности, при этом необходимо учесть как общие принципы построения систем управления производственными процессами, так и специфику работы ТСК.

В заключении сформулированы цель и задачи работы, приведенные выше.

Вторая глава посвящена разработке научного обеспечения проектирования децентрализованных бесконтактных УАА и весоизмерительных устройств кольцевого типа и содержит результаты расчета и экспериментальных исследований величин максимального отклонения адресоносителя от стационарных блоков УАА, а также решение уравнения движения весоизмерительной системы ПТМ в условиях возрастающей нагрузки.

Исходными данными для постановки и решения задач синтеза бесконтактной схемы взаимодействия блоков децентрированных электромагнитных УАА являются: пространственное множество, в котором осуществляются процедуры обработки данных, определяемое траекторией движения грузонесущего механизма ; множество информационных элементов, обработка которых осуществляется на множестве А, ; матрицы взаимосвязей информационных элементов с процедурами обработки данных соответственно при считывании и записи , где , если l-й элемент считывается (записывается) r-й процедурой, и в противном случае; среднее время считывания -го элемента носителя информации ; среднее время считывания -го носителя информации в оперативную память ; среднее время записи информации в f-й носитель . Переменная , если r-я по порядку выполнения процедура включается в состав -го носителя информации, и в противном случае; , если l-й информационный элемент включается в f-й носитель, и в противном случае; ; , если , и , если ;

, если , и , если .

Переменные и служат для отражения взаимосвязи системы разрабатываемых блоков УАА с отдельными элементами информационных носителей и носителями информации при считывании и записи в процессе осуществления функций адресования. Задача синтеза бесконтактной схемы взаимодействия блоков УАА, обеспечивающей минимальное общее время записи и считывания информации, формулируется следующим образом:

. (1)

Для аппаратной реализации бесконтактного взаимодействия носителей информации, осуществляющих процессы записи и считывания, предлагаются децентрализованные электромагнитные УАА, которые должны выполнять r функциональных дискретных взаимодействий и, в соответствии с этим, состоят из l носителей информации, а также соответственно k, n последовательных блоков записи и считывания информации. Имеется m различных вариантов выполнения каждого блока: для магнитного адресоносителя - форма, габаритные размеры, материал, пространственное расположение; для адресователя - конструкция и материал магнитопровода, габаритные размеры, расположение обмоток, схемы и режимы питания обмоток; для магнитометрических датчиков - тип датчика, режимы питания, габаритные размеры, помехозащищенность и

т. п. Имеются ограничения в отношении полезного сигнала адресоносителя (В), напряженности намагничивающего поля (Н), чувствительности магнитометрического датчика (G), быстродействия блоков записи и считывания (U), максимальной стоимости (Ц).

Обозначим через , , , , соответственно сигнал адресоносителя, напряженность поля адресователя, чувствительность датчика, быстродействие и стоимость i-го блока. Тогда указанные ограничения могут быть записаны в виде:

; ; ; ; . (2)

Величины (факторы) , , , , зависят от варианта выполнения блока, а значит, являются элементами следующих множеств:

; ; ; ; . (3)

Если ;;;;- коэффициенты, характеризующие степень влияния перечисленных факторов, то условия оптимального варианта аппаратуры можно записать в виде:

. (4)

Особенностью выражения (4) является то, что входящие в него переменные могут принимать не любые положительные значения, а лишь значения из конечного множества (3).

Пространственное множество характеризуется промахом подвижного носителя информации относительно стационарных блоков записи (считывания) и определяется погрешностями смещения элемента грузонесущего устройства, к которому прикреплен носитель информации. Исходя из анализа источников ошибок устройства адресования, разобьем их на две группы по причинам возникновения: погрешности изготовления элементов конструкции блоков адресования и их монтажных отклонений (Д₁); погрешности, возникающие в процессе эксплуатации, перемещения грузонесущего механизма (Д₂). Учитывая, что монтажные и эксплуатационные погрешности представляют собой сумму частных, вызванных действием большого числа случайных и некоторого числа систематических факторов, число случайных факторов и параметры вызванных ими отклонений не изменяются во времени, все случайные факторы взаимно независимы, а среди частных отклонений нет доминирующих, будем считать, что распределение отклонений подчиняется нормальному закону.

Полная величина погрешности определяется из выражения

. (5)

Перед первой и второй группами погрешностей в уравнении (5) стоят одни и те же коэффициенты. Первая группа погрешностей образуется из размерной цепи, полученной по известным размерам конструкции грузонесущего механизма. В одномерных линейных цепях коэффициенты влияния всех звеньев . Следовательно, можно записать . Тогда

. (6)

Предлагаемый расчетно-аналитический метод определения зазора, в котором осуществляются процессы взаимодействия перемещающегося адресоносителя со стационарными блоками УАА, предполагает полную детерминированность процесса. Если первая группа погрешностей определяется на основании анализа звеньев, составляющих конструкцию грузонесущего механизма, то для выявления отклонений адресоносителя, возникающих в процессе перемещения, необходимо иметь данные о состоянии опорного пути, действующих силах и других факторах.

Суммарные эксплуатационные отклонения адресоносителя для ПТК относительно блоков записи и считывания информации определялись из следующих выражений:

в вертикальной плоскости , (7)

в горизонтальной плоскости (8)

где ; - износ кромок грузового пути и направляющего ролика соответственно; - износ катков тележки; - отгиб полок грузового пути; - отгиб уголков крепления адресоносителя.

Максимальное отклонение адресоносителя в вертикальной плоскости при колебаниях подвески определяем из выражения:

(9)

где R - радиус колебаний подвески, мм; v - скорость, м/мин; a - ускорение перемещаемой системы, м/с².

Расчет максимальных отклонений адресоносителя от стационарных блоков УАА, согласно полученным выражениям, проведен для наиболее распространенного на предприятиях машиностроительных отраслей конвейера ПТК-500, при этом адресоноситель крепился к подвеске грузонесущего устройства. Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Теоретические значения отклонений адресоносителя

Источник отклонения	Технологическая погрешность	Эксплуатационная погрешность	Упругий прогиб	Смещение от вибрации	Динамическая погрешность	Амплитуда
Значение отклонения, мм	± 5,10	+ 5,00	+ 3,00	± 1,10	+ 9,40	+14,20 - 15,60
	± 5,10	± 9,15	0,00	±1,10	0,00	± 15,35

С целью проверки адекватности полученного расчетного метода и проверки гипотезы о соответствии распределения погрешностей, определяющих промах адресоносителя, нормальному закону распределения проведены экспериментальные исследования, объектом которых служили ПТК?500 склада двигателей Ульяновского автомобильного завода. Измерения проводились по схеме, представленной на рис. 3.

Результаты экспериментальных исследований отклонений адресоносителя приведены в табл. 2.

Таблица 2

Экспериментальные значения отклонений адресоносителя

Параметр отклонения	Математическое ожидание	Дисперсия	Коэффициент корреляции	Коэффициент регрессии	Амплитуда
Значение параметра, мм	в плоскости движения	- 2,70	35,30	- 0,50	- 0,85	± 16
	перпендикулярно движению	5,70	20,00	- 0,64	- 16,00	±16

Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных значений отклонений адресоносителя показал, что погрешность расчетного значения зоны отклонений адресоносителя от стационарных блоков УАА для ПКТ-500 не превышает 7 %, что следует признать приемлемым для ПТМ.

Для оценки степени соответствия экспериментальных распределений отклонений адресоносителя теоретическим воспользуемся критерием А. Н. Колмогорова. С этой целью вычислим значения Р(), определяющие степень соответствия экспериментальных кривых теоретическим в зависимости от коэффициентов , определяющих уровни значимости. Результаты расчетов представлены в табл. 3.

Из проведенных расчетов находим: для плоскости в направлении движения , соответственно Р()=0,96; для плоскости, перпендикулярной движению, , соответственно Р()=0,914. Полученные значения свидетельствуют о соответствии распределений отклонения адресоносителя нормальному закону.

На основании полученных расчетных выражений, с учетом погрешности расчета и округления до целочисленных значений, максимальная величина зазора взаимодействия адресоносителя со стационарными блоками УАА для ПТК-500, при которой отсутствует силовое взаимодействие, определена равной 40 мм.

Таблица 3

Результаты расчета экспериментального и теоретического распределения отклонений адресоносителя в плоскостях движения / перпендикулярно движению

№ интервала	Границы интервала, мм	Середина интервала, мм	Частота, m	Частость, W	Накопленная частость, WH		0.5Ф(t)	FH(x)	P
5	-12; +12	-10	43	0,132	0,189	-1,21	-0,3869	0,0131	0,1759
			5	0,015	0,015	-2,61	-0,4955	0,0047	0,0103
6	-8; +8	-6	62	0,19	0,379	-0,55	-0,2088	0,2912	0,0878
			2	0,006	0,021	-1,783	-0,4625	0,359	-0,0149
7	-4; +4	-2	88	0,27	0,649	0,11	0,0438	0,5438	0,1052
			11	0,03	0,051	-1,283	0,3997	0,0968	-0,0458
8	0; 4	+2	75	0,25	0,899	0,78	0,2823	0,7823	0,1167
			104	0,32	0,371	-0,61	-0,2291	0,2743	0,0967
9	4; 8	6	27	0,083	0,982	1,45	0,4265	0,9265	0,0555
			99	0,304	0,675	-0,05	0,0199	0,5199	0,1511
10	18; 14	10	11	0,033	1,015	2,1	0,4821	0,9821	0,0329
			83	0,255	0,93	0,71	0,2611	0,7580	0,172

Кроме зависимостей, определяющих величину зазора взаимодействия блоков УАА, необходимо определить динамические характеристики этого взаимодействия. Известно, что скоростная диаграмма грузонесущего устройства ПТМ выбирается с учетом технологических требований и динамического параметра, определяющего периоды разгона и торможения, в течение которых грузонесущие механизмы подвергаются циклическим нагрузкам. Отсюда вытекает задача нахождения области устойчивой работы весоизмерительного блока САУ ПТМ, определяемой параметрами его УЭ. Технические требования к УЭ определяются режимами работы системы, в состав которой он входит. Нами рассмотрена структура весоизмерительного устройства крана-штабелера, которая включает три последовательно соединенных звена: апериодическое (инерционное) звено, замещающее приемный бункер груза:

где

K₁ - передаточный коэффициент, T₁ - постоянная времени звена; р - оператор Лапласа; колебательное звено, замещающее упругое кольцо:



где К₂ - передаточный коэффициент, Т₃, Т₂ - постоянные времени звеньев; усилительное звено (коэффициент усиления): W₃(p) = К₃.

Общая передаточная функция системы весоизмерительного устройства

. (10)

Осуществив обратное преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях, получим дифференциальное уравнение движения весоизмерительной системы:

. (11)

Данное уравнение позволяет определить область устойчивой работы системы с передаточной функцией по выражению (10). Для качественной работы весоизмерительной системы необходимо подобрать такие ее параметры, при которых будет обеспечено минимальное время регулирования. Например, характеристики грузоподъемного устройства известного крана-штабелера КШ-500 требуют обеспечения проектной жесткости упругого кольца порядка 10 000 Н/мм. В известных весоизмерителях жесткость УЭ примерно на порядок ниже.

Результаты исследований, выполненных во второй главе, составили основу научного обеспечения проектирования блоков УАА и весоизмерительных устройств.

Третья глава посвящена разработке математических моделей оптимизационного расчета адресоносителей с учетом материала, формы, размеров и взаимного расположения магнитов информационного носителя УАА, представляющих собой множество информационных элементов, обработка которых осуществляется на множестве А. Получены аналитические и экспериментальные зависимости, определяющие распределение магнитного поля магнитов адресоносителя в пространстве с учетом влияния размагничивающего фактора и внешних возмущений; разработана методика и представлены результаты расчета адресоносителей, работающих на принципе поворота постоянного магнита с последующей фиксацией; разработаны конструкции адресоносителей на принципе перемагничивания и поворота постоянных магнитов.

При разработке математических моделей оптимизационного расчета в качестве варьируемых факторов были выбраны материалы постоянных магнитов, длина l_м и сечение S_м магнитов, величина воздушного зазора l_в расстояние между магнитами А, внешнее магнитное поле Н_внеш. Ограничения задавались в виде неравенств для всех варьируемых параметров. В качестве критерия оптимизации выбран минимальный объем магнитного информационного элемента.

Установлено, что для адресоносителей, работающих на принципе бесконтактного взаимодействия со стационарными блоками УАА, определяющим является распределение в пространстве магнитного поля, входящих в конструкцию постоянных магнитов. В свою очередь, для нахождения указанного распределения необходимо знать отношение длины магнита к его сечению и степень взаимного влияния соседних магнитов адресоносителя.

Если В_м - магнитная индукция, H_м - напряженность поля в магнитном материале, а V_в , В_в и H_в - соответственно объем, магнитная индукция и напряженность поля в воздушном зазоре, тогда искомый объем магнита может быть определен по известному выражению:

, (12)

где з - постоянная, зависящая от соотношения размеров и рассеяния потока магнита.

Данная постоянная может быть определена приближенно расчетным путем, но более точно и чаще всего она определяется эмпирически. Однако из выражения (12) не видно, каким должно быть отношение длины магнита к его поперечному сечению.

Были получены выражения, позволяющие определить соответственно длину и сечение магнитов, создающих магнитные потоки на уровне полезного сигнала в рабочем объеме взаимодействия адресоносителя с адресователем и считывателем информации:

l_м=c H_в l_в / H_м, (13)

S_м=с В_в S_в / В_м. (14)

где с = 4р l_в / l _м - поправочный коэффициент, учитывающий эффект размагничивания.

При разработке адресоносителей магниты объединяются в систему, что накладывает дополнительные условия на выбор их параметров. Материал, форму и размеры разнесенных магнитов адресоносителя определяли из следующих соображений. Во-первых, магнит должен создавать полезный сигнал H₁ требуемой величины при максимальном зазоре ? и одновременно при максимальном смещении L адресоносителя в направлении перпендикулярном движению, а также при воздействии поля противоположной полярности H₂ соседнего магнита, находящегося на расстоянии А (рис. 4, а). Во-вторых, магнит должен создавать необходимый полезный сигнал H₁ при минимальном зазоре ? и максимальном смещении L адресоносителя в направлении, перпендикулярном движению (рис. 4, б). В-третьих, единичный магнит должен создавать требуемый полезный сигнал H₁ в зоне считывания информации во всех остальных промежуточных положениях адресоносителя. Наконец, при и L = max магнитный поток H₁, создаваемый единичным сигналом, не должен иметь направление, противоположное полезному сигналу.

а) б)

Рис. 4. Схемы взаимодействия магнитов в зоне считывания информации при максимально возможных отклонениях адресоносителя:

а - с максимальным зазором, б - с нулевым зазором

Проведенными исследованиями установлено, что выполнение вышеуказанных требований возможно при использовании магнитов цилиндрической формы, при этом индукция магнита должна быть не менее 1,1 Тл, а коэрцитивная сила не более 50 кА/м. Наиболее полно данные параметры обеспечивают сплавы Fe--Аl--Ni и Fe--Аl--Ni--Со, в частности, ЮНДК 24 и ЮНДК 25.

Для проверки полученных рекомендаций по выбору материала, формы и размеров постоянных магнитов были проведены экспериментальные исследования адресоносителей двух конструктивных исполнений: в виде сплошной магнитной пластины и разнесенных магнитов цилиндрической формы.

На первом этапе исследовали наиболее распространенные в настоящее время адресоносители в виде сплошной магнитной пластины, изготовленной из материала «Викаллой I» толщиной 0,4 мм. Намагничивание пластин до насыщения осуществлялось по четырем дорожкам. По результатам исследований строили кривые распределения магнитных полей (рис. 5, 6) адресоносителя.

Рис. 5. Кривые распределения полей Рис. 6. Кривые распределения полей пятой и шестой групп адресов первой - четвертой групп адресов

Установлено, что пятая и особенно шестая группа адресов имеют настолько ослабленное магнитное поле крайней дорожки, подавленное соседними согласными полюсами трех дорожек, что оно становится соизмеримым с полем Земли. Необходимые значения напряженности магнитного поля, превышающие магнитное поле Земли, обеспечивают 1 - 4 группы адресов на расстояниях до адресоносителя менее 15 мм. Таким образом, при числе адресов, не превышающем 16, использование адресоносителя в виде сплошной пластины предпочтительно только из-за простоты конструкции. Увеличение числа дорожек свыше четырех нецелесообразно, так как еще большая их часть будет неработоспособна из-за взаимного влияния. Выявлено, что для бесконтактной работы УАА с зазорами более 15 мм необходимо использовать разнесенные магниты цилиндрической формы.

На втором этапе исследовали распределения магнитных полей разнесенных постоянных магнитов из материалов ЮНДК24 и ЮНДК25 цилиндрической формы с габаритными размерами: 20Ч20; 10Ч20; 10Ч10; 5Ч5; мм. Проведенные исследования позволили установить наилучшую, с точки зрения минимальных габаритных размеров, конструкцию адресоносителя, функционирующего на ПТК-500 (материал магнита ЮНДК24 или ЮНДК25БА; форма магнита - цилиндрическая; габаритные размеры: диаметр - 10мм, длина - 10 мм; межосевое расстояние между магнитами - 60 мм).

Принцип действия рассмотренных адресоносителей заключен в перемагничивании магнитов и имеет ряд существенных недостатков: высокие энергетические затраты при перемагничивании, невозможность использования магнитов с большой коэрцитивной силой, смещение магнитных осей магнитов при отклонениях адресоносителя и др. С целью устранения указанных недостатков были разработаны магнитные адресоносители, использующие оригинальный способ записи информации. Данный способ заключается в повороте магнита на определенный угол, как правило на 180°, по произвольной траектории в ограниченной выемке корпуса адресоносителя.

Схема базовой конструкции адресоносителя (А. с. 609694) с поворотным цилиндрическим магнитом показана на рис. 7.

Рис. 7. Схема базовой конструкции адресоносителя с поворотным магнитом: 1 - постоянный магнит; 2 - выемка в корпусе; 3 - корпус; 4 - торец магнита; 5 - основание выемки; 6 - боковые поверхности выемки

В процессе записи информации, под действием внешнего магнитного поля Н_внеш магнит 1 поворачивается на 180° в выемке 2 адресоносителя 3 и фиксируется одним из торцев 4 по дну выемки 5. Поворот магнита возможен лишь в одной плоскости за счет ограничивающих боковых поверхностей 6.

Разработаны также конструкции адресоносителей на принципе поворота магнита (А.с. 821345,

А.с. 923934), использующие принцип «физического маятника», которые позволяют стабилизировать векторы магнитных полей адресоносителя при всех возможных его отклонениях и в которых значительно уменьшается момент трения.

Эффективность процесса записи информации в адресоносителях на принципе поворота магнита определяется вращающим моментом, который может развивать постоянный магнит. Для поворота магнита на 180° необходимо, чтобы вращающий момент был равен или превышал величину момента трения. Для определения величины вращающего момента было получено выражение, связывающее его с параметрами магнита адресоносителя и значением внешнего магнитного поля:

M_вр =(B_М+м₀H_М )V_МH_внеш sin б, (15)

где б - угол между векторами внешнего магнитного поля и поля магнита.

Формула (15) справедлива при условии, что влиянием поля магнита можно пренебречь.

Таким образом, результаты выполненных во второй и третьей главах теоретико-экспериментальных исследований позволяют осуществить выбор параметров магнитов адресоносителей и установить распределение этих параметров в пространстве взаимодействия адресоносителя с адресователем и считывателем информации.

Четвертая глава посвящена разработке математических моделей электромагнитных устройств записи информации (адресователей), осуществляющих аппаратную реализацию матрицы на выявленном множестве с учетом ограничений (2). Предложены методики расчета схем намагничивания постоянных магнитов адресоносителя, работающих на принципе однополупериодного питания и питания путем разряда емкости через обмотки адресователя. Приведены результаты экспериментальных исследований адресователей с броневыми сердечниками, работающих на принципе перемагничивания постоянных магнитов. Определены необходимые условия процесса записи информации путем поворота постоянного магнита.

Традиционно расчет электромагнитных намагничивающих устройств связан с учетом следующих факторов: материалом и размерами перемагничиваемого магнита, размерами и формой адресователей, магнитной проницаемостью магнитопровода, расположением обмоток относительно зазора.

Как установлено в гл. 2, при условии бесконтактной записи информации УАА перемагничивание осуществляется в зазорах, равных десяткам миллиметров, в этом случае приращение индукции и средняя магнитная проницаемость магнитопровода существенно снижаются. Нами получено выражение, определяющее зависимость значения внешнего магнитного поля от напряженности и индукции магнитного поля в магнитопроводе при наличии воздушного зазора:

, (16)

где l - длина средней магнитной линии адресователя.

Уравнение (16) показывает, что для создания в сердечнике индукции В_м, напряженность внешнего магнитного поля Н_внеш должна быть увеличена на величину , при этом повышается остаточная индукция сердечника, а средняя магнитная проницаемость уменьшается. Снижение напряженности магнитного поля в зазоре адресователя негативно сказывается на процессе перемагничивания магнитов адресоносителя. Для устранения указанных недостатков предлагается создавать в магнитопроводе адресователя размагничивающее поле путем подачи на обмотки катушек тока противоположной полярности (размагничивающего тока). Такой ток способствует размагничиванию сердечника, снижает остаточную индукцию, а средняя магнитная проницаемость оказывается более высокой, чем при отсутствии размагничивающего тока. В этом случае процесс намагничивания осуществляется чередованием намагничивающего и размагничивающего токов, по предельному циклу, при этом значение размагничивающего тока составляет 10 … 15 % от намагничивающего. Кроме того, размагничивающий ток осуществляет стабилизацию магнитов адресоносителя, информационные сигналы которых при этом входят в заданные пределы.

Для намагничивания постоянных магнитов адресоносителей, коэрцитивная сила которых превышает 10 кА/м, разработаны (А. с. № 695927) конструкции адресователей, содержащие С-образные магнитопроводы с закрепленными намагничивающими катушками (НК) на прилегающих к зазору полюсах, а также импульсные схемы их намагничивания путем разряда емкости и однополупериодного питания. Основная особенность импульсного питания обмоток адресователя состоит в том, что протекание всех электромагнитных процессов в его сердечнике характеризуется высокой скоростью, а также большим различием между длительностью импульсов и периодом их повторения. При рассмотрении процессов намагничивания активные сопротивления обмоток, индуктивности рассеяния и паразитные емкости НК можно не учитывать, т.к. на процессы, протекающие собственно в сердечнике, они оказывают незначительное влияние. Такие допущения позволяют рассматривать НК как реактивную катушку со стальным сердечником. В этом случае напряженность магнитного поля в зазоре адресователя, имеющего С-образный магнитопровод, определяется выражением:

(17)

где _max - максимальный ток в катушках; n - число витков в катушке; 0,793 - коэффициент рассеивания.

Как видно из выражения (17), для определения напряженности поля в зазоре выбранной конструкции адресователя необходимо знать величину максимального тока в его катушках.

Для импульсного метода намагничивания с использованием разряда емкости (рис. 8) ток разряда конденсатора через катушки может быть определен из выражения:

, (18)

где ;.

Нами выбран колебательный режим разряда емкости, осуществляющий указанное выше чередование импульсов. Используя выражение (18), подбирались параметры разрядной емкости С, а также активного сопротивления R и индуктивности L катушек, при которых осуществляется необходимый процесс намагничивания и частичного размагничивания магнитов адресоносителя. Недостатком рассмотренного режима питания НК является относительно низкое быстродействие.

Намагничивающие устройства, использующие однополупериодные импульсы, отличаются простой схемой управления полярностью импульсов, протекающих через обмотку намагничивания, и обладают большим быстродействием. Максимальное значение тока, проходящего через катушки, равно:

(19)

Проведенные теоретические исследования позволяют осуществить расчет и конструирование адресователей, создающих магнитное поле необходимой величины в пространстве взаимодействия адресователя и магнитного адресоносителя, в котором осуществляется процесс перемагничивания.

...