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 процесса

Слиток 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 заготовки

Характеристика рабочей клети блюминга 1250

Наибольший диаметр бочки валка по буртам, мм 1250

Наименьшее расстояние между осями переточенных валков, мм 1180

Длина бочки валка, мм 2800

Диаметр шейки валка, мм 750

Наибольший подъем верхнего валка (от номинального положения), мм 1150

Резьба нажимного винта -- упорная, двухходовая, мм 480Ч32Ч2

Передаточное число редуктора нажимного устройства i 3.08

Поступательная скорость нажимных винтов, мм/с 185_220

Высота клети от уровня поля цеха, мм 9480

Электородвигатели привода валков (2шт.)

тип П24-160-6,8

мощность, кВт 6800

скорость, об/мин 0_60_90

Общая масса клети (примерно), 738

В том числе масса одной станины, т 110

Рис.2 Привод манипулятора 1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - линейка

Основные 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]:

Таблица 2. Характеристика редукторов привода шагающего пода печи [6]

Тип редуктора

Передаточное

число,

Продолжительность

включения, ПВ

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 манипуляторами

Системы 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 возмущения

На 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 задания

Для 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.

Основные параметры:

§ тип инвертора: ШИМ на IGBT-модулях;

§ тактовая частота ШИМ: 15 кГц;

§ класс защиты: IP20;

§ высокий стартовый момент: 150%;

§ 4 задаваемые фиксированные частоты;

§ 8 входных клемм управления;

§ 7 вариантов задания выходной частоты;

§ аналоговый выход (0-10В);

§ встроенный тормозной блок;

§ диапазон выходных частот 0,5…240 Гц

§ сигнал задания частоты: 0…5В, 0…10В(10 кОм), 4…20 мА (250 Ом), 0…20 мА (250 (Ом);

§ выходное напряжение: 380…460В.

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%

· Выходная амплитуда U _ Uвыс > 2.5В Uниз< 0.5В

· Частотный диапазон _ 0.45 мс до 300 кГц

· Масксимальная скорость _ 12000 об/мин

· Температура хранения _ -20Гр С до 100Гр С

· Защитное исполнение _ IP66

· Максимальная радиальная консольная нагрузка _ 60N

· Максимальная радиальная аксиальная нагрузка _ 40N

· Выход системы _ 12- пин

· Вес _ 0,3 кг

6. Построение функциональной схемы системы регулирования

Рис.3. Функциональная схема регулирования

Д.У.- Датчик усилия 5001 ДСТУ - ГОСТ 28836;

Б.З. - блок задержки БЗ_11;

ПУ - преобразующее устройство LS600

ДВ - электродвигатель 1МG7;

Ред - редуктор Ц2У-200;

М - манипулятор;

Э - энкодер 1XP8001-2.

7. Расчленение системы на типовые звенья

Преобразующее 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 регулирования

Рис.4. Структурная схема системы

9. Расчёт численных значений постоянный времени и коэффициентов преобразования

Минимальное 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/с

a - 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=15 кН,

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 ;

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 преобразовательного устройства:

Передаточный коэффициент двигателя:

Передаточный коэффициент редуктора:

Передаточный коэффициент манипулятора с заготовкой:

Передаточный коэффициент энкодера:

11. Определение передаточной функции системы

Передаточная функция всей системы определяется по формуле

,(14)

. (15)

12. Оценка устойчивости

Передаточная 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 литературы

1. 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=7

10.http://tehprivod.ru/kat_preobraz.htm.