Вибродвигатели

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Несмотря на внешнюю простоту построения схемы, в вибродвигателе происходят сложные динамические процессы, заключающиеся в двойном преобразовании энергии, электрической в механическую (колебательное движение вибропреобразователей) и колебательного движения в непрерывное. Эти два потока энергии взаимодействуют между собой, а также зависят от внешней нагрузки. Даже происходящие в одном и том же вибродвигателе динамические процессы могут меняться в зависимости от режима работы, например, при изменении амплитуд и фаз колебаний преобразователя взаимо­действие от косого удара в зоне контакта может перейти во взаимодействие с проскальзыванием и т. п. Сложную задачу представляет построение про­странственного распределения амплитуд и фаз колебаний преобразователей при возбуждении их в нескольких направлениях и определение узлов коле­баний. И наконец, для оптимального применения вибродвигателей в конкрет­ном устройстве необходимо знать механические характеристики в установив­шемся и шаговом режимах, чувствительность, предельное быстродействие. Поэтому в экспериментальных исследованиях отработка оптимальных конс­трукций по разным критериям играет большую роль.

* Бансевичюс Р. Ю. и др. Виброустройство. А. с. 425798 (СССР).

у Методика экспериментальных исследований строилась на определении следующих характеристик и параметров вибродви гателей.

1. Механическая характеристика

^к = ^к[^н, U, {ft, Uoi, yOL « = 1, 2, л, (4.1)

представляющая собой зависимость линейной скорости подвижного звена в зоне контакта vK от силы нагрузки FH, отнесенной к зоне контакта и пара­метров (частот/, амплитуд Е/0 и фаз у) питающего напряжения. В общем слу­чае механическая характеристика — поверхность; рассматриваются и се­чения vK = vK(FB), Ui = const, vK = vK(Ut), F„ = const. Для линейных вибродви­гателей vK равен скорости подвижного звена, для вибродвигателей вращатель­ного движения vK = Rdwjdt, где R - радиус кривизны зоны контакта, а момент нагрузки Mh = RFr.

2. Механическая характеристика контакта

Ък = К[рп, liif, Аь Pi)], 1=1, 2 п, (4.2)

представляющая зависимость линейной скорости подвижного звена vK от силы нагрузки и параметров (частот/, амплитуд А и фаз (3) колебаний преобразо­вателей в зоне контакта, т. е. характеризует процесс преобразования колеба­тельного движения в непрерывное.

3. Характеристика преобразования колебаний связывает ско­рость vK с параметрами колебаний преобразователей и служит для подбора оптимальных режимов движения. Для вибродви гателей с двухкомпонентными колебаниями

= Р). (4-3)

где (3 - фазовый сдвиг между тангенциальными и нормальными п состав­ляющими колебаний в зоне контакта. Для вибродвигателя с асимметриче­скими циклами колебаний (бигармонического) решающим является соотноше­ние амплитуд гармоник 50і/?ог и фазового сдвига (3' между ними

*к = <(5оі/5о*, Р') (4-4)

И т. д.

4. Параметр фиксации положения подвижного звена представляет собой отношение максимально развиваемой силы и силы трения, когда коле­бания в зоне контакта отсутствуют

; х(/т)= „ FK-max------ , . (4.5)

2 (*У. н)<

і = 1

где п — число зон контакта, в которых действуют силы упругого натяга (Fy. н)і* Часто FK max = FK |bk= о • Параметр * (/т) важен для устройств, в которых требуется обеспечить фиксацию положения подвижного звена в промежут­ках между включениями, например, в микроманипуляторах.

5. Предварительное смещение подвижного звена - важная ха­рактеристика вибродвигателей, применяемых для позиционирования (отно­сительное перемещение преобразователя и подвижного звена до перехода от покоя к скольжению при трении). Предварительное смещение подвижного звена формируется двумя составляющими: 8є°, обусловленной объемными деформациями преобразователя и подвижного звена, а также деформациями системы подвески преобразователя, и <кї, называемой контактным предва­рительным смещением и возникающей из-за изменения напряженного состоя­ния в зоне контакта в момент сдвига, т. е.

(4.6)

Составляющая SsS обусловлена увеличением проскальзывания на контак­те с приложением силы в направлении скольжения. Абсолютная величина также влияет на степень неравномерности скорости вибродвигателя.

6. Коэффициент полезного действия вибродвигателя - q учитывает кпд трех потоков преобразования энергии: в генераторе (yjr), в преобразо­вателе (у)пр) и в зоне контакта (yjk)

(4.7)

Кпд вибродвигателя, передставляющий собой отношение полезной мощ­ности, имеющейся на выходе вибродвигателя, к мощности, отбираемой от источника энергии — величина переменная и зависит от режимов работы.

7. Колебания средней и мгновенной скорости подвижного звена. Коэффициент неравномерности движения 8, определяемый выражением (3.12), учитывает только границы изменения скорости. Полная характеристика флук­туаций скорости дается спектральной плотностью /к (X) функции нерав­номерности движения.

8. Разрешающая способность по координате представляет со­бой наименьшее значение воспроизводимого перемещения. Разрешающая способность, называемая иногда чувствительностью вибро двигателя, зависит в некоторой степени от способа возбуждения преобразователя. Разрешающая способность тесно связана с точностью вибродвигателя, определяемой значе­нием среднеквадратической погрешности, и повторяемостью (или стабиль­ностью), оцениваемой по величине доверительного интервала погрешности при отработке заданного перемещения. Из-за высокой разрешающей способности вибро двигателей точность их в подавляющем большинстве случаев опреде­ляется точностью датчиков обратной связи.

9. Постоянные времени при пуске Т1п и выбеге Г2п. Если вибро­двигатель приближенно представить в виде апериодического звена, то его реакцию на единичный импульс напряжения и (t), заполненный рабочей час­тотой ы

С/(0 = 0, /<0

С/(t) = U0sina>t, t^O,

можно выразить

(0 = Ці-ехр(-^)]

(4.10)

(4.11)

где v0K - скорость подвижного звена, соответствующая U0 а постоянные времени Т1п и Т2п равны времени затухания переходного процесса, т. е. времени, в течение которого отклонение скорости от установившегося значения умень­шается в е раз. Ввиду важности параметров Т1п и Т3п их анализ следует проводить с учетом зависимости их от постоянных времени генератора Т преобразователя У" и процесса преобразования колебаний в зоне контакта Т*

| *. 7’1„ = F1(n„, Г? п, 7?п), ! „

; . T2n = F2(т$п, гіл, цп). V ; (4.12)

10. Частотная характеристика шаговых режимов связывает макси­мальную частоту импульсов и величину шага 8Ш, отрабатываемого за период одного импульса с учетом соблюдения синхронизма при пуске подвижного звена из неподвижного состояния. Данная характеристика близка к понятию приемистости шаговых двигателей.

11. Фазовый портрет единичных шагов системы вибродвигатель— нагрузка.

12. Фазовый портрет единичного шага синхронизированного вибродвигателя, когда скорость подвижного звена связана с положением узлов колебаний преобразователя.

Из вышеприведенных характеристик и параметров выводятся такие пока­затели, как быстродействие (величина, обратная времени перехода системы из одного установившегося состояния в другое), точность (величина, обратная ошибке установления системы в новое состояние равновесия), номинальная скорость подвижного звена (предел скорости при номинальной нагрузке), зона нечувствительности (в пределах которой изменение управляющего на­пряжения не вызывает движения подвижного звена) — определяется из харак­теристики vK = vK[Fm Uі (fit Uoi, у)] и т. д.

Конструктивные показатели — масса, моменты инерции подвижных звень­ев, габариты — являются иногда основой при сравнении разнообразных вибро­двигателей. | і,