Компоновка мехатронного модуля

1. Технические требования

 

Номинальная нагрузка:  F₁=100 Н, T₂=10 Нм.

Скорость при номинальной  нагрузке: V₁=0,005 м/с,  ω₂=π с^-1.

Максимальное перемещение: l₁=500мм, φ₂ – π/2.

Конструкция мехатронного модуля должна обеспечивать в автоматическом режиме обратно пропорциональную зависимость скорости перемещения от нагрузки.

Схема перемещений выходного  элемента мехатронного модуля:

 

Рисунок 1 – Схема перемещения  выходных элементов ММ

 

 

 

 

Движение 1

 

Рассчитаем мощность необходимую  для совершения  поступательного  движения:

 

 

Нужно обеспечить поступательное движение. Добиться этого можно используя линейный двигатель и передачи, которые преобразуют вращательное движение в поступательное. Так как линейные электродвигатели значительно дороже двигателей углового движения, то от их использования стоит отказаться. 

В качестве передач преобразующих  вращательное движение в поступательное будем рассматривать:

• передачу винт-гайка скольжения (ВГС)
• шарико-винтовую передачу (ШВП)
• реечную передачу

У каждой из вышеперечисленных  передач есть свои преимущества и  недостатки. Реечная передача проста в изготовлении, но обладает большими массогабаритными показателями и низкой кинематической точностью. ШВП обеспечивает высокую точность перемещения, имеет высокий КПД, может работать без смазки, но сложна в изготовлении. Передача ВГС напротив проста в изготовлении, способна обеспечить достаточно точную отработку перемещения.

Так как в ТЗ сказано, что ММ должен быть самотормозящимся, будем использовать для преобразования вращательного движения в поступательное передачу ВГС.

 Конструкция передачи  проста и технологична. Передача  работает плавно и бесшумно, имеют  высокую надежность, способны обеспечивать  микроперемещения, при однозаходной резьбе обладают свойством самоторможения.

Средний диаметр трапецеидальной  резьбы винта d₂, мм, по критерию износостойкости найдем по формуле:

 

 

 

Найдем необходимую частоту  вращения винта для заданной скорости:

 

 

 

где n_в – частота вращения винта, об/мин;

v – заданная скорость перемещения гайки, м/с;

p – шаг резьбы (принимаем р=2), мм;

К – число заходов резьбы (К=1, необходимо для обеспечения самоторможения).

Частота вращения винта меньше чем частота вращения двигателя, значит, требуется дополнительный преобразователь  движения (редуктор).

По принятому шагу резьбы, определил параметры трапецеидальной  резьбы по таблице:

d₂=7  мм;  d₁=6 мм;  d =8 мм.

Сравним требуемую частоту  вращения с критической, которая  равна

Т.к. , то передача прошла проверку.

КПД ВГС мало (≈ 0,25), то пересчитаем  необходимую мощность двигателя  с учетом этого:

 

Принимаем  асинхронный  электродвигатель АИР71В8 со следующими параметрами:

;

 n_дв1=750 об/мин; 

 m_дв1=9,9 кг.

Рассмотрим одноступенчатый  цилиндрический редуктор.

Находим передаточное число  редуктора:

 

 

Принимаем а_w = 50 мм по конструктивным соображениям.

Выбор модуля и числа зубьев.

Значение нормального  модуля m_n равно:

 

Суммарное число z_c зубьев передачи равно:

         

Принимаем z_c = 100

Определяем число z₁ зубьев шестерни:

 

Принимаем z₁ = 17

Число зубьев z₂ колеса равно:

 

Уточняем передаточное число передачи:

 

                           
Фактическое передаточное число равно первоначальному передаточному числу.

Определение геометрических размеров шестерни и колеса.

Делительные диаметры _, равны:

 

 

 

 

Выполняем проверку межосевого расстояния:

 

           
Диаметры найдены верно.

Так как контур колеса нарезан  без смещения, то делительный и  начальный диаметры колеса и шестерни совпадают: d₁ = d_w1, d₂ = d_w2.

 

Выбор смазки передачи ВГС

 

Трущимися частями ММ являются винт и гайка. Принимаем термостойкую смазку ВНИИНП – 219 . Данный вид смазки применяется для винтовых передач  с частотой вращения до 9000 мин^-1, сохраняет работоспособность при температуре -50…+200°С.

 

 

Движение 2

Рассчитаем мощность, необходимую  для совершения вращательного движения.

Рассчитаем частоту вращения выходного элемента мехатронного модуля:

Для обеспечения данного  движения считаю целесообразным использовать шаговый двигатель FL110STH99-5504A  без передаточного механизма.

Характеристики:

• Номинальный крутящий момент  T2=11,2 Нм
• Величина полного шага 1,8 град.
• блок управления шаговым двигателем SMSD-9.0

Блок SMSD-9.0 может задавать направление, скорость, ускорение движения, а также работать по сложным алгоритмам (исполнительной программе), записываемым в энергонезависимую память. Блок SMSD-9.0 может работать автономно по предварительно записанной программе, от компьютера (LPT-порт или USB), от внешнего задающего контроллера (например, от контроллера SMC-3) или в ручном режиме. Блок может работать с программами большинством CNC-программ. Блок имеет возможность получать сигналы от внешних устройств и датчиков, а также подавать сигналы другим внешним устройствам. Это позволяет синхронизировать работу нескольких блоков управления шаговыми двигателями между собой и с другими устройствами системы.

 

2. Построение F,S,C моделей

Для получения информации о работе системы необходимо установить датчики, показывающие перемещения и скорости рабочего органа.

Для обеспечения обратно  пропорциональной зависимости скорости перемещения от нагрузки, необходимо ввести дополнительный контур по току двигателя. Также для корректировки электрического сигнала вводится обратная местная  связь. Для обеспечения условия отработки заданной угловой скорости и максимального перемещения движения 2 используем блок SMSD-9.0.

 

 

Описание работы F-модели (функциональной модели)

В общем случае, функциональная модель мехатронного модуля может быть определена как информационно-механический преобразователь. Для физической реализации мехатронного информационно-механического преобразования необходим внешний энергетический источник, в основном используют электрические источники энергии. Информационный преобразователь нужен для обработки цифровых сигналов, цифрового регулирования, расчета управляющего воздействия, обмена данными с периферийными устройствами. В качестве такого преобразователя выступает микроконтроллер. Далее цифровой сигнал преобразуется в электрический ток, посредством инфоэлектрических преобразователей 1 и 2, которые выполняются на базе ЦАП (цифро-аналогового преобразователя). После чего электрический ток, с помощью электрического преобразователя 1, обычно состоящего из усилителя мощности, широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и трехфазного инвертора (для асинхронных двигателей), принимает необходимую форму, амплитуду и частоту. Электро-информационные преобразователи 1 и 2 используется для контроля текущих напряжений и токов в электрических преобразователях 1 и 2. В качестве электромеханических преобразователей 1 и 2 выступает асинхронный электродвигатель переменного тока и шаговый двигатель, управляемые током и напряжением поступающим от электрического преобразователя 1. Далее вращательное движение на выходе электромеханического преобразователя 1, с помощью механического преобразователя 1 и 2, в качестве которых выступают цилиндрический редуктор и передача винт-гайка скольжение (ВГС), преобразуется в поступательное движение. Механико-информационный преобразователь 1 используется в качестве обратной связи по положению и скорости движения выходного звена электромеханического преобразователя 1.

 

Описание работы S-модели (структурной модели)

 Устройство компьютерного управления (УКУ) движением с блоком FPGA, функциональной задачей которого является информационное преобразование (обработка цифровых сигналов, цифровое регулирование, расчет управляющих воздействий, обмен данными с периферийными устройствами), вырабатывает широтно-модулированный сигнал, который имеет цифровое представление. Далее сигнал с устройства компьютерного управления (УКУ)  поступает на интеллектуальный силовой преобразователь 1 и управляющий контроллер SMSD шаговым двигателем, построенный на базе полупроводниковых приборов нового поколения (например силовые полевые транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором и т. п.). Интеллектуальный силовой преобразователь 1 содержит встроенные блоки микроэлектроники, предназначенные для выполнения интеллектуальных функций – управление движением, защита в аварийных режимах и диагностика неисправностей. Все вышеописанное относится к управляющей подсистеме структурной модели.  Двигатель 1 соединяется с механическим преобразователем 1 и 2 (передача ВГС). Двигатель 2  управляется и отслеживается с помощью SMSD 9.0   , который позволяет получать информацию  об угле поворота вала и о его угловой скорости. ФИД 1 выдает выходной сигнал в кодовой форме, что позволяет вводить информацию в УКУ без дополнительного аналого-цифрового преобразования.