Спроектировать опорно-поворотный модуль

Техническое задание

Спроектировать опорно-поворотный модуль

Дано: угловая скорость – 3 об/мин.

масса манипулятора – 150 кг.

Задачи: подбор двигателя, редуктора, компоновка модуля.

Расчет необходимой мощности электродвигателя

Мощность в общем случае равна мощности технологического процесса, для выполнения которого и создается привод. Мощность на выходном валу привода можно рассчитать по формуле:

         (2.1)

где P - мощность на выходном валу привода,

Твых - момент на выходном валу привода,

- угловая скорость на выходном валу привода, с-1.

η = 0.65 – КПД передачи,

kз = 1.5 – коэффициент запаса,

Момент на выходном валу привода можно рассчитать по формуле:

Tвых=Ft*R         (2.2)

где Ft-тягловое усилие, Н;

Fn-нагрузка, Fn=mg, m=150кг, Ft=1470Н;

R-радиус рабочего органа, м; R = 0,15м.

Угловую скорость на выходном валу привода можно рассчитать по формуле:

              (2.3)

где n - частота вращения рабочего органа; n = 3об/мин.

Подставляя данные в (2.2), получим:

Подставляя данные в (2.2), получим:

Tвых = 1470Н*0,15м = 220.5Н*м

Подставляя данные в (2.1) получим:

Выбор двигателя и редуктора.

Выберем бесколлекторный двигатель постоянного тока Maxon.

Бесколлекторный двигатель выбран ввиду некоторых его достоинств по сравнению с коллекторными:

       более высокая надежность работы (нет щеточно-коллекторного узла, следовательно, нет искрения на больших скоростях вращения)

       меньшее трение дает линейность регулировочной характеристики и меньший уровень электромагнитного шума

       более высокий срок службы мотора

       применение в конструкции мотора балансировочных колец, которые обеспечивают стабильность работы при больших скоростях вращения (до 40’000 мин-1)

Несмотря на достоинства, у данного типа двигателя есть также недостатки:

       на очень низких скоростях вращения могут появляться пульсации, вызванные дискретным переключением обмоток двигателя

       для обеспечения большей точности и плавности работы при управлении на очень высоких скоростях нужно применять энкодер с высокой разрешающей способностью, который сможет дополнительно производить около 2000 измерений

       большее количество проводов от мотора:
всего 8 (3 — обмотки мотора, 3 — ДПР (датчик Холла), 1- заземление, 1 — питание ДПР)

Будем выбирать двигатель по требуемой мощности.

Подбор двигателя ведется по расчетной мощности P  и условии:

Выбираем двигатель EC-powermax 30 d 30 mm, brushless, 200 Watt исполнение 305013  (см. приложение 1)

Передаточное число редуктора.

nэд= 17000 об/мин

nвых=3 об/мин

Uобщ= nэд/ nвых

Uред= Uобщ/Uзуб  - передаточное число редуктора

                           Uзуб – передаточное число зубчатой передачи.

Расчет передаточного числа зубчатой передачи.

Колесо:

z1=98 – число зубьев колеса

m=3 - модуль

d2=300 – диаметр вершин зубьев колеса

Материал: сталь 45

Шестерня:

z2=10 – число зубьев шестерни

m=3 - модуль

d2=36 – диаметр вершин зубьев шестерни

Материал: сталь 45

Uзуб=U1/U2=9.8

Тогда:

Uред= Uобщ/Uзуб = 560

Соответственно выбираем редуктор Planetary Gearhead GP 42 C d42 mm, 3 - 15 Nm исполнение  203139 (см. приложение 2).

Расчёт шпоночного соединения

Эскизное проектирование

Расчет вала и выбор подшипников.

Расчет вала.

Нм

вращающий момент на тихоходном валу

диаметр выходного конца вала

мм

мм

диаметр вала под подшипники

мм

диаметр заплечиков подшипников

На основе расчета вала выбираем подшипники:

Радиальные: Подшипник 208 ГОСТ 8338-75

                       d=40 , D=80 , B=18

Упорные(т.к. присутствует осевая нагрузка): Подшипник 8208 ГОСТ 7872-89

                       d=40 , D=68 , B=19

Подшипники устанавливаем в общий стакан. Упорный подшипник фиксируем втулкой и плитой.

Выбран энкодер ЛИР-МА137 модификация Б (см. приложение 3) и муфта ЛИР-801(см. приложение 4). 

Абсолютные датчики углового положения позволяют решать задачи прецизионных измерений не только величин угловых перемещений, но и без потери точности могут обеспечить «жесткую» координатную привязку различного рода позиционируемых объектов при их статическом положении.  Абсолютные датчики углового положения каждому значению углового положения вала (преобразуемого угла) ставят в соответствие значение числового эквивалента, который формируется на выходе датчика, как правило, в виде сигнала цифрового кода. При этом указанное взаимно однозначное соответствие сохраняется, как при движении вала, так и при его неподвижном положении и не требует возвращения вала в начальную позицию. Таким образом, значение кода не теряется после выключения и включения питания датчика, восстанавливается после прохождения помехи или превышения допустимой скорости вращения вала, ограничиваемой правильным считыванием кода. Приведённые свойства выгодно отличают абсолютные датчики углового положения от инкрементных угловых преобразователей.

Передача момента с вала на энкодер осуществляется при помощи зубчатой передачи. Энкодер через муфту соединен с валом d=6 мм, на который при помощи зубчатого зацепления передается вращающий момент. Подшипники на валу установлены в общий стакан.

Заключение

В ходе проектирования опорно-поворотного модуля электромеханического манипулятора была рассчитана необходимая мощность электродвигателя, подобраны электродвигатель и редуктор, произведена компоновка модуля. Спроектированы зубчатые зацепления, корпус модуля, подобраны подшипники, энкодер, муфта, крепежные элементы.

Проект включает в себя : сборочный чертеж 1 лист А1, 3D модель модуля 1 лист А1, техническое задание 1 лист А1, расчетно-пояснительную записку.

Приложение 1.

Технические характеристики двигателя  EC-powermax 30

Приложение 2.

Технические характеристики редуктора GP 42 C

Приложение 3.

Технические характеристики ЛИР-МА137

ЛИР-МА137

Абсолютные угловые магнитные датчики положения (абсолютные энкодеры)              

       Описание

Малогабаритный абсолютный датчик углового положения (абсолютный энкодер).

Принцип действия: магнитный.

Диаметр корпуса 37 мм.

Разрешающая способность до 12 разрядов на оборот.

Точность ±0,5º.

Цельный вал.

       Физический принцип работы

  Магнитный

По физическому принципу работы этот преобразователь относится к классу магнитных датчиков.

Магнитные датчики

Магнитные датчики используют эффект холла - явление возникновения разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Эффект холла открыт Э.Холлом в 1879 году. Основными элементами магнитных датчиков СКБ ИС являются: подвижный магнит и четыре датчика Холла. Вместо датчиков Холла могут применяться магниторезисторы.

По точности и разрешению магнитные датчики уступают, например, фотоэлектрическим, однако просты в реализации, менее требователен к условиям эксплуатации и размерам конструкции.

       Технические характеристики                               

Конструктивное исполнение                                                                3   

Способ выдачи данных                                                                           последовательный SSI   

Интервал рабочих температур                                                                      от 0 до +70°С   

от -40 до +85°С   

Класс точности                                                                              10 класс ±0,5°   

Модификация преобразователя                                                                А   

                                 Б   

                                 Ж   

Количество разрядов                                                                           12    

Напряжение питания                                                                            +5 В   

Разрешение                                                                                                  4096   

Степень защиты от внешних воздействий                                       IP64 (А, Б), IP67 (Ж)   

Максимальная скорость вращения вала                                                  10000 об/мин   

Вибрационное ускорение в диапазоне частот (55...2000) Гц              ≤ 100 м/с2   

Допустимая осевая нагрузка на вал                                                             ≤ 40 Н   

Допустимая радиальная нагрузка на вал                                                  ≤ 60 Н   

Ударное ускорение                                                                                   ≤ 400 м/с2   

Ток потребления                                                                                              ≤ 50 мА   

       Документация

Габаритные чертежи

Модификация А

Модификация Б

Модификация Ж

Приложение 4

Технические характеристики муфты ЛИР-801

ЛИР-801

Соединительные муфты для угловых датчиков (муфты энкодеров)              

       Описание              

Мембранная муфта.

Служит для соединения вала углового датчика с валом механизма заказчика.

Отличительные особенности: Погрешность передачи вращения ±10".

Посадочные диаметры от 3 до 10 мм; или (1/8)"; (1/4)"; (5/16)"; (3/8)".

       Технические характеристики

Посадочные диаметры D1                                                         3 мм ;   4 мм ;   5 мм ;   6 мм ;   7 мм ;                                                                                                                                                                           8 мм ;   9 мм ;   10 мм ;   1/8" ;                                                                                                                                                                                                   1/4" ;   5/16" ;   3/8"   

Тип муфты                                                                                          мембранная   

Погрешность передачи вращения                                            ±10''   

Допустимое радиальное смещение осей                            ≤0,2 мм   

Допустимый наклон осей                                                                            ≤1,0°   

Жесткость на скручивание                                                     150 Н·м/рад   

Допустимый крутящий момент                                                      0,1 Н·м   

Допустимое осевое смещение                                                    ≤0,2 мм   

Момент инерции                                                                                                                            3,0×10-6 кг·м²   

Максимальная скорость вращения                                                    16000 об/мин   

Масса муфты (не более)                                                                                            0,027 кг   

Технические условия (pdf)                                                    ЛИР-801_ТУ.pdf   

       Документация

   Габаритный чертеж

Список литературы.

1) П.Ф.Дунаев,О.П. Леликов. Конструирование узлов и деталей машин: Учебное пособие для технических специальностей ВУЗов.-7-е изд., испр. - М.: Высш. шк.,2001.-447 с.:ил.

2) Атлас конструкций узлов и деталей машин/ под ред. О.А. Ряховского. – М.: изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005.

3) В. И. Анурьев. Справочник конструктора-машиностроителя в трех томах. М: изд. Машиностроение, 2001

4) http://www.aviton-spb.ru/

5) http://www.skbis.ru/

14