Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Утверждаю

зав. кафедрой АТП

_____________Коростелев В.Ф.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению курсового проекта по курсу

«Средства автоматизации и управления»

Составитель: Назаров А.А..

Владимир 2013

Оглавление

1. Содержание курсовой работы

2. Энергетический расчет привода и выбор исполнительного двигателя

3. Выбор элементов привода

4. Синтез привода с подчиненным регулированием координат

5. Расчет привода на ЭВМ

6. Задание к курсовой работе

7. Рекомендуемая литература

1

1. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Курсовая робота состоит на следующих основных разделов:

1. Энергетический расчет следящего электропривода, заключающийся в выборе и проверке электрического двигателя, расчете передаточного отношения и составлении кинематической схемы редуктора.

2. Выбор усилителя мощности, типа датчиков скорости и положения и определенно параметров элементов силовой части.

3. Синтез привода с подчиненным регулированием координат.

4. Составление и расчет элементов принципиальной электрической схемы с узлами защиты, пуска и блокировки.

Варианты заданий, приведенные в приложении, содержат соответственно тип кинематической схемы, параметров нагрузки и требуемых показателей качества приводов подачи станка с программным управлением и приводов промышленного робота.

В качестве исполнительного двигателя (ИД) электропривода рекомендуется использовать двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Управление двигателем может осуществляться с помощью электро-машинных и магнитных усилителей, а также транзисторных или тиристорных преобразователей.

Для коррекции динамических свойств привода могут применяться последовательные корректирующие звенья в сочетании с обратными связями по скорости и ускорению вала двигателя или рабочего органа.

2. Энергетический расчет привода и выбор исполнительного двигателя

При энергетическом расчете приводов обычно возникают две основные задачи – энергетический синтез и энергетический анализ привода. Целью энергетического синтеза являются выбор типа ИД с силовым редуктором, усилителя мощности и определение структуры привода при за­данном законе движения объекта регулирования (ОР). Вторая задача заключается в анализе способности имеющейся в наличия конкретной силовой части привода воспроизводить заданный закон ОР.

2

В общем случае энергетический расчет содержит следующие основные этапы.

2.1. Анализ законов объекта регулирования.

Закон движения ОР, определяемый управляющим сигналом на привод, может носить как случайный, так и детерминированный характер. С целью упрощения энергетического расчета используют некоторые типовые обобщенные законы движения ОР: по гармоническому закону, с постоянной скоростью или с постоянным ускорением, по закону “urctg” в режиме согласования (позиционирования). Уравнения, графики изменения угла, скорости и ускорения ОР при движении по данным законам приведены в работе.

Типовые диаграммы изменения скорости приводов приведены на рис. 2.1. Типовой участок обработки детали на фрезерном станке с ЧПУ приведен на рис. 2.1а. Режущий инструмент должен перемещаться по эквидистанте. В УЧПУ производится разложение эквидистанты на управляющие для приводов функции в соответствии с требуемой скоростью обработки на участке. Для участков эквидистанты 0-4 закон изменения скорости привода на оси Х приведен ниже. Участок 0-1 быстрых или холостых перемещений со скоростью состоит в свою очередь из участка разгона 0…t₁, движения с постоянной скоростью t₁…t₂ и торможения t₂…t₃ до скорости на следующем участке эквидистанты. Участки 1-4 и т.д. характеризуются резанием металла с контурной скоростью . На участке 2-3 величина , так как работают приводы 2-х координат. На участке 3-4 скорость изменяется по гармоническому закону. Величина ускорений при изменении величины скорости – максимально возможные для привода, за исключением участка эквидистанты 3-4. На различных участках привод должен преодолевать следующие моменты: 0-1 – моменты трения , 1-4 - и моменты, возникающие от силы резания (в расчетах принимать (1,3-1,5) ). На участках разгона-торможения на привод действуют кроме вышеперечисленных статических моментов нагрузки еще и динамические моменты, определяемые моментом инерции якоря двигателя и нагрузки и величиной ускорения разгона или торможения.

Типовые диаграммы изменения скорости привода одной из координат (продольного перемещения) промышленного робота с прямоугольной системой координат представлена на рис. 2.1б. Характерные участки 0…t₄ – перемещение за деталью (инструментом)следующие: t₄…t₅ – работа привода схвата; t₅…t₉’ – перемещение детали (инструмента) в рабочую зону; t₉’… t₁₀ – перемещение по гармоническому закону (сварка, сборка и т.д.). На различных участках привод должен преодолевать следующие моменты: 0…t₅ - ; t₅…t₁₀ - и (внешний момент), обусловленный реакцией направляющих от массы детали (инструмента) в схвате. На участках разгон-торможение привод кроме того должен развивать требуемый динамический момент. При расчетах следует принимать t₄’- t₄ = t₉’- t₉ = 0,2 с; t₅- t₄ = (0,5-0,8) с. Величина ускорения на участках разгон-торможение принимается максимальной.

3

Для привода поворота переменным является момент инерции, обусловленный изменением величины плеча схвата. При этом следует считать, что плечо схвата изменяется на участках 0…t₄ и t₅…t₉ по зависимости R=Vt, где V – скорость привода продольного перемещения.

При проектировании приводов по различным вариантам задания следует применять для приводов подач станков с ЧПУ диаграмму, представленную на рис. 2.1а, промышленных роботов – на рис. 2.1 б.

2.2. Ориентировочное определение мощности исполнительного двигателя в рабочем режиме

Можно выделить две основные группы методов определения мощности ИД [3] методы, основанные на сопоставлении значений требуемой (Рг) и действительной мощности (Рд) на валу ИД: методы, основанные на сопоставлении нагрузочных характеристик привода и механических характеристик выбираемого ИД.

При выборе ИД с помощью методов первой группы необходимо обеспечить выполнение неравенства:

(2.1)

При использовании методов второй группы должно быть обеспечено выполнение неравенства:

; или

(2.2)

во всем диапазоне изменения угловой скорости вала ИД. (2.2)

В выражениях (2.1) и (2.2) обозначено: – требуемый момент на валу ИД в функции его требуемой угловой скорости ; – предельная механическая характеристика ИД в функции угловой скорости его вала, соответствующая максимальному сигналу на входе силовой части привода; – требуемая мощность на валу ИД в функции требуемой угловой скорости; – действительная мощность ИД.

Из выражений (2.1) и (2.2) следуют частные неравенства

; , (2.4)

где , , – максимальная величина требуемых значений угловой скорости , момента и мощности ИД; – угловая скорость ИД на холостом ходу, , – максимальная величина действительных значений момента и мощности двигателя.

Таким образом, при выборе ИД по заданному закону движения ОР можно воспользоваться неравенством (2.1) или неравенствами (2.2.) – (2.4). Выбор ИД с

4

помощью методов второй группы более удобен, так как обеспечив выполнение неравенств (2.2), (2.3) или (2.4) можно считать выбор ИД законченным. Ввиду того, что мощность такого ИД, а следовательно его масса и расход энергии могут быть сильно завышены, прибегают к тем или иным методам ее минимизации [3].

Рассмотрим методику ориентировочного выбора мощности ИД о позиции обеспечения энергетических характеристик, необходимых для движения

рабочего органа по заданному закону в основных режимах работы.

Мощность привода определяется для номинальных значений скорости и ускорения.

;

где i – передаточное число силового редуктора, М – значение момента который должен развивать ИД для преодоления моментов сопротивления и обеспечения заданных скоростей и ускорений.

(2.5)

Здесь , – моменты сухого трения, действующие соответственно на валу ИД и ОР. – внешний нагрузочный момент; – КПД силового редуктора, – моменты инерции ИД и ОР, – требуемые значения угловой скорости и ускорения вала ОР.

Для приводов линейного перемещения при определении мощности ИД здесь и далее следует брать угловые скорости и ускорения вращения вала шестерни для передачи шестерня-рейка и ходового винта для шариковинтовой передачи и передачи винт-гайка. Угловая скорость определяется:

- для передачи шестерня-рейка

где V - линейная скорость , - цена оборота шестерни с радиусом делительной окружности R;

- для шариковинтовой передачи и передачи винт-гайка

где t – шаг ходового винта.

5

При этом моменты сопротивления и инерции нагрузки приводятся к валу шестерни или ходового винта. Номинальная мощность ИД определяется с учетом его коэффициентов формировки по моменту и скорости .

(2.6)

Для двигателей постоянного тока в рабочем режиме допускается . Отдельные серии двигателей допускают большие большие значения коэффициентов перегрузки. Так, например, у двигателей серии ПБСТ и т.д.

Учитывая, что в выражении (2.6) согласно (2.5) данные ,

неизвестны, то при определении номинальной мощности двигателя можно принять , где – среднее значение мощности , требуемой для обесмпечения движения рабочего органа ОР.

Если значение неизвестно, то можно воспользоваться максимальными значениями суммарного нагрузочного момента и скорости в основном (рабочем) режиме:

,

где (2.7)

Значение к.п.д. передачи при определении принимаются равными 0,75-0,8.