Институт Механики и сейсмостойкости сооружений
Ташкентский автомобильно-дорожный институт
Мехатронные системы машин
Ташкент – 2010
УДК 681.586.773
.
Печатается по постановлению Ученого Совета Института механики и сейсмостойкости сооружений Академии наук Республики Узбекистан.
Составители: академик Лебедев О.В.
мл. научн. сотр. Хакимзянов Р.Р.
Книга рассчитана на аспирантов, научных сотрудников и инженеров, специализирующихся в области мехатроники, а также на студентов механических факультетов ВУЗов и магистрантов.
Рецензенты:
д.т.н., проф. Шермухамедов А.А.
д.т.н., проф. Шарипов К.А
д.т.н., проф. Хромова Г.А.
Институт механики и сейсмостойкости сооружений АН РУз,2010.
ISBN 978 – 5 – 217 - 03388
ОГЛАВЛЕНИЕ
|
стр. |
ПРЕДИСЛОВИЕ |
6 |
1.Введение, целевые задачи мехатроники. |
8 |
1.1 Тенденции развития автомобильных мехатронных систем |
10 |
2. Основные понятия и определения в мехатронике. |
13 |
2.1. Основная терминология мехатроники. |
13 |
2.2 Гомеостаз, самоорганизация и антропоморфность мехатронных объектов (МО). |
15 |
3. Новые технологии в мехатронике. |
17 |
4. Подход к проектированию интегрированных мехатронных модулей и систем. |
21 |
5. Метод объединения элементов мехатронного модуля в едином корпусе. |
24 |
6. Мехатронные модули движения. |
28 |
6.1. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) |
29 |
6.1.1. Принципы построения АЦП |
29 |
6.1.2. Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) |
31 |
6.1.3. АЦП двойного интегрирования |
34 |
6.1.4. АЦП последовательного приближения |
37 |
6.1.5. Улучшение разрешающей способности систем сбора данных |
38 |
7. Интеллектуальные мехатронные модули |
40 |
8. Производственные машины с параллельной и гибридной кинематикой. |
43 |
8.1 Мехатронные технологии обработки материалов резанием. |
43 |
8.2. Мехатронный робот-станок "РОСТ 300" |
46 |
9. Управление движением мехатронных систем на основе Интернет технологий |
48 |
10. Сенсорные элементы, датчики, чувствительные элементы и устройства мехатронных систем. |
51 |
10.1. Мехатронные модули микроперемещений |
53 |
10.2 Датчики и чувствительные элементы мехатронных модулей. |
54 |
10.3. Ультразвуковые датчики расстояний для мехатронных модулей движения автомобиля. |
56 |
10.4. Радарные датчики в мехатронных модулях движения автомобилей. |
57 |
10.5 Датчики, работающие на эффекте Холла. |
61 |
10.6. Электронный блок управления (ЭБУ) |
64 |
10.6.1. Датчик температуры охлаждающей жидкости |
65 |
10.6.2 Датчик температуры воздуха во впускном коллекторе (трубопроводе) (ДТВ). |
65 |
10.6.3. Датчик концентрации кислорода в отработавших газах (ДКК) |
65 |
10.6.4. Датчик положения дроссельной заслонки (ДДЗ) |
66 |
10.6.5. Датчик абсолютного давления во впускном трубопроводе (ДАД). |
66 |
10.6.6. Датчик скорости автомобиля (ДСА) |
66 |
10.6.7. Датчик включения системы кондиционирования воздуха |
66 |
10.6.8. Автомобильные видеодатчики |
66 |
11. Примеры интеллектуальных мехатронных модулей |
69 |
12. Энергетический расчет универсального мехатронного модуля |
73 |
12.1. Энергетический расчет универсального мехатронного модуля при незначительных динамических нагрузках |
73 |
12.2. Энергетический расчет универсального мехатронного модуля при значительных динамических нагрузках |
76 |
12.3. Передаточное отношение преобразователя движения |
76 |
12.4. Оптимизация выбора силовых элементов |
77 |
13. Преобразователи движения |
79 |
13.1. Реечная передача |
79 |
13.2. Кинематический расчет передачи. |
80 |
13.3. Допускаемые контактные и изгибные напряжения. |
81 |
13.4. Геометрический расчет передачи. |
83 |
13.5. Проверочный расчет зубьев шестерни и рейки на выносливость по контактным напряжениям. |
87 |
13.6. Проверочный расчет зубьев шестерни и рейки на выносливость пo напряжениям изгиба. |
89 |
14. Расчет параметров двигателя и редуктора скипового подъемника |
92 |
14.1. Исходные данные для расчета |
92 |
14.2. Расчетно-конструкторская часть |
93 |
14.3. Расчет мощности двигателя скипового подъемника |
94 |
14.4. Выбор двигателя |
96 |
14.4 Выбор редуктора |
100 |
15. Расчет широтно-импульсного преобразователя (ШИП) |
101 |
15.1. Исходные данные для расчета |
101 |
15.2 Выбор силовых полупроводниковых элементов |
101 |
15.3. Определение оптимальной частоты коммутации ШИП |
101 |
15.4 Определение постоянных и базовых величин, необходимых для расчета электромагнитных нагрузок энергетического канала |
102 |
15.5. Среднее значение тока двигателя |
103 |
15.6. Действующее значение тока двигателя |
103 |
15.7. Значение среднего тока транзисторного ключа при максимальном токе двигателя |
103 |
15.8. Значение действующего тока транзисторного ключа |
103 |
15.9. Среднее значение тока шунтирующего диода |
104 |
15.10. Значение действующего тока шунтирующего диода |
104 |
15.11. Потери энергии в силовом транзисторном ключе |
104 |
15.12. Определение потерь мощности в шунтирующем диоде |
104 |
15.13. Максимальную температуру структуры диода |
104 |
15.14. Расчет суммарных дополнительных потерь в системе ШИП-ДПТ |
105 |
15.15. Абсолютные дополнительные потери |
105 |
15.16. Основные потери в цепи якоря двигателя |
105 |
15.17. Потери мощности в цепи якоря двигателя |
105 |
16. Электромагнитные тормозные устройства |
106 |
17. Расчет и выбор параметров сглаживающего фильтра |
111 |
17.1. Расчет коэффициента сглаживания |
111 |
17.2. Выбор схемы фильтра |
111 |
17.3. Определение минимального значения индуктивности дросселя |
111 |
17.4. Расчет емкости конденсатора фильтра |
111 |
17.5. Рабочее напряжение конденсатора |
111 |
18. Кинематическая погрешность цилиндрической зубчатой передачи |
112 |
18.1. Мертвый ход цилиндрической зубчатой передачи. |
114 |
19. Датчики информации |
115 |
19.1. Датчики положения и перемещения |
115 |
19.2. Аналоговые датчики положения |
116 |
19.3. Цифровые датчики положения |
118 |
20. Надежность мехатронных модулей |
124 |
20.1. Надежность в период постепенных отказов. |
125 |
20.2. Надежность сложных систем. |
127 |
21. Диагностика мехатронных систем автомобилей |
129 |
22. Антиблокировочная мехатронная система тормозов (АBS) автомобиля |
135 |
23.Нейронные сети в мехатронике |
141 |
23.1 Рекуррентная хэммингова сеть. |
143 |
23.2. Решение систем линейных уравнений. |
143 |
23.3. Экстраполяция функций. |
144 |
24. Математические основы измерения и анализа случайных динамических процессов мехатронных систем |
148 |
25. Информационные контрольно-диагностические мехатронные системы |
155 |
25.1. Состояние и тенденции развития систем |
155 |
25.2. Автомобильные дисплеи |
161 |
26. Мехатронное управление амортизатором автомобиля. |
168 |
27. Экономические и социальные аспекты мехатроники |
171 |
|
|
ЛИТЕРАТУРА |
175 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ВИБРОДИАГНОСТИКА АГРЕГАТОВ И МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ МАШИН |
176 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОКНА ВЗВЕШИВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ВИБРАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ. |
178 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ АНАЛИЗЕ, РАСЧЕТЕ И ПРОЕКТИРОВАНИИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ МАШИН |
181 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 4.АББРЕВИАТУРЫ, УПОТРЕБЛЯЕМЫЕ В МЕХАТРОНИКЕ |
214 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ВОПРОСЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «МЕХАТРОННЫЕ СИСТЕМЫ МАШИН» |
217 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель авторов настоящего издания обратить внимание инженеров и магистрантов, занимающихся мехатроникой, на эту перспективную область науки, стимулировать их активную самостоятельную работу на изучении и освоении мехатронных модулей и систем, применяемых в автомобилестроении. Эти обстоятельства определили как название и построение материалов, так и характер их изложения. Мехатроника своеобразна синтезом многих фундаментальных и технических дисциплин и требует от инженера более широкой осведомленности, чем знание узконаправленных дисциплин, например, таких как теория механизмов и машин, САПР, основы электроники, которые имеют единую терминологию, понятийный аппарат и общую теоретическую базу. Изобретенный в 1948 году транзистор нашел широкое распространение сначала в транзисторных ключах (регуляторах напряжения, коммутаторах систем зажигания), а затем и в других электронных устройствах. Интегральные микросхемы на полупроводниковых элементах совершили революцию в автомобилестроении, особенно в управлении автомобильными агрегатами и автомобилем в целом. В 1980 году появились мехатронные системы управления подвеской, трансмиссией, тормозной системой, рулевым управлением, автоматические кондиционеры воздуха, многофункциональные информационные системы с дисплеями и т.п.
Основной акцент в книге делается на системных проблемах мехатроники, рассматриваются подходы и методы интеграции механических, электронных и компьютерных элементов в единые модули и системы, а также приводится конкретная методика расчетов. Объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями позволяет при изучении настоящего издания воспринять современное синергетическое понимание мехатроники. Сегодня необходимо, чтобы наряду со специалистами в отдельных областях, готовились и специалисты интегрального восприятия науки и техники. Существующее разделение технических устройств на привод, исполнительные механизмы и системы управления не обеспечивает решение задачи проектирования машины или устройства как некого целого и согласование характеристик его частей. Поэтому в книге изложены подходы, позволяющие проектировать объект и устройство в целом, используя мехатронные модули. Книга построена таким образом, чтобы можно было двигаться последовательно от основ теории к расчету мехатронных систем.
Приведены и оценены структура и принципы построения мехатронных модулей с пьезоэлектрическими приводами, имеющих несколько степеней свободы. Отражено, что в современном машиностроении достигнуты высокая точность и производительность, благодаря применению электронных процессоров и компьютеров в производстве. Эти системы дали возможность резко сократить число бракованных деталей и узлов. Поэтому поставлена задача повышения эффективности мехатронных узлов и модулей в системах управления автомобиля, обеспечения активной и пассивной безопасности, зажигания, питания и т.д. Эффективность электронных систем управления во многом определяется их алгоритмическим и программным обеспечениями, которые на своем уровне реализуют способы управления соответствующими агрегатами и узлами колесных машин, положенными в основу стратегии управления конкретной мехатронной системой.
Нам представляется, что наша работа является началом пути, который необходимо пройти современным инженерам для достойного поддержания высокого имиджа отечественного специалиста в области автомобилестроения и технологии машиностроения. Приведенный список литературы не претендует на полноту. В нем обращется внимание на наиболее простые и доступные источники. При изложении разделов книги использовались мехатронные технологии, приведенные в Российских научно-технических журналах: «Мехатроника. Автоматизация. Управление» за 2000 – 2008 годы. В приложении приведен словарь терминов по мехатронике. Эти термины часто употребляются в научной литературе и периодических научно-технических изданиях.
Книга написана так, что она соответствует действующему образовательному стандарту Республики Узбекистан и учебному плану магистратуры по специальности «Автомобили». Она может быть полезна аспирантам и специалистам, занимающимся разработкой и исследованием современных машин.