2. Общая информация и технические характеристики существующих мехатронных модулей движения

Развитие ММ происходит по трем основным направлениям:

• создание специальных ММ для частного применения в том или ином устройстве;

• создание системы универсальных ММ, ориентируемых на определенную область применения;

• создание технологического оборудования на базе ММ.

Рассмотрим конкретные примеры компоновок конструкций и областей применения специальных и универсальных ММ, а также их основные параметры.

Анализ развития мирового рынка продукции машиностроения свидетельствует о появлении нового класса технологического и измерительного оборудования, транспортных средств на базе мехатронных модулей движения (ММД). Причем объемы производства ММД в развитых странах мира с каждым годом увеличиваются.

Миллионы ММД находят применение в авиации, космосе, приборостроении, электротехнике, станкостроении, робототехнике, автомобилестроении и других важнейших отраслях промышленности.

На базе ММД уже сегодня создаются экологически чистые наземные, подземные и водные транспортные средства, а также технологии высокоскоростного резания легких сплавов для авиационных металлоконструкций, высокопроизводительного, "сухого" шлифования прецизионных деталей для автомобильной и подшипниковой промышленности, субмикронных измерений деталей и прецизионной высокопроизводительной обработки штампов и пресс-форм графитовых электродов и пластмассовых изделий.

При этом главным признаком, отличающим ММД от общепромышленного электропривода, является введение электродвигателя в узел машины: электрошпиндель, мотор-шпиндель, электромеханизмлинейного перемещения инструментов головки, поворотный глобусный или координатный стол, мотор-колесо и т.п.

Основную номенклатуру ММД, на основе которых в настоящее время создаются производственные машины и транспортные средства нового поколения, можно подразделить на четыре группы.

Первая группа включает в себя высокооборотные модули с максимальной частотой вращения от 9000 до 250 000 мин-1 и мощностью от 0,1 до 30 кВт для металлорежущих станков, деревообрабатывающих машин, станков для сверления печатных плат, компрессоров и т.д.

В этих модулях используются воздушные и электромагнитные подшипники. Основные преимущества выпускаемых электропшинделейна магнитных подшипниках:

• отсутствие механических контактов и, как следствие, износа;

• возможность использования более высоких (по сравнению с традиционными конструкциями) скоростей;

• небольшая вибрация, отсутствие трения и снижение тепловых потерь;

• возможность изменения жесткости и демпфирующих характеристик системы;

• возможность работы в вакууме и вредных средах;

• экологическая чистота.

Вторая группа включает в себя низкооборотные модули с максимальной частотой вращения от 4 до 300 мин^-1, моментом от 10 до 2500 Н м и точностью позиционирования до 3" для поворотных столов станков, измерительных машин, оборудования для электронного машиностроения, узлов роботов и многоцелевых инструментальных головок.

Группой "Мехатроника" в Санкт - Петербурге освоено производство мехатронных поворотных столов серии ПМС диаметром 200 - 1250 мм, сточностью позиционирования до 3", максимальной частотой вращения до 12 мин^-1, максимальным моментом до 2500 Н м.

Модули подобного типа могут с успехом применяться в электровелосипедах, инвалидных колясках, электромотоциклах, скутерах и других легких транспортных средствах. Технические характеристики некоторых транспортных ММД. например электровелосипедов и инвалидных колясок (таблица 1.1) существенно превышают характеристики лучших мировых производителей. Так, масса инвалидной коляски меньше на 30 %, а пробег без подзарядки батареи больше на 50 %, чем у импортных аналогов.

Третья группа включает в себя модули линейного движения с усилием от 10 до 5000 Н и скоростью до 32 м/сдля приводов металлорежущих станков, промышленных роботов и измерительных машин, а также для запирающих устройств газо- и нефтепроводов.

Технические характеристики линейных модулей на базе электромеханизмов, выпускаемых предприятием "Сибирь-Мехатроника" приведены в таблице 1.2.

Четвертая группа включат в себя цифровые электроприводы с бесколлекторными синхронным и асинхронным двигателями мощностью до 10 кВт с моментом от 1 до 40 Н м и высоким отношением момента к массе для приводов подачи высокопроизводительных станков и роботов, текстильных и деревообрабатывающих машин, приводов вентиляторов, насосов ит.д. Блок управления такими приводами создается на базе силовых интеллектуальных схем и встраивается в корпус или клеммную коробку электродвигателя.

Таблица 1.1 – Основные характеристики транспортных ММД

Параметр	Кресла-коляски	Электровелосипед	Роллеры	Мини электромобили
Скорость, км/ч	5-6	12-15	25-30	75-80
Рабочее напряжение, В	24	24	24	110
Мощность, кВт	0,1-0,15	0,2-0,3	0,3-0,5	2-2,5
Номинальный момент, Нм	15-25	15-20	10-15	20-30
Номинальная сила тока, А	5-8	10-15	15-20	22-28
Масса, кг	10	12	12	20-25

Таблица 1.2 – Технические характеристики электромеханизмов

Параметр	ЭМ П-8	ЭМ П-5	ЭМ П-3
Осевое усилие, кН	8	5	3
Шаг винта, мм	10(24)	10 (24)
Максимальная скорость винта, м/с	0,25(0,6)	0,25(0,6)	0,125
Ход винта	Ограничивается длиной винта
Диаметр винта, мм	40	40	25
Масса, кг	45	35	25
Габаритные размеры, мм:	430 135	135 290	360 105

Производство этих электроприводов освоено на российско-итальянском предприятии "Мехатрон".

В связи с расширением рынка высокопроизводительных машин и оборудования традиционной и нетрадиционной компоновок и освоением производства указанных ММД практически всеми ведущими электротехническими фирмами мира осуществляется постепенный перевод специальных ММД в модули движения общепромышленного применения. Так, встраиваемые электродвигатели для поворотных столов металлорежущих станков и мотор-колес для транспортных средств производятся по одной и той же технологии низкооборотных ММД на основе современных магнитных систем. Рынок таких ММД стремительно развивается.

Аналогичные примеры можно привести и по другим ММД, в том числе по линейным двигателям для станкостроения и робототехники, измерительных машин и транспортных средств.

Применение ММД в обрабатывающих центрах традиционной компоновки позволило повысить производительность фрезерования почти в 3 раза. Относительно высокая стоимость таких машин не останавливает ведущие авиационные концерны в мире от их закупок уже в настоящее время.

Еще большие возможности применения ММД имеют машины нетрадиционной компоновки: обрабатывающие и измерительные машины на основе так называемой платформы Стюарта и мехатронных поворотных столов.

Недавно АО "ОКБС" НПГ "Мехатроника" (г. Санкт-Петербург) запатентована новая конструкция обрабатывающего центра.

Сравнение экономических показателей такого блочно-модульного станка с аналогичными показателями обрабатывающего центра традиционного типа дает следующие результаты:

• сокращение в 2 - 2,5 раза занимаемой производственной площади;

• сокращение в 2 - 3 раза числа базовых деталей;

• уменьшение в 1,5-2 раза металлоемкости (особенно при нетрадиционной компоновке).

Уникальная промышленная измерительная машина на базе платформы Стюарта разработана и изготовляется на ОАО "ЛАПИК" (г. Саратов). Эта измерительная машина существенно превосходит по точности и экономичности зарубежные образцы США и Японии.

Фирмой "Сибирь-Мехатроника" разработана мехатронная нефтекачалка. Эта машина в 7,5 раз легче традиционной и занимает в сотни раз меньше рабочее пространство.

Анализ технико-экономических показателей ММД и созданных на их базе машин нового поколения с учетом рынка продукции машиностроения позволяет выделить основные тенденции в области технического совершенствования компонентов общепромышленного применения:

• интенсивное развитие мехатронных модулей вращательного движения и линейного перемещения на базе электродвигателей переменного тока, встроенных в приводные узлы машин и оборудования, создаваемых специализированными фирмами и поставляемых машиностроительным предприятиям - лидерам машиностроительного инновационного рынка;

• развитие международной научно- технической и производственной кооперации в области комплектных систем управления машинами новых поколений на базе ММД для создания новых высококвалифицированных рабочих мест в Москве, Санкт-Петербурге и других городах СНГ.

Представляется актуальным развитие такого научно- технического и производственного сотрудничества в этой области с западноевропейскими и американскими фирмами. Эффективному решению этой задачи могло бы способствовать создание международной научно-производственной ассоциации инновационного машиностроения и мехатроники.

Для создания современных технологических машин, предназначенных для автоматизированного машиностроения, необходимы разнообразные управляемые от ЭВМ приводные модули, удовлетворяющие комплексу жестких требований, основными из которых являются снижение массогабаритных показателей, высокая точность реализации исполнительных движений, большой срок службы и надежность, возможность работы в широком диапазоне температур окружающей среды, при наличии вибраций и других помех или возмущений. Подобные приводные модули могут применяться, например, для управления движением разнообразных сборочных устройств, рабочих органов лазерных технологических комплексов, позиционирующих устройств и механообрабатывающих роботов. Требования к развиваемым усилиям, точности и скорости исполнительных движений диктуются особенностями автоматизируемой технологической операции, а требование минимизации размеров привода – необходимостью встраивания его в технологическую машину. Попытка синтеза модуля из имеющихся в наличии серийно выпускаемых компонентов может приводить к технически и экономически неэффективным решениям. Поэтому часто более рациональным представляется проектирование специализированного приводного модуля, наиболее полно отвечающего его служебному назначению.

Сложность и противоречивость требований, предъявляемых к приводным модулям, обусловливают целесообразность мехатронного подхода к их проектированию. В частности, следование принципу синергетической интеграции элементов системы приводит к обеспечению желаемого уровня качества модуля за счет конструктивного и функционального взаимопроникновения его компонентов, многие из которых являются специализированными и создаются в ходе параллельного системного проектирования с учетом их последующего эффективного объединения.

2 Расчетно-конструкторская часть

2.1 Расчет шарико-винтовой передачи

2.1.1 Расчет геометрических параметров винта шарико-винтовой

передачи.

Для определения геометрических параметров звеньев механизма вначале задаемся некоторыми величинами в первом приближении.

Условие устойчивости винта определяется по формуле:

, (2.1)

где – коэффициент запаса устойчивости, т.к. используется горизонтальный винт, то ;

– максимальное усилие передачи, ;

–рабочая длина гайки (принимают равной 3 шагам винта), мм;

– коэффициент закрепления винта, ;

– модуль упругости первого рода материала винта, ;

– приведенный к винту момент инерции поступательно перемещающихся масс, мм⁴.

Угловая скорость гайки (винта) определяется по формуле:

, (2.2)

где n - частота вращения вала двигателя ММ, n = 1000 об/мин.

Передаточное отношение ШВП определяется по формуле:

, (2.3)

где – линейная скорость винта (гайки), т.е. выходного звена ММ,

Шаг резьбы определяется по формуле:

, (2.4)

где – число заходов резьбы, .

Результат вычисления шага резьбы, полученный в мм, округляем до ближайшего стандартного числа из ряда: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 24.

.

Полученное значение шага резьбы используется для определения рабочей длины гайки

На основании зависимости (2.1), приведенный к винту (валу) момент инерции поступательно перемещающихся масс равен, мм⁴:

(2.5)

.

Средний диаметр винта определяют по формуле:

(2.6)

Значение диаметра винта посредством формулы (2.6) получаем в метрах, для удобства дальнейшей работы переводим в миллиметры и округляем до ближайшего большего стандартного значения из ряда: 3,5; 4; 4,5; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100.

.

Диаметр шариков равен, мм:

, (2.7)

где – коэффициент шага резьбы, равный 0,6.

Результат округляют до ближайшего большего стандартного значения: 0,25; 0,30; 0,36; 0,635; 0,68; 0,7; 0,8; 0,84; 0,85; 1,0; 1,2; 1,3; 1,5; 1,558; 1,984; 2,0; 2,381; 2,5; 2,778; 3,0; 3,175; 3,5; 3,572; 4,0; 4,366; 4,5; 4,763; 5,0; 5,159; 5,5; 5,556; 5,8; 6,0; 6,35; 6,5; 6,747; 7,0; 7,144; 7,5; 7,938; 8,0; 8,334; 8,5; 8,731; 9,0; 9,575; 9,992; 10,0; 10,319; 10,716; 11,0; 11,112; 11,5; 11,509; 11,906; 12,0.

Определяем угол подъема винтовой линии на среднем радиусе ходового винта по формуле:

, (2.8)

где – диаметр окружности, на которой располагаются центры шариков.

Приведенный угол качения определяется по формуле:

, (2.9)

где – приведенный коэффициент трения качения, ;

– угол контакта шариков с винтом и гайкой, для круглой канавки .

Рисунок 2.1 – Геометрий шарико-винтовой передачи

Коэффициент полезного действия винтовой пары:

(2.10)

Длина рабочей части винтовой шариковой канавки определяется как:

(2.11)

Расчетное количество шариков:

(2.12)

Округляем до ближайшего целого значения: .

Уточнение длины гайки производят по формулам:

(2.13)

(2.14)

Зазор между винтом (гайкой) и шариком:

(2.15)

.

Так как , то радиус канавки (радиус профиля резьбы винта и гайки) определяется по формуле:

(2.16)

Внутренний диаметр винта:

(2.17)

Внешний диаметр винта:

, (2.18)

где – глубина профиля резьбы у винта и гайки; .