Конспект лекций по КММ

Т а б л и ц а 12.9

Геометрические параметры шарикосплайновых направляющих типа LMT, мм

Продолжение табл. 12.9

12.5. Расчет LM – направляющих на долговечность

Расчет LM-направляющих на долговечность при действии внешних нагрузок проводят по формуле:

где L – долговечность работы направляющей, км; С – основная номинальная динамическая нагрузка, Н; PC – расчетная нагрузка, Н. Когда LM-блок воспринимает одновременно нагрузки всех направлений (рис. 12.14), то определяют результирующую (эквивалентную) нагрузку PE, Н, и подставляют ее в

формулу (12.6) вместо PC :

для LM-направляющих типа HSR:

PE XPL YPT ,

где X и Y – коэффициенты эквивалентности. При PL /PT ≥1 коэффициенты эквивалентности равны X=1 и Y=1,15 и PE становится результирующей противорадиальной нагрузкой. При PL/PT<1 X=0,866 и Y=1 и PE является результирующей нагрузкой в горизон-

тальном направлении;

для LM-направляющих типа

RSR результирующую на-

грузку PE определяют ана-

логично LM-направляющим типа HSR;

fH – коэффициент твердости, определяемый по графику (рис. 12.15);

fT – температурный коэффициент. При температуре системы t ≤100°C fT =1,

при 100°С<t ≤200°C 1≥ fT

fС – коэффициент контакта. Его принимают в зависимости от числа n подшипниковых блоков на одной направляющей. При n=1 fС =1;

при n=2 fС=0,81; при n=3 fС=0,72; при n=4 fС=0,66;

fW – коэффициент нагрузки. При спокойной внешней нагрузке и скорости перемещения ≤ 0,25 м/с fW =1,15; при небольших динамических внешних воздействиях и 0,25< ≤1 м/с fW=1,5…...2,0; при ударном действии внешней нагрузки и >1 м/с fW=2,0...3,5.

Долговечность LM-направляющих можно определить в часах, ч:

где lS – длина хода, м; n1– частота возвратно-поступательных перемещений (циклов) в минуту, ц/мин.

12.6. Расчет шарикосплайновых направляющих на долговечность

Расчет шарикосплайновых направляющих на долговечность при действии только крутящего момента проводят по формуле:

где L – долговечность работы направляющей, км; СT – основной номинальный динамический момент, Нм; TC – расчетный нагрузочный крутящий момент, Нм.

При действии радиальной нагрузки:

где С – основная номинальная динамическая нагрузка, Н; PC – расчетная радиальная нагрузка, Н.

При одновременном действии крутящего момента и радиальной силы определяют эквивалентную радиальную нагрузку, Н:

3dP cos

где dP – диаметр окружности по центрам шариков, мм; =45° – угол контакта шариков с поверхностями винта и гайки, град.

В этом случае долговечность, км, определяют по формуле:

327

Глава 13 ИНФОРМАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

13.1. Датчики информации

Датчик, первичный преобразователь – элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, частоту, перемещение, скорость, напряжение, электрический ток и т.п.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

Всостав датчика входят воспринимающий (чувствительный) орган и один или несколько промежуточных преобразователей. Часто датчик состоит только из одного воспринимающего органа (например, термопара, тензодатчик).

Выходные сигналы датчиков различают по роду энергии – электрические, механические, пневматические (реже гидравлические), и по характеру модуляции потока энергии – амплитудные, время – импульсные, частотные, фазовые, дискретные (кодовые). Наиболее распространены датчики, действие которых основано на изменении электрического сопротивления, ѐмкости, индуктивности или взаимной индуктивности электрической цепи (реостатный датчик, емкостной датчик, индуктивный датчик), а также на возникновении ЭДС при воздействии контролируемых механических, акустических, тепловых, электрических, магнитных, оптических или радиационных величин (тензодатчик, датчик перемещения, пьезоэлектрический датчик, датчик давления, фотоэлемент).

Всоответствии с классификацией, принятой в Государственной системе приборов и средств автоматизации (ГСП), датчик относят к техническим средствам сбора и первичной обработки контрольно – измерительной информации.

Датчики являются одним из основных элементов в устройствах дистанционных измерений, телеизмерений и телесигнализации, регистрирования и управления, робототехники и мехатроники, а также в различных приборах и устройствах для измерений в физике, биологии

имедицине для контроля жизнедеятельности человека, животных или растений. В связи с автоматизацией производства важнейшее значение приобрели датчики для измерения и регистрации плотности и концентрации растворов, состава и свойств веществ, динамической вязкости и текучести различных сред, влажности, прозрачности, интенсивности окраски, толщины слоя, температуры, упругости, пере-

мещения, скорости, ускорения и других параметров, характеризующих технологические процессы. Для этого часто используют датчики, основанные на ультразвуковых, радиоволновых, оптических, радиационных и других методах измерений. Для имитации реальных условий при испытании систем автоматического регулирования и в вычислительной технике для решения задач статистическими методами применяют датчики случайных чисел.

Датчики служат для автоматического извлечения информации. Современная измерительная техника может непосредственно оценивать более 300 различных физических, химических и других величин, но этого для автоматизации ряда новых областей человеческой деятельности бывает недостаточно. Экономически целесообразное расширение номенклатуры датчиков в ГСП достигается унификацией чувствительных элементов. Чувствительные элементы, реагирующие на давление, силу, вес, скорость, ускорение, звук, свет, тепловое и радиоактивное излучения, применяют в датчиках для контроля загрузки оборудования и его рабочих режимов, качества обработки, учета выпуска изделий, контроля за их перемещениями на конвейерах, запасами и расходом материалов, заготовок, инструмента и т.д. Выходные сигналы всех этих датчиков преобразуются в стандартные электрические или пневматические сигналы.

13.2. Датчики положения и перемещения

Рассмотрим специфику наиболее часто используемых в мехатронике датчиков. Невозможно представить область, где бы не применялись датчики положения и перемещения, являясь важным связующим звеном между электронной и механической частями мехатронных устройств.

Выбирая датчик, прежде всего необходимо правильно определить приоритеты по следующим критериям: чувствительность, разрешающая способность и точность, линейность, скорость измеряемого процесса, условия применения и класс защиты, надежность, габаритные размеры, стоимость.

Необходимо учитывать, что датчик может определять абсолютное или относительное положение контролируемого объекта. Исходя из этого, существует два основных метода определения положения и измерения перемещений. При первом методе датчик вырабатывает сигнал, являющийся функцией положения одной из его частей, связанных с подвижным объектом, а изменения этого сигнала отобра-

жают перемещение. Такие датчики положения называют абсолютными. К ним относят:

резистивные (потенциометрические) датчики;

индуктивные датчики с подвижным сердечником;

емкостные датчики с подвижными обкладками;

цифровые кодовые датчики абсолютных значений.

При втором методе датчик генерирует единичный импульс на каждом элементарном перемещении, а положение определяют подсчетом суммы импульсов в зависимости от направления перемещения. Такие датчики положения называют относительными. К ним относят фотоэлектрические (оптоэлектронные) импульсные датчики положения. Достоинством таких датчиков, по сравнению с абсолютными, являются их простота и низкая стоимость, а недостатком - необходимость периодической калибровки и дальнейшей микропроцессорной обработки.

Датчики также делят на контактные и бесконтактные. В бесконтактных датчиках связь между подвижным объектом и датчиком осуществляют посредством магнитного, электромагнитного или электростатического полей, а также оптоэлектронным способом.

Датчики должны иметь конструкцию, позволяющую размещать их в мехатронных модулях движения в местах с ограниченным для установки оборудования объемом; обладать помехоустойчивостью, т.е. возможностью эксплуатации в условиях электромагнитных помех, колебаний напряжения и частоты сети, а также устойчивостью к механическим воздействиям (ударам, вибрациям) и к изменениям параметров окружающей среды (температуры, влажности и т.п.).

К наиболее простым датчикам положения, работающим по принципу «включено - выключено» относят предельные выключатели, микропереключатели, бесконтактные переключатели, фотореле, герконы, путевые датчики сигналов. С их помощью возможно осуществлять контроль пути, пройденного выходным звеном мехатронного модуля движения.

По виду выходного сигнала более сложные датчики делят на аналоговые и цифровые. Развитие цифровых мехатронных систем вызвало потребность в разработке цифровых датчиков, а также устройств сопряжения аналоговых датчиков с цифровыми устройствами. Несмотря на общеизвестные достоинства цифровых датчиков (простое сопряжение с устройствами цифровой обработки сигналов, высокая точность, необходимость только одного маломощного источника питания постоянного тока) применение их ограничено.

Поэтому до настоящего времени электромеханические аналоговые датчики не утратили возможности своего применения в цифровых мехатронных системах. Это связано с высокой степенью отработанности основных конструктивных элементов и узлов аналоговых датчиков и их высокими эксплуатационными достоинствами (высокая точность, надежность в работе, малые масса и габариты), а также с развитием техники аналого – цифрового и аналого – частотного преобразования, проявившимся в разработке миниатюрных и высокочастотных микроэлектронных АЦП и АЧП. К тому же высокочастотные аналоговые датчики электромашинного тока со вторичными преобразователями сопоставимы, а в ряде случаев, и дешевле цифровых датчиков.

Аналоговые датчики положения нашли широкое применение

вразличных областях техники. В мехатронных модулях движения могут быть использованы потенциометрические датчики.

Потенциометрические датчики по физическому принципу действия являются электромеханическими реостатными устройствами,

вкоторых выходное напряжение изменяется пропорционально углу поворота вала. Потенциометры могут быть проволочными и пленочными. По рабочему диапазону их делят на одно- и многооборотные. Проволочные потенциометры отличаются более высокой стабильностью характеристик, но их точность и разрешающая способность ниже, чем у пленочных из-за ступенчатой характеристики, обусловленной дискретным изменением сопротивления при перемещении щетки движка. Кроме того, пленочные потенциометры имеют меньший момент трения, поэтому у них более высокие скорости вращения и более длительный срок службы. Также следует отметить, что многооборотные потенциометры точнее однооборотных.

Кдостоинствам потенциометрических датчиков относят высокую линейность, простую схему включения и относительно невысокую стоимость. Основные недостатки - наличие механического контакта и сравнительно небольшой срок службы.

Так как потенциометрический датчик имеет ограниченный рабочий диапазон и невысокие допустимые скорости, то его, как правило, соединяют с тихоходным валом мехатронного модуля: либо непосредственно с выходным валом, либо с промежуточным. При согласовании углов поворота валов потенциометра и мехатронного модуля, т.е. при выборе передаточного отношения кинематического преобразователя движения, необходимо наиболее полно использовать рабочий диапазон углов поворота потенциометра, не превышая их предельных значений. Скорость вращения также должны быть меньше

допустимой. Если потенциометр имеет механические упоры, ограничивающие диапазон углов поворота, то во избежание его поломки запрещают прикладывать к его валу вращающий момент, больше допустимого. Для обеспечения высокой точности измерений и надежной работы датчика соединение валов потенциометра и мехатронного модуля должно быть безлюфтовым, так как люфт приводит к искажению сигнала по положению.

Внешний вид, габаритные, установочные и присоединительные размеры некоторых типов потенциометрических датчиков изображены на следующих рисунках: на рис. 13.1 - ПТП-11, на рис. 13.2 - СП4-8, на рис. 13.3 – Сп4-10, на рис. 13.4 - СПМЛ-И, а их технические характеристики приведены в табл. 13.1.

Рис. 13.1

Рис. 13.2