Конструирование в промышленном дизайне

Часть 2 Приводы и системы управления

1. Введение

В природе существует множество созданных человеком устройств, в которых имеются движущиеся части. Это, прежде всего, машины-двигатели и рабочие машины – технологические и транспортные. В общем случае, структуру рабочей машины можно представить в виде, как показано на рис.1.1.

Рис.1.1

Несущая конструкция (корпус, станина, рама, кузов и т.п.) это часть машины на которой устанавливаются все устройства машины. Исполнительное устройство (рабочий орган) – это часть машины, которая непосредственно выполняет заданную работу – перемещает грузы, режет материал, красит, сваривает, собирает и т.п.

Привод – это часть машины с помощью которой приводится в движение исполнительное устройство.

Привод может состоять из одного двигателя и устройства его управления, так называемый “прямой привод”, например, привод вентилятора (рис.1.2), но в большинстве устройств, привод включает большее число компонентов.

Рис.1.2

Структура устройства, приводимого в движение и управляемого человеком, изображена на рис.1.3:

Рис.1.3

Например, велосипед. Здесь двигателем является человек, механизм выполнен в виде цепной передачи, муфты свободного хода и колеса, исполнительное устройство – это рама с седлом, она же является несущей конструкцией. Человек управляет механизмом и исполнительным устройством с помощью переключателя скоростей и руля.

Структура простого устройства приводимого в движение двигателем и управляемого человеком изображена на рис.1.4:

Рис.1.4

Например, шуруповерт. Здесь двигатель - в виде электромотора, механизм - в виде зубчатых передач и шпинделя с патроном, исполнительный орган – инструмент. Человек управляет двигателем посредством электронного регулятора и механизмом с помощью переключателя передач.

Значительно сложнее привод автомобиля. Он имеет множество устройств. Упрощенно, структура привода перемещения автомобиля представлена на рис.1.5:

Рис.1.5

Здесь мотор преобразует энергию сгорания топлива в механическую энергию. Устройство питания топливом (топливный насос, карбюратор или инжектор), устройство зажигания (катушка зажигания, трамблер, свечи), устройство газораспределения (распределительный вал, клапаны) обеспечивают работу мотора. Механизм (муфта сцепления, коробка передач, трансмиссия, колеса) передают и преобразуют движение мотора. Информационные устройства (датчики скорости, температуры, давлении и др.) информируют человека и бортовой контроллер (на рис. не изображен) о состоянии привода. Человек управляет приводом с помощью педалей газа и сцепления и рукоятки переключения передач.

Структура автоматического устройства, которое работает без участия человека, изображена на рис.1.6. Структура включает несколько (N) приводов, что часто встречается в машинах автоматах.

Здесь устройство управления машиной (например, контроллер) получает информацию от датчиков, расположенных на приводах и исполнительных устройствах и управляет приводами без участия человека. Человек периодически, в режиме загрузки программы управления, наладки и контроля за работой машины, взаимодействует, через пульт управления, с устройством управления машиной.

Рис.1.6

Таким образом, рассматривая структуры (рис.1.2…1.6) мы видим, что привод, как минимум, состоит из двигателя – устройства для преобразования какого-либо вида энергии (электричества, газа, жидкости и т.д.) в механическую энергию. Чаще всего двигатель сопрягается с механизмом – устройством для передачи движения от двигателя к исполнительному устройству. Помимо передачи движения, механизм, как правило, преобразует движение по виду – вращательное в поступательное и наоборот, а также по скорости и усилию (редуктор, мультипликатор).

Человек или автомат, так или иначе, управляют двигателем, включают и выключают двигатель, регулируют режим его работы, поэтому всегда есть устройство управления двигателем.

Наконец, большинство современных машин (даже бытовая техника) имеют, в составе привода, устройства информации – всевозможные датчики, поставляющие информацию о состоянии самих приводов и окружающей среды. Наличие такой информации позволяет лучшим образом управлять машиной, а также существенно повышает надежность и качество ее работы.

К сожалению, у специалистов разного профиля нет единого определения, что такое привод. Специалисты по управлению под приводом понимают только управляющую часть. Специалисты по электроприводу под приводом понимают только двигатель и устройство его управления (инвертор, преобразователь). Специалисты по механике под приводом понимают двигатель и механизм. Мы под приводом будем понимать весь комплекс устройств, обеспечивающих движение исполнительного устройства.

2. Электродвигатели

Любые двигатели, в том числе электрические, характеризуются следующими выходными параметрами:

1. Номинальным (длительно действующим) развиваемым

усилием:

• при поступательном движении – силой F_дв (Н)

• при вращательном движении – моментом M_дв(Нм)