Введение

Целью курсового проекта является разработка системы автоматического управления велотренажера космического комплекса. Разработка данной автоматической системы управления необходима для управления велотренажером космического комплекса, а также для получения и накопления информации, позволяющей следить за физическим состоянием космонавтов. Проектируемая система должна отвечать всем заданным в техническом задании параметрам.

Велотренажер – это универсальное устройство позволяющее поддерживать свой организм в хорошей физической форме. Он укрепляют сердечно - сосудистую систему, увеличивают выносливость организма, укрепляют дыхательную систему, укрепляют мышечную ткань ног и спины.

На космических станциях наличие велотренажеров просто необходимо, так как космонавты ведут малоподвижный образ жизни из-за гравитации. Им необходимо тренировать опорно-двигательный аппарат, чтобы после длительного нахождения в космосе мышцы не атрофировались. Наличие велотренажера на космическом комплексе позволит значительно уменьшить срок реабилитации космонавтов после их прибытия на Землю.

Внешний вид велотренажера приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Велотренажер

САУ велотренажера космического комплекса – это электромеханическая система управления, которая предназначена для управления велотренажером, контроля и диагностирования физического состояния космонавтов.

1 РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

САУ велотренажера космического комплекса – это электромеханическая система управления, которая предназначена для управления велотренажером, контроля и диагностирования физического состояния космонавтов.

Входным сигналом системы является число оборотов за единицу времени, выходным сигналом является нагрузка, прикладываемая к педалям.

Состав системы:

1) М - маховик;

2) Т - тормоза;

3) П - падали;

4) ДН – датчик нагрузки;

5) Дв – двигатель.

Функциональная схема системы приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Функциональная схема системы

Принцип работы системы состоит в следующем: механический сигнал поступает на маховик, под действием которого маховик совершает вращения. С маховика сигнал передается на тормоз, который предназначен для регулировки нагрузки путем создания сопротивления вращения маховика, что приводит к приложению большего усилия к педалям. С тормоза сигнал поступает на педали, к которым прикладывается сила. Датчик нагрузки обратной связи передает сигнал о силе нагрузки. Двигатель выполняет роль преобразователя, преобразуя электрический сигнал в механический.

Технические характеристики системы:

- габариты, см 80×63×120.

- масса в сборе, кг 28;

- диапазон температур, ˚С 18;

- перерегулирование, % 30%;

- время регулирования, мин 5;

- быстродействие, мин 5;

- наработка на отказ, с^-1 10^-5.

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Выбор маховика

Маховик играет одну из важных ролей в велотренажере, так как именно от него зависит максимально возможная нагрузка (чем больше вес маховика, тем больше нагрузка), а так же плавность вращения педалей.

Технические характеристики маховика:

- вес, гр 1660;

- размеры, мм 280×24;

- материал алюминий.

Расчет передаточной функции маховика. Передаточная функция маховика имеет вид:

(1)

(2)

2.2 Выбор тормоза

В качестве тормозной системы выбраны гидравлические ободные тормоза Magura HS - 33, так как у них есть интегрированная настройка износа колодок, что позволит обеспечить большую надежность системы.

Передаточная функция тормоза:

(3)

где (4)

Передаточная функция тормоза примет вид:

(5)

2.3 Выбор педалей

Выбор педалей обоснован наличием на них фиксаторов под обувь.

Передаточная функция гидропривода имеет вид:

(6)

где i – число передачи педалей

(7)

(8)

2.4 Выбор датчика нагрузки

В качестве датчика обратной связи выбираем датчик нагрузки, который предназначен для измерения динамических нагрузок. Одним из таких датчиков является FT100, он имеет высокую степень защиты, а также компактен и его можно легко расположить на педали. Внешний вид датчика FT100 представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Датчик нагрузки FT100

Технические характеристики датчика нагрузки:

- интервал измерений, Н от 0 до 20;

- максимальное отклонение от номинала, % 0,25;

- вид защиты IP53;

- выход, В 2.

Передаточная функция датчика нагрузки имеет вид:

(9)

(10)

где k –коэффициент передачи.

(11)

2.5 Выбор двигателя

В данной системе двигатель выполняет роль преобразователя электрического сигнала в механический. К двигателю предъявляется ряд требований: малая мощность, небольшая номинальная частота вращения. Один из таких двигателей ДГ – 5ТА.

Технические характеристики двигателя:

- номинальная мощность, Вт 5;

- напряжение трогания, В 0,5;

- электромеханическая постоянная времени, с 0,1;

- частота вращения, мин^-1 600.

Передаточная функция двигателя имеет вид:

(12)

(13)

(14)

3 РАСЧЕТ ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Принцип действия датчика нагрузки основан на изменении изгиба плоской пружины. В этом случае, пружину необходимо рассчитать по коэффициенту запаса текучести.

Датчик нагрузки FT100 обладает следующими эксплуатационными характеристиками:

- материал пружины – кремнистая сталь;

- максимальная нагрузка, Н ;

- максимальный ход пружины, мм ;

- модуль упругости, Н/мм² ;

- придел текучести, Н/мм² ;

- коэффициент запаса текучести .

Значение допустимого напряжения нагрузки :

(15)

Н/мм².

Значение ширины пружины b:

(16)

где (17)

мм.

Для определения ширины пружины необходимо задать значение

где - длина пружины,

- толщина пружины.

Принимаем , так как это отношение считается самым оптимальным.

мм.

Значение толщины пружины подбирается исходя из расчетов ширины пружины. Ширине в 10 мм соответствует толщина 0,08 мм, то есть h=0,08 мм.

Значение длины пружины:

(18)

мм.