О
БРАЗОВАТЕЛЬНАЯ
автономная некоммерческая организация
высшего профессионального образования
«Волжский университет имени В.Н.
Татищева»
(институт)
ФАКУЛЬТЕТ «Информатика и телекоммуникации»
Кафедра «Управление качеством в образовательных и производственных системах»
Учебное пособие
По дисциплине «Проектирование мехатронных систем»
по специальности 220401.65
«Мехатроника»
г.о. Тольятти 2010
Краснов С.В., Лысенко И.В. Проектирование мехатронных систем. Часть 2. Проектирование электромеханических модулей мехатронных систем
Аннотация. Учебное пособие включает сведения о составе мехатронной системы, месте электромехатронных модулей в мехатронных системах, о структуре электромехатронных модулей, их типах и особенностях, включает этапы и методы проектирования мехатронных систем. критерии расчета нагрузочных характеристик модулей, критерии выбора приводов и т.д.
Содержание
Содержание 3
1 Анализ структуры мехатронных систем мехатронных модулей 11
1.1 Анализ структуры мехатронной системы 11
1.2 Анализ оборудования приводов мехатронных модулей 18
Классификация приводов исполнительных механизмов мехатронной системы показана на рисунке 1.4. 18
Рисунок 1.4 – Классификация приводов мехатронной системы 18
На рисунке 1.5 показана схема электромехатронного узла на базе привода. 18
1.3 Анализ и классификация электрических двигателей 21
Электрические машины по назначению разделяются на генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую; электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, а также специальные машины, чаще всего преобразующие электрическую энергию одного вида в электрическую энергию другого вида. 22
22
В основу работы любой электрической машины положен принцип электромагнитной индукции. Состоит из стартора (неподвижной части) и ротора (якоря в случае машины постоянного тока) (подвижной части). 22
В статоре уложена обмотка (можно сказать электрическая цепь), по которой, создав напряжение, идёт электрический ток(ток возбуждения). Этот ток возбуждает магнитное поле машины, которое, в свою очередь, приводит в движение подвижную часть(ротор/якорь). Сказав точнее, магнитное поле статора индуцирует ток в обмотке ротора. 22
Взаимодействие магнитного поля статора и электрического поля ротора является причиной движения ротора, точнее создается вращающий момент, именно он и является причиной вращения ротора двигателя. 22
Таким способом и происходит преобразование электрической энергии, подаваемое на обмотку возбуждения, в механическую (кинетическую) энергию вращения. 22
Таблица 1.1 - Классификация электродвигателей 23
Двигатель постоянного тока 23
электрический двигатель, питание которого осуществляется постоянным током; 23
1 23
коллекторные двигатели постоянного тока: 23
1.1 23
с возбуждением постоянными магнитами; 23
1.2 23
с параллельным соединением обмоток возбуждения и якоря; 23
1.3 23
с последовательным соединением обмоток возбуждения и якоря; 23
1.4 23
со смешанным соединением обмоток возбуждения и якоря; 23
2 23
бесколлекторные двигатели постоянного тока; 23
Двигатель переменного тока 23
электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током, имеет две разновидности: 23
синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения; 23
асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. 23
Виды 23
однофазные — запускаются вручную, или имеют пусковую обмотку, или имеют фазосдвигающую цепь, двухфазные, трёхфазные, многофазные; 23
Универсальный коллекторный двигатель (УКД) 23
коллекторный электродвигатель, который может работать и на постоянном токе и на переменном токе. 23
Полученную механическую энергию можно использовать приводя в движение механизмы. Приборы и машины работающие на электричестве — приборы и машины будущего. 23
Эта форма энергии обладает преимуществами по сравнению с другими формами (гидравлическими, пневматическими и т. д.) 23
Шаговые двигатели — электродвигатели, которые имеют конечное число положений ротора. Заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. 24
Двигатели переменного тока с питанием от промышленной сети 50 гц не позволяют получить частоту вращения выше 3000 об/мин. Поэтому для получения высоких частот применяют коллекторный электродвигатель, который к тому же получается легче и меньше двигателя переменного тока той же мощности или применяют специальные передаточные механизмы, изменяющие кинематические параметры механизма до необходимых нам (мультипликаторы). При применении преобразователей частоты или наличии сети повышенной частоты (100, 200, 400 гц) двигатели переменного тока оказываются легче и меньше коллекторных двигателей (коллекторный узел иногда занимает половину пространства). Ресурс асинхронных двигателей переменного тока гораздо выше, чем у коллекторных, и определяется состоянием подшипников и изоляции обмоток. 24
Синхронный двигатель с датчиком положения ротора и инвертором является электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока. 24
По устройству электрические машины могут быть коллекторными и бесколлекторными. Коллекторные двигатели чаще всего используются для работы на постоянном токе в качестве генераторов и электродвигателей. Бесколлекторные двигатели работают почти исключительно на переменном токе. Их разделяют на асинхронные и синхронные. 24
Асинхронные двигатели – самые распространенные из всех видов электрических машин из-за их простоты, надёжности, меньшего в сравнении с другими машинами веса, габарита, стоимости и иных достоинств. Используются асинхронные электродвигатели для привода насосов, вентиляторов, дымососов и других механизмов, не требующих регулирования частоты вращения. 24
Электродвигатели изготавливаются с учетом эксплуатации в различных климатических условиях: для районов с умеренным климатом (У), умеренно холодным (УХ), холодным (ХЛ), тропическим (Т), морским (ОМ) , для всех микроклиматических районов на суше и море (О). 25
Электродвигатели предназначены для работы от сети 220, 380, 660 В и другие стандартные напряжения при частоте 50 или 60 Гц. 25
Двигатели постоянного тока могут иметь различный способ возбуждения: независимое, смешанное или последовательное. Свойства двигателей независимого, смешанного или последовательного возбуждения различны. 25
Двигатели с независимым возбуждением, или, как их иногда называют, шунтовые, при изменении нагрузки на валу в широких пределах мало изменяют свою скорость вращения. Поэтому их применяют в тех случаях, когда важно, чтобы рабочая скорость механизма оставалась примерно постоянной как при работе вхолостую, так и при любой рабочей загрузке. 25
Двигатели с последовательным возбуждением характеризуются тем, что скорость их вращения в большой степени определяется нагрузкой на валу. При небольших нагрузках скорость вращения двигателя велика, а при возрастании нагрузки она в значительной степени понижается. Эксплуатация таких двигателей без нагрузки запрещена, так как при этом скорость вращения может возрасти до такой величины, при которой возможно механическое повреждение двигателя. Двигатели с последовательным возбуждением могут выдерживать значительные перегрузки. 25
Характеристики двигателей смешанного возбуждения имеют среднее значение между характеристиками двигателей с независимым и последовательным возбуждением. 25
Среди двигателей переменного тока, также можно выделить несколько видов. К ним относятся асинхронные и синхронные двигатели трехфазного тока. 25
Наиболее распространенными на промышленных предприятиях являются асинхронные двигатели трехфазного тока с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели при всей своей простоте обладают рядом специфических особенностей, прежде всего в отношении условий пуска, реверса и торможения. 25
Асинхронные двигатели с фазным ротором также находят широкое применение. Зажимы роторной обмотки в таких двигателях выведены на кольца, что дает возможность изменять условия пуска, реверса и торможения, вводя в цепь ротора добавочные пусковые и тормозные сопротивления. 26
Скорость вращения асинхронных двигателей в нормальном режиме работы мало зависит от нагрузки на валу. В этом отношении они аналогичны двигателям постоянного тока с независимым возбуждением. Однако возможности асинхронных двигателей в отношении регулирования скорости весьма ограничены. 26
Поэтому асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором в нормальном исполнении, как правило, находят применение в электроприводах механизмов, не требующих регулирования скорости. 26
Синхронные двигатели используются в нереверсивных нерегулируемых электроприводах, работающих длительно, без частых пусков и остановок. Как правило, они выпускаются на мощности выше 50 кВт. 26
1.4 Анализ структуры систем управления приводами 26
1.5 Технологии формирования управляющего сигнала. ШИМ модуляция и ПИД регулирование 34
1.6 Анализ приводов и систем числового управления станков 39
1.7 Энергетические и выходные механические преобразователи приводов мехатронных модулей 45
1.8 Датчики обратной связи приводов мехатронных модулей 50
2 Основные понятия и методологии проектирования мехатронных систем (МС) 54
2.1 Основные принципы проектирования мехатронных систем 54
2.1.4 Макро и микропроектирование. Понятие эскизного (пилотного) проекта и технического проекта 64
2.2 Описание этапов проектирования МС 66
2.2.1 Постановка задачи и работа с заказчиком МС. Технические требования и техническое задание 66
Перечисленные сведения оформляются в виде технического задания на проектирование, которое служит руководящим документом на всех этапах создания системы (ТЗ). 68
2.2.2 Предпроектное обследование предметной области и обоснование актуальности создания МС 72
2.3 Изготовление (реализация) МС 79
Изготовление (реализация) МС обычно проводятся в несколько этапов : 79
2.4 Тестирование МС 79
Проектирование тестов. Стратегии проектирования тестов заключается в том, чтобы попытаться уменьшить полноту тестирования настолько, насколько это возможно. При этом, если ввести ограничения на время, стоимость машинного времени и т.п., то ключевым вопросом тестирования становится: “Какое подмножество всех возможных тестов имеет наивысшую вероятность обнаружения большинства ошибок”. 82
2.5 Оценка качества МС 84
2.6 Документация к МС 87
2.7 Экономическая эффективность МС 88
2.8 Разработка мероприятий по обеспечению безопасных условий труда с электромеханическими модулями 89
3. Методы расчетов параметров и проектирование мехатронных модулей 92
3.1 Функциональное моделирование процесса проектирования мехатронного модуля 92
3.2 Этапы проектирования мехатронного модуля 92
3.3 Анализ критериев выбора двигателей мехатронных систем 92
Рисунок 3.4 - Алгоритм проектирования мехатронного модуля и место расчета параметров приводов в этом алгоритме 94
На рисунке 3.5 показан алгоритм выбора позиционного привода 98
3.4 Анализ основного математического аппарата расчета приводов 99
100
100
Вращающий момент 102
102
3.5 Расчет требуемой мощности и выбор ЭД 102
Определение общего передаточного отношения 104
Определение числа ступеней и распределения общего передаточного отношения по ступеням в соответствии с заданным критерием проектирования ММ 104
Определение чисел зубьев колес редуктора 104
3.6 Управление двигателем постоянного тока по положению 111
3.6.2 Расчет входного каскада в двигатель 112
3.7 Описание современных аппаратно-программных решений управления исполнительными элементами станков 122
Список источников и литературы 136