Содержание

1. Введение

2. Выбор оптимальной системы электропривода

3. Выбор передаточного механизма и расчет мощности электродвигателя

4. Моделирование режимов работы электропривода и процессов управления

5. Разработка электрической схемы

6. Разработка конструкции

7. Методика настройки привода

8. Заключение

9. Список литературы

2. Введение

Промышленные роботы и построенные на их основе роботизированные комплексы являются перспективным средством комплексной автоматизации производственных процессов. Применение роботов позволяет существенно повысить производительность труда, эффективность действующего и вновь проектируемого оборудования, а также избавить человека от монотонных, физически тяжёлых и вредных для здоровья работ.

Роботы могут перемещать объект манипулирования с заданной скоростью по сложным пространственным траекториям. Их можно легко перенастраивать и перепрограммировать. Благодаря этим свойствам роботы успешно используют для гибкой автоматизации процессов сварки [9], окраски, сборки, обслуживания в общем, комплексе различного технологического и транспортного оборудования. В последнее время в связи с задачами комплексной автоматизации производства и освоение новых областей деятельности человека (под водой, в опасных средах, в космосе ) большое внимание уделяется автоматизации операций манипулирования- перемещение и ориентации изделий и инструмента.

Манипуляторы при свободном перемещении рабочего органа представляют собой пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью. Его звенья связаны кинематическими парами пятого класса (вращательными или поступательными), оснащёнными приводами. Каждая такая кинематическая пара с приводом обеспечивает одну степень подвижности манипулятора. Число, вид и взаимное расположение степеней подвижности определяют манипуляционные возможности устройства.

Для автоматизации повторяющихся операций манипуляторы снабжаются системой программного управления. Манипуляторы с малым количеством степеней подвижности (n=1…3), работающие по жёсткой программе, называют автооператорами. Однако эти признаки условны, так как любое автоматическое устройство обычно предусматривает возможность перенастройки, в том числе замену механического программоносителя- кулачка, для старых моделей манипуляторов. Свободно программируемые автоматические манипуляторы с большим числом степеней подвижности (n=5…6), используемые в промышленном производстве, называют промышленными роботами.

1. Выбор оптимальной системы электропривода

В промышленных роботах и манипуляторах применяются пневматические, гидравлические, электрические приводы.

Электрические приводы стали значительно шире использоваться в последние годы в связи с успехами электромеханики и вычислительной техники (в системах управления). Сейчас 40…50% выпускаемых промышленных роботов имеют электроприводы. Они используются в основном в промышленных роботах при средней [7] грузоподъемности и большом числе степеней подвижности (3…6). Точность позиционирования этих приводов большая, чем в других приводах (до мм и точнее) за счёт использования систем управления с обратными связями. Преимуществами электропривода являются более высокая по сравнению с другими типами приводов экономичность, более высокий КПД, удобство сборки, хорошие регулировочные свойства. Они применяются как в позиционном так и в контурном режимах работы.

В электроприводе промышленных роботов с контурным управлением широко применяются двигатели постоянного тока ДПТ и вентильные двигатели. Применение ДПТ обусловлено [6] удобством и простотой регулирования скорости и момента. Для подобных целей они используются уже давно (например, в санках с ЧПУ), поэтому основные узлы схем управления достаточно хорошо отработаны, имеются типовые решения, обслуживающий персонал на предприятиях подготовлен к эксплуатации таких приводов. Однако в настоящее время появились комплектные электроприводы, классифицируемые как сервоприводы, где применяются гибридные шаговые двигатели.

По мере расширения областей применения шагового двигателя улучшались и его технические характеристики. Появились новые конструкции ШД с использованием редкоземельных магнитов, так называемые гибридные ШД, которые по стоимости, на сегодняшний день, приблизились к своим предшественникам, а по развиваемой мощности превосходят последних в несколько раз. В результате у ШД появилось дополнительное конкурентное преимущество - это высокий момент на малых оборотах вращения. Например, момент удержания ШД в 2-3 раза выше, чем у синхронного двигателя эквивалентных массогабаритных показателей. Поэтому использование ШД в ряде случаев позволяет исключить редуктор из механической системы и, следовательно, снизить себестоимость автоматической системы в целом.

Совершенствование методов управления позволило свести к минимуму отрицательные качества, присущие ШД.

Проблему пропуска шагов наиболее эффективно можно решить за счет внедрения в привод датчика позиции и использования высокопроизводительного сигнального процессора. Причем, во избежание значительного увеличения стоимости привода, возможным решением является разработка мехатронного привода на базе ШД, представляющего собой интегрированное устройство, в состав которого входит сам двигатель, система управления и датчик позиции вала. В этом случае в качестве датчика можно использовать бескорпусные ОЕМ-датчики.

При наличии двух таких компонент как сигнальный процессор и датчик позиции в одном устройстве можно отказаться от использования шаговых методов управления и построить систему управления на основе алгоритма векторного управления. Данный метод уже давно используется в сервоприводах на базе синхронных и асинхронных двигателей.

Алгоритм векторного управления основан на поддержании угла 90 градусов между текущей позицией ротора в рамках одного полюса и вектором токов в обмотках двигателя.

Как видно из графика зависимости момента от угла между текущей позицией и вектором тока максимальная эффективность достигается именно при угле 90 градусов.

При этом расчет текущего угла необходимо выполнять в реальном времени с высокой частотой, так как при формировании токов вал ротора всегда стремится в позицию, заданную вектором токов.

Такой способ обеспечивает высокую эффективность управления: исключается колебание момента, развиваемого двигателем и, как следствие - вибрация; обеспечиваются высокие динамические показатели; исключается пропуск шагов.

Помимо основного функционала, наличие на «борту» сервопривода современного сигнального процессора позволяет реализовать в рамках системы управления множество дополнительных функций, таких как:

- Программируемый логический контроллер.

- Интерполятор.

- Электронный редуктор.

- Обработка концевых датчиков.

- Контроль температуры.

- Защита от КЗ.

- Защита от пониженного и повышенного напряжения питания.

- Торможение с регулированием вырабатываемого противо ЭДС.

Наличие перечисленных функций позволяет увеличить надежность системы, снизить износостойкость оборудования, а в ряде случаев исключить внешний контроллер управления движением.

Использование передовых методов управления делает возможным применение шаговых двигателей в современных сервосистемах наряду с сервоприводами на базе синхронных и асинхронных двигателей. В свою очередь, использование мехатронного подхода обеспечивает снижение себестоимости такого привода до приемлемых значений, что традиционно свойственно шаговым приводам.

1. Выбор передаточного механизма и расчет мощности электродвигателя

Прежде, чем выбрать двигатель необходимо рассмотреть сам манипулятор, и привести необходимые параметры к валу двигателя.

Манипуляторы – технические устройства для воспроизведения некоторых двигательных функций рук человека.

Для механизма выдвижения руки манипулятора выбираем шарико-винтовую передачу. Даная передача обеспечивает достаточно высокий коэффициент полезного действия(до 0,9), имеет большой ресурс и малые габариты.

По предоставленным методикам, предоставленным фирмой «SBC Linear Co» выбираем параметры передачи:

- диаметр винта d_В=32 мм;

- шаг винта t_В=10 мм;

- длина винта L_В=1,1 м.

Для данного механизма скорость гайки:

,

где t_B – шаг винта(мм), n_B – частота вращения винта(об/мин).

Частота вращения винта:

Найдем массу винта, учитывая, что плотность стали :

Передаточное число механизма:

Момент инерции винта:

;

Момент инерции поступательно движущейся руки:

;

Суммарный момент инерции механизма:

;

Представим тахограмму перемещений для механизма:

Рис.1. Тахограмма перемещений

Максимально перемещение при максимальной скорости:

,

где S –пройденный путь.

Время движения при максимальном перемещении:

Тогда время разгона и время торможения:

Таким образом максимальное угловое ускорение равно:

Линейное ускорение механизма соответственно:

Определим нагрузки, действующие на вал двигателя:

- статическая нагрузка:

;

- динамическая нагрузка:

;

- центробежная нагрузка:

.

Суммарный момент сопротивления на валу двигателя, соответствующий наиболее нагруженному режиму работы:

;

Выбираем интегрированный шаговый сервопривод фирмы ЗАО «Сервотехника» СПШ20-23017 со следующими параметрами(табл.1):

Таблица 1

Рис.2 Механическая характеристика СПШ20-23017 при различный значениях питающего напряжения.