Введение

Дисциплина «Расчет и конструирование привода» ориентирована на изучение специального оборудования для производства изделий электронной техники (ИЭТ). Это оборудование охватывает широчайший спектр техпроцессов: от заготовительных и основных технологических до контрольно-измерительных, испытательных, а также операций маркировки и упаковки. Также на предприятиях по производству ИЭТ широко используется оборудование общемашиностроительного назначения: металлообрабатывающие станки, прессы, термические установки, литейное и сварочное оборудование. Это оборудование составляет 30 – 35 % от всего парка используемых в электронном производстве машин и 65 – 70 % - это специальное технологическое оборудование. В ходе освоения курса студенты будут знакомиться с разными видами машин, с основными принципами конструирования привода любой технологической машины. Общность подхода к их конструированию основано на том, что законы создания оборудования разного технологического назначения едины.

Дисциплина «Расчёт и конструирование привода» базируется на положениях общеинженерных дисциплин «Основы проектирования машин», «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов» и профилирующих дисциплин технологического цикла для специальности 200500. В изучаемой дисциплине рассматриваются принципы и варианты построения привода, технические средства и способы его настройки, оригинальные методики расчёта, сравнительного анализа и выбора структуры привода, не рассмотренные в дисциплинах общеинженерного цикла.

1. Общие сведения о приводе

1.1. Виды приводов

Как правило, технологическая установка (см. рис.1.1) состоит из четырёх основных систем: одного или нескольких источников движения (двигателей), передаточных механизмов, исполнительных устройств, а также системы управления (или САУ – системы автоматического управления).

Рис. 1.1. Структура технологической установки

Источники движения совместно с передаточными механизмами образуют привод машины. Он приводит в действие исполнительные устройства и должен удовлетворять требованиям, позволяющим технологической машине реализовывать техпроцесс качественно и с максимальным быстродействием.

В технологическом оборудовании для производства ИЭТ применяются приводы, источники движения которых используют разнообразные физические явления.

Наибольшее распространение получили источники движения, основанные на преобразовании электрической энергии в механическую с помощью электромагнитных сил, воздействующих на проводник тока. На этом принципе построены широко известные электродвигатели: асинхронные, синхронные, шаговые и двигатели постоянного тока. По виду движения они делятся на двигатели вращательного движения и линейные.

Для передачи движения от двигателя к исполнительным устройствам могут использоваться передаточные механизмы, основное назначение которых состоит в изменении скорости и/или вида движения, формируемого двигателем. В качестве передаточных механизмов используются механические передачи (например, зубчатые, червячные, рычажные) или построенные на их основе устройства - гитары, коробки скоростей, вариаторы и т.п. Приводы, объединяющие в себе электродвигатель и механические передачи, получили название электромеханические приводы.

С

Рис.1.2. Схема объёмного гидро- или пневмопривода.

ледующими по частоте использования в технологическом оборудовании являются гидравлические и пневматические приводы, использующие в качестве рабочей среды соответственно жидкость (специальные масла) или газ (сжатый воздух). Гидро- и пневмоприводы в зависимости от способа использования рабочей среды разделяются на объёмные и динамические. Принцип действия объёмного привода (рис.1.2) состоит в том, что рабочая среда под давлением поступает по напорной магистрали в полость рабочего органа (гидро- или пневмоцилиндра). При этом происходит перемещение поршня, вызванное разностью давлений в напорной р_вх и сливной (выхлопной) р_вых магистралях, причём р_вх > р_вых. Движение будет продолжаться до того момента, пока поршень не достигнет стенки цилиндра или шток - технологического упора. Остановить движение в промежуточном положении можно, перекрыв оба канала, ведущие к полостям цилиндра. Однако, в приводах точного позиционирования используют дополнительные устройства, позволяющие с приемлемой точностью останавливать поршень в заданном положении. Для изменения направления движения поршня следует поменять соединение полостей цилиндра с магистралями.

В динамическом гидро- и пневмоприводе, где среда воздействует на рабочий орган турбинного типа, реверсирование и остановка движения сопряжены с определенными сложностями.

Революционной следует признать разработку гидропривода объёмного типа, использующего в качестве рабочей среды магнито- и электрореологические суспензии (МР- и ЭР-суспензии), которые под действием магнитного или электрического полей меняют свою динамическую вязкость. Используя эту способность суспензий, можно исключить из привода механические средства регулирования потоков жидкости – золотники и дроссели. Избавившись от их инерционных элементов, удаётся снизить время срабатывания средств регулирования и повысить быстродействие приводов. Для МР-дросселя постоянная времени не превышает 1,0 мс, для ЭР-дросселя – не более 0,01 мс.

Электромеханический, гидравлический и пневматический приводы применяются главным образом для совершения достаточно больших перемещений. В тех случаях, когда требуемый диапазон перемещения объектов укладывается в величины, равные или меньшие 1 мм, тогда возникает необходимость использовать приводы малых перемещений. В большинстве своём они используют такие физические явления как обратный пьезоэлектрический, магнитострикционный или термодинамический эффекты в твёрдых телах.

Действие пьезопривода основано на деформации некоторых материалов под действием электрического поля. Деформация зависит от напряжения питания U и пьезомодуля материала, из которого изготовлен пьезодвигатель. В качестве материала для источника движения наиболее часто используется керамика из цирконат-титаната свинца (ЦТС). Эта керамика обладает устойчивостью к воздействию нагрузок, стабильностью свойств во времени. Значения пьезомодулей зависят от способа приложения электрического поля – продольного d₃₃ или поперечного d₃₁, и находятся в пределах (1,0 .. 6,0)10^-5 мм/В, причём продольный пьезомодуль d₃₃ для большинства материалов более чем в два раза превышает поперечный пьезомодуль d₃₁. Так как деформация единичного пьезопреобразователя составляет очень малую величину, то для увеличения диапазона перемещений и снижения подводимого напряжения, пьезодвигатель выполняют в виде набора пьезоэлементов.

Н а рис.1.3 представлена схема привода, состоящего из пьезодвигателя 1, выполненного в виде столбца из пьезокерамических дисков, и рычажного мультипликатора^ 2 на упругих шарнирах 3. Использование в данном случае мультипликатора (от латинского слова «multiplico» – «увеличиваю») позволило получить на выходе пьезопривода перемещение х, превосходящее по величине перемещение  пьезодвигателя, т.е. х > .

Рис.1.3. Пьезопривод

Магнитострикционный привод использует способность некоторых магнитно-мягких материалов (никель, пермаллой – группа сплавов железа с никелем, пермендюр – сплав железа, кобальта и ванадия) изменять свои размеры при намагничивании. Магнитострикционное удлинение стержня носит асимптотический характер: при достижении определённой напряженности магнитного поля удлинение практически прекращается. Однако, имеет место некоторый диапазон, при котором удлинение линейно зависит от напряженности поля. При этом максимальная величина относительного удлинения обычно не превышает (0,0001..0,00000001)%. При проектировании привода следует иметь в виду, что магнитострикционные свойства материалов существенно зависят от температуры, а тепло, выделяемое электромагнитной катушкой, ухудшает точность работы привода.

Температурная деформация твёрдого тела является главным физическим принципом, положенным в основу термодинамических приводов. Величина деформации зависит от материала и характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения. Он определяется как отношение приращение длины тела l к изменению его температуры t и составляет (6..12)10^-6 1/град – для нихрома, и 1,510^-6 1/град – для инвара. Существенной проблемой термодинамического привода является его низкое быстродействие из-за природной инерционности термодинамических процессов.

В настоящее время в технологическом оборудовании не находят практического применения привода, использующие в качестве источника движения паровые машины (или турбины) и двигатели внутреннего сгорания. Последние могут использоваться в источниках автономного электропитания, которые работают по принципу наведения электрического тока в проводнике, движущемся в магнитном поле.

В некоторых видах оптико-механического и измерительного оборудования в качестве источника движения используется мускульная сила (ручной привод) или накопленная энергия пружинных механизмов.

1.2. Требования к приводу

Основные требования, предъявляемые к приводу технологической машины, следующие:

• конструкция привода должна выполнять основную свою функцию - обеспечивать расчётные перемещения исполнительных механизмов. Законы, величина и скорость перемещения устройств должны соответствовать параметрам, заложенным в техническую документацию на данную машину, и в полной мере отвечать назначению и технологическим возможностям машины;

• перемещения должны осуществляться с минимальной погрешностью. Оборудование для производства ИЭТ по требованию точности превосходит оборудование общего машиностроения. В отдельных случаях погрешность перемещения, измеряемая десятыми долями микрометра, является для изделий ИЭТ катастрофически большой и приводит к браку. Высочайшая жёсткость допусков – одна из особенностей оборудования электронной техники;

• привод должен обладать мобильностью - легко и быстро настраиваться и перенастраиваться. Реализация этого требования позволяет изменять технологические режимы или переходить на изготовление изделий с иными параметрами;

• в вакуумной технологической установке привод должен обеспечивать особые требования минимизации газопроницаемости, газовыделения и выделения микрочастиц - продуктов износа. Это требование органично связано со следующим требованием;

• требование к надежности технологического оборудования электронной техники уникальны, так как способность выполнять свои функции привод в ряде случаев реализует в разряжённой (вакуум) или контролируемой среде, в условиях жёстких допусков, а иногда и при повышенных температурах. В связи с тем, что обработка изделий носит преимущественно несиловой характер, существенное влияние на надёжность привода оказывают не физические поломки механизмов привода («отказ функционирования»), а выход некоторых параметров привода за пределы допуска (так называемый «параметрический отказ»). Например, превышение допустимых погрешностей перемещения, повышенная газопроницаемость и тому подобное;

• на выходном звене привод должен развивать необходимое усилие. Характерной чертой технологических машин отрасли является отсутствие силовых воздействий на изделие. По этой причине, развиваемое приводом усилие направлено преимущественно на преодоление сил сопротивления движению;

• привод должен обладать достаточной прочностью, выдерживать нагрузки, воздействующие на элементы привода;

• высокий к.п.д. – требование, направленное на создание технически совершенного привода и показывающее эффективность преобразования потребляемой энергии в полезную работу;

• важным является требование обеспечения компактности привода, особенно это становится существенным в условиях дефицита места, например, при размещении внутри технологической камеры с контролируемой средой;

• минимум стоимости предполагает разработку такого привода, конструкция которого требует меньших затрат на его изготовление.

Приведённый перечень требований не является исчерпывающим, т.к. для некоторых приводов машин важным может оказаться требование минимума вибраций (проекционное оптико-механическое оборудование или высокоскоростные установки резки полупроводниковых слитков и т.п.), для других – отсутствие масляной смазки (вакуумные приводы или пневмоприводы с резиновыми трубопроводами) и т.д.

В таблице 1 приведены основные требования к приводам и параметры, характеризующие их количественно.

Таблица 1. Основные требования и количественные характеристики приводов

Требование к приводу	Параметр	Размерность
Обеспечение расчётных перемещений	Скорость перемещения Величина перемещения число степеней подвижности	м/c, мм/с, рад/c, об./мин м, мм, рад, град, об. -
Минимальная погрешность	Погрешность перемещения Погрешность положения	мм, мкм, рад, угл.с, угл.мин мм, мкм, рад, угл.с, угл.мин
Мобильность	Диапазон регулирования Характер регулирования …	м/c, мм/с, рад/c, об./мин ступенчатое, бесступенчатое …
Минимум газопроницаемости, газовыделения и выделения микрочастиц	Рабочее давление Газовый поток …	Па м3Пас-1 …
Надежность	Наработка на отказ Вероятность нахождения в допуске Время ремонта (восстановления) …	час - час …
Необходимое усилие	Развиваемое усилие	Н, Нм
Высокий к.п.д.	К.п.д.	-
Компактность	Габариты Занимаемая площадь Объём	мм  мм  мм м2 м3, л
Минимум стоимости	Стоимость	у.е., $US, руб.
Минимум (отсутствие) вибраций	Амплитуда колебаний частота колебаний	мм, мкм с-1, Гц

 Отметим, что устройство, обеспечивающее увеличение угловых скоростей и перемещений называется мультипликатором (или мультиплицирующим механизмом), а устройство для уменьшения этих же парамеров – редуктором (или редуцирующим механизмом).