- •Учебно-методическое пособие к выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «проектирование мехатронных систем»
- •Содержание
- •1. Цели ргр
- •2 Требования к содержанию ргр
- •6 Критерии оценки ргр 41
- •7 Задание на ргр 42
- •7 Рекомендуемая литература 51
- •3 Методические указания к выполнению расчетной части ргр
- •3.1 Общие положения
- •3.2 Предварительный выбор двигателя мм
- •(Выделены элементы алгоритма для данной ргр)
- •3.3 Кинематический расчет выходного преобразователя
- •Определение общего передаточного отношения
- •Определение числа ступеней и распределения общего передаточного отношения по ступеням в соответствии с заданным критерием проектирования
- •Определение чисел зубьев колес редуктора
- •3.4 Уточненный силовой расчет и проверка правильности выбора электродвигателя
- •3.4.1 Алгоритм выбора электродвигателя
- •3.4.2 Силовой расчет
- •1. Расчет статического и динамического моментов на выходе и редуктора и на каждом валу
- •2. Расчет моментов, приведенных к выходному валу двигателя
- •3.4.3 Проверка правильности выбора двигателя
- •3.5 Определение тепловых характеристик
- •4 Пример расчета электромеханического модуля
- •Исходные данные
- •Предварительный выбор двигателя мм
- •3. Кинематический расчет
- •3.1. Определение общего передаточного отношения
- •3.2. Определение числа ступеней и распределения общего передаточного отношения по ступеням в соответствии с заданным критерием проектирования эмп
- •3.3. Определение чисел зубьев колес редуктора
- •4. Силовой расчет эмп
- •4.1 Расчет моментов в кинематических цепях
- •4.2 Рассчитаем моменты, приведенные к выходному валу двигателя.
- •4.3 Проверочный расчет выбранного двигателя
- •5 Определение тепловых характеристик
- •5 Требования к оформлению ргр
- •Вариант №2
- •Вариант №3
- •Вариант №4
- •Вариант №5
- •Вариант №6
- •Вариант №7
- •Вариант №8
- •Вариант №9
- •Вариант №10
- •Вариант №11
- •Вариант №12
- •Вариант №13
- •Вариант №14
- •Вариант №15
- •Вариант №16
- •Вариант №17
- •Вариант №18
- •Вариант №19
- •Вариант №20
- •Вариант №21
- •Вариант №22
- •Вариант №23
- •Вариант №24
- •Вариант №25
- •Вариант №26
- •7 Рекомендуемая литература
- •Государственные стандарты по электрическим машинам
3 Методические указания к выполнению расчетной части ргр
3.1 Общие положения
Одним из базовых понятий методологии проектирования мехатронных систем (МС) является понятие модели проектирования МС - это непрерывный процесс, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания МС или ее модуля и заканчивается в момент ее реализации.
К настоящему моменту времени наибольшее распространение получили следующие две основные модели проектирования:
каскадная модель;
спиральная модель.
Чаще всего в процессе создания МС и ее модулей возникает потребность в возврате к предыдущим этапам и уточнении или пересмотре ранее принятых решений. В результате реальный процесс создания МС принимают обычно имеет итерационный характер, на основе которого построена спиральная модель.
Каждый виток спирали соответствует созданию фрагмента МС или ее модуля, на нем уточняются цели и характеристики проекта, определяется его качество и планируются работы следующего витка спирали. Таким образом углубляются и последовательно конкретизируются детали проекта и в результате выбирается обоснованный вариант, который доводится до реализации.
Разработка итерациями отражает объективно существующий спиральный цикл создания системы.
В данной РГР проектируется электромеханический модуль мехатронной системы на основе спиральной модели проектирования.
Первая итерация позволяет провести предварительный выбор двигателя, рассчитать его силовые характеристики, характеристики редуктора привода на основе заданных параметров.
Вторая итерация проводит проверочные расчеты правильности выбора двигателя на основе расчета моментов нагрузки и сравнения с номинальными (паспортными) значениями выбранного двигателя. При необходимости проводится коррекция выбора двигателя.
Третья итерация проводит определение тепловых характеристик двигателя на основе режима работы двигателя и метода эквивалентных токов. При необходимости проводится коррекция выбора двигателя (Рисунок 1).
Далее проверочные расчеты могут быть продолжены по другим параметрам двигателя и редуктора. Но избыточные проверки (итерации) не только повышают качество получаемого продукта, но и увеличивают время проектирования и затраты на проектирование. Поэтому необходимо выбрать оптимальное соотношение качества времени/стоимости мехатронной системы или модуля.
Рисунок 1 - Спиральная модель проектирования электромеханического модуля МС
На основе вышеизложенного в РГР необходимо:
провести выбор двигателя ММ по:
заданным характеристикам,
сфере применения ММ (выбрать тип тока, уровень напряжения),
расчету основных параметров двигателя (требуемой мощности),
провести расчет основных параметров редуктора электромеханического модуля,
провести проверочный силовой расчет двигателя,
провести тепловой расчет двигателя и скорректировать выбор двигателя,
определить возможные пути улучшения параметров ММ.
Изображение электромеханического модуля двигатель- редуктор приведено на рисунке 2.
Рисунок 2 – Электромеханический модуль двигатель- редуктор
В состав традиционной мехатронной системы (МС) входят следующие основные компоненты:
механические устройства, конечным звеном которого является рабочий орган (шпиндель станка для крепления фрез, сверел и т.д., столы подачи станка, протяжные барабаны станка, захват руки робота и т.д.);
блок приводов, включающий силовые преобразователи и силовые двигатели;
устройства компьютерного управления;
сенсорные устройства, предназначенные для передачи устройству управления информации о фактическом состоянии и движении мехатронной системы.
Мехатронный модуль (ММ) – отдельный блок мехатронной системы, совокупность аппаратно-программных средств, осуществляющих движение одного или нескольких исполнительных органов.
Целью данной РГР является проектирование электромеханического элемента базового ММ. Представленный в задаче электромеханический модуль представляет собой совокупность двигателя и выходного силового преобразователя на основе редуктора.
Каждый рабочий орган (шпиндель фрезы, салазки подачи, барабан шлифовального станка и т.д.) имеет ряд требований к силовым нагрузкам, моменту нагрузки, частоте вращения, ускорениям, инерции, надежности, быстродействию, характеристикам окружающей среды и т.д.
Эти характеристики определяют критерии выбора привода, который будет осуществлять вращение или перемещение.
Связь силовых параметров привода (крутящий момент, усилие) с кинематическими параметрами (угловая скорость выходного вала, скорость линейного перемещения штока ИМ) определяется механическими характеристиками электро-, гидро-, пневмо- и других приводов, в совокупности или раздельно решающих задачи движения (рабочего, холостого хода) механической части МС (технологического оборудования). При этом, если требуется регулирование выходных параметров машины (силовых, скоростных, энергетических), то механические характеристики двигателей (приводов) должны целесообразно видоизменяться в результате управления устройствами регулирования, например, уровня питающего напряжения, тока, давления, расхода жидкости или газа.
Простота формирования механических движений непосредственно из электрической энергии в приводных системах с электрическим двигателем, т.е. в электромеханических системах, предопределяет ряд преимуществ такого привода перед гидравлическими и пневматическими приводами. В настоящее время электродвигатели постоянного и переменного тока выпускаются заводами-изготовителями от десятых долей ватта до десятков мегаватт, что позволяет обеспечить спрос на них (по требуемой мощности) как для применения в промышленности, так и на многих видах транспорта, в быту.
Поэтому в данной работе заранее определен тип привода – привод на базе электродвигателя.
Двигатель реализует вращение выходного вала с определенной частотой, направлением и т.д. Для преобразования вращения вала в требуемый тип движения используются выходные преобразователи.