Список учебной литературы:

1. Мехатроника – Пер. с япон./Исии Х., Иноуэ Х., Симояма И. и др. — М.: Мир, 1988. — С. 318. — ISBN 5-03-000059-3

2. Мехатроника: основы, методы, применение. – Подураев Ю.В. – М.:Машиностроение, 2006. – С. 256.

3. Электротехнические и мехатронные системы. – Карнаухов Н.Ф. – Феникс, 2006. – С. 320. – ISBN 5-222-08228-8

4. Гидравлические и пневматические системы. – Схиртладзе А.Г. – М.:Станкин, 2003. – С.544.

5. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов. – Навроцкий К.Л. – М.:Машиностроение, 1991. – С.384.

6. Гидравлические и пневматические приводы промышленных роботов и автоматических манипуляторов. – Крейнин Г.В. и др. – М.:Машиностроение, 1993. – С.304.

7. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие. Библиотека конструктора. – Герц Е.В., Крейнин Г.В. – М.:Машиностроение, 1975. – С.272.

8. Механика гидро- и пневмоприводов. – Попов Д.Н.- М.:МВТУ, 2001. С.320.

Общая информация

Свойства всякой системы описываются ее связями с окружающей средой, ее структурой, т.е. ее элементами и их взаимосвязью, а также могут быть охарак­теризованы ее работой

Типичные внешние воздействия на ЭП (Z):

-силы, вращающие моменты и моменты инерции рабочей машины,

-напряжения и чистота главной и вспомогательной питающих сетей;

-интенсивность, электростатических и электромагнитных полей, действующих на систему ЭП;

-механические силы как источник циклической, вибрационной и ударной наг­рузки;

-климатические факторы t окружающей среды, атмосферное давление, влажность воздуха, воздействие воды;

-концентрация химических загрязнений воздуха, вызывающих коррозию;

Выходные величины

X - зависимые переменные - линейные и угловые перемещения,

частоты вращения, ускорения, ток двигателя.

V - несут информацию о рабочем состоянии и готовности к эксплуатации всей системы или ее элементов

побочные эффекты:

механические - колебания, вибрация, вихревые воздушные потоки; акустические - шум, помехи;

тепловые –теплота энергии потерь;

опасность для человека электрических и механических, воздействий пожаро-взрывоопасность.

Излучение электромагнитных полей;

Эти воздействия во многом определяют условия эксплуатации ЭП и в конечной мере и проектирования их (инструкции, стандарты, предписания)

Общие требования к приводу

Надежность как и любой технический объект, привод обязан вы­полнять заданные функции в оговоренных условиях в течение определимого проме­жутка времени. Если это не обеспечено, все остальные его качества ока­жутся бесполезными. Надежность нужно рассматривать как неотъемлемое свой­ство системы, закладываемое на самых первых стадиях проектирования и обес­печиваемое в процессе ее создания и эксплуатации.

Точность - отнесем к главной функции привода - осуществлять уп­равляемое движение. Если функция привода- воспроизводить какую-либо тра­екторию движения, то обязательно существует коридор вокруг воспроизводимой тра-ектории, из которого нельзя выходить и т.д.

Быстродействие_- способность системы достаточно быстро реагировать на различные воздействия.

Качество динамических процессов - обеспечение закономерностей их проте­кания во времени.

Энергетическая эффективность.— показатель, ставший особенно существен-ным в последнее время. Применительно к электропроводу этот показатель варьируется удельным расходом электроэнергии на получение конечного технологи­ческого результата

Часто энергетическую эффективность оценивают К1ТЦ - отношением полезно истра­ченной энергии к ее полному расходу в данном процессе.

Совместимость электропривода с системой электроснабжения и информаци­онной системой более высокого уровня.

Ресурсоемкость - материалоемкость и энергоемкость, заложенные в конструк­цию

и технологию производства, трудоемкость при изготовлении, монтаже, наладке, эксплуатации, ремонте.

Функции выполняемые приводом

Привод предназначен для приведения в движение рабочих органов машин и механизмов и его функции полностью определяются тем техническим процессом, в котором задействованы эти машины и механизмы.

1. Пуск, реверсирование и торможение рабочих органов

2. Регулирование частоты вращения и ускорения

3. Обеспечение заданного натяжения (троса, полосы металла, бумаги, полотна, ленты )

4. Согласование движения нескольких исполнительных органов (экскаватор, металлорежущий станок . робот- манипулятор, мостовой кран)

5. Обеспечение движения по заданной траектории ( инструмент станка, схват манипулятора, антенна локатора), режим слежения

6. Оптимизация режима работы всего технологического процесса

7. Адаптация к изменению параметров как технологического процесса, так и самого привода

8. Обеспечение защиты от аварийных режимов , блокировок, диагностики

9. Комплексная автоматизация

Классификация приводов

1. По виду движения – вращательные, поступательны, возвратно-поступательные , реверсивные, нереверсивные

2. По принципам регулирования координат – нерегулируемые, регулируемые, следящие, программные , адаптивные, позиционные, стабилизирующие.

3. По роду передаточного устройства – редукцией, т.е. с изменением частоты вращения при помощи механических устройств и без редукции , т.е. вал соединен непосредственно с рабочим органом.

4. По виду преобразовательного устройства –вентильные, электромашинные, электромагнитные.

5. По способу передачи механической энергии – индивидуальные , групповые, взаимосвязанные.

Тенденции развития приводов

1. Приближение источника движения к исполнительному органу

2. Использование специальных двигателей

3. Совершенствование элементной базы

4. Расширение функций

5. Увеличение объема информации для управления

6. Развитие цифрового и микропроцессорного управления

7. Создание комплектных приводов

Гидравлические и пневматические приводы мтс

ГП и ПП – известны давно, широкое применение в 20 веке. В машиностроении – МРС – фиксация, зажим, сборка, кантование, упаковка, перемещение.

ГП – основные достоинства – компактность, малая масса, высокий статический и динамический характер, малые затраты на управление.

Гидроцилиндр диаметром 105 мм, давление 25МПа, сила 120кН. Минусы: сложность источника питания, пожароспособность.

С хема ГП

Рабочая среда в ГП – жидкость или физическое тело, способное под действием малых сил изменять свою форму, но не менять объем.

Газ меняет форму и объем.

Идеальная жидкость (используется при расчетах) – несжимаемая, нерасширяемая, без сил внутреннего трения.

Рабочая жидкость – основной элемент в ГП.

Функции: передача энергии, управление процессом передачи, смазка, антикоррозийные свойства.

Требования к ней: малое изменение вязкости в широком диапазоне температур, большой модуль упругости, химическая стабильность, сопротивление вспениванию, малая способность к расширению в воздухе, большая удельная теплоемкость, нетоксичность.

Свойства РЖ меняются в процессе эксплуатации из-за воздействия температуры, давления, скоростей. До 70% отказов ГП из-за нарушения свойств РЖ.

В объемах ГП и системах гидроавтоматики используются следующие РЖ: минеральные масла, вода, водные эмульсии, синтечиские рабочие жидкости, жидкие металлы и их смеси (77% Na + 23% K).

МГ – масло гидравлическое; И – инструментальное масло; МГЕ – для моб. объектов; АМГ – авиационное; ТП – турбинное; НГЖ, П20, ПГВ – синтетические масла

Свойства РЖ корректируются специальными присадками.

Характеристики РЖ

1. Плотность ρ (кг/ ) – масса единицы объема. Применяют также удельный вес рабочей жидкости γ= ρ*g. На практике относительная плотность (относительный удельный вес) – отношение плотностей РЖ и плотности дистиллированной воды при t=4 ̇C и нормальном атмосферном давлении. У минеральных масел С=870-940 кг/ . Мера инерционности РЖ – С определяет сопротивление перемещению РЖ с различными ускорениями.

2. Вязкость – свойство РЖ сопротивляться деформации сдвига или скольжения ее слоев. Механизм возникновения вязкости связан с тем, что при движении внутри трубы отдельные слои РЖ двигаются с различными скоростями. Наружные слои тормозятся о стенки (большой коэффициент трения). Мерой вязкости среды служит динамическая вязкость µ или связанная с ней кинематическая вязкость ν, µ = ρ*ν. Динамическая вязкость – сила трения приходящаяся на единицу поверхности соприкасающихся слоев жидкости [µ]=Па*с. Основные параметры ГП оценивают при работе на минеральном масле вязкостью 30-35 сСт. Вязкость уменьшается с повышением t и p. Сжимаемость РЖ – свойство изменять свой объем под действием давления.. наличие сжимаемости РЖ в гидросистеме снижает КПД и ухудшает режим работы. Оценивают сжимаемость по коэффиценту объемного сжатия β=∆V/(∆p*V). Еж=1/β= -V₀(∆p/∆V) – объемный модуль упругости зависит от типа жидкости, действующей температуры, давления (Еж= 1350-1700МПа). Наличие пузырьков воздуха в РЖ (или растворенного воздуха) снижает Еж. Сжимаемость масла в гидроцилиндрах больших размеров при работе с малыми подачами приводит к заметному запаздыванию начала движения исполнительного механизма и рывкам в направлении подачи при резком снятии нагрузки.

3. Тепловое расширение РЖ – свойство изменять объем с повышением температуры. Определяется коэффицентом объемного расширения (к¯¹) α=∆V/(V₀*∆T), где V₀ - начальный объем, ∆V – приращение объема, ∆T- приращение t в К. Минеральные масла при p=0…15МПа и α=(6…7)*10¯⁴ к¯¹. Удельная теплоемкость РЖ – количество теплоты необходимое для нагрева 1кг жидкости на 1К учитывается через коэффициент удельной теплоемкости Сут=Q/(m*∆T). Удельная теплоемкость минеральных масел Сут=1,88-2,1 кДж/(кг*К), λ=0,136 Вт/(М₀*⁰С).

4. Температура застывания – это t, при которой РЖ застывает на столько, что при наклоне пробирки с РЖ на угол 45⁰, ее уровень остается неизменным в течение одной минуты. Температура вспышки – это t, при которой пары РЖ образуют в смеси с воздухом горючую смесь. Растворимость в воздухе – объем газа, который может раствориться в РЖ, Vв =nв*V(P₀/P₁), где nв – коэффициент растворимости воздуха (для индустриальных масел n=0.076, трансф. масла n=0.083, АМГ-10 n=0,104 все при t=20⁰С)

Выбор РЖ

Выбирается по основным физико-химическим свойствам: плотность, вязкость, теплопроводность, сжимаемость и т.д.

В особых случаях представляется требование к огнестойкости РЖ и пригодности к работе в широком диапазоне температур. Тип РЖ определяет КПД, надежность, долговечность, вес, мощность, инерционность привода.

Методика выбора

1. РЖ выбирается по требуемой вязкости гидросистемы станков (МРС) – ИГП-18, ИГП30, 38; гидросистемы прессов турбинные – T22, T46, ТКП22; гидросистемы самолетов – АМП0.

2. РЖ должна иметь высокие модуль упругости и значение температуры вспышки и замерзания (tв=160-180⁰С, tз=15-30⁰С)

3. РЖ должна обладать антикоррозионными и смазывающими свойствами.

4. РЖ должна иметь низкую токсичность и невысокую стоимость.

Неправильный выбор РЖ и эксплуатации ведут к выходу из строя и ненормальным режимам ГП.

Принцип работы гидропривода и пневмопривода

ГП ( ПнП) –широко применяются во многих МТС - промышленные роботы , МРС , автоматические линии , механизмы технологического оборудования.

Объемный ГП (ПП) – его принцип действия базируется на объемном вытеснении рабочей жидкости ( РЖ ) , высокой жесткости жидкости и на законе Паскаля.

Б . Паскаль (1623 -1662)

Давление внешних сил на поверхность действует во всех направлениях

1 Па = 1 н / 1 м^2

Движущаяся жидкость обладает тремя видами энергии:

- энергией положения ( потенциальной ) –уровень подъема жидкости (ГЭС)

- кинетической энергией скоростного напора – движения жидкости.

- энергией давления – используется в ГП объемного действия .

Последняя энергия легко преобразуется в механическую в ГП объемного действия.

Гидравлические и механические приводы мехатронных систем

Краткое описание рисунка: Гидроцилиндры 1 и 2, поршни, трубопроводы, штоки, баки

1. Гидроцилиндр №1

2. Гидроцилиндр №2

3. Поршень 2

4. Трубопровод

5. Поршень 1

6. Бак для хранения и сбора рабочей жидкости

Схема данного простейшего объемного гидропривода принимает во внимание нулевые утечки РЖ.

Для перемещения L2 поршня №3 цилиндра №2 при воздействии на шток силы F2 необходимо выполнить работу:

A = F2*L2

При этом в левую полость цилиндра №2 надо подать объем РЖ:

W= S2*L2 под давлением p,

вызванных действием силы F2, т.е. p= F2/S2 этот объем совершит работу:

A=p*W=p*S2*L2=F2*L2

Необходимый объем W при необходимой плотности c будет иметь массу:

m=c*S2*L2.

Для получения удельной энергии давления разделим A на m.

Для того чтобы подать рабочую жидкость в гидроцилиндр 2 , нужно привести в движение поршень 5 гидроцилиндра 1 под действием силы F1, тогда жидкость перетечет из правой части 1 в левую часть 2. Поршень 5 гидроцилиндра 1 вытеснит объем РЖ при перемещении его на L1.

W=S1*L1=S2*L2

Таким образом видно, что ход поршня 3 гидроцилиндра 2 зависит от соотношения эффективных площадей S1 и S2 т.е.

По закону Паскаля давление p в гидроцилиндрах одинаково:

Имеем зависимость:

Если принять, что S1<S2, то поршень 3 гидроцилиндра 2 может развивать F2>F1, что используется как мультипликационный принцип в гидроусилителях, в гидропрессах. Для оценки этого эффекта используют коэффициент мультипликации ( силы )

Мощность развиваемая ГП (без потерь и утечек ) :

Q –поток РЖ, л/мин, p- давление.

Классификация ОП (объем привод)

ОП (гидро или пневмо) – отличаетмя от приводов других типов гидросистемой (или пневмосистемой) в которую входит один или несколько оъемных гидро или пневмодвигателей.

Объемный привод – жидкость или газ под давлением изменяют объем камер двигателя, вызывая движение раб.объема.

Динамический привод – действие потока жидкости или газа на рабочий орган (турбина) – применяются реже.

С

Управляющий орган

Объемный привод

Рабочий орган

игнал пневмо- гидравлический эл.сигнал перемещения работа

____________ ___________

Ручное автоматическое управление

Обобщенная величина	Поступательное движение	Вращательное движение
У - перемещение	L [m] (s)	ф [rad]
V – скорость	Y [m/s]	W [rad/s] угловая
H – воздействие (дин.величина)	F [H] – сила	M [H*M] момент силы
σ - инерция (гравитация)	M [kg] масса	J [H*M2] момент инерции

В зависимости от задачи управление:

Стабилизирующее – скорость на выходе постоянна

Программные – скорость изменяется по программе

Следящие – закон изменения скорости заранее неизвестен (известны пределы)

По характеру движения выходного звена ОП:

Поступательное

Вращательное

Поворотное

По источнику подачи рабочей среды (РС) подразделяют:

Насосные (компрессорные)

Аккумуляторные

Магистральные

По способу управления ОП подразделяют:

Дроссельные – при помощи регулирующего гидроаппарата (пневмо)

Магнитные – при помощи регулирования частоты вращения двигателя, насоса или компрессора

Комбинированные – дроссельные + магнитные

По изменению сигнала управления – непрерывные и дискретные

По наличию ОС – замкнутые и разомкнутые

По виду движения – поступательные, неполноповоротные и с неограниченным углом поворота.

Источники питания гидроприводов.

Источники гидравлической энергии: (ИГЭ)

- гидравлические насосы

- гидравлические аккумуляторы

- преобразователи давления

ИГЭ (гидромашины) – обязательный элемент в структуре ГП.

Могут быть обратимыми – работают в режиме насоса и гидродвигателя.

Насосы (гидравлические).

Функция – создание давления рабочей жидкости на выходе из насоса при определенной ее подаче в ед. времени.

Принцип действия – объемное вытеснение РЖ из рабочих камер насоса с помощью вытеснителей. Энергия движения ведущего вала преобразуется в энергию потока рабочей жидкости путем периодического изменения объема их рабочих камер, герметически отделенных друг от друга и попеременно сообщающихся с входом и выходом насосов (с помощью всасывания и нагнетания).

Вытеснители насосов – поршни, пластины, зубья шестерен, кулачки.

Наиболее распространены – вращательные насосы.

Выбор гидропривода при проектировании МТС проводится из анализа основных характеристик (техн.) насосов, т.е. насосы изготавливаются с определенными характеристиками и по этим характеристикам делается выбор для конкретного механизма.

V₀ - рабочий объем насоса – объем жидкости, втесняемый в гидросистему за один оборот вала (или разность между наибольшим и наименьшим значениями замкнутого объема за один оборот вала или один двойной ход рабочего органа насоса). Ряд рабочих объемов (номинальных) регламентируется ГОСТом.

Q[м³/c] – объемная подача насоса. Q= V₀*n, где n частота вращения вала насоса. Действительная подача Qд несколько ниже из-за утечки. Утечки происходят через зазоры конструкций, из рабочих камер обратно во всасывающую полость, в дренажную гидролинию.

n [об/мин] – наибольшая частота вращения вала в течение установленного ресурса с сохранением параметров в пределах норм, зависит от приводного давления.

Pном=F/S – наибольшее давление, при котором насос должен работать в течение установленного срока службы с сохранением параметров в пределах установленных норм (номинальное давление регламентируется ГОСТом).

N [Вт] – мощность потребляемая насосом от приводного двигателя.

Nпол=Q*P – полезная мощность – мощность, сообщаемая насосом РЖ.

ζ= Nпол/N – гидравлический коэффициент полезного действия.

Объемный КПД насоса ζоб= Nпол/(Nпол+Nутечки) или ζоб= Qд/(Qд+Qутечки)

ζмех=(N-Nмех)/N – механический КПД с учетом потерь на трения (Nмех)

ζs= ζ* ζоб* ζмех – общий КПД насоса.

Nэл=P*Q/(60* ζ) – мощность электродвигателя.

Характеристика насоса(графики): зависимость давления при постоянных значениях частоты и вращения, вязкости и плотности РЖ на входе насоса (V₀, Q, N, ζ = f(p))