Мехатронный электрогидравлический модуль углового вращения

Техническое задание.docx

на проектирование электрогидравлического мехатронного модуля углового вращения
Цель задачи и исходные данные для проведения работы
Электрогидравлический мехатронный модуль углового вращения проектируется как прототип для дальнейших исследований и доработок перед запуском в серийное производство.
Основные требования к установке
1.1.Состав мехатроного модуля и требования к конструктивному исполнению
Данный модуль должен являться самодостаточным т.е. не требует подключения к гидроагрегату
Мехатронный модуль должен быть выполнен таким образом чтобы ось штока гидроцилиндра была перпендикулярна оси электродвигателя. Соединение элементов должно быть выполнено без металлических патрубков и рукавов высокого давления. Насосная станция и гидроцилиндр по соотношению пропорций должны быть выполнены 5050. Габаритные размеры (Д×Ш×В): не более 400×400×400 мм
2.Технические характеристики мехатронного модуля
-Рабочее давление в системе 35 МПа;
-Максимальная скорость перемещения поршня гидроцилиндра 37 смс;
-Максимальное усилие 800кг.
2.2.Электродвигатель
-Максимальный крутящий момент 7 Нм;
-Максимальная скорость вращения 4500 обмин.
1.Требования к надежности и технике безопасности
1.1.Все узлы и механизмы установки должны работать без заеданий и ударов.
1.2.В наиболее ответственных местах должны быть предусмотрены предохранительные устройства от перегрузок.
2.Требования к технологичности производства и эксплуатации.
2.1.Конструкция установки должна быть технологичной при изготовлении эксплуатации и ремонте.
2.2.Составные части модуля должны быть доступны для технологического обслуживания и ремонта.
3.Эстетические и эргономические требования
3.1.Конструкция составных частей установки и их внешний вид должны соответствовать современным требованиям технической эстетики.
3.2.Установка органов управления и усилия прикладываемые к ним человеком должны соответствовать эргономическим требованиям.
Требования к испытаниям установки
1 После изготовления и сборки установка должна пройти испытания на соответствие техническим характеристикам.
2.В случае если после испытаний выявится необходимость внесения изменений и доработки установкидолжен за свой счет выполнить все необходимые доработки и провести повторные испытания.
3.Проверка выполнения условия достижения максимальной заданной рабочей области выполняется за счет виртуальной симуляции конструкции.
Требования к технической документации
1.В результате выполнения работ должна быть разработана и передана Заказчику следующая документация на установку состоящей из элементов перечисленных в п.3.1.1 (1 экземпляр в бумажном и электронном виде):
-конструкторская документация по ГОСТ 2.102-68;
-эксплуатационная документация по ГОСТ2.610 -200

Пояснительная_записка_КРиМПМ.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Направление - Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
Кафедра - Автоматизации и роботизации в машиностроении
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
«Мехатронный электрогидравлический модуль углового вращения»
по дисциплине: «Конструкции расчет и моделирование мехатронных производственных модулей»
(Номер группы) (Подпись) (Ф.И.О.)
(Ученая степень ученое звание должность) (Ф.И.О.)
(Оценка руководителя)(Подпись)
Расчеты и аналитика8
Описание и принцип работы мехатронного модуля8
Расчет гидроцилиндра10
Расчет и выбор зубчатой передачи11
Расчет зубчатого колеса11
Расчет зубчатой рейки13
Выбор аккумулятора14
Подбор элементов мехатронного модуля14
Определение внутреннего диаметра трубопровода18
Определение числа Рейнальдса19
Последовательность выбора элементов мехатронного модуля20
Список используемой литературы23
Мехатроника является новой и динамично развивающейся отраслью науки и техники. Она базируется на знаниях и достижениях в областях механики электроники и компьютерного управления и представляет собой более высокий уровень развития современного машиностроения. В ряде отраслей производства тенденция перехода от механики к мехатронике сегодня доминирует что приводит к появлению более совершенных машин систем и процессов.
Новейшие разработки в области гидравлики отражают тенденции мирового развития промышленного и мобильного гидрооборудования. Данная область техники имеет значительный потенциал для дальнейшего развития особенно в области повышения энергоэффективности.
Современное производство предъявляет к мехатронным модулям движения целый ряд требований: высокая точность реализации исполнительных движений; надежность долговечность; возможность работы при наличии различных видов возмущений и в широком диапазоне температур окружающей среды; значительно меньшие массогабаритные показатели по сравнению с обычным электроприводом. Требования к развиваемым усилиям точности и скорости исполнительных движений диктуются особенностями автоматизируемых операций а требование минимизации размеров — необходимостью встраивания модуля в ограниченное пространство. Попытка синтеза мехатронных модулей движения из имеющихся в наличии серийно выпускаемых компонентов может привести к технически и экономически неэффективным решениям. Рациональным является проектирование специализированного мехатронного модуля движения наиболее полно отвечающего его служебному назначению.
Сложность и противоречивость требований предъявляемых к мехатронным модулям движения обусловливает целесообразность мехатронного подхода к их проектированию. В частности следование принципу синергетической интеграции элементов системы приводит к обеспечению желаемого уровня качества модуля за счет конструктивного и функционального взаимопроникновения его компонентов многие из которых являются специализированными и создаются в ходе параллельного системного проектирования с учетом их последующего объединения
Типичными ММ с гидроприводом являются следящие и шаговые модули. Электрогидравлический следящий ММ представляет собой моноблок который состоит из гидродвигателя вращательного или поступательного движения дросселирующего распределителя с электроуправлением регулирующих и управляющих аппаратов а также электрических датчиков обратной связи . Примеры следящих мехатронных модулей — поворотный следящий привод СП и привод поступательного движения ПЭГС. Поворотный следящий привод СП (рисунок 1) предназначен для осуществления возвратно-вращательных движений в пределах угла 270º в соответствии с программой поступающей на вход управляющего устройства в виде электрических сигналов.
Рисунок 1. Электрогидравлический следящий привод СП
Шаговый привод ЭМГ18—1 (рисунок 2) состоит из аксиально- поршневого гидромотора типа Г15—2 следящего устройства в виде кранового золотника и шагового электродвигателя типа ШД-4. Вал гидромотора 1 муфтой 2 связан со втулкой 3 внутри которой расположен крановый золотник 4 соединенный с валом шагового двигателя. Каналами в корпусе втулка и крановый золотник сообщаются с напорной и сливной линиями гидросистемы а также с рабочими камерами гидромотора (каналы I и II). В нейтральном положении (разрез А-А на рисунке 2) золотник 4 перекрывает каналы во втулке 3 и жидкость в гидромотор не поступает.
Рисунок 2 Схема электрогидравлического шагового привода ЭМГ18—1
К механизмам преобразования движения относятся винтовой реечный кулачковый кривошипно-шатунный кулисный и храповой. Все они преобразуют один вид движения в другой - вращательное движение в поступательное или наоборот поступательное во вращательное.
Винтовой механизм состоящий из винта и гайки широко используют для преобразования вращательного движения в поступательное. Возможно несколько вариантов конструкции и соответственно применения такого механизма.
Ведущим элементом является винт которому сообщается вращательное движение. Гайка закреплена неподвижно поэтому винт вращаясь одновременно будет перемещаться поступательно (механизм слесарных тисков).
Ведущим элементом также является винт которому сообщается вращательное движение но он закреплен так что лишен возможности перемещаться поступательно. Гайка в свою очередь лишена возможности вращаться и будет перемещаться лишь поступательно (механизм продольной подачи суппорта токарного станка с помощью ходового винта).
Ведущим элементом является гайка которой сообщается вращательное движение. Поскольку она закреплена так что может лишь вращаться винт будет двигаться поступательно (механизм винтового домкрата).
Ведущим элементом является гайка которой сообщается поступательное движение. Ведомым движением в этом случае будет вращение винта (механизм быстродействующей отвертки). Возможно и обратное преобразование — поступательного движения винта во вращательное движение гайки.
Первых три варианта используются для преобразования вращательного движения в поступательное а четвертый — поступательного во вращательное. (Последнее преобразование возможно лишь при одном непременном условии — угол подъема винтовой линии должен быть большим.) Кинематический расчет винтового механизма прост: за один оборот линейное перемещение равно ходу резьбы т. е. произведению шага на число заходов.
Один из наиболее распространенных в технике применяемых для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот поступательного во вращательное. Он состоит из шестерни и прямолинейной зубчатой рейки. Рейка - это развернутое зубчатое колесо начальный диаметр которого увеличен до бесконечности.
Таким образом если рейку закрепить неподвижно а шестерню привести во вращение то она будет совершать сложное движение то есть вращаться вокруг оси и передвигаться поступательно вдоль рейки. За один оборот вокруг оси шестерня а вместе с ней и прикрепленный к ней механизм передвинутся на расстояние равное длине начальной окружности то есть произведению шага на количество зубьев. Для определения пути пройденного механизмом за определенный промежуток времени следует перемножить шаг рейки количество зубьев шестерни и количество оборотов совершенных шестерней за этот промежуток времени.
С помощью такого механизма осуществляется продольное перемещение суппорта токарного станка в котором рейка прикреплена неподвижно к станине а шестерня размещенная в фартуке вращаясь вокруг оси перекатывается по рейке и перемещает вместе с собой фартук и суппорт. Примером применения механизма в котором вращательное движение шестерни преобразуется в поступательное движение рейки является перемещение шпинделя сверлильного станка.
Рисунок 3. Реечный механим
Описание и принцип работы мехатронного модуля
Электрогидравлический мехатронный модуль углового вращения принципиальная схема которого показана на рисунке 4 состоит из энкодера 1 серводвигателя 2 муфты 3 шестеренчатого насоса 4 обратного клапана 5 предохранительного клапана 6 гидроцилиндра 7 поршней 8 трехзвенного зубчатого механизма 9 и аккумулятора 10.
Рисунок 4. Принципиальная схема гидравлического мехатронного модуля
Серводвигатель 1 вращаясь передает движение шестеренчатому насосу 4 через муфту 3. Насос нагнетает масло в гидроцилиндр 7 поршни 8 начинают перемещаться перемещая при этом двухстороннюю зубчатую рейку проворачивая зубчатое колесо верхней рейкой. Меняя направление вращения серводвигателя 1 поршень 8 начинает двигаться в обратном направлении в зацепление входит нижняя рейка колесо вращается в одном направлении. Для компенсации объема жидкости установлен аккумулятор 10. Для предотвращения избыточного давления в системе установлен предохранительный клапан 6.
Расчёт гидроцилиндра
Из условий технического задания:
Подбор гидроцилиндра. Рассчитаем площадь гидроцилиндра S:
Pраб – давление в системе кГс; выбирается из ряда стандартных значений.
Расчетный диаметр поршня гидроцилиндра Dp
гдеS – площадь гидроцилиндра см2
Диаметр выбирается из ряда стандартных значений: 16; 20; 25; 32; (36); 40; (45); 50; (56); 63; (70); 80; (90); 100; (110); 125; (140); 160; (180); 200; (220) мм.
Исходя из выше перечисленных условий принимаем гидроцилиндр 2 ряда Dв=70мм=7см.
Расчет и выбор зубчатой передачи
Для передачи возвратно-поступательного перемещения во вращательное есть ряд способов но большинство из них имеют громоздкую конструкцию что увеличивает габариты нашего модуля практически в 2 раза. Чтобы этого избежать был выбран трехзвенный зубчатый механизм с двухсторонней рейкой и зубчатым колесом (рисунок 5). При перемещении поршней верхняя рейка входит в зацепление с зубчатым колесом и проворачивает его на 180° при возвратном перемещении нижняя рейка входит в зацепление с зубчатым колесом и также проворачивает его на 180° далее процесс повторяется. При этом на зубчатом колесе должно быть на один зуб меньше половины всех зубьев по диаметру.
Рисунок 5. Пример трезвенного зубчатого механизма.
Расчет зубчатого колеса
Основным элементом зубчатых колёс являются зубья а основным
параметром зубчатых колёс является модуль. Модуль – это длина диаметра
делительной окружности приходящаяся на один зуб колеса.
Рисунок 6. Основные параметры зубчатого колеса
Шаг P – толщина одного зуба вместе со впадиной измеренная по
делительному диаметру мм.
Делительные диаметры d - диаметры сопряженной пары зубчатых
колес имеющие центры на осях зубчатых колёс и перекатывающиеся один
по другому без скольжения касаясь друг друга в полюсе зацепления.
Делительный диаметр отделяет головку зуба от ножки мм.
Головка зуба ha - часть зуба выступающая над делительным
Ножка зуба hf - часть зуба расположенная под делительным
Высота зуба h - радиальная высота между окружностями выступов и
Диаметр вершин зубьев da - ограничивает вершины зубьев мм.
Исходные данные зубчатого колеса:
Принимаем модуль колеса m=2. Число зубьев Z=20. Диаметр вала Dв=18 мм.
Высота головки зуба h
Высота ножки зуба hf
Делительный диаметр d:
Диаметр выступов зубьев d
Диаметр впадин зубьев df:
Расчет зубчатой рейки
Исходя из зубчатого колеса принимаем модуль рейки нормальный mn=2 Угол профиля зуба рейки α=20º угол наклона зуба =20º.
Модуль основной(торцовый) mt:
Высота головки зуба ha
Высота зуба h (размер справочный):
Длина косого зуба b1:
Линейное перемещение рейки L соответствующее углу
поворота колеса или червяка:
Линейное перемещение соответствует ходу поршней.
Аккумулятор выбирается исходя из объема утечек для их подпитки. Так как они очень малы ввиду отсутствия трубопровода достаточно небольшого аккумулятора емкостью 50 мл.
Подбор элементов мехатронного модуля
Гидроцилиндр ЦГ-70.35х160.22
Основные параметры гидроцилиндра приведены в таблицы 1.
Типоразмер (диаметр цилиндра х диаметр штока мм)
Давление страгивания и холостого хода МПа не более
Таблица 1. Параметры гидроцилиндра
Серводвигатель MSM041B-0300 фирмы Bosch Rexroth.
Технические характеристики:
Максимальная скорость вращения nmax – 4500 1мин.
Стояночный момент M0 – 2.4 Нм
Максимальный крутящий момент Mmax – 7.1 Нм
Энергопотребление 750 Вт
Шестеренчатый реверсивный насос XV – 0R0.17
Мембранный аккумулятор типа AML
Технические характеристики:
Максимальное рабочее давление – 250 бар
Номинальный объем – 0.2 л.
Рабочая температура - от -40 до 150 оС
Степень сжатия – 1:6
Рекомендуемая вязкость жидкости 36 сСт
Картриджные управляемые клапаны ограничения давления резьбового монтажа серии CMP.30
Максимальное давление открытия - 350 бар
пружина 1 макс. - 50 бар
пружина 2 макс. - 140 бар
пружина 3 макс. - 350 бар
Максимальный расход - 100 лмин
Рабочая жидкость - минеральные масла DIN 51524
Вязкость рабочей жидкости 10 ÷ 500 мм2с
Температура жидкости - 25°C ÷ 75°C
Температура окружающей среды - 25°C ÷ 60°C
Уровень очистки с фильтром - 1916 ISO 4406
Определение внутреннего диаметра трубопровода
Внутренний диаметр трубопровода [3 с.391]
гдеQ - максимальный расход на рассматриваемом участке магистрали лмин;
VM - регламентированная скорость течения рабочей жидкости мс;
- регламентированная скорость для напорных магистралей при р=35 МПа;
Из соображений технологичности изготовления отверстия такого диаметра принимаем диаметр трубопровода 10 мм.
В гидроприводах машин предназначенных для работы в стабильных температурных условиях обычно применяют рабочие жидкости минерального происхождения с диапазоном вязкости при температуре 500С примерно 10 40 сСт а именно: трансформаторное веретенное АУ индустриальное турбинное и другие масла. Применение менее вязких жидкостей приводит к увеличению утечек а более вязких – к увеличению гидравлических потерь.
Исходя из вышесказанного выбираем масло минеральное И-30А которое изготовлено из нефти подвергнутой глубокой селективной очистке содержит антиокислительную противопенную антикоррозионную и противоизносную присадки.
= 28 - 33 - вязкость масла при t=500C;
ρ = 890 - плотность масла.
Определение числа Рейнальдса
где Q - расход жидкости ;
d - внутренний диаметр трубопровода мм;
- вязкость жидкости .
если число Рейнальдса >2300 – поток турбулентный
если число Рейнальдса 2300 ламинарный.
Так как для всех трубопроводов режим течения ламинарный то потери в трубопроводах считаются по формуле [3 с.389]
где- вязкость жидкости ;
L- длина трубопровода м;
Q- расход жидкости ;
d- внутренний диаметр трубопровода мм.
Определим потери в модуле в целом
где =35Мпа – рабочее давление;
где=0055 Мпа - потери в предохранительном клапане;
=005 Мпа - потери в обратном клапане.
где- местные потери МПа;
Па - потери в трубопроводе.
Последовательность выбора элементов мехатронного модуля
При проектировании электрогидравлического мехатронного модуля углового вращения в первую очередь необходимо руководствоваться условиями прописанными в техническом задании. В данном случае основным фактором при выборе элементов модуля являлось его компактность. В первую очередь подбирается и расчитывается механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное в нашем случае это трехзвенный зубчатый механизм далее рассчитывался гидроцилиндр исходя из параметров указанных в ТЗ:
Далее подбирается двигатель в нашем случае предпочтение было отдано серводвигателю так как при малых габаритах обладает хорошими техническими характеристиками. После выбора двигателя подбирается шестеренчатый насос. При выборе насоса необходимо учитывать чтобы максимальный крутящий момент двигателя и насоса были равны. После выбора основных элементов модуля рассчитывается объем аккумулятора так как он будет подпитывать утечки в системе. В последнюю очередь подбирается регулирующая аппаратура. В данном модуле из соображения компактности был выбран картриджный управляемый клапан ограничения давления включающий в себя обратный и предохранительный клапан.
Переход от традиционных механизмов и агрегатов к мехатронным модулям и системам является качественным скачком. Его реализация невозможна без изучения разработчиком последних достижений механики электроники компьютерной техники и умения оперировать современными методами расчета и конструирования.
В результате проделанной работы был спроектирован электрогидравлический модуль углового вращения. Данный модуль является самодостаточным т.е. не требует подключения к гидроагрегату.
Список используемой литературы
Башта Т.М. Руднев С.С. Некрасов Б.Б. Гидравлика гидромашины и гидроприводы: - М.: «Машиностроение» 1982.-423с.
Свешников В.К. Усов А.А. Станочные гидроприводы: Справочник: - М.: «Машиностроение» 1988.-512с.
Свешников В.К. Усов А.А. Станочные гидроприводы: Справочник: - М.: « Машиностроение» 1995.-448с.