• RU
  • icon На проверке: 16
Меню

Проектирование привода руки манипулятора робота c двигателем постоянного тока

  • Добавлен: 25.01.2023
  • Размер: 717 KB
  • Закачек: 0
Узнать, как скачать этот материал

Описание

Проектирование привода руки манипулятора робота c двигателем постоянного тока

Состав проекта

icon
icon Чертеж1 (1).cdw
icon
icon Razomknutaiapotoky4.mdl
icon UR41B.m
icon proga.m
icon Razomknutaiapotoky42.mdl
icon Ugolupravlenia.m
icon
icon uniinput.m
icon ReadMe.txt
icon amlahx.ico
icon round2.m
icon amlahx.m
icon amlahx.ini
icon RazomknutaiaSSS.mat
icon приводы роботов.doc

Дополнительная информация

Контент чертежей

icon Чертеж1 (1).cdw

Чертеж1 (1).cdw

icon приводы роботов.doc

Расчет силовых элементов энергетического канала4
1 Расчет сил трения и силового заклинивания в направляющих поступательного движения исполнительного механизма4
2 Выбор электродвигателя4
Проектирование и расчет тиристорного преобразователя4
1 Выбор схемы тиристорного преобразователя4
2 Расчет силового трансформатора4
4 Определение эквивалентных параметров цепи якоря двигателя постоянного тока4
Построение естественных статических характеристик4
Расчет коэффициентов САР и промежуточного усилителя4
Динамический расчет4
Описание принципиальной электрической схемы управления электромеханической системой4
Список использованных источников4
Разработка электромеханической системы привода манипулятора промышленного робота со следующими техническими характеристиками:
Ход объекта манипулирования: h = 0.3 м;
Степень подвижности – поступательная по оси Х;
Точность позиционирования: ±Δ = 0.01 мм;
Масса объекта манипулирования: m = 15 кг;
Масса степени подвижности: М = 13 кг:
Технологическое усилие: Fтехн = 6 Н;
Максимальное ускорение: W = 2.5 мс2 (радс2);
Максимальная скорость: V = 0.7 мс (радс);
Время переходного процесса: tпер = 0.02 с;
Система электропривода: тиристорный электропривод постоянного тока с управлением от микро ЭВМ.
Расчет силовых элементов энергетического канала
1Расчет сил трения и силового заклинивания в направляющих поступательного движения исполнительного механизма
При расчете привода следует учитывать силы сопротивления движению исполнительного механизма. Величина сил трения зависит от величин нормальных реакций в опорах определяемых весом подвижных частей схемой приложения внешних сил и конструкцией направляющих.
Значение силы трения определяется по формуле:
Где - сила трения в i-ой опоре n – число опор - сумма модулей нормальных реакций в опорах - коэффициент трения скольжения или качения.
На рисунке 1 приведена конструкция направляющих узлов обеспечивающих перемещение подвижного органа в требуемом направлении. В случае несоответствия размеров конструкции системе действующих на исполнительный орган сил возможно ситуация когда внешняя движущая сила Р не в состоянии привести исполнительный орган в движение т. е. возникает силовое заклинивание.
Уравнение равновесия исполнительного органа для рисунка 1можно записать в виде:
Где G – вес исполнительного органа с объектом манипулирования т. е. вес схвата плюс вес заготовки q – распределенная нагрузка созданная весом G1 направляющей Ra и Rb – реакции в соответствующих опорах А и В.
Из уравнений (1.2) и (1.3) можно определить реакции в опорах:
Где a = (0.1 – 0.3)h; a = 0.2*h = 0.2*0.3 = 0.06 м;
q = G1(a+h) = M*g(a+h) = 13 кг*98(0.3 м + 0.06 м) = 353.88 Н;
G = (M + m)g = (13 + 15)*9.8 = 274.4 Н;
Условие отсутствия заклинивания для приводов можно записать в виде:
Принимаем F = 560 H.
Если принять то условие отсутствия заклинивания можно записать следующим образом:
Тогда выражение (1.6) запишется в виде:
Следовательно условие отсутствия заклинивания выполняется.
2Выбор электродвигателя
Требуемую мощность приводного двигателя можно определить как:
Где – коэффициент запаса учитывающий возможное увеличение требуемой мощности для динамических режимов движения;
- максимальная линейная скорость перемещения звена манипулятора мс.
Предварительный выбор двигателя обычно производят из справочной литературы [1] по результатам расчёта номинальной мощности.
Таблица 1. Параметры выбранных двигателей
Окончательно требуется выбрать только один из четырех двигателей. Для этого необходимо построить энергетические характеристики каждого а затем по необходимым условиям и параметрам выбрать соответствующий тип двигателя руки манипулятора.
Определим характеристики двигателя.
Для построения энергетической характеристики каждого двигателя необходимо рассчитать следующие параметры:
- номинальную угловую скорость двигателя:
где n – номинальная частота вращения двигателя.
- номинальный вращающий момент двигателя:
Так как двигатель постоянного тока допускается перегружать по току в 2 25 раза то значение расчетного крутящего момента можно принять равным Ммакс = (2-25)·Мном.
Построение характеристик выполняется в координатах (М) Pэнерг(М).
Далее рассчитаем требуемый момент. Для этого примем диаметр шестерни в передаче рейка-шестерня как:
Требуемая угловая скорость:
Требуемый вращающий момент:
Зная расчетный вращающий момент двигателя (рис. 2) рассчитаем ориентировочное значение передаточного числа редуктора:
Определение ожидаемой линейной скорости на выходе редуктора с ориентировочным передаточным числом:
Полученные значения скоростей удовлетворяют принятому условию:
Определение реального передаточного числа редуктора и пересчет линейной скорости перемещения руки манипулятора c учетом выбранного редуктора.
Реальное передаточное число выбирается из ряда (для цилиндрических одноступенчатых редукторов [см. список литературы]):16; 2; 25; 315; 4; 5; 63.
Соответственно выбираем для каждого двигателя ближайшее наибольшее передаточное число. Для первого двигателя передаточного числа из ряда одноступенчатых цилиндрических редукторов не подобрать. Поэтому рассмотрим двигатели: 4ПО80А2 4ПО80В1 4ПО100S1 (табл. 1).
Для 4ПО80А2 примем для 4ПО80В1 примем для 4ПО100S1 примем iред3 = 25.
Пересчитаем линейные скорости с учетом номинальных передаточных чисел редукторов.
Условию соответствует первый редуктор. А ему соответственно один из двигателей. Его и выберем в качестве подходящего - двигатель постоянного тока 4ПО80А2 со следующими параметрами:
-напряжение Uя ном= 220 В; (110 В);
-номинальная мощность Pном = 550 Вт;
-номинальный ток якоря Iя = 35 А; (80 А);
Выбор редуктора осуществляется по параметрам выбранного двигателя и рассчитанным характеристикам: i =5 Рном = 055 кВт Мтр = 1176 Н*м а также геометрическим размерам проектируемого узла если они указаны в задании.
Выбираем редуктор [3] цилиндрический одноступенчатый горизонтальный типа ЦУ-100 с основными параметрами:
Крутящий момент на тихоходном валу Н·м 250;
Номинальная радиальная сила Н
-на входном валу Fвх . 500;
-на выходном валу Fвых .2000;
Номинальное передаточное число 5;
Проектирование и расчет тиристорного преобразователя
1Выбор схемы тиристорного преобразователя
В электромеханической системе усилительно-преобразовательные устройства на основе тиристоров служат в качестве управляемых преобразователей-усилителей напряжения а также мощности переменного и постоянного тока. Разница между управляемыми и неуправляемыми выпрямителями заключается в том что в управляемых переключение фаз выпрямления осуществляется не в момент равенства фазных ЭДС а несколько позже с некоторым углом запаздывания или углом управления α который можно изменять. Для регулирования среднего значения выходного напряжения используют однофазные и многофазные схемы.
В промышленных сетях питание приводов осуществляется от трехфазной системы с частотой переменного тока 50 Гц. Для этого варианта подходит трехфазная мостовая схема для управления двигателем постоянного тока (рис. 3). Её и возьмем за основу и для нее осуществляем расчеты.
Рисунок 3. Трехфазная мостовая схема включения тиристоров
2Расчет силового трансформатора
При расчёте мощности и выборе трансформатора исходными являются следующие основные величины:
а) номинальное выпрямленное напряжение и ток преобразователя;
б) напряжение питающей сети;
в) допустимые колебания напряжения сети;
г) число фаз первичной и вторичной обмоток трансформатора;
Определение напряжения тиристорного преобразователя:
где - коэффициент зависящий от схемы выпрямления;
- коэффициент запаса по напряжению;
– коэффициент запаса учитывающий падение напряжения на активном внутреннем сопротивлении преобразователя;
- коэффициент неполного открытия тиристора.
Определение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора:
Определение линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора:
Определение коэффициента трансформации:
где = 380 – напряжение первичной обмотки трансформатора;
Определение действующего значение тока вторичной обмотки трансформатора:
где – схемный коэффициент вторичного тока;
- коэффициент непрямоугольности;
Определение действующего значения тока первичной обмотки трансформатора:
где – схемный коэффициент первичного тока.
Расчетная мощность трансформатора равна:
где – коэффициент повышения расчетной мощности трансформатора;
Руководствуясь полученными значениями расчетной мощности вторичными фазным и линейным напряжениями обмотки значениями первичного напряжения обмотки частоты сети и количества фаз первичной и вторичной обмоток подбирается трансформатор из числа серийных [4] ТС3-4-380208 со следующими характеристиками:
-Номинальная мощность 4 ;
-Напряжение первичной обмотки 380 В;
-Напряжение вторичной обмотки 208 В;
-Мощность на холостом ходу 75 Вт;
-Мощность при коротком замыкании 135 Вт;
-Ток холостого хода 15%;
-Напряжение короткого замыкания 152 В;
Определение действующего значения токов фазы вторичной обмотки выбранного трансформатора:
Определение полного сопротивления фазы трансформатора:
Расчет потери мощности в обмотках трансформатора при коротком замыкании:
Активное сопротивление фазы трансформатора:
Индуктивное сопротивление фазы трансформатора:
Зная индуктивное сопротивление определим индуктивность фазы трансформатора:
В схемах статических преобразовательных устройств силового типа широко применяются тиристоры являющиеся нелинейными электрическими ключами работающими в функции тока управления. Они устойчиво работают в диапазоне температур окружающей среды от -50 до +125 при относительной влажности воздуха до 98% и на высоте над уровнем моря до 1200 м. Также в ряду их достоинств можно отметить высокое быстродействие и КПД преобразования энергии.
Подбор тиристоров осуществляется по максимальной величине обратного напряжения среднему значению тока через тиристор и т. д.
Определение максимального обратного напряжения:
где – коэффициент определяемый эффективностью защиты при коммутационных режимах;
- коэффициент использования тиристора по напряжению;
Расчет среднего значения тока протекающего через тиристор при номинальном моменте электродвигателя:
где m = 6 – число фаз выпрямленного напряжения.
Определение значения тока на тиристоре при возникновении короткого замыкания на стороне постоянного тока:
По рассчитанным значениям выбираем тиристор Т112-10-6 со следующими техническими характеристиками:
-Время срабатывания 10 мкс ;
-Напряжение управления 75 В;
-Тип охладителя 011-60.
4Определение эквивалентных параметров цепи якоря двигателя постоянного тока
Нахождение сопротивления обмотки якоря с учетом нагрева:
где – сопротивление обмотки якоря двигателя при температуре 15 .
Определение сопротивления обусловленного коммутационными процессами в тиристорном преобразователе:
Определение сопротивление щеточного контакта двигателя:
Определение эквивалентного сопротивления цепи якоря:
Определение индуктивности обмотки якоря:
где = 04 – с компенсационной обмоткой р = 1;
Эквивалентная индуктивность цепи якоря:
Определение электромагнитной постоянной:
Определение электромеханической постоянной:
где – приведенный момент инерции;
– момент инерции якоря двигателя;
= – конструктивная постоянная двигателя;
Построение естественных статических характеристик
В случае работы трехфазной мостовой схемы с малыми нагрузками или для нереверсивного привода выполняемого по трехфазной схеме с общим нулем естественные характеристики будут включать в себя зону непрерывных и прерывистых токов.
Расчет может проводиться для обеих зон однако построение статической характеристики в зоне прерывистых токов связано с громоздкими вычислениями. Часто в этом нет необходимости особенно в случае трехфазной мостовой схемы (m=6) когда эти зоны весьма малы. Важно лишь определить при какой величине тока якоря при заданных параметрах Тя R и m происходит переход от непрерывного тока к прерывистому.
Определение параметра нагрузки:
где – постоянная времени якоря двигателя;
Определение граничного тока.
По рисунку 4 определяем граничное значение относительного падения напряжения в сопротивлении якорной цепи при .
Определение относительного сопротивления якорной цепи:
Найдем граничное значение относительного тока. Оно равно:
Определение относительного перепада скорости при изменении тока от холостого хода до номинального значения:
Определение перепада скорости при изменении тока холостого хода до граничного значения:
По рассчитанным данным строим статическую характеристику привода в относительных единицах:
Рисунок 5 - Естественная характеристика привода
Расчет коэффициентов САР и промежуточного усилителя
Определение коэффициента усиления управляемого преобразователя по напряжению:
где - величина напряжения подаваемого на вход тиристорного преобразователя.
Расчет среднего значения напряжения на выходе ТП при условном холостом ходе для трехфазной системы: Uтп = 250 В α = 10º.
Определяем напряжение на вторичной обмотке трансформатора:
В соответствии с полученным решением напряжение вторичной обмотки трансформатора будет изменено на 110 В.
Построение регулировочной характеристики тиристорного преобразователя (рисунок 6).
Пользуясь построенной характеристикой по величине номинального напряжения двигателя (220 В) определяем угол управления - 290.
В современном тиристорном преобразователе построенном на принципе системы импульсно-фазового управления (СИФУ) зависимость линейная.
Напряжение системы управления в современных СИФУ обычно составляет величину 10 или 12 вольт. Принимаем .
Построение графика зависимости :
По полученной зависимости для угла α = 290 напряжение управления тогда коэффициент усиления тиристорного преобразователя по напряжению равен:
Определение коэффициента усиления двигателя:
Осуществим выбор тахогенератора исходя из следующих соотношений:
Выбираем тахогенератор [5] ТГ-041 со следующими характеристиками:
-Максимальная скорость 3000 обмин;
-Максимальный ток 0022 А;
-Сопротивления якоря 80 Ом;
-Напряжение возбуждения 50 В;
-Ток возбуждения 0 045 А;
-Сопротивление нагрузки номинальное 2500 Ом.
Определяем коэффициент усиления тахогенератора:
В зависимости от требований механизмов работа электроприводов может протекать либо в режимах поддержания заданной скорости двигателя либо в переходных режимах пуска реверса и торможения.
Определение требуемого коэффициента усиления разомкнутой системы:
где – диапазон регулирования;
Расчет коэффициента усиления промежуточного усилителя:
Значения коэффициентов усиления регулятора тока и регулятора скорости:
Динамическая модель приводной системы руки манипулятора представлена на рисунке 8.
Рисунок 8 - Динамическая модель приводной системы
Согласно положениям теории автоматизированного управления каждое звено имеет свою передаточную функцию – отношение выходного значения системы к входному в операторной форме при нулевых начальных значениях. Исходя из этого рассмотрим динамическую модель системы подробнее и проанализируем её на устойчивость.
Значения коэффициентов усиления для каждого звена и постоянных времени рассчитанные ранее:
КРТ = 2188; ТРТ = 99;
КТП = 31; ТТП = 00035;
КДТ = 1.43; ТДТ = 00052;
КТГ = 003; ТМ = 495;
КД= 1102; ТЯ = 00216.
Для определения устойчивости относительно задающего воздействия по критерию Найквиста разрываем цепь обратной связи по двум контурам (скорости и тока) и определяем передаточную функцию системы в разомкнутом состоянии (рисунок 9).
Рисунок 9 - Разомкнутая динамическая приводная система
Построение графиков ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы.
Из графиков (рисунок 10) видно что по критерию Найквиста система не устойчива так как ЛФЧХ пересекает ординату -180 раньше чем ЛАЧХ ось частот. Необходимо скорректировать систему.
Передаточная функция корректирующего звена по контуру тока выглядит следующим образом:
Частота среза среднечастотного диапазона желаемой характеристики:
где tр=0.02 с время переходного процесса;
Получаем частотные характеристики корректирующего устройства (рисунок 11).
Тогда скорректированная система будет выглядеть следующим образом:
Далее рассмотрим систему со стороны контура скорости. Проанализируем частотные характеристики разомкнутой по контуру скорости системы на устойчивость.
Из рисунка 13 видно что система является устойчивой по критерию Найквиста. Введем ПИД-регулятор в контур скорости для поддержания частоты вращения двигателя на постоянном уровне (рисунок 14).
Передаточная функция ПИД-регулятора:
Тогда скорректированная система по контуру скорости будет выглядеть следующим образом (рисунок 15):
Получив желаемые характеристики замыкаем систему и получаем следующий переходной процесс (рисунок 16).
Время регулирования 01 с;
Перерегулирование 8.98 %.
Полученная система имеет вид:
Описание принципиальной электрической схемы управления электромеханической системой
В схеме реверсивного тиристорного электропривода используется 11 интегральных микросхем. Схема силовой части содержит силовой трансформатор и два блока тиристоров собранных по трехфазной мостовой схеме. Электродвигатель постоянного тока питается от блока тиристорного преобразователя ТП1. Для осуществления реверса используется второй блок ТП2. Для управления углом зажигания тиристоров имеется два блока систем импульсно-фазового управления СИФУ1 СИФУ2 формирующих требуемый угол открытия . На блок регулирования подается разность напряжений задатчика скорости и тахогенератора. В цепи которых предусмотрены корректирующие звенья служащие для улучшения формы переходных процессов привода.
На вход УП поступает два напряжения разность которых подается через резисторы R53 и R54 на вход первого операционного усилителя А11. Вход усилителя шунтирован защитными диодами V76 и V77. Цепи W(p)крс и W(p)крт служат для коррекции системы регулирования.
Операционные усилители питаются от блока питания через цепи двойной стабилизации питающего напряжения. УП содержит цепь упреждающего токоограничения состоящую из резисторов R55 R56 и диодов V70 V75. резисторы R55 и R56 образуют делитель напряжения тахогенератора. К диодам V70 V75 приложено выходное напряжение усилителя А10 и напряжение идущее от тахогенератора G. При пуске и торможении двигателя разность приложенных напряжений превышает пороговое напряжение диодов. Одна из ветвей диодов открывается шунтируя вход СИФУ. Силовые тиристоры прикрываются уменьшая ток нагрузки.
Диоды V68 V69 и делители напряжения образованные резисторами R40 R41 R59 R62 предназначены для ограничения выходного усилителя А10 до величины допускающей смещение управляющего импульса не более чем на 600. если выходное напряжение превышает норму то диод V68 или V69 открывается шунтируя выход усилителя А10.
ТП представляет собой тиристоры V32 V36 V40 V44 V48 V52 собранные по трехфазной мостовой схеме. Тиристоры отпираются импульсами положительной полярности подаваемыми на управляющие электроды с вторичных обмоток импульсных трансформаторов Т2 Т7. первичные обмотки трансформаторов питаются от СИФУ. Вентили V34 V54 предназначены для защиты электродов тиристоров от отрицательных импульсов. Конденсаторы С7 С12 шунтируют входы тиристоров по высокочастотным составляющим помех.
СИФУ работает по вертикальному принципу сравнения управляющего напряжения постоянного тока и развертывающего синусоидального напряжения. СИФУ состоит из трех идентичных каналов каждый из которых формирует импульсы управления тиристорами.
Канал управления состоит из узла суммирования нуль-органа на операционном усилителе А2 инвертора А1 и усилителя мощности D1. На вход каждого канала подаются из блока питания развертывающие синусоидальные напряжения сдвинутые по фазе на 1200 относительно друг друга. Их амплитуда регулируется переменными резисторами R19 R29 R39. Цепи R16 C15 C16 являются частью фазосдвигающей и помехозащищающей цепи. Они предназначены для установки начального угла управления тиристорами.
На входах операционных усилителей А2 А4 А6 происходит суммирование синусоид с постоянной составляющей получаемой с выхода УП. Работа каналов идентична: суммарный сигнал состоящий из напряжения синусоиды и напряжения постоянной составляющей с выхода УП подается на вход А2. В зависимости от величины и знака постоянной составляющей исходного сигнала А2 будет отпираться положительной и отрицательной полуволной напряжения и на его выходе ширина прямоугольного импульса будет изменяться.
Через диоды V58 V63 замыканием выключателя S1 может быть подано запирающее напряжение для отключения привода. Чтобы получить достаточную крутизну переднего фронта импульсов резистор R12 охватывает усилитель А2 положительной обратной связью. Обмотка возбуждения двигателя питается от выпрямителя образованного диодами V22 V23 обратным диодом V24 и резистором R8. О правильности чередования фаз питающей сети сигнализирует лампа Н.
Схема привода представляет собой автоматическую замкнутую систему регулирования частоты вращения с отрицательной обратной связью по частоте вращения двигателя. Система снабженная корректирующим устройством создает необходимую жесткость механических характеристик двигателя во всем диапазоне частот вращения и обеспечивает устойчивость и требуемое качество переходных процессов.
В результате проектирования была разработана система управления приводом руки манипулятора робота. Для данной электромеханической системы выбран электродвигатель постоянного тока и одноступенчатый цилиндрический редуктор обеспечив требуемую скорость и момент на выходе исполнительного механизма. По заданию был спроектирован тиристорный преобразователь и к нему рассчитана схема управления. Данная система также была проанализирована со стороны динамических показателей. Рассмотрены контуры тока и скорости что сделало систему авторегулируемой по току и по скорости. При замыкании системы обратными связями переходной процесс отрегулирован так чтобы обеспечивать в системе допустимое значение перерегулирования и удовлетворительное время переходного процесса.
Список использованных источников
Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. М.: высшая школа. 2000г.
Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещеряковой. В 2-х т. – 4 изд перераб. и доп. – М.: Машиностреоние 1986. – 656 с.
Анурьев В. И. Справочник машиностроителя-конструктора. В 3 т. Т. 3. – 8-е издание перераб. и доп. Под редакцией Жестаковой. – М.: Машиностреоние 2001. – 920 с.
Тун А. Я. – Тахогенераторы для систем управления электроприводами. М.: - Л. издательство «Энергия» 1966 г. 112 с.
Брюханов В.Н. Косов М.Г. Теория автоматического управления.М.: Высшая школа. 1999.
up Наверх