Курсовой проект "Проектирование мехатронного модуля поступательного движения"

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор существующих мехатронных модулей

1.1 Классификация мехатронных модулей

1.2 Общая информация и технические характеристики существующих мехатронных модулей

2 Расчётно-конструкторская часть

2.1 Расчёт шарико-винтовой передачи

2.1.1 Расчёт геометрических параметров гайки ШВП

2.1.2 Проверочный расчёт передачи по контактным напряжениям

2.1.3 Проверка винта на статическую устойчивость

2.1.4 Проверка винта на динамическую устойчивость

2.2 Расчёт требуемой мощности двигателя мехатронного модуля

2.3 Определение главных размеров статора и ротора

2.4 Расчёт тормозного устройства мехатронного модуля

2.5 Описание состава и принципа работы мехатронного модуля

3 Информационная подсистема мехатронного модуля

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение

Мехатроника — это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движения, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.

Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением проводятся разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Особенность параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы. Мехатронные системы предназначены для реализации заданного движения. Критерий качества выполнения движения мехатронных систем — проблемное ориентирование, то есть определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины (инструмент на станке). При этом необходимо координировать управление пространством перемещения мехатронных систем с управлением различными внешними процессами.

Базовыми объектами изучения мехатроники является мехатронный модуль, который выполняет движения по одной управляемой координате. Из таких модулей как из функциональных кубиков компонуются сложные системы модульной архитектуры.

К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению традиционными средствами автоматизации следует отнести:

относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;

высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;

высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;

конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации и микромашинах);

улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;

возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:

станкостроение и оборудование для автоматизации технологических процессов;

робототехника (промышленная и специальная);

авиационная, космическая и военная техника;

автомобилестроение (например, антиблокировочные системы тормозов, системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);

нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, грузовые тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);

элементы вычислительной техники (например, принтеры, плоттеры, дисководы);

медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное).

Обзор существующих мехатронных модулей

Классификация мехатронных модулей движения

Основные виды однокоординатных модулей движения, разработанных для решения задач автоматизированного машиностроения:

1) Мехатронные модули вращательного движения на базе высокомоментных двигателей.

Высокомоментными называются двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов и электронной коммутацией обмоток, которые допускают многократную перегрузку по моменту. Для определения положения полюсов на роторе вентильного ВМД устанавливают дополнительные технические средства (например, датчики Холла, индуктивные и фотоэлектрические датчики). Обычно высокомоментные двигатели (ВМД) устойчиво работают на частотах вращения 0.1-1 1/мин, которые типичны для металлорежущих станов и промышленных роботов.

Основные преимущества ВМД определяются отсутствием в приводе редуктора:

- снижение материалоемкости, компактность и модульность конструкции;

- повышенные точностные характеристики привода благодаря отсутствию зазоров;

- исключение трения в механической трансмиссии позволяет существенно уменьшить погрешности позиционирования и нелинейные динамические эффекты на ползучих скоростях;

- повышение резонансной частоты.

В состав современных мехатронных модулей движения на основе ВМД обязательно входят также датчики обратной связи и иногда управляемые тормоза, что позволяет отнести такие ММД ко второму поколению. В качестве датчиков наиболее часто применяются фотоимпульсные датчики (инкодеры), тахогенераторы, резольверы и кодовые датчики положения. Принципиально важно, что модуль "двигательдатчик" имеет единый вал, что позволяет сочетать высокие технические параметры и низкую стоимость.

Также модули данного типа могут применяться в нетрадиционных транспортных средствах: электромобилях, электровелосипедах, инвалидных колясках и т.п.

2) Мехатронные модули типа "двигатель - рабочий орган"

Такие конструктивные модули имеют особое значение для технологических мехатронных систем, целью движения которых является реализация целенаправленного воздействия рабочего органа на объект работ.

В станках с относительно небольшим крутящим моментом (токарных малых размеров, консольнофрезерных, высокоскоростных фрезерных станках) применяются так называемые "моторышпиндели". Отличительной конструктивной особенностью этих электромеханических узлов приводов главного движения является монтаж шпинделя непосредственно на роторе двигателя.

Модули типа "двигатель - рабочий орган" нашли широкое распространение также в электроприводах различных самоходных средств (электровелосипедов и электромобилей, робокаров и мобильных роботов и т.п.).

3) Мехатронные модули линейного движения

Традиционные электроприводы линейных перемещений включают в себя двигатель вращательного движения и механическую передачу для преобразования вращения в поступательное движение (шариковинтовую передачу (ШВП), зубчатую рейку, ленточную передачу и т.п.). С начала 80х годов известны разработки собственно линейных двигателей, однако из-за низких удельных силовых показателей они имели ограниченную область применения (графопостроители, координатно-измерительные машины) и в автоматизированном оборудовании не могли быть использованы.

Основные преимущества модулей на базе ЛВМД по сравнению с традиционными линейными приводами:

- повышение в несколько раз максимальной скорости движения (до 150210 м/мин) и ускорения (в перспективе до 5g);

- высокая точность реализации движения;

- высокая статическая и динамическая жесткость.

Вместе с тем имеется ряд проблем при проектировании и внедрении ЛВМД: более высокая стоимость, необходимость использования систем охлаждения ММД (жидкостной или воздушной), относительно невысокий к.п.д. модуля.

4) Моторы-редукторы

Мотор-редуктор представляет собой компактный конструктивный модуль, объединяющий электродвигатель и редуктор. По сравнению с традиционным соединением двигателя и редуктора через муфту моторы-редукторы обладают целым рядом существенных преимуществ:

- сокращение габаритных размеров;

- снижение стоимости за счет сокращения количества присоединительных деталей, уменьшения затрат на установку, наладку и запуск изделия;

- улучшенные эксплуатационные свойства (пыле- и влагозащищенность, минимальный уровень вибраций, безопасность и надежность работы в неблагоприятных производственных условиях).

Конструктивное исполнение модуля определяется типами используемых редукторов и электродвигателей. В зависимости от технических требований задачи применяются цилиндрические, насадные, конические, червячные и другие виды редукторов. В качестве электродвигателей наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и регулируемыми преобразователями частоты вращения, однофазные двигатели и двигатели постоянного тока.