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.