Линейный привод поперечных колебаний сварочной горелки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313.323

ЛИНЕЙНЫЙ ПРИВОД ПОПЕРЕЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ СВАРОЧНОЙ ГОРЕЛКИ В.А. Медведев, А.И. Шиянов, Е.Н. Коровин

В статье рассматривается задача создания линейного привода для роботизированной сварки. Определена конструкция линейного двигателя для перемещения сварочной горелки перпендикулярно линии шва. Разработаны цилиндрический линейный синхронный двигатель, а также система управления линейного привода

Ключевые слова: линейный синхронный двигатель, сварочная горелка, линейный привод

Роботизация процесса дуговой сварки сложных изделий является одной из важнейших задач современной сварочной техники. Ручная дуговая сварка трудоемка, требует большого количества квалифицированных кадров, сравнительно дорога и не может обеспечить однородность продукции.

Для улучшения качества шва при дуговой сварке металлов необходимо осуществлять поперечные колебания сварочной горелки.

Решение данной проблемы возможно несколькими способами: использование специального оборудования (осциллятора); осуществление поперечных колебаний горелки за счет приводных двигателей сварочного робота; использование линейного привода поперечных колебаний горелки.

Существующие осцилляторы, колеблющие горелку, имеют большие габариты и вес, что затрудняет их применение при роботизированной сварке сложных изделий. Поэтому рассмотрим вариант установки линейного привода поперечных колебаний горелки. На рис. 1 показана схема такого устройства, где приняты обозначения: 1 - запястье робота; 2 - линейный двигатель; 3 - рабочий (подвижный) элемент линейного двигателя; 4 - сварочная горелка.

Рис. 1. Схема устройства для поперечных колебаний сварочной горелки

Медведев Владимир Алексеевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 278-43-05

Шиянов Анатолий Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 221-00-69

Коровин Евгений Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 246-76-99

В ходе теоретического исследования линейных двигателей по критерию максимума удельных тягово-энергетических показателей установлено следующее. Наиболее перспективными в плане энергетики являются цилиндрические линейные синхронные двигатели (ЦЛСД) с коротким беззубцовым индуктором статора, несущим да-фазную обмотку возбуждения, состоящую из кольцевых катушек, и подвижной части - штока, несущего полюса чередующейся полярности, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Цилиндрический линейный синхронный двигатель

Преимущества данной конструкции электрической машины обусловлены следующими основными факторами:

- кольцевые катушки обмотки не содержат лобовых частей;

- силы одностороннего магнитного притяжения в цилиндрическом двигателе скомпенсированы;

- обмотка не содержит “пассивной” части, обтекаемой токами, что определяет меньший уровень электрических потерь в ней;

- отсутствие зубчатости позволяет повысить равномерность скорости движения, а также точность позиционирования линейного привода;

- наличие высококоэрцитивных редкоземельных магнитов позволяет работать при повышенных немагнитных зазорах, обеспечивая при этом высокие удельные энергетические показатели машины.

Для существующих ЦЛСД с возбуждением от высококоэрцитивных магнитов, которые имеют лучшие удельные энергетические показатели среди линейных электрических машин, предельное значение тяговой силы на один квадратный сантиметр площади развёртки рабочего зазора лежит в интервале 0,6^0,7 Н/см2.

Схема обмотки двухфазного индуктора цилиндрического линейного синхронного двигателя показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема обмотки линейного двигателя

Основой для расчёта ЦЛСД являются следующие данные:

- предельные габаритные размеры;

- критическое значение электромагнитной тяговой силы ^эгк, Н;

- синхронная скорость штока Ух, м/с;

- максимальная полезная мощность Р2 тах , Вт;

- напряжение питания и, В;

- число фаз обмотки якоря т.

Расчёт ЦЛСД осуществлялся следующим образом.

1. Электромагнитная мощность явнополюсного ЦЛСД с магнитно-электрическим возбуждением в пренебрежении активным сопротивлением обмотки якоря

m U Ea m U 2

P =-------------- sinq + -

2

11

V xq

sin (2- в), (1)

где Еа - ЭДС, наводимая в обмотке якоря;

6 - угол нагрузки;

хс - индуктивное сопротивления по продольной оси С;

хч - индуктивное сопротивления по поперечной оси д.

2. Максимальная активная электромагнитная мощность при ЭДС Еа = и будет в случае в ~ п/4 определяться следующим выражением:

P

2 • xr,

л

V xq

(2)

3. ЦЛСД с гладким якорем и коэффициентом полюсного перекрытия а = Ьп / т® 1 (Ьп - ширина

полюса; т- полюсное деление) относится к неявнополюсным синхронным двигателям, поэтому хс = хд, при этом в соответствии с (2) получаем:

P

m U1

V2 • x

(3)

4. На основании соотношения между потребляемой и электромагнитной мощностью P1 = m-U-Ia = P2 max/cosj с учётом того, что Еа = U и в ~ п/4 и при питании от транзисторного инвертора напряжения коэффициент мощности cos ф

ЦЛСД близок к единице, для расчётной мощности ЦЛСД получаем:

P2 max = m-U-Ia, (4)

где Ia - ток якоря.

5. Площадь активной поверхности ЦЛСД

Sa = (2p + 1)-Т-La , (5)

где р - число пар полюсов.

6. Максимальная тяговая сила

F = F -S (6)

т max туд a 5 V'-'/

где Fx уд = (10-13)о 10-3 (Н/мм2) [1, 2].

7. Расчётная мощность

P2 max = F max -VS • (7)

8. Ток якоря в продолжительном режиме работы (действующее значение)

1 max = P2 max/(m - UX (8)

9. Диаметр расточки якоря

D ={!• p +1) •т

(9)

10. Синхронная скорость вращения ^ и линейная синхронная скорость штока V1 связаны соотношением

(10)

11. Постоянная Арнольда для конструкции синхронного двигателя

С = Ls- Da1 Qs

С А —

P

(11)

где: ЬЙ - длина пакета якоря;

Р2 - расчётная мощность.

12. Линейная нагрузка обмотки якоря ЦЛСД определяется током всех витков обмотки на единицу аксиальной длины активной части:

А = т-м-1а/т, (12)

где м д;

- число витков в катушке; д - число катушек на полюс и фазу.

13. Из (12) определим число витков в катушке:

= А- т/(т-1а-д). (13)

14. Исходя из линейной нагрузки А = 17000 А/м, а также величины СА определим индукцию в зазоре

2 (14)

B, =■

п - ку -кр -кс - а - к, - А - С.

у р с I А

где ку - коэффициент укорочения (ку = 1);

крп - коэффициент распределения обмотки якоря для п-ой гармоники поля;

кс - коэффициент скоса (кс = 1); а = Ьп /т - коэффициент полюсного перекрытия;

к-^ = 4/п - коэффициент формы поля.

15. Сечение меди элементарного провода катушки

5М = 1а/(а- }доп), (15)

где 5м - сечение меди, мм2;

а - число параллельных ветвей;

Удои - максимально допустимая плотность тока, А/мм2.

п

x

x

d

d

В качестве основы для разработки системы управления линейным двигателем использован микроконтроллер AVR ATmega 32 семейства Mega производства фирмы «Atmel», представляющий собой 8-разрядную микро-ЭВМ, предназначенную для встраиваемых приложений [3]. Выбор микроконтроллера ATmega 32 обусловлен следующими его достоинствами.

1. Быстрая гарвардская RISC-архитектура загрузки и выполнения большинства операций в течение одного периода работы тактового генератора. При этом достигается скорость работы около миллиона операций в секунду на частоте 1 МГц. Отсутствует внутреннее деление частоты, как, например, в микроконтроллерах PIC.

2. Программы содержатся в постоянной памяти программ Flash ROM. Эта память может быть электрически перепрограммирована до 1000 раз, что облегчает настройку и отладку систем. Кроме того, возможность внутрисхемного программирования позволяет не вынимать микроконтроллер из целевой схемы в процессе программирования, что значительно ускоряет процесс разработки систем на основе этих микроконтроллеров.

3. Система команд микроконтроллеров AVR изначально проектировалась с учетом особенностей языка программирования высокого уровня Си, что позволяет получать после компиляции программ на Си более эффективный код, чем для других микроконтроллеров. Это обеспечивает выигрыш и в размере полученного кода (в объеме памяти на кристалле), и в скорости работы микроконтроллера, что является очень важным при управлении в режиме реального времени.

4. Микроконтроллеры AVR имеют 32 регистра, каждый из которых напрямую работает с АЛУ. Это значительно уменьшает размер программ. В других микроконтроллерах, как правило, для осуществления, например операции сложения, требуется три команды. В микроконтроллерах AVR операции сложения и вычитания занимают всего одну команду.

5. Небольшое потребление энергии и наличие нескольких режимов работы с пониженным потреблением энергии обеспечивают экономичность системы управления.

6. Наличие дешевых и простых в использовании программных средств. Многие полноценные программы доступны в свободно распространяемом варианте, как, например, отладчик AVR Studio,

программатор AVR универсальный (C)NML, а также графическая среда разработки программного обеспечения для микроконтроллеров с архитектурой AVR “Algorithm Builder”.

7. Узлы PWM (широтно-импульсная модуляция), таймеры/счетчики, аналоговый компаратор и последовательный порт UART встроены в микроконтроллеры и могут управляться с помощью прерываний, что значительно упрощает работу с ними.

8. Все микроконтроллеры AVR имеют постоянную память данных EEPROM, которая может быть электрически перепрограммирована более 100 000 раз.

Микроконтроллер ATmega 32 позволяет непосредственно управлять силовыми ключами инвертора и принимать от датчиков данные при минимуме дополнительных узлов, так как многие периферийные схемы имеются непосредственно на кристалле микроконтроллера.

Разработанная схема силового инвертора для питания фаз ЦЛСД проста и в то же время обладает всеми необходимыми функциями благодаря использованию современной элементной базы. Мостовая схема построена на МОП- транзисторах IRF540 (2П769В). В соответствии с задающим ШИМ-сигна-лом осуществляется двухполярная симметричная коммутация МОП- транзисторов с введением паузы включения транзисторов, защиты от пониженного напряжения питания по всем каналам, а также блокировки всех каналов при токовой перегрузке.

Использование микроконтроллера ATmega 32 позволяет уменьшить размеры конструкции линейного привода и снизить потребление от источника питания. Также уменьшается время на разработку и отладку программного обеспечения и, следовательно, сокращается цена программного обеспечения. Малопотребляющая КМОП-технология в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие / энергопотребление.

Литература

1. Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н.. Линейные индукционные двигатели. М.: Энергоатомиз-дат, 1991. 255 с.

2. Копылов И.П. Проектирование электрических машин / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев. 3-е изд., испр. и доп. М.: Высш. шк., 2002. 757 с.

3. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2007. 592 с.

Воронежский государственный технический университет

LINEAR DRIVE OF CROSS-SECTION FLUCTUATIONS OF THE WELDING TORCH V.A. Medvedev, A.I. Shijanov, E.N. Korovin

In article the problem of creation of a linear drive for robotized welding is considered. The design of the linear motor for moving a welding torch perpendicularly lines of a seam is determined. The cylindrical linear synchronous motor, and also a control system of a linear drive are developed

Key words: linear synchronous motor, welding torch, linear drive