CC BY
33
SCIENCE TIME
МОДУЛЬНЫЙ ПОДХОД В ПРОЕКТИРОВАНИИ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
Новосёлов Виктор Анатольевич, Смолькова Екатерина Викторовна, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск
E-mail: vanovoselov@gmail.com
Аннотация. Данная статья посвящена вопросам конструирования мехатронных систем транспортно-технологических машин на основе модульного подхода. Рассмотрены принципы и особенности модульного подхода в проектировании транспортно-технологических машин с использованием мехатронных модулей линейного перемещения. Приведён пример реализации модульного подхода к проектированию транспортно-технологических машин на примере компьютерного моделирования экспериментального транспортно-технологического манипулятора картезианской конструкции с мехатронными модулями линейного перемещения.
Ключевые слова: транспортно-технологическая машина, модульный подход, мехатронный модуль.
В последние годы в практике конструирования машин различного назначения наметилась тенденция к использованию в их составе мехатронных систем и устройств. Мехатронные системы и устройства позволяют поднять технический уровень машин на качественно новую ступень, повысив практически все их функциональные возможности.
Mехатроника - область науки и техники, основанная на объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями в промышленности, энергетике и на транспорте, включая станкостроение, робототехнику, авиакосмическую и биомедицинскую технику.
Особенность проектирования мехатронных систем заключается в
SCIENCE TIME
одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы: разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы.
Задача, решаемая посредством применения транспортно-технологических машин, сводится к перемещению грузов (технологического инструмента) в необходимую точку пространства в пределах рабочей зоны машины по свободной, либо жёстко заданной траектории.
Наиболее просто эта задача может быть решена путём одновременного или последовательного использования линейных перемещений рабочего органа машины (технологического инструмента) вдоль осей X, У, Ъ прямоугольной пространственной системы координат. В некоторых случаях для перемещения в нужную точку рабочего органа машины (технологического инструмента) достаточно одноосевого либо двухосевого перемещений.
Именно на использовании линейных перемещений вдоль координатных осей построена кинематика картезианских конструкций транспортно-технологических машин.
Самым наглядным примером картезианской конструкции транспортной машины является конструкция мостового крана (рис.1).
Мостовой кран в процессе перемещения груза выполняет движения вдоль координатных осей Х,У,Ъ. Тем самым достигается возможность перемещения груза в любую точку рабочей зоны крана.
Рис. 1 Мостовой кран облегчённой конструкции
Большая группа конструкций манипуляторов промышленных роботов работает в прямоугольной (картезианской) системе координат. На рис.2 представлена конструкция картезианского промышленного робота. Робот имеет возможность перемещать грузы в пределах рабочей зоны, представляющей собой параллелепипед.
SCIENCE TIME
Рис. 2 Картезианский промышленный робот
Картезианские конструкции широко применяются при проектировании широкого класса технологических машин, в которых рабочим органом, перемещающимся в пространстве или плоскости, является технологический инструмент. Это может быть окрасочный пистолет, газорезательная горелка, лазер, шпиндель с режущим инструментом и т.п.
В этих машинах важную роль играет траектория перемещения рабочего органа. Это предъявляет особые требования ко всем системам машины. Такие машины оснащаются системами ЧПУ и соответствующими приводами с элементами точной механики на всех управляемых осях.
На рис.3 представлены две базовые конструкции картезианских технологических машин для многоосевой обработки различных материалов.
Рис. 3 Типовые конструкции картезианских технологических машин
На рисунке 3 а показана схема с подвижным столом 4 и поперечной балкой 2 при неподвижном портале. На рисунке 3б показана схема с неподвижным столом 7 и подвижным порталом, состоящим из вертикальных стоек 1 и поперечной балки 2. Перемещение по оси Z во втором случае технологического
*
инструмента 5 происходит по вертикальным направляющим каретки 6.
Конструкции картезианских машин строятся на основе использования мехатронных модулей линейного перемещения различных видов. Это могут быть модули с шариковинтовой передачей, зубчато-ремённой передачей, линейным электродвигателем, пневмо- и гидроцилиндрами.
В систему линейного перемещения обязательно в том или ином виде входит направляющий элемент, задающий траекторию движения вдоль одной оси прямоугольной системы координат.
Траектория движения рабочего органа получается за счёт суммирования перемещений его вдоль координатных осей.
В качестве направляющих в конструкциях картезианских машин используются рельсы, ездовые балки, рельсовые направляющие, цилиндрические гладкие направляющие, цилиндрические направляющие со шлицами и их комбинации.
Перспективным подходом к проектированию подобных машин является использование модульного принципа с применением типовых мехатронных модулей линейного перемещения.
Назначением таких мехатронных модулей является реализация заданного управляемого движения, как правило, по одной управляемой координате.
Мехатронные модули линейного перемещения являются теми функциональными «кубиками», из которых затем можно компоновать сложные многокоординатные мехатронные системы.
Главными преимуществами модульных мехатронных систем являются:
- упрощение кинематических цепей;
- конструктивная компактность модулей;
- возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы;
- быстрая реконфигурация системы;
- относительно низкая стоимость установки, настройки, обслуживания.
Мехатронные модульные системы отличает высокая точность, улучшенные
динамические характеристики, улучшенные массо-габаритные характеристики, унификация аппаратных и программных средств.
Алгоритм проектирования (рис.4) мехатронных модулей направлен на синергетическую интеграцию элемента.
SCIENCE TIME
структурная модель ^^
Модель мехатронной системы
п "1
новый прдукт
Определение требований к мехатронному модулю и машине 1 4 Функциональные требования к мехатронной системе
1
Функиуонально-структурный анализ и оптимиза-иия структуры
Отруктурно-конструкторский анализ и оптимиза-.
ция структуры
I Оема энергети-| ческих и информационных потоков
Конструкция ММ и машины
Мехатронная технологическая
система
Определение функциональных движений мехат- ронного модуля и машины 1 1 Программа 1 движения _ Система управления движением и технологическим процессом
_ J
Рис. 4 Схема алгоритма проектирования мехатронного модуля
При использовании методов автоматизированного проектирования формируются взаимосвязанные функциональная, структурная и конструктивная модели мехатронных модулей, затем планируются движения мехатронной системы в пространстве и во времени, с оптимизацией их, например, по критерию максимального быстродействия.
Проиллюстрируем применение модульного подхода к проектированию транспортно-технологических машин на примере компьютерного моделирования экспериментального транспортно-технологического манипулятора
картезианской конструкции с мехатронными модулями линейного перемещения, выполненной нами в лаборатории транспортно-технологических машин.
Целью проектирования являлась разработка простой и эффективной конструкции 3-х осевого транспортно-технологической системы с использованием мехатронных модулей фирмы Bosch Rexroth, приводных шаговых электродвигателей и CNC системой управления.
Мехатронная система предназначается для экспериментальных исследований новых технологических процессов обработки листового металла и использования в учебном процессе.
Основные исходные данные для разработки конструкции:
- рабочее пространство длина х ширина х высота, мм 520х520х100;
- скорости перемещений по осям, м/мин не менее 5.
В качестве базовой выбрана опорная портальная компоновка с установкой по оси X двух параллельных модулей СКК и боковым креплением к ним по оси У посредством соединительных угловых профилей модуля СКК (рис.5).
Рис. 5 Компоновка транспортно-технологической системы модульной конструкции
По оси Z -установлен специальный модуль типа EMC. Модули осей X, Y, Z выбирались с учётом следующих показателей:
- требуемого хода подвижной каретки;
- рабочей скорости перемещения каретки;
- динамической нагрузки по оси модуля;
- крутящего момента на валу двигателя. Результаты выбора:
а) типоразмеры модулей осей X и Y - CKK15-110, оси Z - EMC32;
б) длины модулей осей X и Y - 735 мм, Z - 400 мм.
В качестве приводного двигателя модулей всех осей выбираем шаговый электродвигатель.
Выбор двигателя произведён на основе следующей системы уравнений :
мн=iMН; JН-i2JH , (i)
( а' s'
( - — ■ а - — ; s = — ,
i ' i ' i (2)
где MH MH - момент сопротивления нагрузки; JH , JH - момент
SCIENCE TIME
инерции нагрузки; с С - скорость вращения; е е - ускорение; а , а -
? ?
единичный угол поворота (переменные, отмеченные штрихом, соответствуют исполнительной оси, без штрихов - валу шагового двигателя)^ - передаточное отношение редуктора..
Исходными данными для выбора двигателя являются значения М н , Н-м;
Jн , кг-м2; а , рад; с , рад/с; е , рад/с2. Предварительный выбор двигателя
осуществляется на основании общих требований к приводу по нагрузке, скорости, ускорению и дискретности исполнительного вала, а также частных требований, связанных с габаритами, массой и потребляемой мощностью.
В комплексе с характеристиками шагового двигателя увязаны характеристики выбранного драйвера двигателя.
Для модулей спроектированной транспортно-технологической системы выбраны шаговые двигатели серии FL57STH76.
Для преобразования вращательного движения вала шагового двигателя в поступательное движение в модулях использована шариковинтовая передача. 9 Передаточное отношение / , величину перемещения гайки 5 , скорость
перемещения гайки V , передаточное число и определены по формулам:
• _ с _ р _ 2л _ 2л
/ ~ V ~ 5 " р ~ рг ()
где с - угловая скорость винта, с-1; V - скорость перемещения гайки,
м-с-1; р -угол поворота винта, рад; 5 - величина перемещения гайки, м; Р2 -ход винта, м; р - шаг винта, м; г - число заходов винтовой линии. Перемещение гайки, м:
5=р = рр = ррг, (4)
/ 2л 2л
где р - угол поворота винта, рад. Скорость перемещения гайки, м-с-1:
тр: сРг (5)
/ 2л 2л У }
Передаточное число:
SCIENCE TIME
и = У^=2УгБв/2 кЭп щ (6)
V р]г Р. Р
где VВ - окружная скорость вращения винта на окружности диаметром
Щ (маховик и пр.), м-с-1; V -скорость перемещения гайки, м-с-1; г -время
полного оборота винта, с; Щ - расчетный входной диаметр на винте (маховика
и пр.), м.
Силовые соотношения в шариковинтовой паре следующие. Вращающий момент, приложенный к винту, Н-м:
м=Ел Ц^ ъ(р+рк), (7)
где Ел - осевая сила, Н; Щср - диаметр окружности, на которой
располагаются центры шариков, мм. Мощность на ведущем звене, Вт:
Т7 V
к = Ел- (8)
Лвп
Для управления двигателями серии FL57STH по всем осям роутера выбран 4-х канальный контроллер Stepdrive-R4-Opto.
Контроллер состоит из четырёх драйверов шаговых двигателей (ШД), объединённых на одной плате и предназначен для оснащения трёх-, четырёхосевых устройств системой ЧПУ или для построения систем позиционирования.
Характеристики контроллера:
- управление 4, 6 и 8-ми выводными шаговыми двигателями;
- дробление шага - 1/16, 1/8, 1/2, 1/1;
- напряжение питания от 15 до 40В;
- возможность управления полным отключением ШД во время простоя.
Система управления обеспечивает прежде всего управление шаговыми
двигателями всех модулей транспортно-технологической системы. В самом общем виде управление шаговым двигателем сводится к задаче отработки определённого числа шагов в нужном направлении и с нужной скоростью. На блок управления шагового двигателя подаются сигналы "сделать шаг" и "задать направление". Сигналы представляют собой импульсы 5В. Такие импульсы можно получить от компьютера, например, от LPT-порта
Система управления создана на базе персонального компьютера с использованием специального программного обеспечения. В качестве
SCIENCE TIME
программного обеспечения выбрана программа Mach-3, работающая в среде операционной системы Windows XP.
Таким образом используя модульный подход разработана простая и удобная для сборки и, в случае необходимости, реконфигурации конструкция транспортно-технологической машины, обладающая всеми атрибутами мехатронной системы.
Подобный подход правомерен и эффективен для разработки различных конструкций подобных устройств.
Литература:
1. Егоров О. Д., Подураев Ю. В. Мехатроника. Конструирование мехатронных модулей. — М.: Издательство МГТУ «Станкин», 2014.
2. Гумен, В.Ф. Следящий шаговый электропривод / В.Ф. Гумен, Т.В. Калининская. - Л.: Энергия, 1980. - 168 с.
3. Каталог продукции Bosch Rexroth Group.
4. Основы робототехники / Н.В. Василенко, К.Д. Никитин, В.П. Пономарев,
А.Ю. Смолин; Под ред. К.Д. Никитина. - Томск: МГП "РАСКО", 1993. - 475 с.
