О выборе шагового привода для манипулятора типа рука-робот

Стрельцов Н.А.

Министерство образования и науки РФ

Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет

АадижУ{%шсж

ТРУДЫ

МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА

НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО

II то^

ПЕНЗА 2015

УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78

Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:

T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.

ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8

В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.

Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.

Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.

Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.

Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :

Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.

ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8

4. Затылкин, А.В. Система управления проектными исследованиями радиотехнических устройств / А. В. Затылкин / автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Вычислительный центр им. А.А. Дородницына Российской академии наук. Москва, 2012.

5. Затылкин, А. В. Управление исследованиями моделей радиотехнических устройств на этапе проектирования / А. В. Затылкин, А. Г. Леонов, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2012. № 1. С. 138-142.

6. Гришко А.К. Методология управления качеством сложных систем / Гришко А.К., Юрков Н.К., Кочегаров И.И. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 377-379.

7. Затылкин, А. В. Исследование моделей радиотехнических устройств на ранних стадиях проектирования / А. В. Затылкин // Современные информационные технологии. 2011. № 14. С. 113-118.

8. Таньков, Г.В. Волновой метод исследования динамических характеристик упругих конструкций радиоэлектронных средств при нестационарном нагружении / Г. В. Таньков, А. В. Затылкин, Д. А. Рындин // Вестник Пензенского государственного университета. 2013. № 2. С. 101-107.

9. Дедков, В.К. Компьютерное моделирование характеристик надежности нестареющих восстанавливаемых объектов / В.К. Дедков, Н.А. Северцев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. I. С. 368-370.

10. Северцев, Н.А. К вопросу об утрате работоспособности систем / Н.А. Северцев, А.В. Бецков, А.М. Самокутяев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 268-270.

11. Универсальные оценки безопасности. Монография / Дивеев А.И., Северцев Н.А. // Москва, 2005.

12. Синтез оптимального закона управления потоками транспорта в сети автодорог на основе генетического алгоритма / Дивеев А.И., Северцев Н.А. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2003. № 3. С. 87.

13. Северцев, Н.А. Минимизация обобщенного риска угроз безопасности / Н.А. Северцев // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. 2005. № 7. С. 3-10.

14. Критерии и показатели безопасности / Дедков В.К., Северцев Н.А., Петухов Г.Б., Тихон Н.К. // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. 1999. № 1. С. 33-54.

15. Кочегаров И.И. Обзор методик получения нанопорошков / Кочегаров И.И., Трусов В.А., Юрков Н.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 426-428.

16. Кочегаров И.И. Методы контроля дисперсности порошков / Кочегаров И.И., Трусов В.А., Юрков Н.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 475-477.

УДК 642-123 Стрельцов Н.А.

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

О ВЫБОРЕ ШАГОВОГО ПРИВОДА ДЛЯ МАНИПУЛЯТОРА ТИПА РУКА- РОБОТ

Одна из основных задач при разработке манипулятора типа рука-робот - выбрать подходящие двигатели для звеньев манипулятора. В современном оборудовании в приводах могут использоваться шаговые и серводвигатели. Однако излишняя точность позиционирования сервоприводов, являющаяся результатом функции высокой обратной связи, делает их слишком дорогими. Для данного устройства было решено использовать электрические униполярные шаговые двигатели, которые представляют собой достаточно точный и недорогой тип электрических двигателей.

Шаговые двигатели позволяют осуществлять позиционирование ротора с точностью до долей градуса, что является недостижимым для обычных электрических двигателей постоянного вращения, к тому же из-за особенности конструкции они обладают огромным сроком службы и высокой надежностью.

Исходя из конфигурации манипулятора, необходимо подобрать четыре различные по характеристикам и габаритам модели шаговых униполярных двигателя (рисунок 1).

Далее необходимо рассчитать параметры манипулятора для выбора шаговых двигателей.

1. Расчет крутящих моментов шаговых двигателей

Двигатель в клешне должен поднимать груз весом до 100 грамм. Проведем расчет необходимого крутящего момента двигателя для поднятия такого груза.

M4k = 0.1-5см= 0.5кг-см = 0.05Н-м Проведем расчет первого звена (с клешней): Длина звена выберем равной 10 см, вес груза поднимаемого манипулятором примем равным 150г + 100г двигатель = 250г = 0.25 кг.

Тогда крутящий момент третьего двигателя рассчитаем как

Мзк = 0.25-10см= 2.5кг-см = 0.25Н-м Далее проведем расчет второго звена : Длина звена - 10 см

Вес - 250г+150г двигатель = 400г=0.4кг Крутящий момент второго двигателя: M2k = 0.4кг-10см=4кг-см = 0.4Н-м Двигатель в основании вращает всю конструкцию, обладающую максимальной длиной плеча 25

см, однако он вращает ее только в горизонтальной площади что уменьшает нагрузку и необходимый крутящий момент.

Крутящий момент:

.М1*=соз0.5^25см=соз12.5кг^см=9, 7 62кг^см=0,97№м

Теперь, когда нам известны все необходимые параметры, подберем на их основе соответствующие двигатели.

Рисунок I - Кинематическая схема манипулятора

2. Выбор шаговых двигателей

Известные производители шаговых двигателей -Autonics, Motionking, Fulling motor, среди российских компаний - «НПФ Электропривод», «Степ-мотор», «НПО Атом».

Мы выбрали шаговые двигатели из серии FL42STH производителя Fulling Motor с крутящим моментом 1.7-6.5 кг-см. Их технические характеристики приведены в таблице 1.

Технические характеристики шаговых двигателей серии FL42STH Таблица 1

Модель Напряжение питания Ток/ фаза Сопрот./ фаза Индукт./ фаза Крутящий момент Кол-во выводов Момент инерции ротора Вес Дли на

Вал с одной стороны Вал с двух сторон В А Ом мГн Кг-см шт. г •см2 кг мм

Р1_42БТН25-0404А Р1_42БТН25-0404В 9,6 0,4 24 36 1,7 4 20 0,15 25

Р1_42БТН33-0956А Р1_42БТН33-0956В 4 0,95 4,2 2,5 1,6 6 35 0,22 34

Р1_42БТН33-0406А Р1_42БТН33-0406В 9,6 0,4 24 15 1,6 6 35 0,22 34

Р1_42БТН33-0316А Р1_42БТН33-0316В 12 0,31 38,5 21 1,6 6 35 0,22 34

Р1_42БТН33-1334А Р1_42БТН33-1334В 2,8 1,33 2,1 2,5 2,2 4 35 0,22 34

Р1_42БТН38-1206А Р1_42БТН38-1206В 4 1,2 3,3 3,2 2,6 6 54 0,28 38

РЬ42БТН38-0806А Р1_42БТН38-0806В 6 0,8 7,5 6,7 2,6 6 54 0,28 38

РЬ42БТН38-0406А Р1_42БТН38-0406В 12 0,4 30 30 2,6 6 54 0,28 38

РЬ42БТН38-1684А Р1_42БТН38-1684В 2,8 1,68 1,65 3,2 3,6 4 54 0,28 38

Р142БТН47-1206А Р1_42БТН47-1206В 4 1,2 3,3 2,8 3,17 6 68 0,35 47

РЬ42БТН47-0806А Р1_42БТН47-0806В 6 0,8 7,5 6,3 3,17 6 68 0,35 47

Р1_42БТН47-0406А Р1_42БТН47-0406В 12 0,4 30 25 3,17 6 68 0,35 47

Р1_42БТН47-1684А Р1_42БТН47-1684В 2,8 1,68 1,65 2,8 4,4 4 68 0,35 47

Р1_42БТН60-1206А Р1_42БТН60-1206В 7,2 12 6 7 6,5 6 102 0,5 60

На основе проведенных расчетов были выбраны следующие шаговые двигатели (рисунок 2):

1-й Двигатель в основании - ЕЬ4 2БТН60-12 0 6А

2-й Двигатель - ЕЬ4 2БТН4 7-0 4 0 6А

3-й Двигатель - ЕЬ42БТН33-0316А

4-й Двигатель - ЕЬ4 2БТН33-0 95 6А

На проекционном чертеже (рисунок 3) наглядно видны форма и габариты одного из выбранных шаговых двигателей.

Длима

о

Оо ■

а

ги

0 о о

1

|Г* ©

I

3_С

1011

4г ЗМах

оо

I

(Л

Глубин а 4.5Мш

1Л_ 1007 Ауоее

Рисунок 3 - Справочные размеры

Реализация кинематической схемы на выбранных приводах позволит перемещать груз с требуемой массы по заданной траектории.

Выводы

Таким образом, был произведен расчет крутящих моментов четырех двигателей, выбраны марка и модели шаговых двигателей, что позволяет нам приступать к проектированию электронной системы

управления. Создание действующего макета манипулятора планируется к применению в проведении лабораторных работ кафедры «Конструирование и Производство Радиоаппаратуры» Пензенского Государственного Университета по курсу «Автоматизация технологических процессов изготовления электронных средств».

ЛИТЕРАТУРА

1. Автоматизация производственных процессов изготовления радиоэлектронных средств : учеб. пособие / Н. К. Юрков, А. В. Затылкин, В. Г. Недорезов. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - 120 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Юрков, Н.К. Технология радиоэлектронных средств. Учебник/ Н.К.Юрков // Пенза: Изд-во ПГУ, 2012, - 640 с.

3. Затылкин, А. В. Исследование моделей радиотехнических устройств на ранних стадиях проектирования / А. В. Затылкин // Современные информационные технологии. 2011. № 14. С. 113-118.

4. Юрков, Н.К. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом/ А.В.Затылкин, И.И.Кочегаров, Н.К. Юрков //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012. Том 1, С. 365-367

5. Щербакова О.И. Методы изготовления многослойных печатных плат / Щербакова О.И., Граб Ю.А., Белов А.Г., Баннов В.Я., Кочегаров И.И., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 154-157.

6. Затылкин, А. В. Исследование влияния деформационной составляющей внешнего вибрационного воздействия на надёжность радиоэлектронных средств / А. В. Затылкин, Д. А. Голушко, Д. А. Рындин // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 42-43.

7. Юрков, Н.К. Инструментальная среда повышения надежности РЭС/ Н.К. Юрков, Б.К. Кемалов, В.П. Перевертов // Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в 2 т. /под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - 2 т. - с. 192-194.

8. Затылкин, А. В Алгоритмическое и программное обеспечение расчета параметров статически неопределимых систем амортизации РЭС/ А. В. Затылкин, Г. В. Таньков, И. И. Кочегаров // Надежность и качество сложных систем. 2013. № 4. С. 33-40.