CC BY
122
УДК 004.896: 621.865
РАЗРАБОТКА МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
А. В. Долгих Научный руководитель - Е. В. Сергеева
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: andreas-dolgikh@yandex.ru
Рассмотрены варианты решения поставленной задачи. Проведен патентный анализ и анализ последних достижений науки и техники. Подобраны материалы, а также рассмотрены дополнительные устройства, для корректной работы данного мехатронного модуля движения (ММД).
Ключевые слова: мехатроника, мехатронный модуль движения (ММД), механическое устройство, мехатронный модуль поступательного движения, двигателя постоянного тока.
DEVELOPMENT MECHATRONIC MODULES TRANSLATIONAL MOTION BASED
ON DC MOTORS
A. V. Dolgikh Scentific Supervisor - E. V. Sergeeva
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: andreas-dolgikh@yandex.ru
The variants of solving the problem. Spend patent analysis and analysis of the latest achievements of science and technology. Selected materials, as well as additional devices are considered, for the correct operation of the mechatronic module Movement (MMD).
Keywords: mechatronics, mechatronic module Movement (MMD), a mechanical device, mechatronic module translational movement of the DC motor.
Для создания современных технологических машин, предназначенных для работы в различных областях науки и техники, необходимы мехатронные модули движения, удовлетворяющие ряду требований: высокой точности реализации исполнительных движений, надежности, долговечности, возможности работы при наличии различных видов возмущений и в широком диапазоне температур окружающей среды, а также значительно меньшим массогабаритным показателям по сравнению с обычным электроприводом.
Мехатронный модуль движения (ММД) представляет самостоятельное изделие, состоящее из механической, электрической (электротехнической) и информационной частей. Используются индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями [1].
Цель проектирования ММД - преобразование исходных данных в конструкторскую реализацию и соответствующую документацию, по которой может быть изготовлена система, удовлетворяющая сформулированным требованиям.
Задача проектирования ММД - разработать мехатронный модуль поступательного движения на базе двигателя постоянного тока с определенными заданными характеристиками. Требовалось переместить груз массой 20 кг на расстояние 1 300 мм, со скоростью 40 мм/с. Приложенная внешняя нагрузка составила 1 500 H.
Под методикой конструирования будем понимать последовательность, взаимосвязь и взаимообусловленность этапов процесса конструирования мехатронного модуля.
Разработанный мехатронный модуль, рассматривался как часть некоторой мехатронной подсистемы, которая в свою очередь являлась частью более крупной мехатронной системы. Такое
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
деление может считаться достаточно типичным, так как уровень сложности современных мехатрон-ных систем заставляет уже при проектировании разбивать их на более мелкие подсистемы [2].
Для достижения поставленной цели, проектирование выполняли в две этапа. На первом этапе проектирования была сформулирована задача (определены «входы» и «выходы», а также выявлены существенные связи данного мехатронного модуля с другими частями мехатронной системы и с внешним окружением). На втором этапе была разработана принципиальная схема, выявлены наиболее важные технические характеристики модуля, вытекающие из его схемы и назначения, и затем подробно прорабатывалась конструкция.
Разрабатываемый ММД должен быть достаточно рациональным. Критериями рациональности конструкции будем называть те признаки (оценки), по которым можно судить о рациональности создаваемого ММД в ходе конструирования. К таким критериям можно отнести технологичность конструкции, минимизацию массы, минимизацию габаритов (объема), надежность, экономичность и т. д.
Выбор критериев рациональности конструкции зависит от множества взаимосвязанных переменных и прежде всего от данных технического задания.
Одна из важных частей разработки мехатронного модуля - это анализ последних достижений науки и техники в области мехатроники. Мехатроника как наука не стоит на месте и с каждым днём становится всё более востребованной в таких сферах как армия, безопасность, а также в лабораториях и в быту. Анализ поставленной задачи и возможное направление ее решения, с учетом проведенного патентно-информационного поиска, состоял в поиске уже запатентованных решений поставленной задачи, выбор более оптимального решения и его усовершенствование. Очень важно понимать принцип работы будущего ММД, для этого нужно знать, что входит в его состав. Основные его части: механическое устройство, исполнительные двигатели, силовые преобразователи, устройство компьютерного управления и информационное устройство [3].
Предварительно была разработана схема ММД, которая в дальнейшем при проведении расчетов уточнялась и корректировалась. Принцип работы ММД состоит в том, что вращение от двигателя передается на цилиндрическую прямозубую передачу. Выходной вал передачи соединен с преобразователем винт-гайка качения и преобразует вращательное движение в поступательное. Далее требовалось провести расчёт и проверить требуемые передачи на совместимость. Прежде чем приступить к расчёту цилиндрической передачи, необходимо было рассчитать и подобрать двигатели. В результате расчетов, был выбран наиболее подходящий, удовлетворяющим условиям работы двигатель.
При разработке мехатронного модуля поступательного движения на базе двигателя постоянного тока необходимо учитывать несколько факторов:
- температура среды работы;
- условия работы ММД;
- конструктивные особенности;
- податливость ММД;
- последние достижения науки.
Каждая из проектируемых частей выполняет в мехатронном модуле свою функцию. Задача выполняемого проекта - не просто связать отдельные части в систему с помощью типовых соединений и преобразователей, а сделать конструктивные связи в мехатронном модуле взаимопроникающими и неразрывными.
После выбора двигателя рассчитали передачу винт-гайки качения. В данном расчёте рассмотрели угловые скорости, геометрические параметры, силы и нагрузки, действующие на передачу. В зубчатой цилиндрической передаче определили число ступеней, подобрали материал и рассчитали контактные напряжения. Для каждого из валов были проведены расчёты крутящих моментов, изгибающих моментов, а также геометрические характеристики валов. Самое важное в расчёте валов -это рассчитать запасы прочности. Особое внимание в расчетах было уделено податливости элементов, входящих в состав ММД, так как передача движения от двигателя к выходному звену мехатрон-ного модуля осуществляется посредством преобразователей движения.
Так как данный мехатронный модуль имеет передачу винт-гайка качения, нам потребовалось подобрать направляющую. Выбрали направляющую с трением качения, так как направляющие с трение качения применяют в тех случаях, когда требуется обеспечить легкость и плавность движения. По сравнению с направляющими трения скольжения эти направляющие имеют меньшие потери на трение, долговечны, малочувствительны к перепадам температуры. Выбирая датчик, прежде всего, необходимо было правильно определить приоритеты по следующим критериям: чувствительность, разрешающая способность и точность, линейность, скорость измеряемого процесса, условия
применения и класс защиты, надежность, габаритные размеры, стоимость. Для разработанного меха-тронного модуля был выбран индуктивный датчик [4].
По результатам исследований и проведенных расчетов был разработан специализированный мехатронный модуль поступательного движения на базе двигателя постоянного тока. ММД обладает улучшенной компоновкой за счет объединения отдельных частей, несущих разные функции, в едином корпусе. Данный проект оказался более рациональным, так как попытка синтеза мехатронного модуля движения из имеющихся в наличии серийно выпускаемых компонентов оказался технически и экономически неэффективным решением.
Библиографические ссылки
1. Егоров О. Д., Подураев Ю. В. Мехатронные модули. Расчет и конструирование : учеб. пособие. М. : МГТУ «СТАНКИН», 2004. 360 с.
2. Таугер В. М. Конструирование мехатронных модулей : учеб. пособие. Екатеринбург : УрГУПС, 2009. 336 с. ISBN 978-5-94614-128-4.
3. Мехатроника : пер с япон. / Исии Х., Иноуэ Х., Симояма И. и др. М. : Мир, 1988. С. 318. ISBN 5-03-000059-3.
4. Подураев Ю. В. Мехатроника. Основы, методы, применение. 2-е изд., перераб и доп. М. : Машиностроение, 2007. 256 с. ISBN 978-5-217-03388-1.
© Долгих А. В., 2016
