СЕРВОПРИВОД СТРОИТЕЛЬНОГО 3Д ПРИНТЕРА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 69.001.5

В.В. Кузнецов

СЕРВОПРИВОД СТРОИТЕЛЬНОГО 3Д ПРИНТЕРА

Для перемещения исполнительного органа в 3Д принтера применяется сервопривод. По способу управления сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. Аналоговые управляются аналоговым сигналом - частотой, параметры которой задаются с помощью широтно— импульсной модуляции или ШИМ. Цифровые управляются цифровым сигналом, представляющим собой кодовые команды, передаваемые по последовательному интерфейсу.

Ключевые слова: принтер, шаговый двигатель, передаточные функции, программа.

Управляющий сигнал - это импульсный сигнал с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией), представляющий собой последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой 3-5 В и длительностью от 0.9 до 2.1 мс. Длительность импульса и определяет положение исполнительного механизма (рисунок 1).

Минимальное значение (1 мс) - означает разворот в крайнее левое (или против часовой стрелки -400...-800 в зависимости от модели) положение, среднее значение (1.5 мс) - центральное положение штока, а максимальное значение (2 м/с) - крайнее правое (по часовой стрелке +40о...+80о в зависимости от модели) положение.

^ 0.9 мг ■ механизм э крайнем лезем (прптуи чэговои стрелке) гщлажн+|

—* !.5мс -меяэнкзы в <

центральном полотен« £ 1 f

2J ыс - механизм в крайнеim правом (по

часовой стрел««) положении

период 20 Mb или частота 50 Гц

Рис. 1. Диаграмма длительности импульса

Сервоприводы вращательного движения делятся на синхронные и асинхронные. Синхронный сервопривод - позволяет точно задавать угол поворота (с точностью до угловых минут), скорость вращения, ускорение. Разгоняется быстрее асинхронного, но в разы дороже. Асинхронный сервопривод -позволяет точно задавать скорость, даже на низких оборотах.

По принципу действия сервоприводы бывают:

1)Электромеханический;

2)Электрогидромеханический.

© Кузнецов В.В., 2019.

Научный руководитель: Турышева Евгения Сергеевна - кандидат технических наук, Сибирский федеральный университет, Россия.

Движение у электромеханического сервопривода формируется электродвигателем и редуктором. У электрогидромеханического сервопривода движение формируется системой поршень-цилиндр. У данных сервоприводов быстродействие на порядок выше в сравнении с электромеханическими.

Главные части сервопривода - это его двигатель, элементы управления и передача, блокировка, сигнализация, система включения/выключения, элементы обратной связи.

3Б принтер, состоит из рамы способной передвигаться самостоятельно или буксироваться в качестве прицепа, подвижной каретки на которой закреплена форсунка, устройства управления позволяющего принимать графические изображения конвертировать их в команды и контролировать передвижение каретки и рамы дорожного принтера по осям XYZ. Ось X при этом ограничена шириной области печати конкретного экземпляра устройства выполненного на базе данного технического решения.

На рисунке 2 приведена расчетная схема ходового оборудования строительного 3Д принтера.

Рис. 2. Расчетная схема ходового оборудования строительного 3Д принтера: R - радиус колес; т1 - масса тележки; т2 - масса колеса; g - 9,8 м/с2 ; V - скорость перемещения; а - ускорение; f - коэффициент трения качения колес

Тележка строительного 3Д принтера состоит из кузова массой т1 и двух одинаковых колес массой Ш2 и радиусом R [1]:

E =-1—;г + 2-1—^ +-1—+

1

1

2m V2 -mV2 -I za2 2I два2 2mnpV2

(1)

где Jдв - момент инерции ротора двигателя.

Кинетическая энергия системы:

I = т Я2 , - момент инерции колеса относительно его оси; г 2

2(I!+1 дв)

т = т +2 т ~ +--=-, - приведенная к кузову масса системы.

пр 1 2 К 2 Производная от кинетической энергии по времени:

1

Момент сопротивления качению: Суммарная мощность всех сил:

dE dt

2m пр 2V

— = m V dv пр a

dt

M ск = mfg,

(2)

(3)

с1Е

Учитывая, что — = л Р ■.

Ж 1'

z р, =

(M - f (m-g + 2m 2 g))V

R

Откуда требуемый момент на валу двигателя:

(М - / (т1 я + 2т 2 я))У

m V =■ пр a

R

(5)

Исполнительным механизмом привода служит шаговый двигатель с реечной передачей (рисунок 3).

Привод состоит из горизонтально закрепленной на валу двигателя шестерни радиусом R с моментом инерции J и рейки массой т и длиной L.

т

+/-F

Рис. 3. Расчетная схема механизма с реечной передачей: R - радиус шестерни; J - момент инерции; m - масса тележки; L - длина рейки; £р - коэффициент трения в реечной передаче

Для определения крутящего момента в системе с вращающимся цилиндром, необходимо знать момент инерции:

Момент инерции шестеренки определяется следующим образом:

1

I =--,

шест

2m_____,„.R рол

шест

Момент инерции зубчатой рейки:

2

I „ = т _ Я2, реик реик

Суммарный момент инерции шестеренки и рейки:

I = I +I ~ , сум шест реик'

Кинетическая энергия системы:

1

E =

2I ^о2 21а2 2mV2 2mпра>2

1 дв +1

где т = т +--, - приведенная масса системы.

пр я 2

Производная от кинетической энергии по времени:

ёЕ

-= т V ,

Ж пPa

(6)

(7)

(8)

(9)

1

1

1

Суммарная мощность всех сил:

(M - f то (m8 ))V

s Pl=— р

Я (11)

Производная от кинетической энергии по времени определяется мощностями внешних сил:

МЕ

— = 2 Р1,

М (12)

Величина вращающего момента М, который нужно приложить к шестерне, определяется по угловому ускорению:

М = Ям а + Г те, пр у тр

р р (13)

Сервоприводы с бесколлекторным мотором появились сравнительно недавно и на данный момент выпускаются только компанией Футаба. Преимущества те же что и у остальных бесколлекторных моторов: нет щеток, а значит они не создают сопротивление вращению и не изнашиваются, скорость и момент выше при токопотреблении равном коллекторным моторам. Применяются цифровые или аналоговые. Цифровые и аналоговые сервоприводы механически не отличаются друг от друга. Сервоприводы управляют мотором с помощью импульсов напряжения, подаваемых на мотор. Напряжение при этом постоянно и равно напряжению питания приемника (4.8-6В). Частота импульсов стандартна - 50Гц. Чем длиннее импульс, тем быстрее вращается мотор и больший момент развивает. Точно так же работает большинство регуляторов моторов. Подобное поведение можно получит включая и выключая бытовой вентилятор. Чем реже включаем тем медленнее вращается, а чем чаще и дольше держим включение - тем быстрее.

В покое на мотор не подается напряжение, а если лишь слегка отклонить стик передатчика, то на мотор пойдет короткий импульс напряжения. Чем больше перемещение стика тем шире импульс питания для мотора, и тем быстрее сервопривод двигается в нужное положение. Важно, что на малых перемещениях на мотор подаются короткие импульсы малой мощности, т.е. если внешняя сила медленно сдвигает вал с места, сначала на мотор подаются слабые сигналы и чем сильнее отклоняется стик или дальше смещается вал от точки удержания, тем более мощные импульсы питания посылаются на мотор. Короткие слабые импульсы не могут заставить мотор вращаться быстро и развивать высокий момент. В этом и состоит проблема всех аналоговых сервоприводов: они медленно и слабо реагируют на малые команды управления или когда внешняя сила сдвигает их с места. Зона низкой скорости и момента называется мертвая зона.

Миниатюрный микроконтроллер анализирует сигнал поступающий с приемника и преобразует его в высокочастотные импульсы управления мотором. В отличии от аналоговых сервоприводов где мотор получает управляющие импульсы 50 раз в секунду, мотор цифрового сервопривода получает таких сигналов более 300 в секунду. Импульсы будут короче, но при таком их количестве сервопривод и ускоряется быстрее и создает постоянный высокий момент. В результате сервопривод имеет намного меньшую мертвую зону, быстрый отклик, быстрый и плавный набор скорости и отличное удержание. Цифровые сервоприводы потребляют энергию бортового аккумулятора, их расход увеличен. В случае использования встроенного в регулятор линейного ВЕС, его мощности достаточно для питания постоянно отрабатывающих цифровых сервоприводов. Оптимально в таких случаях использовать внешний или встроенный импульсный ВЕС.

На рисунке 4 приведен общий вид сервопривода. Положительный провод для питания, обычно 4.8В или 6В, отрицательный провод и сигнальный провод. Управляющий сигнал передает информацию о требуемом положении выходного вала. Вал связан с потенциометром, который определяет его положение. Контроллер по сопротивлению потенциометра и значению управляющего сигнала определяет, в какую сторону требуется вращать мотор, чтобы получить нужное положение выходного вала. Чем выше напряжение питания сервопривода, тем быстрее он работает и больший момент развивает.

Управляющий сигнал представляет собой импульсы переменной ширины. Импульсы повторяются с постоянной частотой, которая измеряется в герцах. Большая часть приемников генерирует импульсы с частотой 50Гц. Это означает, что они передают команды о требуемом положении сервопривода 50 раз в секунду. Положение сервопривода определяется шириной импульса. Для типичного сервопривода, используемого в радиоуправляемых моделях, длительность импульса в 1520 мкс означает, что сервопривод

должен занять среднее положение. Увеличение или уменьшение длины импульса заставит сервопривод повернуться по часовой или против часовой стрелки соответственно.

Рис. 4. Устройство сервопривода

Скорость сервоприводов измеряется временем поворота качалки сервопривода на угол 60 градусов при напряжении питания 4.8В и 6В. Например, сервопривод с параметром 0.22с/60° при 4.8В поворачивает вал на 60 градусов за 0.22с при напряжении питания 4.8В. Это не так быстро, как может показаться. Наиболее быстрые сервоприводы имеют время перемещения от 0.06 до 0.09с.

Момент сервопривода измеряется по весу груза в кг, который сервопривод может удерживать неподвижно на качалке с плечом 1 см. Указывают две цифры, для напряжения питания 4.8В и 6В. Например если указано, что сервопривод развивает 10кг/см, значит, что на качалке длиной 1см сервопривод может развить усилие 10 кг, прежде чем остановится. Для качалки в 2см такой сервопривод сможет развить усилие 5кг, а на 5мм целых 20кг. Важным аспектом, который надо отметить является условие работы серводвигателя строго в системе G-кодов. Другими словами движущие элементы двигателя ориентируются по 3 основным осям координат (соответственно это X,Y,Z). При этом за разность в значениях координат отвечают импульсы энергии, которые подаются на двигатель. При каком-либо смещении, относительно оси координат, рабочие параметры серводвигателя также изменяются.

Библиографический список

1 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.

2 Kohtz D. Messen, Steuern und Regeln mit PIC-Mikrocontrollern / D. Kohtz. - 4. Auflage. - Franzis Verlag GmbH, 2003. - 191 s.

3 Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Б.А. Ивоботенко и др. Под общ. ред. М.Г. Чиликина.

- М.: Энергия, 1971. - 624 с.

4 Кобринский, А.А. Манипуляционные системы роботов / А.А. Кобринский, А.Е. Кобринский. - М.: Наука. глав. ред. физ.-мат. лит., 1985. - 344 с.

5 Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1988. - 392 с.

6 Конструирование роботов: Пер. с франц. Д.М. Далечиной, М.С. Фанченко, В.И. Чебуркова / П. Андре и др. Под общ. ред. А.М. Долгова. - М.: Мир, 1986. - 360 с.

7 Мехатроника: Пер. с япон. С.Л. Масленникова / Т. Исии и др. Под общ. ред. В.В. Василькова. - М.: Мир, 1988. - 318 с.

8 Острем, К. Системы управления с ЭВМ: Пер. с англ. / К. Острем, Б. Виттенмарк. Под ред. С.П. Чеботарева.

- М.: Мир, 1987. - 480 с.

9 Jost R. Experimente mit Programmierbarer Logik / R. Jost. - Franzis Verlag GmbH, 2006. - 312 s.

10 Тихонов А.О., Цывинский М.М. Эволюция приводов на базе шаговых двигателей [Электронный документ] (http ://www. servotechnica. ru/ catalo g/

КУЗНЕЦОВ ВИКТОР ВИКТОРОВИЧ - магистрант, Сибирский федеральный университет, Россия.