Здесь можно найти учебные материалы, которые помогут вам в написании курсовых работ, дипломов, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.
Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение оригинальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения оригинальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, РУКОНТЕКСТ, etxt.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии так, что на внешний вид, файл с повышенной оригинальностью не отличается от исходного.
Результат поиска
Наименование:
Курсовик Разработка электропривода для программного управления линейным перемещением механизма подъёма промышленного робота. Расчет нагрузок, действующих на привод. Проверка двигателя и редуктора на нагрев. Моделирование цифровой модели данного электропривода.
Информация:
Тип работы: Курсовик.
Предмет: Схемотехника.
Добавлен: 05.03.2010.
Год: 2010.
Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%
Описание (план):
44
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Тема: "Проектирование управляемого привода в электромеханических системах" Техническое задание на проектирование управляемого электропривода
1. Конструктивная схема (рис. 1) промышленного робота (ПР) с грузоподъемностью от 10 до 30 кг, используемого в сборочных операциях в автомобильной промышленности. ПР - автоматическая стационарная машина, имеющая исполнительный механизм (манипулятор) с тремя степенями подвижности. Два механизма поворота, расположенные в шарнирах 1 и 2, осуществляют программные повороты 1(t), 2(t) вокруг вертикальных осей (1-1 и 2-2 соответственно), механизм подъема 3 осуществляет поступательное перемещение С3(t) объекта манипулирования, зажатого в захватывающем механизме 4. В механизме подъема 3 использована зубчато-реечная передача с зубчатой рейкой 5 и зубчатой шестерней 6.
Рис. 1. Конструктивная схема промышленного робота
2. Перемещения по степеням подвижности осуществляются последовательно, начиная с перемещения 1(t).
3. Силовой модуль первого из индивидуальных приводов промышленного робота (рисунок 1) сосредоточен в центре масс шарнира 1. Центр тяжести груза (объекта манипулирования) совпадает с центром приведения масс захватывающего механизма 4.
4. Для данного ТЗ управляемый привод по координате 1(t) - программный, типа «угол - угол».
5. Описание и параметры программных траекторий рабочих циклов исследуемого привода приведены на рисунках 2 и 3.
Рис. 2. Первая из двух возможных траекторий рабочего цикла для первого привода
Рис. 3. Вторая из двух возможных траекторий рабочего цикла для первого привода
6. Масса зубчатой рейки mp= 5 кг, минимальное mmin= 15,5 кг и максимальное mmax= 25 кгзначения массы груза вместе с массой захватывающего механизма.
7. Длина звеньев манипулятора l1= 0,5 ми l2= 0,5м(рис. 1).
8. Массы звеньев m1= 54 кг и m2 = 4 кг.
9. Расстояние от центров масс звеньев до соответствующих шарниров 1 = 0,25 м и2 = 0,25 м.
10. Динамическ е моменты инерции J1 = 0,3 кг.м2 и J2= 0,25 кг.м2первого и второго звеньев относительно вертикальных осей, проходящих через их центры масс. Максимальный J3max = 0,3 кг.м2и минимальный J3min= 0,15 кг.м2 динамические моменты инерции третьего звена: зубчатой рейки с захватывающим механизмом и грузом.
11. Коэффициент вязкого трения Квт = 0,04.
12. Момент сухого трения Мо = 0,05 Н.м.
13. КПД редуктора = 0,65.
14. Передаточное отношение зубчато-реечной передачи iрп.
15. Параметры усилителя мощности kу = 220, T= 0,0015 с.
16. Статическая cт = 1,0% и динамическая д = 0,9% допустимые погрешности привода.
17. Прямые показатели качества: перерегулирование = 25%и время переходного процесса tпп = 1,5c. Введение
Управляемый электропривод получил широкое применение во всех сферах жизни и деятельности общества от промышленного производства до бытовой техники. Широта применения определяет исключительно большой диапазон мощностей электроприводов и значительное разнообразие их исполнения. В управляемом электроприводе нашли применение и получили развитие основные достижения современной техники управления.
В ходе выполнения курсовой работы необходимо разработать конкретный электропривод, программно управляющий угловым перемещением промышленного робота-манипулятора по одной из трех степеней подвижности.
Для наглядности корректности функционирования синтезированного управляемого электропривода выполнение работы включает построение его цифровой модели и оценку ее качественных показателей, используя средства компьютерного моделирования.
1 Энергетический расчет привода
1.1 Определение заданных программных траекторий
Определим постоянную времени , относительно которой рассчитываются уравнения траекторий
, (1.1)
.
Приведем максимально возможное значение угловой координаты перемещаемой нагрузки к размерности [рад].
, (1.2)
Рассчитаем неопределенные параметры для первой возможной траектории движения рабочей нагрузки за время одного цикла работы двигателя.
Таблица 1.1
t
[0; t1]
at
a
[t1; 2t1]
b
0
[2t1; 13t1]
0
0
[13t1; 14t1]
0
[14t1; Tц]
a
Для нахождения параметров траектории решим систему уравнений (1.3), приравняв значения угла поворота и скорости нагрузки в общих для сопряженных участках точках.
. (1.3)
Из второго уравнения системы (1.3) получим зависимость для параметра b и подставим его в первое выражение.
. (1.4)
Получим численные значения параметров a и b.
(1.5)
По формуле 1.5 найдем параметры a и b:
.
Таблица 1.2
, рад
, рад.c-1
, рад.c-2
[0; 1.333]
0.916
[1.333; 2.667]
1.2215
0
[2.667; 17.333]
0
0
[17.333; 18.667]
-1.2215
0
[18.667; 20]
0.916
Максимальные значения:
а) угла поворота нагрузки ?1m(t) = 2.443 рад,
б) угловой скорости нагрузки p?1m(t) = 1.2215 рад/c-1,
Рассчитаем неопределенные параметры для второй возможной траектории движения рабочей нагрузки за время одного цикла работы двигателя.
Таблица 1.3
t, c
[0; t1]
at
a
[t1;2t1]
[2t1; 13t1]
0
0
[13t1; 14t1]
[14t1; Tц]
a
Для нахождения параметров траектории решим систему уравнений (1.6), приравняв значения угла поворота и скорости нагрузки в общих для сопряженных участках точках.
, (1.7)
. (1.8)
Рис. 1.1. Первая из двух возможных траекторий рабочего цикла для первого привода
Из первого уравнения системы (1.8) получим формулу для параметра b и подставим его в третье выражение, а затем функциональные зависимости для параметров a и b - во второе уравнение
, (1.10)
Получим численные значения параметров a,b и ?:
,
,
Таблица 1.4
t, c
[0; 1.333]
1.374t
1.374
[1.333; 2.667]
[2.667; 17.333]
0
0
[17.333; 18.667]
[18.667; 20]
1.374
Максимальные значения:
а) угла поворота нагрузки ?1m(t) = 2.443 рад,
б) угловой скорости нагрузки p?1m(t) = 1.833 рад/c-1,
в) углового ускорения нагрузки p2?1m(t) = 1.374 рад/c-2.
Рис. 1.2. Вторая из двух возможных траекторий рабочего цикла для первого привода
1.2 Расчет статической и динамической нагрузки на проектируемый привод
Рис. 1.3. Многомассовая нагрузка привода
При определении энергетических параметров проектируемого привода сложную многомассовую нагрузку привода (рис. 1.3) приводят к одному валу - валу двигателя. Для этого многомассовую нагрузку с мощностью заменяют маховиком той же мощности на валу двигателя и вращающимся со скоростью вала двигателя.
, (1.11)
где - к.п.д. механической передачи от вала нагрузки к валу двигателя.
С другой стороны,
, (1.12)
где - момент приведенной нагрузки к валу двигателя, - момент на валу нагрузки, , - угловые скорости вала двигателя и вала нагрузки, соответственно (рис. 1.3), . Подставляя (1.12) в (1.11), получаем:
,
откуда: ,
где - передаточное отношение механической передачи между валом двигателя и валом нагрузки (передаточное число редуктора).
Моменты, действующие на валу нагрузки, можно разделить на две группы. К первой группе относятся динамические моменты, величина которых пропорциональна ускорениям и моментам инерции движущихся масс нагрузки. Ко второй группе относятся моменты статические , связанные с противодействующими усилиями: моменты сухого и вязкого трения, момент статического сопротивления подъему груза.
Таким образом, момент нагрузки, приведенный к валу двигателя,
.(1.13) Динамические моменты нагрузки приводов
Динамический момент нагрузки первого привода определяется уравнением
,(1.14)
где - ускорение на валу нагрузки; - момент инерции нагрузки.
Нагрузка первого привода является телом сложной конфигурации, поэтому определим как сумму моментов инерции отдельных частей нагрузки относительно оси вращения 1-1:
(1.15)
Динамический момент инерции третьего звено J3 принимает значения в диапазоне от J3 min до J3 max. Масса груза, зажатого в захватном устройстве m, может меняться в пределах от mmin до mmax. Изменение данных параметров приводит к изменению момента инерции нагрузки J?.
Определимминимальное и максимальное значение момента инерции нагрузки J?:
Наибольшего значения величина динамического момента нагрузки привода достигает при максимальном угловом ускорении рабочей нагрузки
(1.16)
Определиммаксимальный динамический момент нагрузки привода для первой возможной траектории рабочего цикла первого привода по формуле 1.16.
Определиммаксимальный динамический момент нагрузки привода для второй возможной траектории рабочего цикла первого привода:
Статические моменты нагрузки приводов
Движению в механизмах поворота противодействуют статические моменты сопротивления: моменты вязкого и сухого трения, характерные для зубчатых передач механизмов поворота.
Момент вязкого трения пропорционален угловой скорости вала нагрузки и определяется уравнением: (1.17)
где - коэффициент вязкого трения, зависящий от вязкости и температуры смазывающих масел.
Момент сухого трения в большинстве случаев считают независимым от скорости и направленным против нее: (1.18)
здесь .
Согласно (1.17), (1.18), статический момент нагрузки первого привода (1.19)
а его максимальное значение (1.20)
По формуле 1.20 найдем максимальный статический момент нагрузки привода для первой возможной траектории рабочего цикла:
.
По формуле 1.20 найдем максимальный статический момент нагрузки привода для второй возможной траектории рабочего цикла:
.
1.3 Предварительный выбор двигателя
Исходными данными для выбора двигателя являются приведенный к валу двигателя момент рабочей нагрузки , максимальные значения скорости и ускорения нагрузки, определяемые по возможным траекториям рабочего цикла.
Выбор исполнительного двигателя начнем с расчета требуемой максимальной мощности на валу двигателя в рабочем режиме. При этом предположим, что нагрузка перемещается с максимально возможными скоростью и ускорением. Мощность двигателя должна быть достаточной для обеспечения этого режима, наиболее тяжелого для двигателя.
Для первого привода, осуществляющего поворот , требуемая мощность исполнительного двигателя, с учетом (1.14) и (1.19):
.(1.21)
По формуле 1.21 вычислим требуемую мощность двигателя для отработки первой из двух возможных траекторий движения рабочей нагрузки:
.
По формуле 1.21 вычислим требуемую мощность двигателя для отработки второй из двух возможных траекторий движения рабочей нагрузки
.
Выберем исполнительный двигатель с номинальной мощностью не меньшей .
Выбор будем осуществлять согласно следующим критериям:
1. - привод ПР работает в интенсивных динамических режимах требующих высокого быстродействия, поэтому необходимо выбирать двигатель с минимальным собственным моментом инерции,
2. - при уменьшении массы двигателя - уменьшается статические и динамические нагрузки на 1 и 2 приводы в ПР,
3. - т. к. увеличивается качество регулирования,
4. - поскольку уменьшение сопротивления в якорной цепи приводит к снижению нагрева двигателя,
5. - чем ниже скорость вращения двигателя, тем меньшее передаточное число требуется обеспечить, а, следовательно, выбрать более простой редуктор, подходящий по массогабаритным характеристикам и его КПД,
6. - больший ток в якорной цепи обеспечивает выше номинальный момент двигателя (мощность).
(1.22)
Согласно (1.22), для первой траектории будем выбирать двигатель, придерживаясь данных значений мощности: .
Для обеспечения движения рабочей нагрузки по первой из двух рассматриваемых траекторий наиболее подходящими приводами являются двигатели [1], приведенные в таблице 1.5.
Таблица 1.5
Серия
двигателя
Тип
двигателя
Pдном,
Вт
nдном,
рад/с
Uя ном,
В
Iяном,
А
Rя,Ом
Jд.10-6
кг•м2
Tяц,
мс
mд,
кг
ДВИ
ДВИ-211-02
120
628
27
7.4
1.3
23
0.50
3.4
СД
СД-150
150
786
60
4.2
2.8
193
0.3
2.7
Для второй траектории, .
Для обеспечения движения рабочей нагрузки по второй траектории наиболее подходящими приводами являются двигатели [1], приведенные в таблице 1.6.
Таблица 1.6
Серия
двигателя
Тип
двигателя
Pдном
Вт
рад/с
Uя ном,
В
Iяном,
А
Rя,Ом
Jд,
кг•м2
Tяц,
мс
mд,
кг
2П
2ПБ90МУХЛ4
280
167.6
110
3.9
2.69
0.004
23.05
24
ДВИ
ДВИ-321-02
340
111
110
4.0
2.85
0.005
22.63
27
1.4 Выбор передаточного числа редуктора
Для определения передаточного числа редуктора привода используется графический метод, позволяющий просто учесть нежесткость механической характеристики двигателя.
. (1.23)
По уравнению требуемого момента на валу двигателя (1.23) строится график зависимости максимального значения момента от передаточного числа редуктора i. На график наносят прямую, параллельную оси абсцисс, ограничивающую значения момента, допустимого на валу двигателя с учетом возможной перегрузки его по мощности:
, (1.24)
где - номинальный момент выбранного двигателя.
Минимальное значение требуемого достигается при передаточном отношении редуктора , которое обращает в ноль производную .
Если , то возможных значений не существует, следует выбрать другой двигатель и повторить расчеты.
Выбранный диапазон возможных значений i корректируют, исходя из условия обеспечения требуемого максимального значения угловой скорости нагрузки :
(1.25)
где - располагаемая скорость двигателя при максимальном требуемом моменте на его валу.
На другом графике строят механическую характеристику двигателя по уравнениям:
- коэффициент потерь, вводимый для обеспечения запаса по скорости, рекомендуется выбирать .
Теперь найдем передаточное число редуктора для каждого выбранного двигателя.
1.4.1 Первый двигатель для первой траектории
Зависимость имеет вид:
, (1.27)
Подставим данные двигателя сети ДВИ (таблица 1.5) в уравнение момента (1.27), получим зависимость максимального значения момента от передаточного числа редуктора i:
,
.
Найдем значение номинального момента по формуле:
. (1.28)
.
Используя (1.24) найдем :
.
При помощи программного пакета MathCad построим графики зависимости максимального момента (рис. 1.4), а также по формуле 1.26 механическую характеристику (рис. 1.5).
,
.
Выберем , тогда механическая характеристика двигателя примет вид:
,
,
.
Построим графики зависимости максимального момента и располагаемой скорости нагрузки от передаточного числа редуктора, и механическую характеристику двигателя.
Рис. 1.4. Зависимость максимального момента Рис. 1.5. Механическая и располагаемой скорости нагрузки характеристика двигателя от передаточного числа редуктора
Найдем граничные значения и , используя пакет MathCAD 2001:
.
При выборе конкретного значения передаточного числа i редуктора необходимо остановиться на минимально возможном значении из диапазона.
Для первого двигателя первой траектории выбираем .
1.4.2 Второй двигатель для первой траектории
Подставим данные двигателя серия СД (таблица 1.5) в уравнение момента (1.27), получим зависимость максимального значения момента от передаточного числа редуктора i:
,
.
Найдем значение номинального момента по формуле 1.28:
.
Используя (1.24) найдем :
.
При помощи программного пакета MathCad построим графики зависимости максимального момента (рис. 1.6), а также по формуле 1.26 механическую характеристику (рис. 1.7).
,
.
Выберем , тогда механическая характеристика двигателя примет вид:
,
.
Построим графики зависимости максимального момента и располагаемой скорости нагрузки от передаточного числа редуктора, и механическую характеристику двигателя.
Рис. 1.6. Зависимость максимального момента Рис. 1.7. Механическая и располагаемой скорости нагрузки характеристика двигателя от передаточного числа редуктора
Найдем граничные значения и , используя пакет MathCAD 2001:
.
Для второго двигателя первой траектории выбираем .
Проведя проверку на нагрев двигателей первой траектории, мы получили очень высокие значения передаточных чисел (, ). Выбор редуктора с таким передаточным отношением и при допустимой массе редуктора, не превышающей массу двигателя больше, чем в 2 раза, невозможен.
1.4.3Первый двигатель второй траектории
По формуле 1.23 найдем зависимость :
,
Подставим данные двигателя серии 2П (таблица 1.6) в уравнение момента (1.27), получим зависимость максимального значения момента от передаточного числа редуктора i:
,
.
.
Используя (1.24) найдем :
.
При помощи программного пакета MathCad построим графики зависимости максимального момента (рис. 1.8), а также по формуле 1.26 механическую характеристику (рис. 1.9).
,
.
Выберем , тогда механическая характеристика двигателя примет вид:
,
.
Построим графики зависимости максимального момента и располагаемой скорости нагрузки от передаточного числа редуктора, и механическую характеристику двигателя.
Рис. 1.8. Зависимость максимального момента Рис. 1.9. Механическая и располагаемой скорости нагрузки характеристика двигателя от передаточного числа редуктора
Найдем граничные значения и , используя пакет MathCAD 2001:
.
Для первого двигателя второй траектории выбираем .
Наиболее подходящим по своим параметрам из найденных в справочных источниках информации редукторов является червячный одноступенчатый редуктор 5Ч 80[2].
Основные характеристики выбранного редуктора:
- максимальный передаваемый крутящий момент ;
- коэффициент полезного действия ;
- подводимая расчетная мощность ;
- масса ;
- передаточное отношение ;
- габариты .
Максимальный передаваемый крутящий момент на тихоходном (выходном) валу редуктора к валу двигателя
. (1.29)
Так, как значение момента больше, чем величина допустимого момента на валу двигателя , следовательно, редуктор подобран верно.
1.4.4 Второй двигатель второй траектории
Подставим данные двигателя серии ДВИ (таблица 1.6) в уравнение момента (1.27), получим зависимость максимального значения момента от передаточного числа редуктора i:
.
Найдем значение номинального момента по формуле 1.28:
.
Используя (1.24) найдем :
.
При помощи программного пакета MathCad построим графики зависимости максимального момента (рис. 1.10), а также по формуле 1.26 механическую характеристику (рис. 1.11).
,
.
Выберем , тогда механическая характеристика двигателя примет вид:
,
.
Построим графики зависимости максимального момента и располагаемой скорости нагрузки от передаточного числа редуктора, и механическую характеристику двигателя.
Рис. 1.10. Зависимость максимального момента Рис. 1.11. Механическая и располагаемой скорости нагрузки характеристика двигателя от передаточного числа редуктора
Найдем граничные значения и , используя пакет Mathcad 2001:
.
Для второго двигателя второй траектории выбираем .
Наиболее подходящим по своим параметрам из найденных редукторов является цилиндрический двухступенчатый редуктор 1Ц2У 100[4].
Характеристики выбранного редуктора:
- максимальный передаваемый крутящий момент ;
- коэффициент полезного действия ;
- масса ;
- передаточное отношение ;
- габариты .
Максимальный передаваемый крутящий момент на тихоходном (выходном) валу редуктора к валу двигателя определим по формуле 1.29:
Поскольку значение момента больше, чем допустимый момент на валу двигателя , следовательно, редуктор подобран верно.
1.5 Проверка двигателя привода на нагрев
Двигатель будет работать не перегреваясь, если среднее значение потерь его мощности в якорной цепи за время рабочего цикла не превышает потерь мощности в номинальном режиме :
. (1.30)
Среднее значение потерь мощности за время рабочего цикла пропорционально квадрату среднего значения момента за названное время:
. (1.31)
Из неравенства (1.30) и уравнения (1.31) следует, что условием нормального теплового режима двигателя является требование:
, (1.32)
,
где - эквивалентный момент двигателя за время рабочего цикла, поэтому условие нормального теплового режима принимает вид
. (1.33)
Таким образом, при проверке двигателя на нагрев необходимо знать закон изменения момента двигателя, в течение всего рабочего цикла. Разобьём рабочий цикл привода на характерные участки и для каждого из них найдём описание . Эквивалентный момент двигателя находим в удобном для практического использования виде:
, (1.34)
. (1.35)
где - эквивалентные моменты двигателя на соответствующих участках цикла.
Режим разгон двигателя.
При проверке двигателя на нагрев необходимо учесть, что скорость двигателя не может изменяться мгновенно, поэтому траекторию необходимо сгладить в участках разгона и торможения. Максимально возможный момент двигателя определяется допустимой величиной тока в якорной цепи. Обычно
, (1.36)
тогда и момент
.(1.37)
Моменту, развиваемому при разгоне, препятствует сила трения, поэтому ускорение в механизме:
. (1.38)
Время, необходимое для разгона:
. (1.39)
Режим торможение двигателя
Режиму торможения способствуют силы трения в механизмах поворота и силы тяжести нагрузки в механизмах подъема при подъеме груза. Двигатель должен развивать тот же максимально возможный момент . Ускорение, развиваемое двигателем при торможении в механизмах поворота и подъема груза в механизмах подъема:
. (1.40)
Время, необходимое для торможения
. (1.41)
1.5.1 Проверка на нагрев первого двигателя первой траектории
Из рисунка 1.1 видно, что скорость в моменты времени t=2t1 и t=13t1 изменяется скачком. Двигатель не сможет обеспечить такой режим работы, поэтому необходимо предусмотреть участок разгона и участок торможения.
Разобьём время рабочего цикла на 7 интервалов времени:
1. [0; t1],
2. [t1; 2t1-tторм],
3. [2t1-tторм; 2t1],
4. [2t1; 13t1],
5. [13t1; 13t1+tразг],
6. [13t1+tразг; 14t1],
7. [14t1; Tц]. Режим разгона
Момент, развиваемый двигателем на участке разгона:
.
Для первого двигателя первой траектории .
По формуле 1.38 определим ускорение при разгоне:
.
Время, необходимое для разгона:
. Режим торможения
На участке торможения двигатель должен развивать тот же максимально возможный момент .
По формуле 1.40 рассчитаем ускорение при торможении:
.
Время, необходимое для торможения:
.
Графики траектории, скорости и ускорения нагрузки, с учётом введённых участков разгона и торможения, показаны на рис. 1.12.
Рис. 1.12. Первая измененная траектория рабочего цикла
Состояние покоя
Момент, требуемый от двигателя на любом из участков траектории, определяется в соответствие с (1.14) и (1.23):
(1.42)
Рассчитывая моменты для любого из участков траектории, рассуждаем следующим образом: составляющие уравнения 1.42, в которые входит ускорение, берем с теми знаками, как показывает диаграмма. Знак статического момента, приведенного к валу двигателя, выбираем так: если сопротивление нагрузки помогает режиму на данном участке (например, режим торможения), тогда знак статического момента берется противоположным знакам слагаемых, в которые входит . Если сопротивление нагрузки мешает (например, режим разгона), от двигателя требуется момент больший, значит, знак статического момента выбирается такой же, как у слагаемых, в которые входит .
Таблица 1.7
