Выбор передаточного механизма и расчет мощности электродвигателя

3.         Выбор передаточного механизма и расчет мощности электродвигателя

Прежде, чем выбрать двигатель необходимо рассмотреть сам манипулятор, и привести необходимые параметры к валу двигателя.

Манипуляторы – технические устройства для воспроизведения некоторых двигательных функций рук человека.

Для механизма выдвижения руки манипулятора выбираем шарико-винтовую передачу. Даная передача обеспечивает достаточно высокий коэффициент полезного действия(до 0,9), имеет большой ресурс и малые габариты.

По предоставленным методикам, предоставленным фирмой «SBC Linear Co» выбираем параметры передачи:

- диаметр винта d_В=32 мм;

- шаг винта t_В=10 мм;

- длина винта L_В=1,1 м.

Для данного механизма скорость гайки:

,

где t_B – шаг винта(мм), n_B – частота вращения винта(об/мин).

Частота вращения винта:

Найдем массу винта, учитывая, что плотность стали :

Передаточное число механизма:

Момент инерции винта:

;

Момент инерции поступательно движущейся руки:

;

Суммарный момент инерции механизма:

;

Представим тахограмму перемещений для механизма:

Рис.1. Тахограмма перемещений

Максимально перемещение при максимальной скорости:

,

где S –пройденный путь.

Время движения при максимальном перемещении:

Тогда время разгона и время торможения:

Таким образом максимальное угловое ускорение равно:

Линейное ускорение механизма соответственно:

Определим нагрузки, действующие на вал двигателя:

- статическая нагрузка:

;

- динамическая нагрузка:

;

- центробежная нагрузка:

.

Суммарный момент сопротивления на валу двигателя, соответствующий наиболее нагруженному режиму работы:

;

Выбираем интегрированный шаговый сервопривод фирмы ЗАО «Сервотехника» СПШ20-23017 со следующими параметрами(табл.1):

Таблица 1

Параметр	Значение
Выходная мощность, Вт	70
Момент удержания, Нм	1,8
Номинальный ток, А	3
Напряжение питания блока управления, В	15
Напряжение питания силовой части, В	24-85
Момент инерции вала ротора, кг•см2	0,4
Разрешение энкодера, имп./об.	2500
Наличие нулевой метки	Да
Допустимая эксплуатационная температура окружающей среды, °С	-20…+50
Температура хранения, °С	-40…+50
Исполнение	IP54
Типоразмер	NEMA23
Масса, кг	2

Рис.2 Механическая характеристика СПШ20-23017 при различный значениях питающего напряжения.

Интегрированный сервопривод СПШ объединяет в одном компактном корпусе все необходимое для обеспечения управления движением ротора шагового двигателя в различных режимах работы.

Гибкая система настройки и встроенный контроллер позволяют использовать разработанные «Сервотехникой» сервоприводы в различных областях, а благодаря стандартным фланцам NEMA и компактным размерам СПШ может быть использован и при модернизации оборудования.

Конструктивно сервопривод СПШ можно разделить на следующие основные блоки:

- гибридный шаговый двигатель с габаритами NEMA 23 и 34;

- преобразователь частоты на основе высокопроизводительного DSP процессора;

- блок управления (сервоконтроллер и программируемый логический контроллер в одном корпусе);

- датчик позиции вала мотора.

Преимущества сервопривода СПШ:

- бесшаговое (векторное) управление на основе адаптированного для шаговых двигателей алгоритма;

- высокие динамические показатели за счет использования замкнутых контуров регулирования токов в обмотках двигателя;

- использование замкнутых контуров скорости;

- низкая вибрация за счет динамически регулируемого усилия;

- продуманная конструкция и простой монтаж;

- компактные размеры и небольшая масса.

Особенности сервопривода:

- реализованы режимы управления угловой позицией, скоростью, моментом;

- в базовой прошивке доступен режим плавного разгона/торможения с исключением двух диапазонов резонансных частот;

- точность позиционирования от 6 угловых минут до 8 угловых секунд;

- встроенный программируемый логический контроллер, дающий пользователю возможность создавать программы движения привода без применения внешних контроллеров;

- возможен режим синхронизации работы группы приводов (до 128 приводов на базе промышленной шины CAN);

- реализован режим работы «master-slave»

- наличие интерфейса Step/Dir для задания позиции вала двигателя;

- аналоговый интерфейс ±10 В для задания скорости двигателя;

- блок управления имеет 2 цифровых выхода, 4 электрически развязанных цифровых входа;

- привод имеет встроенную защиту от короткого замыкания, перегрева, повышенного и пониженного напряжения;

- настройка системы управления СПШ может осуществляться по более чем 50 параметрам, что позволяет оптимизировать рабочие характеристики привода для решения каждой конкретной задачи;

- в сервоприводе реализован режим осциллографа, позволяющий с высоким разрешением анализировать качество переходных процессов в приводе.

Данный электропривод может работать в динамическом режиме, при этом управляющий сигнал от контроллера верхнего уровня передается через цифровой интерфейс в режиме реального времени. Динамический режим используется в системах, требующих контурного управления (например, в манипуляторах со сложной кинематикой и координатных столах для точного позиционирования).

Проверка выбранного двигателя по нагреву.

Пусть нагрузочная диаграмма двигателя имеет циклический характер, а момент в каждом цикле не остается неизменным, т.е. двигатель работает с переменной нагрузкой (режимы S6, S7 или S8).

Рассмотрим «далекий» цикл, в котором тепловые процессы в двигателе установились, т.е. температуры перегрева в начале и в конце цикла равны, а в течение цикла t изменяется около среднего уровня tср. Равенство температур перегрева в начале и конце цикла свидетельствует о том, что количество тепла, запасенное в двигателе к началу цикла, не отличается от количества тепла, запасенного в двигателе в конце цикла, т.е. тепло в двигателе не запасается.

В соответствии с документацией, представленной заводом-изготовителем КПД электропривода при моменте нагрузки М_н=0,2 Нм, равен:

;

Номинальные потери двигателя:

;

Тепловые потери:

;

Потери в меди для номинального режима:

;

Механические потери принимаем равными 10% от номинальных:

;

Для электропривода СПШ-10 потери в стали отсутствуют, так как вращающиеся части не содержат ферромагнитных материалов ;

Двигатель выбран правильно, если в процессе его эксплуатации соблюдается условие:

,

где - допустимое превышение температуры для изоляции двигателя, которое определяется классом нагревостойкости изоляции.

;

Коэффициент теплоотдачи:

Вт/°С;

Тогда:

°С;

Для выбранного двигателя предельная температура: °С, допустимое превышение температуры для изоляции двигателя:

°С≥.

Как видно из расчётов, предельное превышение температуры двигателя за время работы ниже допустимого, значит двигатель не будет перегреваться.