Расчет и проектирование системы перемещения штока для вытягивания монокристалла сапфира

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"Белгородский Государственный Технологический Университет им. В.Г. Шухова"

(БГТУ им. В.Г. Шухова)

ИИТУС

Кафедра: "Техническая кибернетика"

дисциплина: "ТСАиУ"

Курсовой проект

тема: "Расчет и проектирование системы перемещения штока для вытягивания монокристалла сапфира"

Выполнил: Маслиев Е.А.

Проверил:

ст. препод. кафедры ТК Гольцов Ю.А.

Белгород

2016

Оглавление

Введение

1. Постановка задачи

2. Описание технологического процесса

3. Описание принципа работы системы

4. Расчет элементов системы для выполнения поставленной задачи

Заключение

Список литературы

Приложение 1



Введение

Для улучшения производительности любого производства или действия не требующего сложного аналитического управления применяют автоматическое управление. Таким образом, можно исключить человека, как элемент и использовать только физические процессы для достижения поставленной задачи.

Для осуществления автоматического управления техническим процессом создается система, состоящая из управляемого объекта и связанного с ним управляющего устройства. В свою очередь управляющее устройство строится из элементарных функциональных блоков, которые могут образовывать всевозможные комбинации. Многообразие исполнительных элементов позволяет достигнуть поставленной задачи различными способами. Однако следует иметь ввиду что на использование тех или иных элементов имеются определённые ограничения (быстродействие, габариты, температура и т.д.).

Таким образом, задача автоматизации сводится не только к исключению человека как элемента системы, но и достижению работоспособности процесса при заданных условиях эксплуатации и требуемых исходных данных.



1. Постановка задачи

Необходимо рассчитать и спроектировать систему вытягивания моно-кристалла сапфира в зависимости от приращенной массы. В качестве задающего воздействия используется сигнал регулятора, задающий скорость вытягивания. В качестве возмущающего воздействия - сигнал с тензометрического датчика, информирующий о приросте массы выращиваемого кристалла.

При разработке системы перед разработчиком ставятся следующие задачи:

· разработка принципиальной, функциональной схемы

· расчет и выбор исполнительного устройства системы

· расчет и выбор преобразовательного элемента

· расчет и выбор датчика

Цель курсового проекта заключается в изучении технических средств автоматизации технологических процессов и производств, приобретении навыков выбора и сопряжения серийных ТСА, применении, расчёта и проектирования устройств управления.

2. Описание технологического процесса

Установка предназначена для выращивания объемных монокристаллов из расплавов, например, сапфира методом Чохральского, Киропулоса, и может быть использовано в электронной и полупроводниковой промышленности (рис. 2.1.).

Рис. 2.1. Установка для выращивания кристаллов сапфира

Установка содержит цилиндрическую камеру 1 с крышкой 2 и поддоном 3, установленный в камере блок тепловых экранов, тигель для расплава с размещенным над ним затравкодержателем, связанным со штоком 9, несущую поворотный кронштейн 11 колонну 10 с приводами вращения 12 и перемещения 13 штока 9, вакуумную систему 14, систему питания со шкафом управления 15 и систему охлаждения 16.

Блок тепловых экранов включает верхние и нижние экраны, при этом установка снабжена механизмом подъема крышки, представляющим собой привод 23, установленный на поворотном кронштейне 11 и связанный с крышкой 2 камеры 1 гибким элементом 24, выполненным в виде цепи, причем привод 23 механизма подъема крышки имеет регулируемую муфту предельного момента, настроенную на усилие, достаточное для подъема крышки 2, но проскальзывающую при подъеме штока 9 и неподвижной крышке, кроме того, установка снабжена установленным на колонне с возможностью поворота вокруг оси колонны подъемником 26 для подъема тигля и нижних тепловых экранов, причем подъемник 26 снабжен съемником для установки и съема тигля, при этом верхние тепловые экраны закреплены на внутренней стороне крышки 2 камеры 1, имеющей снаружи три смотровых окна 21, 22, а поддон 3 камеры 1 имеет водоохлаждаемую заглушку с каналом подачи инертного газа, а шкаф управления оснащен дистанционным пультом 30 в виде электронного маховика, установленного на боковой поверхности шкафа. Технический результат изобретения заключается в повышении производительности, возможности выращивания объемных монокристаллов цилиндрической формы в автоматическом режиме, повышении совершенства структуры монокристалла и обеспечении постоянства его размеров по всей длине за счет применения высокоточных механизмов управления на базе промышленного компьютера.

Камера, в которой находится, непосредственно происходит процесс роста, в разрезе выглядит следующим образом:

Рис. 2.2. Внутреннее устройства камеры

Суть метода, разработанного Киропулосом в 1926 - 1930 гг., заключалась в том, что кристаллы выращивают путем плавного и медленного снижения температуры расплава и изменения теплоотвода от кристалла с помощью охлаждаемого штока.

Методом Киропулоса выращивают сапфир диаметром более 350 мм и весом более 80 кг. Соотношение диаметра к высоте может изменяться в интервале 3:1 - 1:3.

В рассматриваемой установке реализован программный регулятор скорости вытягивания кристалла. То есть задана жесткая зависимость скорости вытягивания от времени, что не всегда является эффективным.

3. Описание принципа работы системы

Рассмотрим схему вытягивания монокристалла сапфира. Принцип действия системы следующий. Изменение массы монокристалла сапфира влечет за собой увеличение силы, растягивающей тензодатчик. В тензодатчике происходит изменение сопротивления пропорционального деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке. Данное изменение приводит к разбалансировке мостовой схемы в плечи которого вставлен тензодатчик. Данное изменение подается на сравнивающее устройство(в схеме оно представлено как сумматор) . После сигнал усиливается на ЭМУ, который доводит уровень сигнала до уровня достаточного для работы двигателя. Двигатель начав работу приводит во вращение вал соединенный с редуктором, который проворачивает винт ШВП. Вращение винта приводит к поступательному движению гайки вверх, которая соединена со штоком, на котором крепится кристалл сапфира. Таким образом, увеличение массы приводит к вытягиванию кристалла вверх из расплава. Чтобы ограничить вытягивание нужно сформировать подавляющее воздействие, которое остановит работу двигателя в случае отсутствия прироста массы. Для данной задачи используется потенциометрический датчик угла поворота, который при вращении вала формирует напряжение, равное углу поворота относительно вала. Данное напряжение сравнивается с напряжением от тензодатчика. Как только напряжения сравняются, то двигатель прекратит работу, так как управляющее напряжение будет нулевым.

Данную систему изобразим в виде следующей схемы:

Функциональная схема

Редуктор

Редуктор (механимческий) -- механизм, передающий и преобразующий крутящий момент, с одной или более механическими передачами. Основные характеристики редуктора -- КПД, передаточное отношение, передаваемая мощность, максимальные угловые скорости валов, количество ведущих и ведомых валов, тип и количество передач и ступеней.

Обычно редуктором называют устройство, преобразующее высокую угловую скорость вращения входного вала в более низкую на выходном валу, повышая при этом вращающий момент. Редуктор, который преобразует низкую угловую скорость в более высокую обычно называют мультипликатором.

Передаточным отношением редуктора называют отношение угловой скорости ведущего вала к угловой скорости ведомого вала:

где -- угловая скорость ведомого вала; -- угловая скорость ведущего вала.

Шарико-винтовая передача

Шариковая винтовая передача - наиболее распространенная разновидность передачи винт-гайка качения (винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами).

Функционально ШВП (шарико-винтовая передача) служит для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (и наоборот).

Конструктивно ШВП состоит из винта и гайки с винтовыми канавками криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для размещенных между витками винта и гайки шариков. Перемещение шариков происходит по замкнутой траектории - при вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положение. Каналы возврата выполняются в специальных вкладышах, которые вставляются в соответствующее окно гайки, по числу рабочих витков.

При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте свой виток, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша, переваливают через выступ резьбы и возвращаются в исходное положение

на тот же или на соседний (в зависимости от конструкции) виток. Для передач с многозаходной резьбой применяется особый тип исполнения гайки.

Число рабочих витков в ШВП обычно составляет от 1 до 6. Большее число витков применяется только в сильно нагруженных передачах, например, тяжелых станков.

Основные достоинства шариковинтовой передачи:

· малые потери на трение;

· высокая нагрузочная способность при малых габаритах;

· размерное поступательное перемещение с высокой точностью;

· высокое быстродействие;

· плавный и бесшумный ход.

К недостаткам шариковинтовой передачи можно отнести:

· сложность конструкции гайки;

· ограничение по длине винта (из-за накапливаемой погрешности);

· ограничение по скорости вращения винта (из-за вибрации);

· высокую стоимость (исполнения с шлифованным винтом).

Таблица параметров ШВП

D0	Шаг P0	Тип гайки	Дин. Нагр кН	Стат. Нагр кН	Мин. жест. кН/мм	Макс. люфт мм	Число нагр. Обор.	Осн. диам. мм	Макс.длина мм	вес
40	5	FL	26.3	59.2	0.89	0.00	5+5	39.6	6000	9

Таблица габаритных размеров

Тип гайки	D0	P	D1	D4	D5	D6 h12	L	L1	L3	L7	L8	Масса гайки кг	Диам. Шарика мм
FL	40	5	63	78	9	93	97	10	7	14	70	1.3	3.5

Двигатель постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) -- электрическая машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию

Устройство двигателя

1 - коллектор, 2-щётки, 3 - сердечник якоря, 4 - сердечник главного полюса,

5 - полюсные катушки, 6 - станина, 7 - задний подшипниковый щит, 8 - вентилятор, 9 - обмотка якоря, 10 - вал, 12 - передний подшипниковый щит

На статоре ДПТ располагаются, в зависимости от конструкции, или постоянные магниты (микродвигатели), или электромагниты с обмотками возбуждения (катушками, наводящими магнитный поток возбуждения).

В простейшем случае статор имеет два полюса, то есть один магнит с одной парой полюсов. Но чаще ДПТ имеют две пары полюсов. Бывает и более. Помимо основных полюсов на статоре (индукторе) могут устанавливаться добавочные полюса, которые предназначены для улучшения коммутации на коллекторе.

Минимальное число зубцов ротора, при котором самозапуск возможен из любого положения ротора -- три. Из трёх, кажущихся явно выраженными,

полюсов, на самом деле один полюс всё время находится в зоне коммутации, то есть ротор имеет минимум одну пару полюсов (как и статор, так как в противном случае работа двигателя невозможна).

Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на часть которых подаётся питание, в зависимости от угла поворота ротора, относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек, необходимо для уменьшения неравномерности крутящего момента, для уменьшения коммутируемого (переключаемого) тока, и для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть для создания максимального момента на роторе).

Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.

Конструкции коллекторов имеют множество разновидностей.

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей), расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка -- неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый). Щётки с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора.

Усовершенствование:

· одним из них является изменение конструкции мотора. Стальной сердечник с обмотками очень сложно раскрутить быстро. Поэтому конструкцию изменили -- обмотки находятся снаружи магнитов и исключено вращение стального сердечника. Таким образом, уменьшился вес двигателя, уменьшилось время разгона и возросла стоимость.

· Применение бесколлекторных двигателей. У бесколлекторных двигателей выше КПД, так как нет щёток и скользящих контактов. Они более эффективны, обеспечивают большую мощность, скорость, ускорение, вращающий момент.

Достоинства:

· простота устройства и управления;

· практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя;

· легко регулировать частоту вращения;

· хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент), (наибольший пусковой момент у ДПТ с последовательным возбуждением);

· компактнее других двигателей (если использовать сильные постоянные магниты в статоре);

· так как ДПТ являются обратимыми машинами, появляется возможность использования их как в двигательном, так и в генераторном режимах.

Недостатки :

· дороговизна изготовления;

· для питания электродвигателя от сети переменного тока необходимо использовать выпрямительные устройства;

· необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов;

· ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

Паспортные данные МИ-42

Наименование параметра	Значение
Тип	МИ
Номинальная мощность, Вт	1100
Номинальный вращающий момент, Нм	10,45
Номинальное напряжение питания	110
Номинальная частота вращения, об/мин	1000
Номинальный ток я, А	12,6
Номинальный ток в, А	0,62
КПД двигателя , %	75
Пусковой момент, Нм	10,48
Пусковой ток, А	2,6
Механические потери, Рмех АД, Вт	8
Степень защиты	IP65

ЭМУ

Электромашинные усилители (ЭМУ) применяют в схемах автоматики для усиления управляющих сигналов, получаемых от различных датчиков, сельсинов, поворотных трансформаторов и других устройств.

Электромашинные усилители представляют собой специальные электрические генераторы постоянного или переменного тока, выходная мощность которых может изменяться в широких пределах путем изменения мощности управления. Отношение выходной мощности к мощности управления называют коэффициентом усиления по мощности. Современные ЭМУ имеют весьма большие коэффициенты усиления, необходимые для усиления сравнительно слабых управляющих сигналов.

Существуют различные типы ЭМУ постоянного и переменного тока с различными принципами действия. Наиболее распространенным из них является ЭМУ постоянного тока с поперечным полем. Отечественная промышленность выпускает серию таких усилителей мощностью от нескольких сотен ватт до десятков киловатт.

Устройство ЭМУ

1 - Передний подшипниковый щит, 2 - коллектор усилителя, 3 - якорь усилителя, 4 - статор усилителя, 5 - компенсационная обмотка и обмотка добавочных полюсов, 6 - ротор электродвигателя, 7 - статор электродвигателя, 8 - задний подшипниковый щит

Обычно при мощности машины до нескольких киловатт ЭМУ и приводной асинхронный двигатель располагают в общем корпусе (рис. 11.22). Они имеют общий вал, на котором устанавливают пакет ротора приводного двигателя, якорь усилителя и его коллектор. При больших мощностях усилитель выполняют как самостоятельную машину и соединяют муфтой с

приводным двигателем. Из рисунка следует, что для получения большого коэффициента усиления необходимо увеличивать частоту вращения ЭМУ; при использовании приводного асинхронного двигателя она составляет ~ 3000 об/мин. Чтобы уменьшить магнитные сопротивления по продольной RMd и поперечной RMq осям, воздушный зазор между статором и ротором выполняют небольшим. При увеличении числа витков wa обмотки якоря коэффициент усиления возрастает; однако чем больше число витков в обмотке якоря, тем больше ее индуктивность, а следовательно, ниже быстродействие усилителя. Чтобы получить высокое быстродействие, магнитопровод машины выполняют целиком шихтованным. Это уменьшает вихревые токи, возникающие при резких изменениях тока управления, и способствует быстрому изменению магнитного потока в соответствии с изменением сигнала управления.

Наличие двойного комплекта щеток (по продольной и поперечной осям) заставляет принимать специальные меры для обеспечения безыскровой коммутации в ЭМУ. Чтобы обеспечить хорошую коммутацию под продольными щетками, главные полюсы делают "расщепленными", т. е. каждый полюс разделяют на две части. Между ними располагают добавочные полюсы с соответствующими обмотками, которые и создают необходимое магнитное поле в зоне коммутации

Паспортные данные ЭМУ

Модель	ЭМУ-25А
Напряжение вых, В	115
Мощность вых, кВт	2,5
Ток вых, А	21,7
Мощность упр, Вт	0,6
Сопротивление я,Ом	0,29
Сопротивление д.п.,Ом	0,052Ом
Коэф. времени, Тя,Ту	0,105 0,09
КПД,%	62

Достоинства

· большой коэффициент усиления по мощности,.

· малая входная мощность,

· достаточное быстродействие, т. е. малые постоянные времени цепей усилителя. Время нарастания напряжения от нуля до номинального значения для промышленных усилителей мощностью 1-5 кВт составляет 0,05--0,1 сек,

· достаточные надежность, долговечность и широкие пределы изменения мощности,

· возможность изменения характеристик за счет изменения степени компенсации, позволяющая получать необходимые внешние характеристики.

Недостатки

· относительно большие габариты и вес по сравнению с генераторами постоянного тока той же мощности, так как для получения больших коэффициентов усиления применяется ненасыщенная магнитная цепь,

· наличие остаточного напряжения за счет гистерезиса. ЭДС, наводимая в якоре потоком остаточного магнетизма, искажает линейную зависимость выходного напряжения от входного сигнала в зоне малых сигналов и нарушает однозначность зависимости выходных параметров электромашинных усилителей от входных при изменении полярности входного сигнала, ибо поток остаточного магнетизма при постоянной полярности сигнала будет увеличивать поток управления, а при изменении полярности сигнала -- уменьшать поток управлени

Потенциометрический датчик

Чувствительный элемент потенциометрических датчиков угла поворота выполнен с высокой точностью, износостойкий резистивный элемент изготовлен из пластика. Благодаря высокой стойкости к истиранию, данные датчики угла поворота являются особенно подходящими для измерений с целью контроля качества в длительных производственных процессах, где требуется большой ресурс и большое число циклов поворота. В потенциометрическом чувствительном элементе применены многоточечные ползунки с контактами из драгоценного металла. Это гарантирует хороший контакт, высокие скорости поворота и стойкость к вибрации. Резистивный элемент высокой точности изготовлен с использованием технологий лазерного контроля и имеет превосходную однородность. Это обеспечивает идеальные условия большого ресурса датчиков угла поворота. Вал из нержавеющей стали имеет узкие пределы допуска, шарикоподшипники с малым трением из нержавеющей стали с двойными уплотнителями. угла поворота.

Внешний вид датчика



Технические характеристики датчика 8820

Максимальное рабочее напряжение, В	50
Сопротивление, кОм	4.7
Измерительный диапазон, °	350
Нелинейность, %	±0.5
Момент реакции, Н•см	0.2
Разрешение, °	0.01

Достоинства:

· простота выполнения

· линейность статических характеристик

· хорошие динамические характеристики.

Недостатки:

· зависимость статических и динамических характеристик потенциометра от нагрузки

· относительно низкая надежность

Тензорезистивный датчик

Тензодатчик (тензорезисторный датчик) - преобразователь силы, измеряющий массу методом преобразования измеряемой величины (массы) в другую измеряемую величину (выходной сигнал) с учетом влияния силы тяжести и выталкивающей силы воздуха, действующих на взвешиваемый объект. Основные составляющие датчика:

Внешний вид датчика

· Упругий элемент - тело воспринимающее нагрузку, изготавливается преимущественно из легированных углеродистых сталей предварительно термообработанные, для получения стабильных характеристик. Конструктивно может быть изготовлен в виде стержня, кольца, тел вращения, консоли;

· Тензорезистор - фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу (стержень), изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке;

Возможны варианты подключения по 6-ти и 4-х проводной схеме. Тензодатчики комплектуются, кабелями различной длинны, существуют конструкции с возможностью замены кабеля

; В установке используются тензорезисторный датчик CAS SBAS - образной формы, с пределом измерения 200кг.

Модификация	Предел взвешивания	A	B	C	D	E	F
SBA-200L	200 кг	51	76	19	27	12.6	M12 Ч 1,75

Схема датчика



Таблица характеристик

Модель датчика	Номинальная нагрузка, кг	Материал датчика	Класс защиты	Длина кабеля, м
SBA	200	Конструкционная сталь	IP65	5
Рабочий коэффициент передачи (РКП), мВ/В	3,0 ±0,3
Класс точности	C3 (OIML)
Суммарная ошибка, %	0,02
Сопротивление, Ом
Входное	400 ±25
Выходное	350 ±3,5
Изоляции	>2000
Безопасная перегрузка, % НПВ	150
Компенсируемый диапазон температур, °C	от -10 до +40
Рабочий диапазон температур, °C	от -30 до +80

4. Расчет элементов системы для выполнения поставленной задачи

Правильно выбранный двигатель должен работать с постоянной или мало меняющейся нагрузкой на валу. Такую нагрузку создают насосы, вентиляторы, компрессоры, транспортные устройства н т. п.

При длительном режиме работы влиянием пусковых и тормозных режимов на нагрев двигателя пренебрегают. Мощность двигателя Р (Вт) при моменте нагрузки Мс и частоте вращения вала механизма можно определить, предварительно задавшись к. п. д. редуктора , по формуле

Р = Мс (1) Р = 1,028 Мс (2)

если Мс , выражено в Ньютон-метрах и -- в радианах в секунду, либо по формуле

если Мс, выражено в килограммометрах и -- в оборотах в минуту.

Очевидно, что должен быть выбран двигатель, номинальная мощность которого Pном больше или близка к мощности, рассчитанной по (1) или (2), т.е. Pном > P. (3)

По номинальной частоте вращения выбранного двигателя или определяют передаточное число редуктора

ip = / (4)

После выбора редуктора уточняют его к. п. д. Если к. п. д. выбранного редуктора отличается от принятого при расчете по (1) или (2), то расчет мощности, выбор двигателя и редуктора повторяют, пока не будет удовлетворено условие (3) и достигнуто равенство принятого в расчетах и паспортного значения к. п. д. выбранного редуктора.

Подбор двигателя начнем с расчета шарико-винтовой передачи. Так как она преобразует вращательное движение в поступательное.

Редуктор и ШВП

В установке для выращивания сапфиров установлена система состоящая и последовательного соединения двух редукторов, с передаточным числом 100 и 10,8. Следовательно результирующее передаточное число равно 1080.

Применение редуктора с таким большим передаточным числом обусловлено тем, что скорости вытягивания кристалла крайне низкие, десятые доли миллиметров в час.

Передаточная функция редуктора имеет следующий вид:

Wр=,

Где

i - передаточное число редуктора.

;

Для ШВП передаточное отношение равно:

;

где d - диаметр окружности, по которой перемещается точка приложения силы; P1 - ход винта.

Ход винта равен:

;

где P - шаг резьбы; n - число заходов резьбы.

На установке применяется ШВП с d=40мм, P=5мм, n=35.

Тогда передаточная функция ШВП будет иметь следующий вид:

.

Для выбора двигателя необходимо рассчитать момент нагрузки Мс который он должен развивать а также номинальную частоту вращения .

Для расчета воспользуемся специальной программой для подбора двигателя к ШВП.

Рекомендации по использованию автоматизированного расчета привода на базе ШВП:

· Для подбора элементов привода на базе ШВП необходимо задать исходные данные (требования по задаче):

· тяговое усилие: F[Н],

· скорость перемещения: V[мм/с].

· Параметры шарико-винтовой передачи:

· шаг резьбы: p[мм],

задаются на основании каталогов продукции (или исходя из общих соображений) произвольно. Коэффициент полезного действия ШВП принят равным 85%.

Также по умолчанию введен коэффициент запаса k=1,4.

Рассчитываются:

· крутящий момент на валу двигателя: M1[Нм],

· скорость вращения вала двигателя: n1[об/мин],

· механическая мощность двигателя: P1[Вт].

При расчете мощности P1 принимается, что рассчитанные скорость n1 и момент M1 являются номинальными, если данные параметры не являются номинальными, то выбор двигателя по мощности производить нельзя.

Если параметры шарико-винтовой передачи и двигателя соответствуют реально допустимым, то можно приступить к выбору оборудования. Если же один или несколько элементов системы невозможно реализовать, то производится корректировка исходных данных и расчет производится снова.

Тяговое усилие F рассчитаем исходя из массы штока который перемещается данной передачей.

M=100,5кг , F=m*g=100,5 кг*9,8 м/с2= 984,9.

Максимальная скорость перемещения штока в автоматическом режиме работы не превышает 1мм/час. Но следует учесть что при загрузке заготовки и выгрузке готового кристалла необходимо развивать большую скорость. 30 мм/с будет оптимальным значением.

Шаг винта P = 5мм.

Коэффициент запаса, равен k = 1,4.

После ввода данных получаем следующие результаты:

Результаты расчета.

Двигатель

Так, как нам известно передаточное число редуктора и частота вращения его вала. Найдем частоту номинальную частоту вращения вала двигателя из формулы 4:

ip = / ip*

Мощность двигателя

: Р = 1,028 Мс

P= 1,028*1,29Hм*540/0,85=842,47 Вт.

Так же выведем передаточную функцию двигателя используя паспортные данные.

Для якорной цепи на основании закона Кирхгофа справедливо следующее уравнение:

, (11)

где - э.д.с., наводимая в обмотке якоря магнитным потоком обмотки возбуждения Фв, равная , - электрическая постоянная двигателя.

Уравнение механического равновесия двигателя записывается на основании закона сохранения моментов:

, (12)

где - динамический момент якоря двигателя.

. (13)

Моментом сопротивления, равным моменту трения в осях, можно пренебречь.

Тогда из (12) и (13), с учетом допущений, получаем:

(14);

,(15)

(16)

Подставляем (15), (16) в (11), учитывая , получаем:

,

Введем обозначения

,,.

Отсюда передаточная функция двигателя постоянного тока имеет вид:

.

Определяем постоянные коэффициенты двигателя:

,

.

Находим коэффициент усиления и постоянные времени двигателя:

,

,

.

Статические и механические характеристики двигателя см. в приложениии 1.

ЭМУ

При выборе ЭМУ, используемого в качестве генератора, питающего двигатель постоянного тока, необходимо соблюдать следующие условия.

1. Номинальную мощность ЭМУ выбирают из условия

КПД редуктора

2. Номинальное напряжение должно соответствовать номинальному напряжению двигателя.

3. Отношение номинальных токов должно удовлетворять неравенству

Найдем передаточную функцию ЭМУ

Для вывода передаточной функции ЭМУ воспользуемся упрощенным подходом и представим функциональную схему ЭМУ в виде следующих основных устройств:

Рис. 3.

Как видно из приведенной структуры входной сигнал поступает на одну из обмоток управления ЭМУ, для которой справедливо уравнение

Перейдем к операторной форме записи

Видно, что динамические свойства обмотки управления моделируются апериодическим звеном 1-го порядка.

Под действием тока формируется постоянное подмагничивание для магнитной цепи ЭМУ. Напряженность этого поля определяется соотношением

Под действием этого подмагничивания формируется постоянная составляющая потока

Магнитный поток сосредоточен в зазоре статором якорем. С учетом вращения якоря с постоянной скоростью n в поперечной цепи обмотки формируется ЭДС индукции, которая пропорциональна величине потока управления

Данная ЭДС является выходным сигналом первой ступени усиления. Если рассмотреть передаточную функцию магнитной цепи, то упрощенное выражение для нее

Как видно, по динамическим свойствам дано звено безынерционное. Третье звено представляет собой короткозамкнутую обмотку якоря под поперечными щетками. Для этой обмотки можно записать следующие уравнения

Перейдем в этом уравнении к операторной форме записи и получим передаточную функцию этого звена

Таким образом, если рассматривать в качестве выходной величины поперечной обмотки якоря величину намагничивающей силы, то

Это уравнение безынерционного звена.

Общая передаточная функция третьего звена будет выглядеть как апериодическое звено первого порядка

Очевидно, что под действием этой намагничивающей силы обмотки якоря формируется дополнительное постоянное подмагничивание в виде магнитного потока, который будет направлен по поперечной оси, так как якорь по-прежнему вращается с постоянной скоростью от внешнего источника механической энергии n, то и от этого магнитного потока в обмотке якоря будет наводится ЭДС индукции, максимум которой Еd-d находится под продольными щетками ЭМУ. Эта ЭДС является выходной для всей схемы ЭМУ. Динамические свойства этой магнитной цепи, которая преобразует постоянный магнитный поток короткозамкнутой обмотки в выходную ЭДС, по аналогии будут моделироваться простым усилительным звеном

Так как ЭМУ работает на чисто активную нагрузку, то и последнее звено функциональной схемы можно моделировать по его статическим и динамическим свойствам в виде простого усилительного звена

Теперь получим передаточную функцию ЭМУ, преобразовав последовательно соединенные звенья

Постоянные времени возьмем из паспортных данных, тогда

Мостовая схема измерения массы

Для точного контроля перемещения штока необходимо добавить системе контроль за скоростью вытягивания относительно приращенной массы кристалла, для этого организуем мостовую схему

Для нашего случая воспользуемся полным мостом с 4 тензодатчиками для достижения максимальной чувствительности и получения линейной характеристики.

Условие равновесия моста может быть получено на основании законов Кирхгофа, записанных для токов в плечах моста с учетом принятых направлений токов показанных на рисунке.

Так как в схеме 4 одинаковых датчика, то они должны внести примерно равное приращение. Определим приращение тока

С учетом R0=350, ?R=2, U=10, Rпр=250

Тогда чувствительность схемы:

Потенциометрический датчик

Найдем коэффициент преобразования для потенциометрического датчика и построим его характеристику.

Статическая характеристика потенциометрического датчика



Усилитель и сравнивающее устройство

Для уравнивания сигналов с потенциометра и тензодатчика нужно прировнять их, чтобы их равенство приводило к отсутствию напряжения на управления и как следствие остановки двигателя. Для этого построим усилитель сигнала на операционном усилителе

Схема усилителя

В нашем случае используем след сопротивления R1=51.5 кОм и R2=1кОм. В качестве усилителя возьмем КР140УД18 с напряжением питания Uпит = 15 В.

Построим схему сравнивающего устройства, которое будет управлять работой двигателя в зависимости от полученного сигнала.

Схема сравнивающего устройства

Все сопротивления возьмем по 1кОм. В качестве усилителя возьмем КР140УД18 с напряжением питания Uпит = 15 В

. Расчет электромагнитного реле

В качестве гальванической развязки используется электромагнитное реле, проведем расчет механической и тяговой характеристики. Особенностью электромагнитного реле, оказывающей влияние на характер расчета, является то, что на якорь реле действуют электромагнитная сила и механическая сила пружины. Задача расчета состоит в том, чтобы найти по заданным условиям работы механизма конструктивные размеры магнитной системы и определить ее параметры -- данные магнитопровода и катушки.

Расчету магнитной системы предшествует построение кинематической схемы устройства, на основании которой строится механическая характеристика реле.

Будем выбирать характеристики реле исходя из значения тока 12 А.

На рис. 15. изображено нейтральное электромагнитное реле клапанного типа, где: 1 -- сердечник; 2 -- каркас с обмоткой; 3 -- ярмо; 4-- контактные пружины; 5-- упорная пружина; 6 -- штифт; 7 -- возвратная пружина; 8-- якорь; 9 -- штифт отлипания; 10-- контакты.

Электромагнитное реле состоит из контактной системы и электромагнита. В контактную систему входят: контакты 10; контактные 4 и упорная пружины; конструктивные элементы-- штифты 6, связывающие подвижные контакты с подвижной частью электромагнита 8, называемой якорем. автоматический управление исполнительный технический

а) Выбираем плоскостную форму контактов т.к. I>5А (рис.16). Материалы для контактов должны быть твердыми и механически прочными, устойчивыми против эрозии и коррозии, должны обладать высокой тепло- и электропроводностью, легко обрабатываться.

Рис.16. Плоская форма контактов

Перечисленным требованиям в той или иной степени удовлетворяет медь. Медь -- наиболее дешевый материал (но подвержен окислению), поэтому нашел применение для мощных контактов.

б) Исходя из выбранного материала контактов определяется значение контактного сопротивления

в) Находят необходимое контактное давление , лежащее в основе расчета электромагнита, из следующего соотношения

г) Для заданной величины допустимого тока определяют размеры контактов. Допустимый ток лежит в диапазоне от 10 до 20 А, следовательно диаметр контактов до 12мм (возьмем 10 мм) , а толщина 3мм.

д) Выбор формы и материала пружины. Конструктивно контакты размещаются на плоских (пластинчатых) пружинах, которые имеют вид балки, закрепленной в одном конце или посередине (рис. 17), и исполняются из материала с прямоугольным или круглим сечением.

В качестве материала для изготовления пружин применяются или специальные сорта стали -- ленточная пружинная сталь, рояльная проволока, или специальные сплавы меди - фосфористая бронза, латунь, бериллиевая бронза, нейзильбер и другие. Выбор материала пружины определяется механическими и электрическими свойствами этих материалов.

Рис.17.

При работе пружины в качестве элемента контактной пружины необходимо выбрать материал с относительно большой электро- и теплопроводностью, например, фосфористую бронзу, латунь.

При наличии относительно больших сил в системе и требующемся небольшом прогибе пружины применяется сталь. Наоборот, если нужно получить относительно большой прогиб пружины при незначительных по величине силах, применяются материалы с меньшими значениями модуля упругости, например, фосфористая бронза.

е) Расчет пружины. Контактные усилия создаются за счет сил реакции при прогибе пластины. В зависимости от жесткости пластины для получения одного и того же контактного усилия необходимы разные величины прогиба y в месте расположения контакта, а именно:

Для плоской пружины прямоугольного сечения

Здесь Е - модуль упругости (для стали 19000000Н/см2), J - момент инерции, см4; b - ширина, см; h - толщина, см. Ширина 0,5см, толщина 0,05см а длина 6см.

ж) Построение механической характеристики. Пружины контактной системы создают противодействие движению якоря электромагнита. Величина противодействующего усилия зависит от зазора Функциональная зависимость

называется противодействующей (механической) характеристикой, построение которой осуществляется по известным формулам для деформации упругой балки, жестко закрепленной одним концом, при действии на нее сосредоточенной силы

Рис.18.

Построение механической характеристики.

Ход контактов , предварительное напряжение пружины .

В отпущенном положении якорь испытывает лишь действие усилия со стороны изоляционной планки. Ордината ab на механической характеристике равна величине усилия , действующего на якорь со стороны изоляционной планки, приведенного к оси сердечника,

Рис.19.

2) Конец первого участка механической характеристики определяется моментом замыкания контактов. Верхняя контактная пружина имеет предварительное натяжение на упор, равное, для обеспечения которого необходим ее прогиб в точке, равный

при этом прогиб в точке будет

Тогда величина определится как

Рис.20. Механическая и тяговая характеристика реле

Расчет тяговой характеристики:

А) выбор конструктивного типа и формы стопа электромагнитов.

Применяемые в настоящее время электромагнитные системы имеют самые разнообразные формы выполнения магнитной цепи и якоря. Из всего многообразия конструктивных исполнений ЭМС по значению конструктивного фактора (КФ) выбирается рациональный с точки зрения минимизации веса тип электромагнита:

;

- требуемая начальная тяговая сила, - требуемое значение хода якоря.

Значение , отсюда

Выберем характеристики из таблицы:

Таблица 6

Форма электромагнита	Пределы значения КФ для систем постоянного тока
С поворотным якорем	2,6…26
С втяжным якорем	0,165….48
С дисковым якорем	30…120
С ФМ	0,02…1,85
С плоским стопом	16….120
С коническим стопом	0,2…16
Без стопа	Ниже 0,2

Форма электромагнита с ФМП, с коническим стопом.

Построение тяговой характеристики:

В релейном усилителе обмотка электромагнита является управляющей цепью, сам электромагнит - управляющим или исполнительным устройством, цепь, содержащая дополнительный источник энергии и коммутируемая контактной группой реле, является управляемой цепью. Статическая характеристика управляющего устройства представляет собой функцию двух переменных. Приняв во внимание конкретные параметры электромагнита, можно записать зависимость: характеризующую изменение тягового усилия электромагнита от положения подвижных частей (или зазора) и величины намагничивающей силы, создаваемой катушкой с числом витков W при прохождения через нее тока управления. Зависимость , при IW=const называют тяговой характеристикой.

Тяговое усилие при отсутствии потерь намагничивающей силы можно найти:

;

Где - магнитная проводимость воздушного зазора. Знак минус указывает на уменьшение воздушного зазора при перемещении якоря под действием силы

Величина магнитной проводимости воздушного зазора определяется конфигурацией полюсных поверхностей, ограничивающих воздушный промежуток и их размерами

Рис.22.

Параллельные цилиндры без учета проводимости краевого потока

Исходя из этого

Построим характеристику для заданных :

Расчет параметров обмотки реле.

Рис. 21

Выбрали круглую катушку.

Для применяемых на практике обмоток принимают:



Заключение

В процессе выполнения данного курсового проекта была спроектирована система вытягивания монокристалла сапфира, за счёт прироста его массы в процессе роста. Были составлены функциональная и структурная схема данной системы, описаны и изучены элементы, входящие в систему, а так же произведён их расчёт и получены статические характеристики.

Проведен конструктивный расчет электромагнитного реле.

Предложенная система имеет ряд значительных недостатков и на данный период развития технологий, совершенно не достигает уровня точности. К тому же данная система не обладает гибкостью, и может использоваться в крайне ограниченном режиме эксплуатации. Вследствии этого рекомендуется использовать более современные и точные устройства автоматизации.

Например для данной системы использовать сервопривод, включающий в себя сервоусилитель, сервомотор, датчик положения вала, модуль позиционирования. Данные элементы способны более точно производить управление процессом, а так же имеют более малые габариты. К тому же данные устройства имеют возможность выполнять настройку и изменение параметров работы процесс работы. Однако данные нововведения имеют недостаток связанный со стоимостью данного оборудования.



Список литературы

• 1. А. В. Фатеев, А. А. Вавилов, Л. П. Смольников Расчет автоматических систем. Учебное пособие для вузов. М., "Высш. школа", 1973.
• 2. В.А. Бесекерский, А. Н. Герасимов Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления, М., 1972.
• 3. Волков Н. И., Миловзоров В.П. Электромашинные устройства автоматики: Учеб. для вузов по спец. "Автоматика и телемеханика". -М.: Высш. шк., 1986.
• 4. Подлесный Н.И., Рубанов В.Г. Элементы систем автоматического управления и контроля. - К. "Выща школа", 1991.

• Приложение 1
• Статические характеристики двигателя постоянного тока
• Статическая характеристика двигателя
• Статическая характеристика двигателя
• Механическая характеристика двигателя
• Размещено на Allbest.ru

...