Проектирование планетарного механизма крепления и перемещения образцов в вакуумно-технологической установке

Такой подход, очевидно, приводит к несколько завышенным требованиям к двигателю. Такое заведомое завышение требований эквивалентно обычно вводимому в приближенные технические расчеты коэффициенту запаса.

Аппроксимированная механическая характеристика электродвигателя АВ-042-4МА1 изображена на рисунке 21

Рассчитаем приведенные параметры объекта управления (параметры рабочей точки). Сперва определим приведенную скорость, затем приведенный момент:

;

;

Рис. 21 Аппроксимированная механическая характеристика

Участок 1-3 соответствует устойчивой работе, участок 3-4 - неустойчивой работе. Точка 1 соответствует идеальному холостому ходу двигателя, когда n = n₀. Точка 2 соответствует номинальному режиму работы двигателя, ее координаты М_н и n_н. Точка 3 соответствует критическому моменту М_кр и критической частоте вращения n_кр. Точка 4 соответствует пусковому моменту двигателя М_пуск. Механическую характеристику можно рассчитать и построить по паспортным данным. Точка 1:

Скорость холостого хода: ;

где:

р - число пар полюсов машины;

f - частота сети.

Точка 2 с координатами n_н и М_н. Номинальная частота вращения n_н задается в паспорте. Номинальный момент рассчитан выше.

Точка 3 с координатами М_кр n_кр.

Критический момент задается в паспорте двигателя: М_кр =0.44 НМ.

Критическая скорость рассчитывается по формуле: n_кр = n₀ (1 - S_кр)

Где: - критическое скольжение

S_н = (n₀ - n_н) / n₀ - номинальное скольжение;

- перегрузочная способность.

Найдём эти величины:

Перегрузочная способность л рассчитывается по формуле:

.

Тогда номинальное скольжение будет равно:

S_н = (n₀ - n_н) / n₀ = (1500 - 1300) / 1500 = 0.1333.

Критическое скольжение будет равно:

Искомая критическая скорость:

n_кр = n₀ (1 - S_кр) = 1500 (1 - 0.6) =587.3 об./мин.

Точка 4 имеет координаты n=0 и М=М_пуск.

Пусковой момент дан в паспорте электродвигателя М_пуск=0.44 НМ.

Асинхронные двигатели имеют жесткую механическую характеристику, т.к. частота вращения ротора (участок 1-3) мало зависит от нагрузки на валу. Это одно из достоинств этих двигателей.

Из рисунка 21 видно, что рабочая точка не выходит за предельную механическую характеристику, следовательно, эксплуатация двигателя при данных параметрах означает, что:

- выбранная машина полностью удовлетворяет требованиям технического задания к нагрузке по скорости перемещения;

- момент и скорость двигателя не превышают номинальных значений, что существенно снижает вероятность перегрева двигателя и выхода его из строя.

Электрический двигатель прошёл все проверки и может быть применен для построения данной системы автоматического электропривода.



8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВВОДОВ И КОНТАКТОВ

Микродвигатели ДПР-52-Н1-04, вращающие обрабатываемые образцы вокруг своей оси, должны питаться от постоянного напряжения 27В. Вследствие чего возникает необходимость разработки электрических вводов в вакуум.

Сложность разрабатываемой конструкции заключается в том, что при работе механизма, микродвигатели, закреплённые на кронштейнах к карусели, также совершают вращательное движение вокруг оси выходного вала. Движение происходит как по часовой, так и против часовой стрелки. Таким образом, невозможно подключить микродвигатели с помощью проводов непосредственно к вакуумным электрическим вводам, иначе произойдёт их запутывание.

Для решения поставленной задачи, разместим электрические контакты непосредственно на вращающемся столе карусели. Их расположение должно быть таким, чтобы при каждом из четырёх возможных позиций карусели, они замыкали цепь питания микродвигателей. Таким образом, электрические контакты разместим соосно электрическим вводам в вакуум на каждой из четырёх сторон крестообразного стола карусели, как показано на рисунке 22.

Выбранные с учётом технического задания конструкции электрических вводов в вакуум и контактов приведены на рисунках 23 и 24.



Рис 22. Общий вид расположения электрических вводов и контактов.

Рис 23. Электрический ввод в вакуум.



Рис 24. Электрический контакт.

В качестве проводящего материала была выбрана латунь Л63

Латунь - двойной и многокомпонентный медный сплав, с основным легирующим элементом - цинком. По сравнению с медью обладают более высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Латуни, за исключением свинцовосодержащих, легко поддаются обработке давлением в холодном и горячем состоянии. Все латуни хорошо паяются твердыми и мягкими припоями.

В качестве изоляционного материала был выбран тефлон, поскольку обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остается гибким и эластичным при температурах от --70 до +270 °C и является прекрасным изоляционным материалом. Тефлон обладает очень низкими поверхностным натяжением и адгезией и не смачивается ни водой, ни жирами, ни большинством органических растворителей.



9. РАСЧЁТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ

9.1 Исходные данные ВИП

Для питания микродвигателей вращения обрабатываемых образцов необходимо постоянное напряжение 27В. Следовательно, возникает необходимость разработки вторичного источника питания на указанное напряжение. Вторичные источники питания (ВИП) - это устройства, предназначенные для преобразования входной электроэнергии переменного или постоянного напряжения при заданном качестве электроэнергии на выходе. Система вторичного электропитания - это совокупность функционально связанных источников, или одного ВИП, устройств управления, коммутации, распределения, контроля и сигнализации, обеспечивающая необходимое для цепей нагрузки питающее напряжение с требуемыми параметрами.

Сформулируем исходные данные необходимые для расчета ВИП:

Схема ВИП: преобразователь переменного тока в постоянный.

1) параметры выходной сети:

номинальный ток нагрузки I_2N=0,96А;

номинальное напряжение нагрузки U_2N=27 В;

допустимое отклонение напряжения нагрузки ±ДU_2N=5%;

допустимый коэффициент пульсации выходного напряжения k_п2=0.1.

1) параметры входной сети:

напряжение входной сети U_вх=220 В;

отклонение напряжения входной сети ±ДU_вх=5%;

астота напряжения входной сети: f=50Гц;

температура окружающей среды: t=30°C.

При составлении данного технического задания использовались паспортные данные электродвигателя АВ-042-4МА1, ГОСТ для общепромышленных электрических сетей.

Рабочее напряжение питания электродвигателя допускает довольно значительные колебания и пульсации, без каких либо последствий для работы электропривода. Но так как электродвигатель представляет собой индуктивно-резистивную нагрузки и номинальный ток довольно высок, то необходимо стремиться снизить пульсации тока. Пуск двигателя осуществляется прямым подключением на полное напряжение, при этом возникает скачок пускового тока, который нужно учитывать при расчете ВИП.

9.2 Выбор схемы ВИП

В данном случае целесообразно применение вторичного источника питания с сетевым трансформатором. Применим однофазную мостовую схему. Среди всех схем с сетевым трансформатором она обладает наилучшими технико-экономическими показателями, повышенной частотой пульсации, проста в изготовлении. Так же хорошо используется трансформатор. Высока надежность выпрямителя. К недостаткам относятся: повышенное падение напряжения в вентильном блоке, увеличенные масса и габариты, пониженный КПД. Выбранная схема несколько дороже в производстве, чем ее бестрансформаторный аналог из-за высокой стоимости самого сетевого трансформатора. Но учитывая единичный характер производства разрабатываемого ВИП, все вышеперечисленные недостатки можно считать несущественными.

На рисунке 25 приведена схема проектируемого вторичного источника питания.



Рис.25. Схема вторичного источника питания.

Согласование уровней по напряжению производиться с помощью сетевого трансформатора . Выпрямление переменного тока осуществляется полупроводниковыми диодами. Сглаживание пульсаций осуществляется индуктивным L - фильтром.

9.3 Расчет элементов выпрямителя

Определяем U_d0 напряжение на выходе выпрямителя в режиме холостого хода:

Составляющие в данном выражении означают:

падение напряжения на дросселе:

;

падение напряжения на активном сопротивлении обмотки трансформатора:

;

падение напряжения на вентильном блоке:

;

где k_т=2 - коэффициент тактности для однофазной мостовой схемы;

ДU_в.пр=1В - прямое падение напряжения на диоде;

Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя в режиме холостого хода будет равно:

.

Номинальный ток, протекающий через вентиль, рассчитывается по формуле:

где k_зт=2 - коэффициент запаса по току;

- отношение характерное для однофазной мостовой схемы выпрямления;

- номинальный ток нагрузки.

Найдем номинальный ток нагрузки как сумму номинальных токов электродвигателей, соединённых параллельно:

.

Таким образом номинальный ток, протекающий через вентиль: .

Нагрузкой ВИП является электродвигатели АВ-042-4МА1 постоянного тока, пуск которых осуществляется прямым включением на полное напряжение. Следовательно, при выборе вентилей необходимо учесть кратковременный скачок пускового тока электродвигателя.

Это связано с тем, что в момент пуска якорь машины покоится и наведенная в ней внешним магнитным полем ЭДС вращения равна нулю. При этом напряжение приложенное к обмотке якоря обычно достаточно велико, тогда как сопротивление ее мало. В результате по обмотке якоря будет протекать достаточно высокий пусковой ток. Необходимо убедится ,что выбранные диоды имели номинальное значение выпрямленного тока, большее нежели пусковой ток двигателя. В противном случае они могут выйти из строя вследствие перегрева.

Пусковой ток одного микроэлектродвигателя ДПР-52-Н1-04 равен:

.

При параллельном соединении двигателей, максимально возникающий бросок тока равен: .

Таким образом, максимальное значение тока, проходящего через диод составляет: .

Определим обратное максимальное напряжение на вентиле:

,

где k_зн=2 - коэффициент запаса по напряжению;

- отношение характерное для однофазной мостовой схемы выпрямления.

По полученным значениям и , выбираем в качестве вентилей VD1-VD4 выпрямительные диоды средней мощности марки КД201Г. Основные технические параметры диода сведены в таблицу №7. Чертёж изображён на рисунке 26.

Рис.26. Диод средней мощности КД201Г.



Паспортные данные диода КД201Г

Таблица№12

Тип прибора	КД201Г - диод выпрямительный универсальный
Предельные режимы	Максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода Uобр.max, В	200
	Максимально допустимый средний выпрямленный ток диода Iвп.ср.max, A	10
Постоянное прямое напряжение диода Uпр	Uпр, В	1.0
	При постоянном прямом токе диода Iпр, А	10
Средний обратный ток диода Iобр (при Uобр.max), мА	3
Максимальная частота тока fm, кГц	1.1
Интервал рабочих температур, °С	-60 ч (+125)
материал	кремний (Si)

Диоды, имеющие корпус с винтом, необходимо крепить на теплоотводящих радиаторах. Определим необходимую площадь радиатора, зависимую от рассеиваемой мощности на выпрямительном диоде.

Площадь радиатора-пластины при возьмём равной:

Рассчитанный радиатор обеспечивает перепад температуры между металлическим корпусом полупроводникового диода и окружающей средой 25⁰С. Следовательно, кремниевые приборы с таким радиатором могут работать при температуре окружающей среды до 100⁰С.

При столь незначительных размерах радиатора нет необходимости использовать ребристый радиатор вместо пластины и применять принудительный обдув. Радиатор - пластину (рис. 27) целесообразно изготовить из алюминия с крепежными отверстиями для монтажа на печатной плате ВИП. Для обеспечения гальванической развязки между вентилями необходимо использовать индивидуальный радиатор для каждого диода.

Рис.27 Радиатор-пластина

9.4 Расчет параметров трансформатора

Расчет трансформатора представляет собой математически неопределенную задачу со многими решениями, так как число определяемых неизвестных больше числа уравнений, связывающих их. Вследствие этого на начальном этапе проектирования приходиться задаваться определенными значениями некоторых электромагнитных и конструктивных величин, базируясь на рекомендациях, полученных в процессе проектирования трансформаторов подобного класса.

В проектируемом ВИП используется сетевой трансформатор, предназначенный для согласования уровней напряжения первичной и вторичной сети. Первичная обмотка трансформатора Т1 подключается к общепромышленной сети 220В/50 Гц, а к вторичной обмотке подключается мостовой выпрямитель.

Расчетная мощность трансформатора:

,

где P_dN=U_d0·I_dN=30·0.96=28.8 Вт - активная мощность трансформатора;

- относительный показатель увеличения мощности трансформатора.

Коэффициент, характеризующий отклонение напряжения питающей сети:

.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора:

,

где k_сх=0.9 - коэффициент для однофазной мостовой схемы.

Расчет тока первичной обмотки трансформатора:

,

где - коэффициент характерный для однофазной мостовой схемы.

При расчете тока во вторичной обмотке трансформатора пренебрегаем скачком пускового тока при включении электродвигателя, т.к. он носит кратковременный характер и не может привести к повреждению трансформатора.

Расчет тока во вторичной обмотке трансформатора:

где k_тр=U₁/U₂=220/35.1=6.26 - коэффициент трансформации;

- коэффициент характерный для однофазной мостовой схемы;

Воспользуемся упрощенной методикой расчета трансформатора. Для расчета площади поперечного сечения трансформатора необходимо задаться величинами магнитной индукции в сердечнике и плотностью тока в обмотках.

Величина индукции определяет значение тока намагничивания - чем выше принятое значение B_m, тем больше величина тока намагничивания I_м. Индукция в сердечнике трансформатора при частоте напряжения 50 Гц может быть принята в пределах B_m=1.1ч1.3 Тл.

От выбранной величины плотности тока в проводах обмоток зависит величина потерь мощности, коэффициент полезного действия, масса и стоимость трансформатора. Чем выше плотность тока в обмотках тем больше потери, выше нагрев, ниже коэффициент полезного действия, меньше масса и стоимость трансформатора. В маломощных трансформаторах плотность тока для медных проводов может быть выбрана из диапазона j=2ч3.5 А/мм². Причем, меньшее значение плотности тока соответствует трансформаторам большой мощности.

Активная мощность поперечного сечения стержня силового трансформатора малой мощности S_ж определяется по формуле:

,

где S_т=32 Вт - потребляемая трансформатором полная мощность;

B_m=1.2 Тл - индукция в сердечнике трансформатора;

f_c=50 Гц - заданное значение частоты питающего напряжения;

j=2 А/мм² - плотность тока в обмотке трансформатора;

б=3 - ориентировочное отношение массы стали к массе материала обмоток (задаются из диапазона б=2ч4).

Далее по величине активной площади сечения магнитопровода S_ж выбирается сердечник ленточного магнитопровода. Принимаем марку ленточного магнитопровода типа ШЛ . Основные характеристики магнитопровода сведены в таблице 13. Внешний вид сердечника представлен на рисунке 28.

Теперь необходимо произвести расчет обмотки трансформатора. Для этого нужно определить требуемое число витков на один вольт из следующего соотношения:

.

Характеристика ленточного магнитопровода типа ШЛ

Таблица №13

Марка магнито-провода	Размеры, мм	Активная площадь сечения магнитопро-вода см2	Длина средней магнитной силовой линии, см	Площадь окна ,см2
	a	h	c	C	H	b	Sc	lср	Sок
ШЛ 25х25	25	62,5	25	100	87,5	25	5,5	21,3	15,6

Рис.28.Внешний вид ленточного магнитопровода типа ШЛ.

Из этого выражения следует, что:

.

Таким образом, число витков первичной обмотки будет равно:

.

Принимаем значение w₁=1500 витков.

Число витков во вторичной обмотке определяется аналогичным образом:

.

Принимаем значение w₂=240 витков.

Предварительное значение поперечных сечений проводов обмоток определяются по формуле:

,

.

В качестве обмоточного провода первичной и вторичной обмотки выбираем медный провод круглого сечения марки ПЭВ -1. Подробные характеристики выбранных проводов приведены в таблице 14.

Характеристика медных проводов марки ПЭВ - 1

Таблица №14

Обмотка	Марка провода	Провод без изоляции	Диаметр провода с изоляцией, мм	Расчетный диаметр с учетом коэффициента укладки, мм
		Диаметр по меди, мм	Сечение расчетное, мм2	Сопротивление 1000 м провода, Ом
Первичная	ПЭВ-1	0.3	0.07548	205	0.35	0.38
Вторичная	ПЭВ-1	0.8	0.5027	34.8	0.86	0.925



После выбора марки проводов и определения их сечений необходимо уточнить плотности тока в обмотках:

,

.

После выбора размеров и типов магнитопровода и обмоточных проводов необходимо убедиться в том, достаточна ли площадь окна сердечника для размещения обмотки. Для этого необходимо рассчитать, так называемый, коэффициент заполнения окна k_зо. Величина этого коэффициента не должно превышать 0.3 т. е.:

.

В данном случае коэффициент заполнения окна определяется по формуле:

.

Таким образом, получаем, что величина искомого коэффициента лежит в пределах допустимого. Проблем с размещением обмотки на сердечнике возникнуть не должно.

9.5 Расчет сглаживающего фильтра

Сначала необходимо определить коэффициент сглаживания фильтра, а для этого необходимо знать значения коэффициента пульсации напряжения на входе и выходе выпрямителя. Коэффициентом пульсации выходного напряжения мы задались в начале расчета. Для определения входного коэффициента пульсации необходимо определить диапазон изменения напряжения питающей сети:

.



Верхняя граница входного напряжения:

.

Нижняя граница входного напряжения:

.

Коэффициент пульсации входного напряжения для однофазного мостового неуправляемого выпрямителя вычисляется по формуле:

,

где k_т=2 - коэффициент тактности для однофазной мостовой схемы;

m₂=2 - число фаз.

Теперь можно определить коэффициент сглаживания индуктивного L - фильтра из соотношения:

.

Частота пульсации сети определяется по формуле:

.

Частота пульсации напряжения с учетом тактности схемы:

.

Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра:

,

Где R_d - сопротивление нагрузки;

R_Ld - сопротивление индуктивного фильтра;

L_ф - индуктивность фильтра;

Так как обычно R_d>>R_Ld а W_пL_ф>>R_d, то коэффициент сглаживания индуктивного фильтра можно приближенно определить по формуле:

Таким образом, чтобы определить требуемое значение индуктивности сглаживающего дросселя необходимо знать значение сопротивления нагрузки и ее индуктивность. В нашем случае необходимо рассчитать активное сопротивление обмотки якоря двигателя и её индуктивность.

Сопротивление обмотки якоря приближенно можно рассчитать по формуле:

Индуктивность двигателя не указана в паспортных данных, но ее можно приближенно вычислить по формуле:

Так как двигатели подключены параллельно, то общее сопротивление и индуктивность будут равны:

Так как обмотка якоря двигателей представляет собой активно индуктивную нагрузку, включенную в цепь последовательно, то для определения индуктивности сглаживающего фильтра необходимо вычесть из рассчитанного значения величину индуктивности двигателей:

.

В качестве сглаживающего фильтра применим дроссель Д35-0.16-1: индуктивность при номинальном токе составляет L_др=0.16 Гн, номинальный ток подмагничивания равен I_др=1 А, сопротивление обмотки дросселя составляет R_др=0.30 Ом. Конструкция дросселя изображена на рисунке 29.



Рис. 29 конструкция дросселя Д35-0.16-1

9.6 Расчет и выбор средств защиты от короткого замыкания

Для предупреждения возникновения в цепи тока короткого замыкания или тока перегрузки необходимо снабдить проектируемый источник питания устройством защиты. Одним из самых распространенных на сегодняшний день устройств защиты является плавкий предохранитель. Он отличается высокой надежностью, компактностью и простотой конструкции. Совместно с низкой себестоимостью предохранителей вышеуказанные достоинства делают их применение весьма эффективным.

Проектируемый ВИП предназначен для питания двигателей постоянного тока, поэтому при пуске имеет место кратковременное увеличение тока. Величина пускового тока, как было рассчитано ранее, составляет I_п=5.2А. Во избежание ложного срабатывания предохранителя, связанного с броском тока, нужно учесть этот факт. Необходимо подсчитать приведенное значение тока в первичной обмотке трансформатора при пуске двигателя по формуле:

Таким образом, плавкий предохранитель должен быть подобран таким образом, чтобы при пуске двигателя не происходило срабатывание устройства.

Номинальный ток, определяющий нагрузочную способность предохранителя, зависит от стандарта, по которому выполнена данная серия. Это основной параметр, значение которого указывается на корпусе и должно быть больше или равно величине рабочего тока.

Воспользуемся предохранителем ПНО 37 (1А / 220В) его основные технические характеристики сведены в таблицу №15.

Внешний вид устройства представлен на рисунке 30.

Технические характеристики предохранителя ПНО 37

Таблица №15.

Тип прибора	ПНО 37
Материал	стекло
Номинальное напряжение, В	220
Номинальный рабочий ток, А	1
Контакты	ножевые
Диапазон рабочей температуры, °С	-60 ч +85
Габаритные размеры	Длина корпуса L, мм	37
	Диаметр корпуса D, мм	9
	Размер для справки L1, мм	10

Рис.30. Внешний вид предохранителя ПНО 37 (1А/220В).

Необходимо также снабдить вторичный источник питания выключателем, в цепи первичной обмотки трансформатора. Для этой цели хорошо подходит выключатель типа «тумблер». С его помощью можно быстро и своевременно осуществить обесточивание системы.

По правилам ПУЭ при отключении питания устройства выключатель должен разъединять фазный питающий провод сети, для исключения поражения персонала электрическим током. В противном случае на элементах устройства будет присутствовать потенциал равный напряжению питающей сети.

В качестве выключателя применим тумблер МТ1. Его основные технические характеристики сведены в таблице №16. Внешний вид выключателя приведен на рисунке 31. Сопротивление изоляции данного тумблера не менее 1000 МОм. Сопротивление контактов составляет не более 0.05 Ом.

Технические характеристики тумблера МТ1

Таблица № 16.

Типономинал	Род тока	Вид нагрузки	Напряжение, В	Ток, А	Максимальная коммутируемая мощность, Вт	Количество циклов переключений
			не менее	не более	не менее	не более
МТ1	постоянный	активная	0,5	30	0,0005	4	70	10000
		индуктивная	0,5	30	0,0005		70	5000
	переменный	активная	0,5	250	0,0005	3	300	10000
		индуктивная	0,5	250	0,0005		300	5000



Обозначение типономинала	Конструктивное исполнение	Электрическая схема коммутации	Масса, г
МТ1	Однополюсный		13

Рис.31.Внешний вид тумблера МТ1.

9.7 Расчет потерь и КПД ВИП

Расчет мощности нагрузки ВИП:

.

Расчет мощности потерь на активном сопротивлении дросселя:

.

Мощность потерь трансформатора складывается из мощности потерь в стали магнитопровода и мощности электрических потерь:

.

Сначала рассчитаем мощность электрических потерь трансформатора. Для этого требуется определить активное сопротивление первичной и вторичной обмотки трансформатора, а затем рассчитать приведенное сопротивление трансформатора.

Длина провода первичной обмотки:

.

где l_1ср=0.124 м - средняя длина витка первичной обмотки трансформатора;

Длина провода вторичной обмотки:

.

где l_2ср=0.120 м - средняя длина витка вторичной обмотки трансформатора;

Расчет активного сопротивления первичной обмотки трансформатора:

.

где с_Сu=1.75·10^-5 Ом·мм - удельное сопротивление меди.

Расчет активного сопротивления вторичной обмотки трансформатора:

.

Приведенное сопротивление трансформатора определяем по формуле:

.

Расчет мощности электрических потерь трансформатора:

,

Расчет мощности потерь в стали сердечника трансформатора:

,

где k_c=0.8 Вт/кг - удельные магнитные потери;

G^*_c=900 г - масса сердечника трансформатора;

f_c=50 Гц - частота питающей сети;

B_m=1.2 Тл - индукция в стали сердечника.
Таким образом рассчитываем мощность потерь трансформатора:

.

Расчет потерь на вентиле:

.

Расчет мощности суммарных потерь:

.

Расчет КПД вторичного источника питания:

.

Полученное значение коэффициента полезного действия довольно мало, хотя это характерно для маломощных электрических схем с использованием сетевого трансформатора.

В результате работы над данным разделом был произведен расчет основных параметров ВИП. Были рассчитаны и выбраны составляющие электрическую схему элементы. Был также произведен расчет трансформатора, выбрана марка провода обмоток и определены параметры сердечника. Произведен расчет сглаживающего L фильтра, обеспечивающий требуемое качество выходного напряжения. Таким образом, данный источник вторичного питания полностью удовлетворяет условиям технического задания и пригоден для использования в проектируемой системе.



10. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

10.1 Технические условия

10.1.1 Введение

Настоящие технические условия распространяются на механизм крепления и перемещения образцов, предназначенный для подачи обрабатываемых материалов в зону ионного распыления мишени (мишень распыляется пучком заряженных частиц).

Данная установка выполняет две функции: вводит образцы в поток заряженных частиц и выводит из него, а также вращает образцы вокруг своей оси для равномерной обработки их поверхности. Механизм подачи образцов приводит в движение двигатель переменного тока с частотой 50 Гц. и напряжением питания 220 В., закреплённый снаружи вакуумной камеры. Вокруг своей оси образцы вращаются с помощью двигателя постоянного тока, напряжением 27 В., вакуумного исполнения, размещённым внутри вакуумной камеры.

Привод эксплуатируется в рабочих условиях.

10.1.1.1 Условия эксплуатации:

10.1.1.1.1 Климатические условия:

10.1.1.1.1.1 Диапазон температур -50 + 50 °С;

10.1.1.1.1.2 Относительная влажность воздуха до 98%;

10.1.1.1.1.3 Атмосферное давление от 8.410⁴ до 10.710⁴ Па (от 630 до 800 мм рт. ст.);

10.1.1.1.1.4 Давление внутри камеры не менее 310^-3 Па (2.25 мм рт. ст.);

10.1.1.1.1.5 Окружающая среда не взрывоопасная, не содержит агрессивных паров и газов в концентрациях разрушающих металлы и изоляцию.

10.1.1.1.2 Механические условия:

10.1.1.1.2.1 Частота вибрации в диапазоне от 0.5 до 500 Гц с амплитудой до 2.5 мм;

10.1.1.1.2.2 Ударные нагрузки с ускорением до 5 м/с²;

10.1.2 Технические требования

10.1.2.1 Основные параметры и размеры:

10.1.2.1.1 Габаритные и присоединительные размеры должны соответствовать сборочному чертежу.

10.1.2.1.2 Потребляемая электрическая мощность Р_ном = 36Вт.

10.1.2.1.3 Номинальное напряжение U_ном = 220 В.

10.1.2.1.4 Частота сети f= 50Гц.

10.1.2.1.5 Номинальная скорость вращения карусели n = 8 об/мин.

10.1.2.2 Характеристики:

10.1.2.2.1 Изделие должно противостоять разрушающему действию многократных ударных нагрузок и выполнять заданные функции, установленные в настоящих ТУ после воздействия механических ударов длительностью 20 мс.

10.1.2.2.2 Электропривод вращения карусели, закреплённый снаружи вакуумной камеры, должен сохранять внешний вид и выполнять заданные функции в процессе и после изменения атмосферного давления в диапазоне от 8.410⁴ до 10.710⁴ Па (от 630 до 800 мм рт. ст.)

10.1.2.2.3 Карусель и закреплённые на ней микродвигатели вращения образцов, находящиеся в вакуумном объеме, должны сохранять внешний вид и выполнять заданные функции в процессе и после изменения рабочего давления в диапазоне от 310^-3 до 10.710⁴ Па (от 2,25 до 800 мм рт. ст.)

10.1.2.2.4 Изделие должно выполнять свои функции, сохранять внешний вид и значение параметров в условиях после воздействия повышенной или пониженной температуры окружающей среды от +60°С до -60"С.

10.1.2.2.5 Изделие должно сохранять внешний вид и выполнять заданные функции в процессе и после воздействия повышенной влажности с характеристиками: относительная влажность при температуре равной +35°С 98%.

10.1.2.2.6 Изделие не должно иметь дефектов наружной отделки и по внешнему виду должно соответствовать сборочному чертежу.

10.1.2.3 Комплектность:

В комплект поставки входят инструкции по эксплуатации, чертежи, электрическая принципиальная схема, паспортные данные электродвигателей ДПР-52-Н1-04 и АВ-042-4МА1.

10.1.2.4 Маркировка:

Маркировка наносится непосредственно на изделие гравировкой.

10.1.3 Правила приемки

10.1.3.1 Изделие должно пройти приемо-сдаточные испытания, периодические, проверочные и испытания на надежность.

10.1.3.2 Изделие, не прошедшее испытания возвращается на доработку, но не более двух раз. В третий раз изделие бракуется и не может быть представление на испытание.

10.1.3.2 Для проведения прямо-сдаточных испытаний изделия могут быть представлены партией, которая должна включать в себя не менее двух и не более тридцати штук изделия. Приемно-сдаточные испытания изделия проводят в объеме 100% в следующей последовательности:

- внешний вид;

- прочность при воздействии синусоидальной вибрации одной частоты;

- стабильность выходной (регулируемой) величины;

- стойкость к воздействию повышенной и пониженной температуры;

- соответствие чертежам.

10.1.3.2 На периодические испытания изделия отбираются в составе системы в сроки, предусмотренные ТУ на систему. На данный вид испытаний отбирается один экземпляр изделия.

10.1.4 Методы контроля

10.1.4.1 Метрологическое обеспечение испытаний:

Средства измерений и испытаний, необходимые для контроля параметров системы, должны быть стандартизированы и выбраны с учетом требуемой точности измерений. Они должны быть подвергнуты поверке в соответствии с ГОСТ 8.002-71 и ОСТ 180301-82.

При отсутствии стандартизированных средств измерений и испытаний допускается применение нестандартизированных средств измерений и испытаний после метрологической аттестации в установленном порядке.

Запрещается применять средства измерений и испытаний, срок обязательных проверок которых истек.

10.1.4.2 Внешний вид, комплектность, маркировка:

Проверка производится внешним осмотром и сравнением с ТУ и чертежами. Изделие и его отдельные элементы не должны иметь механических повреждений и следов коррозии. Острые кромки деталей должны быть закруглены.

10.1.4.3 Испытания на соответствие техническим требованиям:

10.1.4.3.1 Механическая прочность.

Изделие подвергается воздействию механических факторов: вибрации, ударов, линейных перегрузок и транспортной тряски. Далее проводят проверку на соответствие ТУ.

10.1.4.3.2 Вакуумная герметичность.

Изделие помешают в барокамеру, где при температуре -15°С - 35°С создают максимальное рабочее давление 310^-3 Па. Изделие включают и выдерживают в рабочем состоянии в течение 1 часа. В это время проводят проверку на соответствие ТУ на конгрольно-проверочной установке.

После истечения указанного времени давление в камере повышают до 0.67 кПа (5 мм рт.ст.). В этих условиях изделие выдерживают в течение 30 минут. При этом также проводят проверку на контрольно-проверочной установке. Далее давление в камере понижают до первоначального и проводят ту же проверку.

После этого изделие извлекают из камеры и проводят внешний осмотр.

10.1.4.3.3 Воздействие повышенной и пониженной температуры.

Изделие помещают в камеру тепла, в которой устанавливают предельную температуру (60±3)°С, и по истечении 30 минут, необходимых для достижения установившегося теплового режима, выдерживают привод в выключенном состоянии 30 минут.

После этого в камере устанавливают кратковременную рабочую температуру (50±3)°С и по истечении 30 минут, изделие включают на 30 минут.

Проводят проверку на соответствие привода ТУ.

Затем в камере устанавливают повышенную рабочую температуру (40±3)°С и по истечении 0.5 ч, необходимых для достижения установившегося теплового режима, выдерживают изделие во включенном состоянии 2 часа. После этого вновь проводят проверку на соответствие привода ТУ.

Затем привод помещают в камеру холода. Устанавливают температуру (-60±3)°С и по истечении 0.5 ч выдерживают изделие в выключенном состоянии 2 часа. Затем включают и проводят проверку на соответствие требованиям ТУ.

Далее привод во включенном состоянии подвергают воздействию трех температурных циклов, следующих непрерывно один за другим в следующей последовательности:

а) выдержка в камере холода при температуре (-60±3)°С в течение 2 часов;

б) выдержка в камере тепла при температуре (60±3)°С в течение 2 часов. Время переноса из одной камеры в другую не должно превышать 5

минут. По окончании последнего цикла привод выдерживают в нормальных условиях не менее 2 часов и затем проверяют на соответствие ТУ.

1.4.3.4. Воздействие повышенной влажности.

Привод помещают в камеру влаги, температуру в которой устанавливают (25±3)°С и поддерживают на этом уровне до достижения установившегося режима.

Изделие подвергают воздействию шести циклов изменения температуры и влажности непрерывно следующих один за другим. Каждый цикл состоит из следующих этапов:

a) температуру повышают до (35±2)°С в течение 1-3 ч при относительной влажности воздуха не менее 95%. Скорость повышения температуры должна быть такой, чтобы обеспечивалась конденсация влаги на изделии.

b) поддерживают верхнее значение температуры в камере в течение (12±0.5) ч от начала цикла. В течение этого периода относительная влажность должна быть (93±3)%.

c) в течение 4-9 ч температуру понижают до (25±3)°С. Относительная влажность должна быть не ниже 95%.

d) значения температуры (25±3)°С и влажности 95% поддерживаются до окончания цикла.

Общая продолжительность цикла - 24 часа.

В конце каждого цикла испытаний производят кратковременное включение изделия на время не более 1 ч и проверяют на соответствие требованиям ТУ.

10.1.5 Транспортирование и хранение.

10.1.5.1. Условия транспортирования:

Изделия в транспортной таре разрешается транспортировать любым видом транспорта на любые расстояния при условии крепления тары к кузову транспортного средства с целью предохранения ее от смещений, соударений, воздействия осадков. Погрузка и выгрузка ящиков с изделиями должна производиться со всеми предосторожностями, исключающими удары и повреждения ящиков.

10.1.5.2 Требование к хранению:

Хранится изделие в упаковке изготовителя в стеллажах в неотапливаемых хранилищах с атмосферой типа II но ГОСТ 9.003-80 при температуре от -55 до +40°С; относительной влажности до 98% при температуре 25°С в течение не более 5 лет. При хранении свыше указанного срока и в других необходимых условиях изделие должно быть подвергнуто консервации. Срок хранения после переконсервации устанавливается но ГОСТ 9.014-78.

10.1.6 Указания по эксплуатации.

В помещения для установки электропривода должны соблюдается условия, указанные в пункте » условия эксплуатации »

При поступлении изделия проверить его на отсутствия механических повреждений и комплектность поставки , удалить консервирующую смазку.

Проверить целостность кабелей контактов и убедится в надёжности заземления .

Эксплуатационная документация (паспорт) должна выполняться в соответствии с ГОСТ 18681-79 и ГОСТ 2.901-70 и быть пригодной для экспорта.



10.1.7 Гарантии поставщика

Поставщик гарантирует соответствие механизма крепления и перемещения образцов в вакуумном объеме требованиям ТУ при соблюдении потребителем условий эксплуатации и транспортировки, установленных ТУ. Срок гарантии составляет 12 месяцев.

10.2 Разработка конструкции механизма крепления и перемещения образцов

10.2.1 Сборочный чертеж:

Сборочный чертеж механизма крепления и перемещения образцов 32.ДП.140601.СБ приведен в приложении №1пояснительной записки.

10.2.2 Спецификация:

Спецификация на механизм крепления и перемещения образцов 32.ДП.140601. приведена в приложении №2 пояснительной записки.

10.2.3 Описание конструкции:

Схема механизма перемещения образцов изображена на рисунке 32.

Карусель с подложками смонтирована на верхнем фланце 1 рабочей камеры 12. На внешней стороне фланца 1 размещен основной ввод вращения в вакуум с сальниковым уплотнительным элементом 3, через который проходит главный вал 5, соединённый с редуктором 4 привода вращения. Вал 5 с одного конца закреплён к крестообразному столу 11, с другой имеет контактную группу 6, состоящую из четырех микропереключателей KM1-1, обеспечивающих остановку механизма перемещения на рабочей позиции. Вращение обеспечивается электродвигателем АВ-042-4МА (позиция 13). Скорость вращения стола равна 8-10 об ./мин.

Кроме того, во фланце 1 установлены пять контактных штырей 2 для подачи постоянного тока напряжением 27 В на микродвигатели вакуумного исполнения ДПР-52-Н1-04 (на первые четыре подается +27В, а пятый является замыкающим). Соосно с ними, на крестовине расположены электрические контакты 7 (по пять на каждой стороне), подающие питание уже непосредственно на микродвигатели 10.

Каждый из четырех микродвигателей 10 вращает держатели 9, на которых закрепляется обрабатываемый образец. Скорость вращения держателей составляет 2500 об./мин.

Каждый микродвигатель 10 закреплен к своему кронштейну 8, который обеспечивает наклон плоскости держателя 9 относительно оси пучка равным 45°.

Кронштейн 8 крепится болтами к крестовине 11, вращающейся вместе с валом основного привода вращения 5.



10.3 Оценка уровня технологичности конструкции механизма крепления и перемещения образцов

Наиболее распространенной в настоящие время является оценка технологичности по комплексному показателю, что позволяет рассматривать одновременно определенную группу признаков технологичности конструкции изделия.

Метод определения комплексного показателя как средневзвешенной величины частных показателей наиболее прост, нагляден, удобен для расчетных работ. При этом пределы комплексного показателя, как и частных показателей, которые он обобщает, одинаковы. Предел комплексного показателя: 0<к<1

Уровень технологичности конструкции изделия определяется, как отношение достигнутого комплексного показателя технологичности к значению базового или нормативного комплексного показателя:

,

где Ку - уровень технологичности;

K - достигнутый комплексный показатель;

Кб - базовый показатель, равный для рабочей документации 0,6-0,7. Достигнутый комплексный показатель рассчитывается по формуле:



где ri - величина частотного показателя;

цi - функция, нормирующая весовую значимость показателя;

s - общее число относительных частных показателей.

Для расчета комплексного показателя технологичности конструкции изделий для условий неавтоматизированного производства выбирается 7 дополнительных относительных показателей, которые оказывают наибольшее влияние на технологичность конструкции. Состав этих показателей, их ранжированная последовательность по значимости и весовые коэффициенты ф приведены в таблице 18.

Исходные данные для расчета показателей технологичности конструкции приведены в таблице 17.

Таблица №17

Состав показателей технологичности конструкций электромеханических и механических изделии

Порядковый номер ранжированной последовательности	Показатель	Обозначение показателя и расчетная формула	Весовой коэффициент
1	Коэффициент унификации		1,0
2	Коэффициент автоматизации и механизации		1,0
3	Коэффициент сборности		0,75
4	Коэффициент сложности сборки		0,5
5	Коэффициент повторяемости сборочных единиц и деталей		0,31
6	Коэффициент повторяемости типовых технологических процессов		0,14
7	Коэффициент прогрессивности формообразования		0,11

Таблица №18.

Исходные данные для расчета показателей технологичностиконструкции электромеханических и механических изделий

№	Параметр	Обозначение параметра	Значение параметра
1	Количество унифицированных сборочных единиц в изделии	Еу	9
2	Количество унифицированных деталей в изделии, за исключением стандартных крепежных деталей	Ду	25
3	Общее количество сборочных единиц в изделии	Е	14
4	Общее количество деталей в изделии	Д	28
5	Общее количество операций в технологическом процессе	Н	11
6	Количество операций обработки, сборки, монтажа, контроля и регулировки, которые можно осуществлять механизированным или автоматизированным способом	Нм.о	0
7	Количество сборочных единиц, входящих в изделие и требующих регулировки в составе изделия, пригонки или совместной обработки с последующей разборкой и повторной сборкой	Есл	1
8	Количество типоразмеров сборочных единиц в изделии	Ет	8
9	Количество типоразмеров деталей в изделии без учета нормализованного крепежа	Дт	5
10	Количество применяемых технологических процессов	Qп	1
11	Количество типовых технологических процессов	Qt.п	1
12	Количество деталей, заготовки которых или I сами детали получены прогрессивными методами формообразования (штамповкой, ; прессованием, литьем по выплавляемым моделям, под давлением и в кокиль, порошковой металлургией и т. п.)	Дпр	25

Рассчитаем частные показатели, исходя из исходных данных, приведенных в таблице 18:

Подставим полученные значения в формулу для комплексного показателя, получим достигнутый комплексный показатель технологичности:

Тогда уровень технологичности при K_б = 0,5 равен:

.04

Конструкция удовлетворяет требованиям технологичности.

10.4 Расчет себестоимости механизма крепления и перемещения образцов

Для расчета рыночной цены электропривода необходимо рассчитать его себестоимость.

В зависимости от степени завершенности разработки и наличия технико-экономических норм и нормативов расчет полной себестоимости изделия С_п производится точными и приближенными методами. В нашем случае будем производить расчет с использованием точного метода.

Точный метод - метод нормативной калькуляции - используется, если конструкторская разработка нового изделия в целом завершена и имеются не только вся конструкторско-технологическая документация, но и нормативы затрат.

Метод нормативной калькуляции себестоимости изделия основан на использовании системы технико-экономических норм и нормативов всех видов затрат предприятия-изготовителя. Исходные данные для использования этого метода являются:

-сводные нормы трудоемкости по видам работ и средние разряды работ на изготовление деталей, сборочных единиц и изделия в целом;

-часовые тарифные ставки по разрядам, видам и условиям труда;

-прейскурант оптовых цен на материалы и комплектующие;

-проценты цеховых, общезаводских, внепроизводственных и транспортно-заготовительных расходов;

-нормативы отчислений на социальное страхование и дополнительной заработной платы.

Полная себестоимость проектируемого устройства определяется по статьям калькуляции:

С_п= Р_м'+ Р_м + Р_оз + Р_дз + Р_сс- Р_во + Р_ц+ Р_з + Р_вп+Р_тз ,

где

Рм? - затраты на покупные изделия и полуфабрикаты

Рм - затраты на основные материалы

Рвм - стоимость возвращаемых отходов

Р₃⁽⁾ - затраты на выплату заработной платы производственным рабочим

Рдз - затраты на выплату дополнительной заработной платы

Рсс - отчисление на социальное страхование

Рнц - накладные цеховые расходы

Рнз - накладные заводские расходы

Рвп- внепроизводственные расходы

Р_тз - транспортно заготовительные расходы

Данные по составу, количеству и стоимости покупных изделий и полуфабрикатов представлены в таблице 19



Таблица 19

Расчёт стоимости сырья и материалов, а также комплектующих покупных изделий

	Наименование комплектующих, сырья и материалов	Единицы измерения	Количество	Цена единицы, руб.	сумма, руб.
	Электродвигатель АВ-042-4МА1	шт.	1	8565,00	8565,00
	Электродвигатель ДПР-52-Н1-04	шт.	4	2430,00	9720,00
	Сальниковый ввод в вакуум	шт.	1	2700,96	2700,96
	Редуктор	шт.	1	4980,36	4980,36
	Микропереключатель КМ1-1	шт.	4	330,00	1320,00
	Подшипник 696ZZ	шт.	6	35,00	210,00
	Подшипник 71900 P4A	шт.	2	270,00	540,00
	Ввод электрический	шт.	5	490,00	2450
	Штырь контактный	шт.	20	235,00	4700
	Сталь 45	кг	25	28	700
	Сталь 12Х18Н10Т	кг	35	170	5950
	Резина 7889	кг	0,01	64	0,64
	Припой ПОС-61 ГОСТ21931-76	кг	0,05	216,00	10,80
	Провод НВ-0,50 ГОСТ 17515-72	м	0,5	10	5
	Итого	41852,87
	С учётом транспортно заготовительных расходов	43945,51

Транспортно-заготовительные расходы составляют 5% от полученной суммы, тогда: Р'_и + Р_м= 43945,51руб.

Основная заработная плата производственных рабочих определяется на основе трудоёмкости работ и часовых тарифных ставок, соответствующих разряду рабочих, выполняющих данную операцию.



Таблица 20

Расчет основной заработной платы

Вид работ	Трудоёмкость, час	Разряд	Часовая тарифная ставка, руб.	Итого, руб.
Заготовительные	4	2	90,00	360,00
Монтажные	16	4	110,00	1760,00
Сборочные	6	5	130,00	780,00
Наладочные	10	5	130,00	1300,00
Испытательные	5	4	110,00	550,00
Итого	44			4840,00

Дополнительная зарплата определяется по формуле:

Р_Дз = Р°з•Ндз/100=4840•0,30 = 1452 руб.,

где Ндз - проценты дополнительной зарплаты (30%)

Отчисления на социальное страхование:

Рсс=(Рз°+Раз) * Н^сс /100=(4840+1452)• 28/100=2240 руб. ,

где Нсс - норма отчислений на социальное страхование (Н^сс=28%)

Накладные цеховые и заводские расходы определяются по формулам:

Рнц=Рз°-Нц/100,

Рнз=Рз°-Нз/100,

Где Нц и Н₃ - процент цеховых и заводских расходов соответственно

Так как расходы на содержание и эксплуатацию оборудования включаются в цеховые расходы, то общезаводские и цеховые расходы определяются на основе процента заводских или цеховых расходов к фонду заработной платы.

Примем: Н_ц' =150%, Н₃? =80%, тогда Р_нц= 7260,00 Р_нз= 3872,00

Стоимость возвращаемых отходов принимаем в размере 5% от стоимости материалов:

Р_вн=43945,51- 0,05=2197,00 руб.

Производственная себестоимость вычисляется из цеховой себестоимости, которая вычисляется по формуле:

С_ц=Рм+Рм-Рвн+Рзо+Рдз+Рсс+Рнц

С^пр=с^ц+Р^нз=43945,51-2197,00+4840+1452+2240+7260+3872=61412,5

Непроизводственные расходы:

где - процент внепроизводственных расходов

Полная себестоимость:

С^П=С^ПР+Р^ВП=61412,51+3070,60=64483,14руб.

Оптовая цена предприятия определяется на основе полной себестоимости:

Ц=С^п-(1+П^р/ 100)= 64483,14-(1 + 15/100)= 74155,60 руб. ,

где П^р =15% - процент плановой прибыли.

Результаты расчёта себестоимости, оптовой цены сведены в таблицу 21

...