Привод звена промышленного робота (нижней руки)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский национальный технический университет

Факультет информационных технологий и робототехники

Кафедра "Робототехнические системы"

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине "Электрические машины"

Тема:"Привод звена промышленного робота(нижней руки)"

Исполнитель: студент ФИТР, 4 курс, группа 107119

Романов Александр Иванович

Руководитель проекта: БНТУ, доцент кафедры РТС

Лившиц Юрий Евгеньевич

Минск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТИПОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ВЫБОР МАНИПУЛЯТОРА

2. ПРИБЛИЖЕННАЯ НАГРУЗОЧНАЯ ДИАГРАММА

2.1 Расчет сил и моментов, действующих в электроприводе

2.2 Определение составляющих времени нагрузочной диаграммы

2.3 Построение нагрузочной диаграммы и её анализ

3. ВЫБОР И ПРОВЕРКА ДВИГАТЕЛЯ

3.1 Предварительный выбор электродвигателя

3.2 Расчет динамических параметров привода и динамическая нагрузочная диаграмма

3.3 Проверка двигателя

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИВОДА

4.1 Построение и анализ механических характеристик

4.2 Расчет скорости для точной остановки и анализ результатов

4.3 Расчет и анализ переходных процессов

5. ВЫБОР КОМПЛЕКСНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.1 Обзор современных электроприводов ПР и их анализ, выбор

5.2 Функциональная структурная схема привода. Передаточные функции звеньев, работа электропривода

5.3 Схема подключения привода. Настройка, установка привода

6. РАСЧЕТ РАСХОДА ЭНЕРГИИ И КПД ЗА ЦИКЛ РАБОТЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

двигатель нагрузочный привод манипулятор

ВВЕДЕНИЕ

Промышленные роботы (ПР) находят все более широкое применение, заменяя человека (или помогая ему) на участках с опасными, вредными для здоровья, тяжелыми или монотонными условиями труда. Особенно важно то, что ПР можно применять для выполнения работ, которые не могут быть механизированы или автоматизированы традиционными средствами. Однако ПР -- всего лишь одно из многих возможных средств автоматизации и упрощения производственных процессов. Они создают предпосылки для перехода к качественно новому уровню автоматизации -- созданию автоматических производственных систем, работающих с минимальным участием человека.

Сегодня робототехнические системы применяют практически во всех отраслях народного хозяйства, однако наибольшее распространение они получили в промышленности, прежде всего -- в машиностроении. [1]

В последние годы можно отметить определенные достижения в развитии электропривода (ЭП). Были созданы новые магнитные материалы с существенно более высокими магнитными свойствами. Электропривод по сравнению с пневмо- и гидроприводом обладает низким уровнем шума, легкостью передачи сигналов управления, простотой монтажа, а так же учитывая дешевизну электроэнергии, ЭП все чаще используется в ПР. Основными факторами, определяющими конструкцию привода, являются назначение и условия эксплуатации ПР, грузоподъемность и требуемые динамические характеристики манипулятора, вид системы управления.

Электроприводы, которые выпускаются промышленностью, бывают с изменяемой и неизменной частотой вращения вала электродвигателя. По виду регулирования различают регулируемый и следящий электроприводы. Следящим называется электропривод, который обеспечивает (с заданной скоростью) движение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом управления. Электропривод называется регулируемым, если частота вращения вала двигателя меняется по заданному закону.

Электропривод состоит из следующих узлов: двигателя, преобразователя и трансформатора.

Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию вращения вала.

Преобразователь, состоящий из силовых элементов и системы управления, формирует напряжение, подаваемое на двигатель.

Трансформатор согласует напряжение питающей сети с напряжением двигателя.

Основную функцию в электроприводе (преобразование электрической энергии в механическую) выполняет электродвигатель. От параметров электрического двигателя зависит технический уровень электропривода применяемого в станках или промышленных роботах.

Электрический привод представляет собой сложное соединение большого числа элементов, охваченных системой обратных связей. Для успешной его эксплуатации все элементы должны работать согласованно.

В регулируемых ЭП широко используются двигатели постоянного тока(ДПТ). Широкое распространение ДПТ несмотря на их более высокую стоимость и сложность эксплуатации по сравнению с асинхронными двигателями объясняются в первую очередь простыми и надежными способами регулирования частоты вращения, большими пусковыми моментами и перегрузочной способностью, чем у двигателей переменного тока. Наибольшее распространение ДПТ получили в приводах, требующих глубокого регулирования частоты ращения[2]

Основной целью курсового проекта является расчет переходных процессов, нагрузочных диаграмм, энергетических показателей, выбор ЭД.

1. ТИПОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ВЫБОР МАНИПУЛЯТОРА

Рассматриваемый манипулятор работает в ангулярной системе координат. Схема манипулятора представлена на рисунке 1.1. В данном курсовом проекте мы будем рассматривать привод нижней(передней) руки. Выберем технологический процесс, в котором будет работать ПР.

Рисунок 1.1-Схема манипулятора

Рассмотрим исследуемый ПР в составе робототизированного комплекса (РТК), выполняемого погрузочно-разгрузочные работы. ПР в таких РТК должны обеспечивать всю совокупность перемещений, необходимых для нормального протекания технологического процесса. Наличие 3-х степеней подвижности у рассматриваемого ПР(без учета степеней, вносимых сменным захватным устройством) вполне удовлетворительно для операций погрузки-разгрузки. Целесообразными скоростями для схвата в данном случае являются скорости 0,001-1,5 м/с[3]. Остальные требования определяются местом установки и наличием того или иного вспомогательного оборудования. Применение робота в таких операциях освобождает рабочих от монотонной работы в некомфортных условиях. Использование ПР с данным манипулятором не ограничивается только погрузочно-разгрузочными работами. Он так же может использоваться при выполнении таких технологических процессов, как сборка, ковка, штамповка, покраска, сварка, термообработка, литьё.

Рассмотрим автоматическую линию выгрузки поршней двигателя из моечной машины и укладки их в тару[3], показанную на рисунке 1.2.

1-Манипулятор робота;2- ящик с ячейками для поршней;3-тумбочка;4-тележка;5-ограждение;6-поддон моечной машины;7-моечная машина;8-пульт управления роботом

Рисунок 1.2 Автоматическая линия выгрузки поршней двигателя из моечной машины и укладки их в тару

После механической обработки поршни подаются шаговым транспортером в две камеры моечной машины 7, где промываются водным раствором соды и затем просушиваются сухим сжатым воздухом. Из камер поршни выталкиваются на поддон 6 и замыкают контакты блокирующих микровыключателей, при этом сигнал о наличии на позиции захвата поршней поступает на пульт управления 8 робота. Установленный рядом с моечной машиной манипулятор робота специальными схватами берет поршни с поддона 6 и раскладывает их в ячейки четырех ящиков 2.Ящики устанавливаются на тумбочках 3 по направляющим до упора (конечного выключателя), подающего сигнал на пульт управления робота о наличии тары. Программа движения манипулятора составлена так, что при отсутствии поршня на поддоне 6 моечной машины 7 рука робота проходит в зону захвата и ожидает появления поршня. При отсутствии ящика на загрузочной позиции робот останавливается. Загруженные ящики во время работы передвигаются с тумбочек на тележку и заменяются пустыми.

Данную линию обслуживает электромеханический робот, работающий в ангулярной сферической системе координат. Разрабатываемый привод нижней руки является приводом вращательного движения. Кинематическая схема такого ЭП приведена на рисунке 1.3.

М-электродвигатель; P-редуктор; ПМ-производственный механизм; Wдв, Wмех-угловые скорости соответственно вала двигателя и механизма; Мдв, Мс-вращающий момент, развиваемый двигателем, и момент сопротивления, создаваемый механизмом.

Рисунок 1.3-Кинематическая схема ЭП передней руки:

2. ПРИБЛИЖЕННАЯ НАГРУЗОЧНАЯ ДИАГРАММА

2.1 Расчет сил и моментов, действующих в электроприводе

В работе рассматривается ЭД, который приводит производственный механизм (в данном случае нижнюю руку) через определенный передаточный механизм (редуктор).

Всю эту механическую систему считаем абсолютно жесткой. Так, как об ЭД пока ничего неизвестно, то силы и моменты, действующие в ЭП, будем сначала приводить к валу двигателя.

При расчетах будем учитывать следующие основные допущения:

-уравновешивающие силы не учитываются;

-трение в элементах передачи учитываются через КПД передачи;

-сечения элементов принимаем постоянными с расположением максимума по середине.

Рисунок 2.1 -Механизм поворота передней руки

Согласно рисунку 2.1 силы тяжести m₂g, m₃g,m_гg создают относительно шарнира, в котором расположен разрабатываемый ЭП для передней руки, статический момент[4]:

М_ст'=m₂gl'₂/2+m₃g(l'₂+l'₃/2)+m_гg(l'₂+l'₃), (2.1)

где ц-угол поворота нижней руки; m₁, m₂,m₃- массы нижней руки, верхней руки, груза; l'₂=cosц; l'₃=cos ,-длинны нижней и верхней рук.

Момент инерции рассчитаем, считая звенья тонкими стержнями, а груз-точкой:

J_мех=m₂/12+m₃/3(l'₂+l'₃/2)²+m_г/3(l'₂+l'₃)² (2.2)

Динамический момент и его максимальное значение в этом случае:

М_дин'=J_мехе, (2.3)

=J_мехе_max (2.4)

Движение входного звена производственного механизма привода списывается уравнением равновесия моментов:

М'=М_ст'+М_дин', (2.5)

где М',M_ст',M_дин'-соответственно движущий, статический и динамический моменты, приведенные к входному валу двигателя.

Максимальный приведенный момент:

=+ (2.6)

Подставив в формулы (2.1), (2.2), (2.4), (2.6) числовые значения, получаем:

Максимальный момент достигается при ц=0

=(43,5*1,55/2+14(1,55+0,5/2)+5*(1,55+0,5))9,81=678,45(Н*м)

J_мех=43.5*3.1/2+14(0.25/3+3.2)+5*(1.55+0.5)²=90.65(кг*м²)

=90,65*0,41=37,17(Н*м)

=678,48+37,17=715,65(Н*м).

2.2 Определение составляющих времени нагрузочной диаграммы

В данном подразделе необходимо определиться с циклом работы ЭП рассматриваемого ПР.

Согласно описанию техпроцесса (см.раздел 1) робот 1 выполняет следующие действия:

1) манипулятор робота специальными схватами берет поршни с поддона, при отсутствии поршня на поддоне рука робота проходит в зону захвата и ожидает появления поршня;

2) раскладывает их в ячейки четырех ящиков;

Выделим для цикла работы ЭП следующие участки:

а) передняя рука из крайнего верхнего положения( ц=65) над питателем катушек поворачивается в крайнее нижнее положение ( ц=-65), отрабатывая тем самым требуемый по заданию угол ( ц₁=130);

б) захватное устройство берет поршень (для передней руки это время первого простоя в цикле t₀₁);

в) движение передней руки обратно в верхнее крайнее положение ( ц=65);

г) поворот колонны для установки схвата над ячейкой ящика( это второй простой t₀₂);

д) передняя рука поворачивается вниз на угол ( ц₂=65) и при совместном движении верхней руки устанавливает поршень в ячейку;

е) ЗУ отпускает поршень в ячейку (третий простой);

ж) передняя рука возвращается в крайнее верхнее положение ( ц=65);

з) колонна поворачивается и устанавливает схват над ванной с поршнями (четвертый простой).

При отработке всех углов поворота передняя рука разгоняется до скорости щ_max с ускорением е_max. Тогда время разгона(пуска) и торможения звена можно найти по формуле:

t_п=t_т=; (2.7)

с учетом числовых данных:

t_п=t_т==1,5(с).

Углы поворота передней руки за это время:

ц_п=ц_т=; (2.8)

ц_п=ц_т==0.461(рад).

Время работы с постоянной по модулю угловой скоростью:

t_p1=, (2.9)

t_p2=; (2.10)

t_p1==2,17 (с)

t_p2==0,338 (с)

Полное время работы привода:

t_п.р.=+=2(t_п+t_т+t_p1)+t_п+t_т+t_p2 (2.11)

где m и n-количество интервалов пуска(торможения) и количество рабочих интервалов соответственно

t_п.р.=2*(1,5+1,5+2,17)+2*(1,5+1,5+0,338)=17 (с)

Найдем время цикла, с учетом продолжительности включения ЭП [6]:

t_ц=*100%; (2.12)

t_ц=*100=100=48,5 (с).

Суммарное время простоя ЭП:

t₀=t_ц-t_пр=48,5-17=31,5 (c) (2.13)

2.3 Построение нагрузочной диаграммы и её анализ

На основании расчетов подразделов 2.1 и 2.2 можно построить скоростную и статическую диаграммы для производственного механизма.

Все составляющие цикла работы t_ц известны, кроме пауз t₀₁,t₀₂,t₀₄. На основании раздела 2.2, примем соотношение времени пауз t₀₁:t₀₂:t₀₄=1:2:3, тогда t₀₁=5,25 c, t₀₂=10,5 c, t₀₃=15,75 c.

На рисунке 2.2 изображены скоростная и приближенная нагрузочная диаграммы для передней руки. Вид нагрузочной диаграммы определяется формулой 2.1. Знак статического момента уже учтен уравнением движения (2.5).



Рисунок 2.2- Скоростная и статическая нагрузочная диаграммы производственного механизма

3. ВЫБОР И ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

3.1 Предварительный выбор электродвигателя

Скоростная и диаграмма и диаграмма статического момента механизма служат основой для предварительного выбора ЭД.

По нагрузочной диаграмме производственного механизма(рисунок 2.2) находим эквивалентный статический момент[6]:

= (3.1)

t_i-продолжительность i-го интервала;

M_стi-статический момент на i-ом интервале диаграммы.

Воспользовавшись формулой (3.1), получим:

====; (3.2)

=678,45*0,59=401,37 (Н*м).

Номинальный момент определяется:

=, (3.3)

где -коэффициент, учитывающий динамические режимы работы ЭД (обычно принимают ).

Подставив в формулу (3.3) получим:

=1,3*401,37=521,78 (Н*м).

Подсчитаем требуемую номинальную мощность выбираемого ЭД, взяв в качестве номинальной скорости :

=, (3.4)

Где з-КПД редуктора привода;

==377,52(Вт).

Условием предварительного выбора ЭД является неравенство[4]:

P_ном>, (3.5)

где -номинальная мощность двигателя.

Для проектируемого ЭП звена ПР из справочника по электрическим машинам[3] выбираем коллекторный ДПТ типа ДПУ 200-500-3-Д39-09-УХЛ4. Серия двигателей ДПУ предназначена для работы в приводах подач станков с ЧПУ и в приводах ПР. Двигатель имеет следующие технические данные:

момент	номинальный Мном=1,7 Н*м;x максимальный Мдоп=8,5 Н*м;
номинальная частота вращения	nном=3000об/мин
номинальное напряжение	Uном=140В
номинальный ток	Iном=5,3А
ток холостого хода	I0=2А
номинальная мощность	Pном=500Вт
КПД	зном=74,2%
сопротивление обмотки якоря при 20	Rя=2,2 Ом
индуктивность цепи якоря	Lя=1,13 мГн
система возбуждения	независимое возбуждение
момент инерции	Jдв=0,944 г*м2
габариты	250х184мм
масса	9,2кг
вентиляция	естественное охлаждение IC040
класс нагревостойкости изоляции	F
встроенный тахогенератор	ТП80-20-0,2
климатическое исполнение	для умеренного и холодного климата в закрытых отапливаемых помещениях

Габаритные и установочные размеры двигателя приведены на рисунке 1.3.

l30=184;d30=215;b30=250.

Рисунок 3.1- Габаритные и установочные размеры ДПУ 200-500-3-Д39-09-УХЛ4.

Возбуждение двигателя осуществляется от высокоэнергетических магнитов. Двигатель предназначен для эксплуатации в условиях воздействия механических факторов по группе М8 ГОСТ 17516-72.

Номинальный режим работы двигателя S1 при частоте вращения n0.5n_ном, в режиме S3 с ПВ=25% и продолжительностью. Цикла 30 мин. При n0.5n_ном, а так же в режиме S5 с частыми пусками и электрическим торможением при коэффициенте инерции 2. На холостом ходу(ХХ) в течение 2 мин допустимо повышенные частоты вращения до 5000 об/мин.

Питание ДПТ может осуществляться от источника постоянного тока, аккумуляторной батареи и выпрямителя. Устойчивая работа ДПТ обеспечивается схемой управления ЭП. Технические данные встроенного тахогенератора ТП80-20-0,2 с возбуждением от постоянных магнитов:

-крутизна выходной характеристики s=20;

-частота вращения:

номинальная n_ном=3000 об/мин;

максимальная n_max=6000 об/мин;

минимальная n_min=0.1 об/мин;

-нагрузочное сопротивление Rт10 кОм;

-погрешность в диапазоне частот 0,1-4000 об/мин 0,2%;

-выходное сопротивление постоянному току при температуре 20 R_т.вых=14014 Ом;

-габариты 33,5х7 мм;

-масса-0,5 кг;

Пульсации выходного напряжения при изменении частоты от максимального значения до 0,001nном и менее лежат в пределах 0,2-5%. Изменение ЭДС тахогенератора при изменении температуры окружающей среды должно быть не более 0,02%/[3].

3.2 Расчет динамических параметров привода и уточненная нагрузочная диаграмма

Так как t_ц=48,5с 10 мин, то делаем вывод, что выбранный ЭД будет работать в повторно-кратковременном режиме, когда как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры всех частей двигателя могли достигнуть установившегося значения. Согласно циклограмме работы производственного механизма (см.рисунок 2.2) 3 рабочих участков следуют один за другим без простоя ЭП. Значит рационально выбирать повторно-кратковременный режим S5 с частыми пусками и электрическим торможением двигателя. Поскольку выбранный ДПТ допускает работу в режиме S5 только при частоте вращения n0.5n_ном , то далее в расчетах будем подставлять вместо номинальной частоты величину n_уст=1500 об/мин (и соответственно угловую скорость вращения щ_уст в рад/с).

Зная номинальную частоту вращения предварительно выбранного двигателя, модем найти передаточное число для редуктора привода:

i==; (3.6)

i==255.4.

Такое передаточное число можно реализовать только с помощью волнового зубчатого зацепления. Поэтому необходимо использовать волновой редуктор.

Теперь уже достаточно данных для приведения моментов к валу ЭД в соответствии с уравнением движения:

М=М_ст+М_дин (3.7)

где М',M_ст',M_дин'-соответственно движущий, статический и динамический моменты, приведенные к входному валу двигателя

С учетом передаточного числа приведенные нагрузочные моменты определяются следующим образом[6]:

М_ст=, (3.8)

М_дин=, (3.9)

Где J-суммарный момент инерции ЭД; t_ц- время разгон(пуска).

Суммарный момент инерции определяется как:

J=дJ_дв+ (3.10)

где д-коэффициент, учитывающий момент инерции движущихся частей передаточного механизма (д=1,1…1,3).

Преобразуем формулы (3.8), (3.9) для максимальных значений:

= (3.11)

==J. (3.12)

Для выбранного ЭД в режиме S5 коэффициент инерции принимается д=2. Значит по формулам (3.10), (3.11), (3.12) получим:

J=2*9.44*10^-4+=3.28*10^-3(кг*м²);

==3,125 (Н*м) =3,28*10^-3*=0,34 (Н*м).

Для участков с переменной скоростью момент, приведенный к валу ЭД, в соответствии с уравнением(3.7) равен:

-при пуске M_max=3.465 Н*м;

-при торможении M_min=2.785 Н*м.

На основе последних результатов и диаграмм рисунка 2.2 строим уточненную нагрузочную диаграмму ЭП. На рисунке 3.2 изображены скоростная и уточненная нагрузочная диаграммы для статического, динамического и движущего моментов, приведенных к валу двигателя. Здесь введено обозначение М_уст==3,13 Н*м-это значение приведенного момента в установившихся режимах работы.



Рисунок 3.2-Скоростная и нагрузочная диаграммы ЭП

3.3 Проверка двигателя

При выборе ЭД наиболее важным требованием является недопустимость его перегрева при достаточном запасе мощности. Это необходимо для эффективной производительности ЭП и построенной на его основе машины. Нагревание двигателя обусловлено двумя видами потерь - постоянными и переменными. Постоянство потерь условно: постоянные они принимаются в силу их незначительного изменения.

Постоянные потери не зависят от нагрузки, т.е. от тока ЭД. К ним относят: потери на гистерезис и вихревые токи в стали магнитопровода, механические на трение в подшипниках и щеток о коллектор в машинах постоянного тока, вентиляционные потери[7].

Для определения перегревания двигателя, воспользуемся методом средних потерь: если

, то , (3.13)

где - средняя мощность потерь за цикл;

- номинальная мощность потерь;

- средняя температура перегрева;

- номинальная(допустимая) температура перегрева.

Средняя мощность потерь за цикл рассчитывается по нагрузочной диаграмме:

, (3.14)

где - суммарные потери энергии за цикл, при пуске ЭД (см. рисунок 3.2);

- суммарные потери энергии за цикл, при торможении ЭД (см. рисунок 3.2);

- потери энергии при вращении с постоянной скоростью за цикл;

- суммарное время пауз;

- суммарное время пуска;

- суммарное время торможения;

- суммарное время вращения с постоянной скоростью;

- коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения двигателя при отключении;

- коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения двигателя при пуске и торможении;

Потери энергии в ДПТ при пуске под постоянной нагрузкой М_уст определяются по формуле:

+Муст(щ0tп- (3.15)

где - установившаяся угловая скорость вращения ЭД.

Потери энергии за одно торможение электродвигателя:

. (3.16)

Потери энергии при вращении с постоянной скоростью за цикл:

, (3.17)

где

- величина номинальных потерь;

- КПД двигателя при вращении с постоянной скоростью;

- номинальная мощность ЭД.

Вычисления:

[рад/с²];

[Дж];

[Дж];

;

[Вт];

[Вт].

Так как , можно сделать вывод, что выбранный двигатель проходит проверку по перегреву.

Размещено на Allbest.ru

...