Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2007, №34
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Кубанский государственный аграрный университет
Наименование: Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета
Год издания: 2007
Кол-во страниц: 273
Дополнительно
Вид издания:
Журнал
Артикул: 640646.0001.99
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Научный журнал КубГАУ, №34 (10), 2007 года http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf 1 УДК 664.951.022.62.002.5 UDC 664.951.022.62.002.5 ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ РАЗДЕЛОЧНО-ФИЛЕТИРОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ (Часть II. Реализация прямого цифрового управления шаговым приводом) APPROACH TO THE CREATION OF SYSTEM OF AUTOMATIC MANAGEMENT OF WORKING ORGANS OF PREPARATIONFILLET EQUIPMENT (PART II. REALIZATION OF DIRECT NUMERICAL MANAGEMENT WITH STEPPING DRIVE) Фатыхов Юрий Адгамович д. т. н., профессор Fatykhov Yury Adgamovich Dr. Sci. Tech., professor Агеев Oлег Вячеславович соискатель Ageev Oleg Vyacheslavovich post-graduate student Шлемин Аркадий Васильевич к. т. н., доцент Shlemin Arkady Vasilievich Cand. Tech. Sci., associate professor Пономарев О.П. к. т. н., доцент Ponomarev O.P. Cand. Tech. Sci., associate professor Калининградский государственный технический университет, Калининград, Россия Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia В статье рассмотрен подход к определению параметров шагового привода для системы автоматического управления рабочими органами мехатронного разделочно-филетировочного оборудования. Приводятся расчетные методики для определения параметров шарико-винтовой и реечной передач. Рассмотрена структура лабораторной установки, предназначенной для исследования динамических характеристик шаговых двигателей. Приводится схема управления шаговым двигателем с использованием программируемого логического контроллера, микроконтроллера и мостового драйвера. Approach to the determination of parameters of stepping drive for system of automatic management of working organs of mechatronic preparation-fillet equipment was considered in the article. Calculation methods for determination of parameters of ballhelical and rack-and-gear transmission are casted. Structure of laboratory installation, intended for research of dynamic characteristics of stepping drives was considered. Scheme of stepping drive management with the use of programming logical controller, microcontroller and bridge driver is casted. Ключевые слова: ФИЛЕТИРОВАНИЕ, ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ШАРИКО-ВИНТОВАЯ ПЕРЕДАЧА, РЕЕЧНАЯ ПЕРЕДАЧА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, МОСТОВОЙ ДРАЙВЕР. Key words: FILLETING, STEPPING DRIVE, BALL-HELICAL TRANSMISSION, RACK-ANDGEAR TRANSMISSION, MICROCONTROLLER, BRIDGE DRIVER. Выбор шагового двигателя для системы автоматического управления рабочими органами разделочно-филетировочного оборудования должен осуществляться с учетом требований по обеспечению момента нагрузки на валу двигателя, получению заданной дискретности системы и обеспечению необходимой скорости следящего вала. Выбор двигателя производится на основе следующей системы уравнений [1]:
Научный журнал КубГАУ, №34 (10), 2007 года http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf 2 iM M Н Н ' = ; J i J Н Н 2 ' = , (1) i ' ω ω = ; i ' α α = ; i 'ε ε = , (2) где M Н , M Н ' – момент сопротивления нагрузки; J Н , J Н ' – момент инерции нагрузки; ω , ' ω – скорость вращения; ε , 'ε – ускорение; α , ' α – единичный угол поворота (переменные, отмеченные штрихом, соответствуют исполнительной оси, без штрихов – валу шагового двигателя). Обозначим передаточное число редуктора, определяемое условиями обеспечения заданной нагрузки и дискретности системы, через i1, а передаточное число редуктора, определяемое необходимой скоростью исполнительной оси, через i2 . В этом случае оптимальное передаточное число i может быть определено неравенством: i i i 2 1 > > . (3) Передаточное число редуктора следует уменьшать для получения более высокого быстродействия. Одновременно, для обеспечения заданных требований по нагрузке и дискретности системы передаточное число редуктора следует увеличивать. В связи с таким противоречием не всегда удается удовлетворить требованиям неравенства (3). Сделать сходящимся неравенство (3) позволяет искусственное дробление шага двигателя, так как при неизменном значении i2 величина i1 уменьшается в ν раз [1].
Научный журнал КубГАУ, №34 (10), 2007 года http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf 3 Исходными данными для выбора двигателя являются значения M Н ' , Н·м; J Н ' , кг·м2; ' α , рад; ' ω , рад/с; 'ε , рад/с2. Предварительный выбор двигателя осуществляется на основании общих требований к приводу по нагрузке, скорости, ускорению и дискретности исполнительного вала, а также частных требований, связанных с габаритами, массой и потребляемой мощностью. Для предварительно выбранного шагового двигателя определяется передаточное число редуктора, исходя из требований по скорости исполнительного вала: ω ω' 2 = i . Если значение полученного коэффициента редукции удовлетворяет требованиям по нагрузке (2), то определяется необходимая степень дробления шага двигателя для обеспечения заданной дискретности системы: ( )i2 '⋅ = α α ν , которая определяет алгоритм коммутатора по числу тактов коммутации обмоток управления для получения требуемого дробления шага [1]. В зависимости от конфигурации обмоток шаговые двигатели разделяют на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться электронной схемой коммутации – драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (A, B, C, D). Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но в середине обмотки имеется отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половин обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только четыре простых ключа.
Научный журнал КубГАУ, №34 (10), 2007 года http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf 4 Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный и как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы остаются неподключенными. Для преобразования вращательного движения вала шагового двигателя в поступательное движение исполнительного вала для перемещения рабочего органа разделочно-филетировочного оборудования требуется наличие механической передачи. Для этой цели наиболее целесообразно использовать шарико-винтовую или реечную передачу. Передача винт-гайка качения предназначена для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот [2]. Будучи более сложной по конструкции и изготовлению, чем винтовая передача скольжения, и обладая теми же достоинствами, она дополнительно отличается обратимостью, значительно большим КПД (до 0,9), меньшим износом, большей точностью хода, повышенной долговечностью. Кроме того, в такой передаче может быть полностью выбран зазор и создан предварительный натяг, обеспечивающий высокую осевую жесткость. Все это обуславливает целесообразность применения шарико-винтовой передачи для настройки рабочих органов разделочно-филетировочного оборудования. Типовая передача винт-гайка качения (рисунок 1) состоит из: винта 1, гайки 2, стальных шариков 3, помещенных между рабочими винтовыми поверхностями винта и гайки, и направляющей 4. При вращении винта шаговым двигателем шарики, расположенные в винтовых канавках между поверхностями винта и гайки, перекатываются между ними и передают движение от винта к гайке, перемещающейся поступательно. Поскольку скорость перемещения шариков отличается от скорости ведущего и
Научный журнал КубГАУ, №34 (10), 2007 года http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf 5 ведомого звеньев, для обеспечения непрерывной циркуляции шариков концы рабочей части резьбы соединены возвратным каналом 5. Замкнутую цепь шариков условно делят на активную (рабочая часть нарезки) и пассивную (возвратный канал) части. Активная часть обычно составляет 1–2,5 витка, так как при большем числе рабочих витков снижается КПД шарико-винтовой передачи из-за увеличения трения шариков друг о друга. Профили резьбы шарико-винтовой передачи могут быть треугольными, круглыми и круглыми с канавкой. Элементы шарико винтовых передач – шарики, винты и гайки – изготавливают из углеродистых легированных сталей марок: ШХ15, ХВГ, 8ХВ, 9ХС, 18ХГТ, 12ХНЗА и других с объемной или поверхностной закалкой, азотированием или цементацией до очень высоких твердостей (HRC 60 и выше). Кинематические соотношения для случая преобразования вращательного движения в поступательное являются следующими. Передаточное отношение j , величину перемещения гайки S , скорость перемещения гайки V , передаточное число u определяют по формулам: pz p S V j z π π ϕ ω 2 2 = = = = , (4) где ω – угловая скорость винта, с-1; V – скорость перемещения гайки, м·с-1; ϕ – угол поворота винта, рад; S – величина перемещения гайки, м; pz – ход винта, м; p – шаг винта, м; z – число заходов винтовой линии. Перемещение гайки, м: π ϕ π ϕ ϕ 2 2 pz p j S z = = = , (5)
Научный журнал КубГАУ, №34 (10), 2007 года http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf 6 где ϕ – угол поворота винта, рад. Рисунок 1 – Схема шарико-винтовой передачи, согласно [2] Скорость перемещения гайки, м·с-1: π ω π ω ω 2 2 pz p j V z = = = . (6) Передаточное число: pz D p D t p tD V V u В z В z В В π π π = = = = 2 2 , (7) где V В – окружная скорость вращения винта на окружности диаметром DВ (маховик и пр.), м·с-1; V – скорость перемещения гайки, м·с-1; t – время
Научный журнал КубГАУ, №34 (10), 2007 года http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf 7 полного оборота винта, с; DВ – расчетный входной диаметр на винте (маховика и пр.), м. КПД шарико-винтовой пары: ( ) ( ) ρ β β η К П В tg tg + − = − 95 ,0 90 ,0 , (8) где β – угол подъема винтовой линии по цилиндру диаметром DСР ; ( ) [ ] d f arctg Ш К К 5,0 = ρ – приведенный угол трения качения; f К – приведенный коэффициент трения качения; d Ш – диаметр шарика, мм. Поскольку β ρ << К , то КПД шарико-винтовой пары даже при малых углах подъема винтовой линии достигает 80–90 %. Силовые соотношения в шарико-винтовой паре следующие. Вращающий момент, приложенный к винту, Н·м: ( ) ρ β К СР А tg D F M + = 2 , (9) где F А – осевая сила, Н; DСР – диаметр окружности, на которой располагаются центры шариков, мм. Мощность на ведущем звене, Вт: η П В АV F N − = . (10) Если ведомое звено, движущееся поступательно, нагружено, кроме осевой, также радиальной силой F R , то на ведущем винте возникает дополнительный момент трения, Н·м:
Научный журнал КубГАУ, №34 (10), 2007 года http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf 8 + = L L D f F M СР К R F 1 2 2 1 2 , (11) где L2 – расстояние между точкой приложения радиальной нагрузки и ближним рабочим витком, м; L1 – расстояние между крайними рабочими витками винтовой поверхности гайки, м (см. рисунок 1). Реечная передача служит для преобразования вращательного движения шестерни в поступательное движение рейки [2]. Передача проста по конструкции и изготовлению, компактна и отличается высокой надежностью. Недостатком реечной передачи является отсутствие выигрыша в силе, так как ее передаточное число равно единице. Реечная передача (рисунок 2) состоит из шестерни 1 и зубчатой рейки 2 и может рассматриваться как частный случай цилиндрической зубчатой передачи, у которой колесо обращено в рейку. В качестве материалов для реечных пар, как и для зубчатых передач применяют углеродистые конструкционные и легированные стали с объемной или поверхностной термообработкой [2]. Кинематические соотношения для преобразования вращательного движения в поступательное следующие. Передаточное отношение, м-1: d d S V j 1 1 2 2 = = = = π π ϕ ω , (12) где ω – угловая скорость шестерни, с-1; V – скорость перемещения рейки, м·с-1; ϕ – угол поворота шестерни, рад; S – величина перемещения рейки, м; mz d 1 1 = – делительный диаметр шестерни, м; m – модуль зубьев, м; z1 – число зубьев шестерни. Перемещение рейки, м:
Научный журнал КубГАУ, №34 (10), 2007 года http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf 9 2 2 1 d d j S ϕ ω ϕ = = = . (13) Скорость перемещения рейки, м·с-1: 2 2 1 1 d d j V ω ϕ ω = = = , (14) Рисунок 2 – Схема реечной передачи, согласно [2] Передаточное число: 1 2 2 1 = = = d d V V u Ш ω ω , (15) где V Ш – окружная скорость шестерни по делительной окружности, м·с-1. КПД реечной передачи достаточно высок и в зависимости от точности изготовления находится в пределах от 0,94 до 0,98.
Научный журнал КубГАУ, №34 (10), 2007 года http://ej.kubagro.ru/2007/10/pdf/16.pdf 10 Осевая сила, приложенная к рейке, равная окружной силе, действующей на шестерню, Н: d M F F t 1 2 = = , (16) где F – осевая сила, приложенная к рейке, Н; F t – окружная сила, приложенная к шестерне, Н; M – вращающий момент, приложенный к шестерне, Н·м. Лабораторная установка (рисунок 3) содержит в качестве основной составной части имеющийся стенд для исследования динамических характеристик шаговых двигателей. Стенд содержит микропроцессорный блок, который служит для управления работой шагового двигателя, а также ряд устройств для получения, преобразования и подготовки измерительной информации с целью обработки на управляющей ЭВМ. Стенд предусматривает режим работы с управляемой механической нагрузкой. На рисунке 4 приведена обобщенная структурная схема лабораторной установки. Управляющая ЭВМ выполняет следующие функции: - задающего устройства, связанные с формированием закона движения цифрового следящего привода; - чувствительного элемента привода, связанные с определением рассогласования между заданием на привод и его текущим положением; - виртуального датчика для измерения высоты рыбы, связанные с моделированием работы лазерного сканера; - цифрового регулятора положения, связанные с вычислением управляющего сигнала, обеспечивающего отработку приводом заданного ему движения.