Реферат: «Детали, узлы и механизмы систем управления»

Министерство образования РФ

Уральский государственный технический университет - УПИ

Кафедра Технологии и средства связи

Проектирование исполнительного
механизма дистанционной системы управления

Курсовая работа

по курсу «Детали, узлы и механизмы систем управления»

Пояснительная записка

Вариант № 24

Студент гр. УИТС – 332 К:

Преподаватель: С.Б. Комаров

Каменск – Уральский

2002

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………………….…..3

Расчётное задание…………………………………………………………………….….10

Расчёт исполнительного механизма………………………………………………….11

Заключение…………………………………………………………………………………15

Библиографический список……………………………………………………………16

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа заключается в разработке кинематической схемы исполнительного механизма маломощной следящей системы, предназначенной для дистанционного управления. При разработке любого электромеханического прибора приходится решать многие задачи: кинематические, силовые, точностные, конструкторские, технологические, экономические. Отдельные вопросы расчета и конструирования малогабаритных механизмов освещены в довольно большом количестве литературы, как правило, малораспространенной.

Следя щие систе мы представляют обширный класс систем автоматического регулирования с обратной связью. Сле дящая систем а является устройст вом , которое устанавливает положени е объ екта в соот ветствии с произвольно меня ющимс я сигналом, обладающим весьма малой мощ ностью. Ее дей ствие зави сит от ра зности между действительным положе нием об ъекта и его ж елаемы м полож ением. Сл едящая система действует так, чтобы уменьш ить э ту разность до нуля и этим достигнуть действительного п оложе ния объекта, равного же лаемому положению .

При этом выполняются три опе ра ции:

1. Выявление рассогласования.

2. Усиление.

3. Действие исполнительного двигате ля.

Рассмотрим принцип действия простейш ей следящей системы. Предпо ложим, что задачей данной следя щей системы является дистанционное упра влен ие угловы м положение м вала, рис. 1 и рис. 2.

Положение командного вала a_тр может меняться произвольно. Управляемый вал должен точно воспроизводить положения командного вала. Чтобы достигнуть этого, положение командного вала a_тр преобразуется в другую физическую величину, удобную для передачи на значительное расстояние, например, электрический потенциал. Электрический потенциал j_тр снимаемый с потенциометра П₁ , пропорционален положению командного вала и однозначно определяет это положение. Аналогично положение управляемого вала a_д преобразуется в пропорциональный ему потенциал j_д с помощью другого потенциометра П₂ . Оба потенциометра питаются от одного источника напряжения Е. Выходной потенциал второго потенциометра j_д , являющийся сигналом обратной связи, сравнивается с потенциалом первого потенциометра j_тр . Разность этих потенциалов, U = j_тр - j_д , называется сигналом рассогласования между командным валом и управляемым валом, угол рассогласования - q = a_тр - a_д . Сигнал рассогласования U усиливается усилителем в К раз до необходимой величины. Полученное напряжение управления U_у подается на исполнительный двигатель. Двигатель через промежуточную передачу - редуктор вращает управляемый вал в направлении уменьшения рассогласования между валами до нуля. Как только положение управляемого вала совпадет с положением командного вала, потенциалы j_тр и j_д будут равны, сигнал рассогласования U и напряжение управления U_у станут равными нулю, и двигатель остановится.

Рис. 1. Простейшая следящая система.

ДВ - двигатель;

П₁ и П₂ - потенциометры;

УО - управляемый объект;

a_тр - требуемый угол поворота управляемого вала, задается на командном вале с помощью маховика "М";

a_д - действительный угол поворота управляемого вала;

j_тр - потенциал, снимаемый с потенциометра П₁ ;

j_д - потенциал, снимаемый с потенциометра П₂ ;

U_я - напряжение, подаваемое на якорь двигателя

постоянного тока;

U_у - напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения (управления) двигателя постоянного тока.

Рис 2. Принципиальная схема простейшей следящей системы.

ЭС - элемент сравнения, УО - управляемый объект

Например, из положения 1 быстро п овернем командный вал в положение 2, следящая система отработает этот сигнал и управляемый вал займет положение 2.

В любой следящей системе имеются три существенные составные части:

1. Средс тва для определения рассогласования между действительным положением объекта управления и его желаемым положением. Эти средства называют выявителями рассогласования. В указанном выше примере в качестве выявителей рассогласования использованы два потенциометра П₁ и П₂ .

2. Средства для усиления сигнала рассогласования до значения, достаточного для управления источником мощности. В примере эту функцию может выполнять электронный усилитель.

3. Источник мощности - исполнительный двигатель непосредственно устанавливает положение управляемого объекта через промежуточную передачу. В примере: источник мощности - двигатель постоянного тока, промежуточная передача - редуктор.

Выявителями рассогласования могут быть электрические машины индукционного типа, например, сельсины, поворотные (вращающиеся) трансформаторы, магнесины, индуктосины и т.д., различные потенциометры и другие устройства. Причем сельсины нашли наибольшее применение в следящих системах дистанционной передаче данн ых. Поворотны е тран сформаторы, типа СКВТ (синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы) нашли наибольшее применение в решающих следящих системах, а также для точной дистанционной передачи данных. Усилители могут быть электронными, ионными, электромашинными и прочими. Источниками двигательной энергии следящ ей системы могут быть дви гатели переменного тока и дв игатели постоянного тока, обладающие более лучшими свойствами и возможностями управления. Следует отметить, что кроме электромеханических следящих систем, применяются ги дра вл ическ ие, пневматические следящие системы со свои ми средствами выявле ния рас согласования, усиле ния и исполнительными органами .

Рассмотрим принцип действи я следящ ей системы с использованием в качестве выявителей рассогласован ия сельсин ов, ри с. 3 и рис. 4.

Электрическая машина сельсин состоит из статора, на которой находится обмотка возбуждения, и ротора, в пазах которого расположены 3 обмотки, причем электрические оси этих обмоток смещены на 120° (применяются также сельсины других исполнений). Для выявления рассогласования между положением командного вала и положением управляемого вала используют два сельсина. Сельсин, связанный с командным валом, называют датчиком. Сельсин, связанный с управляемым валом, называют приемником. Обмотки роторов датчика и приемника связаны проводами, для увеличения точности следящей системы командный вал связывают с ротором сельсина-датчика через промежуточную передачу Z₁ , Z₂ , Z₃ , Z₄ . Чтобы угловые положения управляемого вала точно соответствовали угловым положениям командного вала, управляемый вал должен быть связан с ротором сельсина-приемника точно такой же передачей Z'₁ , Z'₂ , Z'₃ , Z'₄ . Исполнительный двигатель передает движение на управляемый вал через зубчатую передачу. На рис. 3 роторы сельсина-датчика и сельсина-приемника находятся в согласованном положении, и положение управляемого вала соответствует положению командного вала. Для снятия сигнала рассогласования обмотка статора на сельсине-приемнике повернута на 90° относительно ротора приемника по сравнению с расположением статорной обмотки на сельсине-датчике.

На обмотку возбуждения статора сельсина-датчика подается переменное напряжение U_в . Магнитный поток Ф_в наводит в обмотках ротора сельсина-датчика ЭДС. Так как обмотки замкнуты, то по ним потекут токи, которые вызовут реактивные магнитный поток Ф_д , направленный против потока Ф_в . В результате будет существовать общее магнитное поле с результирующим магнитным потоком Ф_в – Ф_д , который и будет наводить в обмотках ротора

сельсина-датчика ЭДС. Токи, протекая по обмоткам ротора сельсина-приемника, создают общий магнитный поток Ф_n , направленный в данный момент вертикально вверх (по направлению Ф_в ). Так как обмотка статора сельсина-приемника расположена перпендикулярно к вектору магнитного потока Ф_n , то в ней ЭДС наводиться не будет, т.е. сигнал рассогласования U в этом случае равен нулю. Ес ли 6ы статорная обмотка сельсина-приемника располагалась аналогично расположению статорной обмотки сельсина-датчика, то в ней бы наводилась максимальная ЭДС, использовать которую в целях управления гораздо труднее. Повернем быстро командный вал на угол a (рис. 4). Ротор сельсина-датчика повернется на угол q = a i, где i - передаточное отношение кинематической цепи, состоящее из зубчатых колес Z₁ , Z₂ , Z₃ , Z₄ . Потокосцепление каждой обмотки ротора датчика изменится. В обмотках будут наводиться другие ЭДС, в цепях потекут другие токи.

Рис. 3. Следящая система с использованием в качестве выявителей рассогласования сельсинов. СД - сельсин-датчик, СП - сельсин-приемник

Эти токи, протекая по обмоткам ротора приемника, создадут магнитный поток Ф_п , вектор которого повернут относительно своего первоначального положения на точно такой же угол q, но в противоположную сторону от направления поворота ротора датчика. Составляющая потока Ф_п , направленная вдоль оси обмотки статора, наведет в ней ЭДС. На зажимах этой обмотки получим сигнал рассогласования U. Сигнал рассогласования U усиливается в K раз. Полученное напряжение управления U_у подается на исполнительный двигатель, который будет вращать ротор приемника в направлении уменьшения угла q (по часовой стрелке) до тех пор, пока магнитный поток Ф_n не станет перпендикулярным оси обмотки статора приемника. Тем самым сигнал U уменьшается до нуля, роторы датчика и приемника придут в согласованное положение, и управляемый вал повернется на тот же угол a, что и командный вал.

Рис. 4. Следящая система с использованием в качестве выявителей рассогласования сельсинов. СД - сельсин-датчик; СП - сельсин-приемник

При значительной инерционности механизма следящей системы и управляемого объекта может оказаться, что следящая система не будет успевать отрабатывать управляющие сигналы, особенно при значительных ускорениях и скоростях командного вала. Угол рассогласования роторов датчика и приемника может превысить 180°, тогда следящая система даст ошибку в отработке сигнала, равную 360° угла поворота сельсина или кратную этой величине. Это значит, что следящая система вышла из согласования, и в дальнейшем ее работа будет сопровождаться недопустимыми ошибками. С целью устранения недопустимого рассогласования можно использовать два сельсина-датчика и два сельсина-приемника (грубого и точного отсчетов).

В следящих системах, особенно автоматических, могут отсутствовать явно выраженные чувствительные элементы, подобные паре сельсин-датчик, сельсин-приемник. Сигнал рассогласования может создаваться с помощью целой группы устройств. Выше был рассмотрен принцип действия элементарной следящей системы. Реальные следящие системы гораздо сложнее. Как правило, проектирование усложняется при решении вопросов, связанных с устойчивостью их работы. Конструктивные особенности следящего привода в значительной степени определяются типом используемого усилителя. Усилитель усиливает входной сигнал за счет энергии постороннего источника до требуемой величины, фиксирует полярность, фазу или направление сигнала и в случае необходимости преобразует электрический сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока или наоборот. Более подробно с принципом действия следящих систем можно ознакомиться по специальной литературе.

РАСЧЁТНОЕ ЗАДАНИЕ

Даны следующие исходные данные:

M_н = 1800 нмм, n_н = 12 об/мин, n_вр = 130 об/мин, [Q] = 40°.

Материал зубчатых колес – сталь, [s_из ] = 80 н/мм² , [s_к ] = 500 н/мм² , Е = 2×10⁵ Н/мм² , h_о = 0,6.

Рис. 5. Расчетная кинематическая схема

РАСЧЁТ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ДИСТАНЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

π × n_н 3,14 · 12

w_н = -------- = ---------- = 1,256 рад/с.

30 30

1. Предварительный выбор двигателя.

Определяем ориентировочно потребную мощность двигателя.

M_н w_н 1,8 × 1,256

N = К × ---------- = 1,5 × ------------- = 5,652 Вт.

h_о 0,6

По требуемой мощности выбираем двигатель. Для N = 5,652 Вт можно выбрать несколько двигателей. Рассмотрим двигатель АДП-1236, имеющий N = 8,9 Вт, M_о = 17,0 Нмм, M_ном = 14,5 Нмм, I_дв = 8 ^. 10² г мм² , n_ном = 6000 об/мин, U_{у max} = 110 В.

2. Определение передаточных отношений ступеней.

Общее передаточное отношение i_o

i_o = n_ном / n_н = 6000 / 12 = 500.

Передаточное отношение от двигателя до ВР

i_д-вр = n_ном / n_вр = 6000 / 130 = 46,15.

Передаточное отношение от ВР до выходного вала

i_вр-н = n_вр / n_н = 130 / 12 = 10,8.

Разбивка i_вр-н и i_д-вр по ступеням

Z¢₂ Z¢₄ 100 80

i_{вр - н} = 10,8 = 2,7 × 4 = i¢_1-2 × i¢_3-4 = ------ × ----- = ----- × ----- .

Z¢₁ Z¢₃ 37 20

Z₂ Z₄ Z₆ 46 100 100

i_{д - вр} = 46,15 = i_1-4 × i_5-6 = 11,5 × 4 = 2,3 × 5 × 4 = ----- × ----- × ----- = ---- × ----- × ---- .

Z₁ Z₃ Z₅ 20 20 25

46 100 100 100 80

i_o = ---- × ---- × ----- × ---- × ----- = 496 » 500.

20 20 25 37 20

Здесь i_1-4 разбито на (i_1-2 )_оп и i_3-4 для получения минимального момента инерции редуктора, приведенного к валу двигателя. Кинематическая схема представлена на рис. 5.

3.Определение модуля зубчатых колес.

Из расчета на изгиб самой нагруженной является шестерня z' ₃ = 20, для которой

М_н 1800

М¢₃ = ------------ = ----------- = 474 Нмм,

i¢_3-4 × h¢_3-4 4 × 0,95

0,68 · M¢₃ · K_д 0,68 · 474 · 1,4

m¢₃ = 3 ---------------------- = 3 ---------------------- = 0,76 мм.

Z¢₃ · y₃ · ψ · [σ_и ] 20 · 0,126 · 5 · 80

Из расчета по контактным напряжениям

(i¢_3-4 + 1)·M¢₄ ·K_к ·K_д ·E (4+1)×1800·1·1,4·2·10⁵

m = 1,3·3 --------------------------- = 1,3·3 -------------------------- = 0,77 мм. (Z¢₄ )² · ψ · [σ_к ]² _min 100² · 5 · 500²

Примем m = 0,8 для всех колес.

4. Определение момента инерции всего механизма.

I_м = I_д + I_р , I_р = 1,15 × Y × I₁ ,

где 1 i² _1-4 1 11,5²

Y = 1 + i² _1-2 + ------ + ------- = 1 + 2,3² + ------ + ------- = 11,2.

i² _1-2 i⁴ _1-2 2,3² 2,3⁴

p × p × D⁴ ₁ × B₁ 3,14×7,8×10^-3 ×16⁴ ×4

I₁ = ------------------- = ------------------------- = 2×10² гмм² .

32 32

Здесь D₁ = m₁ × Z₁ = 0,8 × 20 = 16 мм, B₁ = y₁ × m₁ = 5 × 0,8 = 4 мм.

В итоге

I_р = 1,15 × 11,2 × 2×10² = 2576 гмм² ,

I_м = 800 + 2576 = 3376 гмм² = 3,37×10^-6 кгм² .

5. Определение максимального угла рассогласования.

Q_max = Q_o + b × w_вр × t.

Определяем Q_o , Q_o = Q_с / a_c .

Зададимся значением Q_с согласно ограничениям. Пусть Q_c = 3°.

Коэффициент сигнала a_c равен,

М_с 6

a_c = ------ = ------- = 0,4.

М_о 17

Здесь

М_н 1800

М_с = -------- = ---------- = 6 Нмм.

i_o × h_o 500×0,6

Тогда Q_o = 3 / 0,4 = 7,5 °.

Определим коэффициент усиления усилителя K₁ ,

a_c × U_{y max} 0,4 × 110

К₁ = -------------- = ----------- = 36,6.

Е_уд × Q_с 0,4 × 3

Здесь удельная выходная ЭДС сельсина–приемника E_уд принята равной

0,4 В/град. коэффициент усиления усилителя K₁ находится в допустимых пределах.

Определим коэффициент b,

М_с 6 М_ном 14,5

------- = ------ = 0,41, -------- = -------- = 0,8,

М_ном 14,5 М_о 17,0

b = b(0,41) = 0,17.

Определяем w_{вр .}

p × n_вр 3,14 × 130

w_вр = --------- = ------------- = 13,6 рад / с.

30 30

Рассчитаем электромеханическую постоянную механизма t,

I_м × w_ном 3,37×10^-6 × 628

t = ------------- = ---------------------- = 0,85 с.

М_о - М_ном (17,0 – 14,5)×10^-3

Здесь p × n_ном 3,14 × 6000

w_ном = ---------- = --------------- = 628 рад / с.

30 30

В результате Q_max = 7,5 + 0,17 × 13,6 × 0,85 × 57,3 = 120 °.

Получилось Q_max = 120 ° > [Q] = 40 °.

Рассмотрим пути уменьшения Q_max до допустимой величины [Q].

1. Уменьшение момента инерции всего механизма I_м ,

I_м = I_д + I_р , I_р = 1,15 × Y ×

p × p × D⁴ ₁ × B₁ p × p × m⁵ ₁ × Z₁ × y₁

I₁ = ------------------- = ------------------------- .

32 32

Если снизить модуль первых четырех колес, то тем самым значительно снизим момент инерции этих колес, а значит и всего редуктора. Определим из условия прочности по изгибающим напряжениям модуль третьего колеса z₃ (z₃ = 20), как наиболее нагруженного из этих четырех колес,

0,68 · M₃ · K_д

m₃ = 3 ----------------------- .

Z₃ · y₃ · ψ₃ · [σ_и ]

Заметим, что динамическая мощность двигателя расходуется на преодоление инерции ротора двигателя и первых четырех колес редуктора. Так как режим разбега является рабочим режимом следящей системы, то первые четыре колеса будут нагружены не только статическими, но и динамическими силами.

Приближенно с превышением M₃ можно определить по формуле:

М₃ = М_о × i_1-2 × h_1-2 .

В примере M₀ = 17,0 Нмм, i_1-2 = 2,3, h_1-2 = 0,95.

М₃ = 17,0 × 2,3 × 0,95 = 37 Нмм .

Остальные значения элементов формулы равны: у₃ = 0,126, y₃ = 5,

[σ_и ] = 80 Н/мм² , К_д = 1,5.

0,68 · 37 · 1,5

m₃ = 3 ---------------------- = 0,33 мм.

20 · 0,126 · 5 · 80

Из расчета по контактным напряжениям,

(i_3-4 + 1)·M₄ ·K_д ·E (5+1)·176·1,4·2·10⁵

m = 1,3 · 3 --------------------------- = 1,3· 3 --------------------------- = 0,37 мм.

(Z₄ )² · ψ₃ · [σ_к ]² _min 100² · 5 · 500²

Здесь

М₄ = М₃ · i_3-4 · h_3-4 = 37 · 5 · 0,95 = 176 Нмм.

Так как момент M₄ определен с превышением, то примем модуль для первых четырех колес равным 0,4 мм. Тогда уменьшение момента инерции I₁ , а значит и уменьшение момента инерции всего редуктора, будет в (0,8 / 0,4)⁵ = 32 раза, т.е.

I_р = 2576 / 32 = 80,5 гмм² .

В результате

I_м = I_д + I_р = 800 + 80,5 = 880,5 гмм² = 0,88·10^-6 кгм² ,

I_м × w_ном 0.88×10^-6 × 628

t = ------------- = ---------------------- = 0,22 с.

М_о - М_ном (17,0 – 14.5)×10^-3

Q_max = 7,5 ° + 0,17 · 13,6 · 0,22 · 57,3 = 7,5 + 20,6 = 37 °.

Тогда Q_max = 37 ° и Q_max < [Q] = 40 °.

2. Уменьшение угла рассогласования Q_max за счет снижения момента сопротивления M_с .

Предположим, что за счет каких-либо усовершенствований нагрузку на управляемом объекте удалось снизить. Потребная статическая мощность уменьшится. При той же мощности двигателя увеличится мощность, расходуемая на преодоление инерционности системы, что приведет к повышению быстродействия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовой работе по дисциплине «Детали, узлы и механизмы систем управления» рассмотрены вопросы выбора электродвигателя и разработки кинематической схемы привода с учетом точности отработки сигналов и быстродействия системы, произведено определение основных параметров зубчатых колес. Приведены необходимые справочные данные в виде приложений (таблиц).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Проектирование исполнительного механизма дистанционной системы управления: Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Детали, узлы и механизмы систем управления». / Г.П.Менщиков. Екатеринбург: изд-во УГТУ-УПИ, 2001. 65 с.

Приложение 1

Технические характеристики двигателей

Приложение 2

Приложение 3

Рис. 6. Зависимость коэффициента b от момента сопротивления