|
|
мехатронные модули презентация. Мехатронные модули систематика мехатронных модулей
МЕХАТРОННЫЕ МОДУЛИ
Систематика мехатронных модулей
- На рис. 5.1 представлена, одна из известных, классификаций мехатронных модулей по конструктивным признакам.
- В данной классификации выделено 3 признака достаточно полно характеризующих конструкцию мехатронных модулей (уровень интеграции, число степеней подвижности и вид движений), а также комплекс признаков (технические характеристики), определяющий функциональные возможности модулей.
- Классификация мехатронных модулей предусматривает по уровню интеграции: модули движения, мехатронные модули движения и интеллектуальные мехатронные модули. По числу степе-ней подвижности – 1, 2, 3, и > 3. По виду движений – поступательные и вращательные.
- Комплекс признаков технических характеристик включает: развиваемую силу и крутящий момент; величину, быстродействие и точность рабочего хода (линейного и углового).
- Рассмотрим мехатронные модули согласно представленной классификации.
Преобразователи движения
- Передача движения от двигателя к выходному звену мехатронного модуля может быть обеспечена с помощью различных преобразователей движения (передач), структура и конструктивные особенности которых зависят от типа двигателя, вида перемещения выходного звена и их расположения (компоновки). Преобразователи движения предназначены для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и выходного звена. Для преобразования движения используют винтовые, реечные, цепные, тросовые передачи, а также передачи зубчатым ремнем, мальтийские механизмы и др. Выбор преобразователя движения оказывает существенное влияние на характеристики мехатронного модуля.
Реечные передачи
- Реечная передача предназначена для преобразования вращательного движения шестерни в поступательное движение рейки и, наоборот, поступательного движения рейки во вращательное движение шестерни.
- Основными звеньями реечной передачи являются шестерня и зубчатая рейка (рис. 5.2).
Планетарные передачи
- Планетарными называют передачи, содержащие зубчатые колеса, оси которых подвижны, как показано на рис. 5.3. Движение этих колес сходно с движением планет и поэтому их называют планетарными или сателлитами.
- Простейшая планетарная передача состоит из центрального солнечного зубчатого колеса с наружными зубьями, центрального корончатого зубчатого колеса с внутренними зубьями, сателлитов с внешними зубьями, которые входят в зацепление одновременно с солнечным и корончатым колесами, и водила, на котором расположены оси сателлитов (см. рис. 5.3).
- В современных мехатронных модулях планетарные зубчатые передачи находят широкое применение благодаря их компактности и малой массы, реализации больших передаточных отношений, малой нагрузки на опоры, большого коэффициента полезного действия, высокой кинематической точности, жесткости и надежности.
- При проектировании планетарных зубчатых передач следует учитывать и их недостатки: конструктивную сложность, повышенные требования к точности изготовления и монтажа, снижение коэффициента полезного действия при увеличении передаточного отношения.
Волновые зубчатые передачи
- Работа волновой передачи основана на принципе преобразования параметров движения вследствие волнового деформирования одного из звеньев механизма. Этот принцип впервые был предложен в 1944 году А.И. Москвитиным для фрикционной передачи с электромагнитным генератором волн, а затем в 1969 г. В. Массером для зубчатой передачи с механическим генератором волн. С точки зрения кинематики она представляет собой планетарную передачу, у которой одно из колес выполнено в виде гибкого венца.
- Волновая зубчатая передача состоит из гибкого зубчатого колеса с наружными зубьями, жесткого зубчатого колеса с внутренними зубьями и генератором волн (рис. 5.4).
- Недостатками волновых передач являются: ограничение по частотам вращения ведущего вала генератора волн при больших диаметрах колес (во избежание высокой окружной скорости генератора), мелкие модули зубьев колес, меньшая крутильная жесткость гибкого колеса сравнительно с обычной зубчатой передачи.
Передача винт-гайка качения
- Передача винт-гайка качения (шарико-винтовая передача) предназначена для преобразования вращательного в поступательное движение, и наоборот, поступательного во вращательное движение (при обеспечении отсутствия самоторможения).
- Она характеризуется высоким КПД (0,9...0,95), малым коэффициентом трения-качения, небольшим износом, высокой точностью хода, долговечностью, возможностью полного устранения зазоров, высокой чувствительностью к микроперемещениям, возможностью работы без смазки.
- Недостатками передачи являются: достаточно сложная технология изготовления, высокая стоимость, пониженное демпфирование и необходимость защиты от пыли.
- В винтовых шариковых парах между рабочими винтовыми поверхностями винта и гайки (иногда вкладыша) помещены стальные шарики, как показано на рис. 5.5.
Передача винт-гайка скольжения
- Передача обладает простотой конструкции и изготовления, компактностью при высокой нагрузочной способности, высокой надежностью, плавностью и бесшумностью, возможностью обеспечения перемещений с большой точностью и выигрышем в силе.
- Недостатками передачи являются: обязательное наличие зазоров (люфтов), повышенный износ резьбы и низкий КПД из-за большого коэффициента трения-скольжения.
Передачи с гибкой связью
- Передачи с гибкой связью предназначены для передачи вращательного движения и преобразования поступательного во вращательное движение и наоборот вращательного в поступательное движение.
- К передачам с гибкой связью относят ременную, цепную, тросовую передачи и передачу стальной лентой.
Направляющие
- Направляющими называют конструктивные элементы устрой-ства, обеспечивающие заданное относительное движение элемен-тов механизма.
- В мехатронных модулях в основном применяют направляю-щие для поступательного движения. Их используют при необходи-мости осуществления перемещения одной детали относительно другой с заданной точностью.
- К направляющим предъявляют следующие требования: обес-печение плавности перемещения, малые силы трения, большой ре-сурс работы, износостойкость, способность к перемещению в ши-роком температурном диапазоне.
- В зависимости от вида трения различают направляющие с тре-нием скольжения и качения. Выбор типа направляющих и конст-руктивных схем зависит от их назначения, а также от требований к точности направления перемещения, допускаемой нагрузки, значе-ний сил трения, стоимости изготовления.
Тормозные устройства и механизмы для выборки люфтов
- Тормозными называют устройства, которыми снабжают мехатронные модули, для уменьшения скорости подвижного звена, остановки и фиксации его в определенной позиции.
- В зависимости от природы сил торможения тормозные устройства делят на механические, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные.
- Механические тормозные устройства – пружинные, резиновые, эластомерные, инерционные и фрикционные.
- Гидравлические – устройства дроссельного регулирования.
- Пневматические – могут быть напорными и вакуумными.
- К электрическим относят электромагнитные, индукционные и гистерезисные, а также порошковые тормозные устройства с сухим и жидким наполнителем фрикционного и дроссельного типов.
- Комбинированные – включают в себя два или более типов устройств (например, пневмогидравлические или пружинно-пневматические).
- Ко всем типам тормозных устройств предъявляют следующие основные требования: обеспечение заданного закона торможения; безударный останов и фиксация подвижных элементов в точках позиционирования; высокая надежность и долговечность конструкции; высокое быстродействие; простота и компактность конструкции; стабильность характеристик при изменении условий работы; малая чувствительность к изменению температуры, влажности, тормозимой массы, скорости; возможность настройки и доступность регулирования; удобство осмотра и обслуживания; низкая стоимость, минимальные габариты и масса.
Электродвигатели мехатронных модулей
- Применение в мехатронных системах электродвигателей постоянного тока обусловлено такими их преимуществами как: линейность характеристик, широкий диапазон регулирования скорости, достаточная перегрузочная способность, равномерное вращение на низких скоростях.
- В мехатронных модулях линейного движения, которые применяются в многоцелевых станках, комплексах лазерной резки, некоторых видах транспорта, используется линейный двигатель. Основными преимуществами линейного двигателя по сравнению с традиционным двигателем и передачей типа зубчатой рейки либо винтовой передачи, есть в несколько раз большая скорость движения и ускорение, высокая точность движения, жесткость характеристик. Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными и постоянного тока. Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели.
Силовые преобразователи
- Силовые преобразователи применяются в различных мехатронных модулях движения, в которых превращение электрической энергии в полезную механическую работу осуществляют электродвигатели. Двигатель совместно с преобразователем обеспечивает регулирование той или иной координаты.
- Для электропривода постоянного тока применяют два типа преобразователей: преобразователи напряжения переменного тока в постоянный (управляемый выпрямитель) и широтно-импульсные преобразователи неизменного напряжения постоянного тока в ре-гулируемое напряжение постоянного тока.
- Указанные преобразователи обладают рядом достоинств: вы-сокий КПД, незначительная инерционность, достаточная плавность и достаточный диапазон регулирования выходного напряжения, высокая надежность.
Микропроцессорные системы управления
- Микропроцессорная система (МПС) это микро-ЭВМ или вычислительный комплекс (ВК), построенный на основе микропроцессорного комплекта (МПК) больших (БИС) и/или сверхбольших (СБИС) интегральных микросхем. В состав МПК могут входить микропроцессорные и другие интегральные микросхемы различных схемотехнических типов, если они совместимы по архитектуре, электрическим параметрам и конструктивному исполнению.
- Сущность применения микропроцессоров заключается в том, что они заменяют цифровые ИС малой и средней степени интеграции и придают устройствам, в которых они используются, свойства «интеллектуальности».
- Устройства и системы, построенные на основе микропроцес-соров, имеют два основных преимущества перед устройствами, реализованными аппаратным способом:
- • обладают более высокой функциональной гибкостью, т.к. их перестройка для решения новой задачи требует только смены про-граммы без изменений аппаратной части;
- • требуют меньшего количества элементов, чем устройства на логических микросхемах малой и средней степени интеграции.
- МПС различаются областями применения, архитектурой и конструктивным исполнением. Архитектуру МПС можно описать тремя составляющими:
- • состав, характеристики и структурная организация (взаимо-связь) устройств МПС;
- • принцип функционирования;
- • набор машинных команд, или инструкций (машинный язык).
- Современные МПС реализуют архитектуру, которая воплоща-ет, как правило, следующие принципы:
- • принцип хранимой в памяти программы;
- • принцип адресного обращения устройств МПС друг к другу;
- • принцип магистрально-модульной структуры.
- Важной характеристикой МПС является число центральных процессоров. По этому признаку различают следующие виды МПС:
- • однопроцессорные системы;
- • мультипроцессорные системы;
- • многомашинные системы (вычислительные комплексы).
Микроконтроллеры
- Особенностью построения современных технических систем, в том числе мехатронных, является широкая автоматизация процессов, контроля их состояния и управления их состоянием с помощью, так называемых контроллеров (устройств управления).
- Именно для создания подобных устройств используется в настоящее время большая часть выпускаемой электронной продукции. С целью сокращения аппаратурных затрат при построении контроллеров и снижения их стоимости производятся однокристальные микроконтроллеры (МК или ОМК, MCU – Microcontroller Unit), выполненные в виде отдельных БИС.
- Если персональные компьютеры ориентированы на пользователя, то микроконтроллеры − на объект управления. В отличие от микропроцессоров МК включают все устройства, необходимые для реализации цифровых систем управления минимальной конфигурации: процессор, запоминающее устройство данных, запоминающее устройство команд, внутренний генератор тактовых сигналов, а также программируемую интегральную схему для связи с внешней средой. МК позволяют добиться небольших габаритов устройств, малой потребляемой мощности, а также возможности бы-строй модификации алгоритмов работы.
- Спектр применения МК чрезвычайно широк. В наши дни на их базе создают интеллектуальные датчики, системы управления электродвигателями, промышленные роботы, микро-АТС, автоответчики, АОНы, мобильные телефоны, зарядные устройства, фак-сы, модемы, пейджеры, таймеры, системы сигнализации, измерительные приборы, счетчики воды, газа и электроэнергии, дозиметры, приборы сигнализации, системы управления зажиганием и впрыском топлива, приборные панели и радарные детекторы, регуляторы температуры, влажности, давления и пр., схемы управления принтерами и плоттерами, сетевые контроллеры, сканеры, схемы управления аудио- и видеосистемами, системы синтеза речевых со-общений, видеоигры, системы дистанционного управления, кассо-вые аппараты и т. д.
- Устройствами ввода в микроконтроллеры являются преобра-зователи информации, а именно датчики, установленные на объек-те управления. Датчики преобразуют неэлектрические величины в электрические сигналы. В состав микроконтроллеров обычно вхо-дят преобразователи аналоговых сигналов в цифровой код − анало-го-цифровые преобразователи (АЦП).
- Устройствами вывода микроконтроллеров являются исполни-тельные механизмы объектов, как правило, это − электронная сис-тема управления электрическими проводами. Для сопряжения вы-хода МК с системой привода в состав микроконтроллеров обычно входят также преобразователи цифрового кода в аналоговые сигна-лы − цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
- Микроконтроллеры обычно работают в реальном масштабе времени и выполняют ограниченный набор программ, повторяю-щихся во времени. В отличие от ПК микроконтроллеры не требуют больших вычислительных ресурсов (памяти команд и данных), причем алгоритмы преобразования в программах МК просты и сводятся к арифметическим и логическим операциям. Каждая ко-манда микроконтроллера, как правило, это − программа, написан-ная на языке команд МП.
Цифровые сигнальные процессоры
- Цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processor – DSP) являются разновидностью микропроцессоров и предназначе-ны для обработки в реальном времени цифровых потоков данных, образованных в результате оцифровывания аналоговых сигналов. Современные DSP способны проводить вычисления с «плаваю-щей» точкой над операндами длиной до 40 разрядов.
- Поскольку отличительной особенностью задач цифровой об-работки сигналов является поточный характер обработки больших объемов данных в реальном режиме времени, то основными требо-ваниями, предъявляемыми к DSP, являются высокая производи-тельность и обеспечение возможности интенсивного обмена дан-ными с внешними устройствами.
Вывод:
- Мехатронный модуль – это функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу.
|
|
|
Скачать 0.78 Mb.