Министерство образования РФ Уральский государственный технический университет - УПИКафедра Технологии и средства связиПроектирование исполнительного механизма дистанционной системы управления Курсовая работапо курсу «Детали, узлы и механизмы систем управления»Пояснительная запискаВариант № 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. Следящие системы представляют обширный класс систем автоматического регулирования с обратной связью. Следящая система является устройством, которое устанавливает положение объекта в соответствии с произвольно меняющимся сигналом, обладающим весьма малой мощностью. Ее действие зависит от разности между действительным положением объекта и его желаемым положением. Следящая система действует так, чтобы уменьшить эту разность до нуля и этим достигнуть действительного положения объекта, равного желаемому положению. При этом выполняются три операции: Выявление рассогласования. Усиление. Действие исполнительного двигателя. Рассмотрим принцип действия простейшей следящей системы. Предположим, что задачей данной следящей системы является дистанционное управление угловым положением вала, рис. 1 и рис. 2.Положение командного вала тр может меняться произвольно. Управляемый вал должен точно воспроизводить положения командного вала. Чтобы достигнуть этого, положение командного вала тр преобразуется в другую физическую величину, удобную для передачи на значительное расстояние, например, электрический потенциал. Электрический потенциал тр снимаемый с потенциометра П1, пропорционален положению командного вала и однозначно определяет это положение. Аналогично положение управляемого вала д преобразуется в пропорциональный ему потенциал д с помощью другого потенциометра П2. Оба потенциометра питаются от одного источника напряжения Е. Выходной потенциал второго потенциометра д, являющийся сигналом обратной связи, сравнивается с потенциалом первого потенциометра тр. Разность этих потенциалов, U = тр - д, называется сигналом рассогласования между командным валом и управляемым валом, угол рассогласования - = тр - д. Сигнал рассогласования U усиливается усилителем в К раз до необходимой величины. Полученное напряжение управления Uу 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 тр и д будут равны, сигнал рассогласования U и напряжение управления Uу станут равными нулю, и двигатель остановится.Рис. 1. Простейшая следящая система. ДВ - двигатель; П1 и П2 - потенциометры; УО - управляемый объект; тр - требуемый угол поворота управляемого вала, задается на командном вале с помощью маховика "М"; д - действительный угол поворота управляемого вала; тр - потенциал, снимаемый с потенциометра П1; д - потенциал, снимаемый с потенциометра П2; Uя - напряжение, подаваемое на якорь двигателя постоянного тока; Uу - напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения (управления) двигателя постоянного тока.Рис 2. Принципиальная схема простейшей следящей системы. ЭС - элемент сравнения, УО - управляемый объектНапример, из положения 1 быстро повернем 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: Средства 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. Средства для усиления сигнала рассогласования до значения, достаточного для управления источником мощности. В примере эту функцию может выполнять электронный усилитель. 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 данных. Поворотные трансформаторы, 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 следящей системы могут быть двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока, обладающие более лучшими свойствами и возможностями управления. Следует отметить, что кроме электромеханических следящих систем, применяются гидравлические, пневматические следящие системы со своими средствами выявления рассогласования, усиления и исполнительными органами. Рассмотрим принцип действия следящей системы с использованием в качестве выявителей рассогласования сельсинов, рис. 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 Uв. Магнитный поток Фв наводит в обмотках ротора сельсина-датчика ЭДС. Так как обмотки замкнуты, то по ним потекут токи, которые вызовут реактивные магнитный поток Фд, направленный против потока Фв. В результате будет существовать общее магнитное поле с результирующим магнитным потоком Фв – Фд, который и будет наводить в обмотках ротора сельсина-датчика ЭДС. Токи, протекая по обмоткам ротора сельсина-приемника, создают общий магнитный поток Фn, направленный в данный момент вертикально вверх (по направлению Фв). Так как обмотка статора сельсина-приемника расположена перпендикулярно к вектору магнитного потока Фn, то в ней ЭДС наводиться не будет, т.е. сигнал рассогласования U в этом случае равен нулю. Если 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-приемникЭти токи, протекая по обмоткам ротора приемника, создадут магнитный поток Фп, вектор которого повернут относительно своего первоначального положения на точно такой же угол q, но в противоположную сторону от направления поворота ротора датчика. Составляющая потока Фп, 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 Uу подается на исполнительный двигатель, который будет вращать ротор приемника в направлении уменьшения угла q (по часовой стрелке) до тех пор, пока магнитный поток Фn 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-приемникПри 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 ЗАДАНИЕДаны следующие исходные данные: Mн = 1800 нмм, nн = 12 об/мин, nвр = 130 об/мин, [Q] = 40°.Материал зубчатых колес – сталь, [sиз] = 80 н/мм2, [sк] = 500 н/мм2, Е = 2105 Н/мм2, о = 0,6.Рис. 5. Расчетная кинематическая схемаРАСЧЁТ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ДИСТАНЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯπ nн 3,14 · 12 н = -------- = ---------- = 1,256 рад/с. 30 301. Предварительный выбор двигателя.Определяем ориентировочно потребную мощность двигателя.Mн н 1,8 1,256 N = К ---------- = 1,5 ------------- = 5,652 Вт. о 0,6По требуемой мощности выбираем двигатель. Для N = 5,652 Вт можно выбрать несколько двигателей. Рассмотрим двигатель АДП-1236, имеющий N = 8,9 Вт, Mо = 17,0 Нмм, Mном = 14,5 Нмм, Iдв = 8 . 102 гмм2, nном = 6000 об/мин, Uуmax = 110 В.2. Определение передаточных отношений ступеней.Общее передаточное отношение ioio = nном / nн = 6000 / 12 = 500.Передаточное отношение от двигателя до ВРiд-вр = nном / nвр = 6000 / 130 = 46,15.Передаточное отношение от ВР до выходного валаiвр-н = nвр / nн = 130 / 12 = 10,8.Разбивка iвр-н и iд-вр по ступеням Z2 Z4 100 80 iвр-н = 10,8 = 2,7 4 = i1-2 i3-4 = ------ ----- = ----- ----- . Z1 Z3 37 20 Z2 Z4 Z6 46 100 100 iд-вр = 46,15 = i1-4 i5-6 = 11,5 4 = 2,3 5 4 = ----- ----- ----- = ---- ----- ---- . Z1 Z3 Z520 20 25 46 100 100 100 80 io = ---- ---- ----- ---- ----- = 496 500. 20 20 25 37 20Здесь i1-4 разбито на (i1-2)оп и i3-4 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 Мн 1800 М3 = ------------ = ----------- = 474 Нмм, i3-4 3-4 4 0,95 0,68 · M3 · Kд 0,68 · 474 · 1,4 m3= 3 ---------------------- = 3 ---------------------- = 0,76 мм. Z3 · y3 · ψ · [σи] 20 · 0,126 · 5 · 80 Из расчета по контактным напряжениям (i3-4 + 1)·M4·Kк·Kд·E (4+1)1800·1·1,4·2·105 m = 1,3·3 --------------------------- = 1,3·3 -------------------------- = 0,77 мм. (Z4)2 · ψ · [σк]2min 1002 · 5 · 5002Примем m = 0,8 для всех колес.4. Определение момента инерции всего механизма.Iм = Iд + Iр , Iр = 1,15 Y I1 ,где 1 i21-4 1 11,52 Y = 1 + i21-2 + ------ + ------- = 1 + 2,32 + ------ + ------- = 11,2. i21-2 i41-2 2,32 2,34 p D41 B1 3,147,810-3 164 4 I1 = ------------------- = ------------------------- = 2102 гмм2 . 32 32Здесь D1 = m1 Z1 = 0,8 20 = 16 мм, B1 = 1 m1 = 5 0,8 = 4 мм. В итоге Iр = 1,15 11,2 2102 = 2576 гмм2 ,Iм = 800 + 2576 = 3376 гмм2 = 3,3710-6 кгм2 .5. Определение максимального угла рассогласования.max = o + вр .Определяем o, o = с / c.Зададимся значением с согласно ограничениям. Пусть c = 3°.Коэффициент сигнала c равен,Мс 6 c = ------ = ------- = 0,4. Мо 17Здесь Мн 1800 Мс = -------- = ---------- = 6 Нмм. io o 5000,6Тогда o = 3 / 0,4 = 7,5 .Определим коэффициент усиления усилителя K1, c Uymax 0,4 110 К1 = -------------- = ----------- = 36,6. Еуд с 0,4 3 Здесь удельная выходная ЭДС сельсина–приемника Eуд принята равной 0,4 В/град. коэффициент усиления усилителя K1 находится в допустимых пределах. Определим коэффициент , Мс 6 Мном 14,5 ------- = ------ = 0,41, -------- = -------- = 0,8, Мном 14,5 Мо 17,0 = (0,41) = 0,17.Определяем вр. nвр 3,14 130 вр = --------- = ------------- = 13,6 рад / с. 30 30Рассчитаем электромеханическую постоянную механизма ,Iм ном 3,3710-6 628 = ------------- = ---------------------- = 0,85 с. Мо - Мном (17,0 – 14,5)10-3Здесь nном 3,14 6000 ном = ---------- = --------------- = 628 рад / с. 30 30В результате max = 7,5 + 0,17 13,6 0,85 57,3 = 120 .Получилось max = 120 [] = 40 .Рассмотрим пути уменьшения max до допустимой величины [].1. Уменьшение момента инерции всего механизма Iм,Iм = Iд + Iр, Iр = 1,15 Y p D41 B1 p m51 Z1 1 I1 = ------------------- = ------------------------- . 32 32Если 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 · Kд m3 = 3 ----------------------- . Z3 · y3 · ψ3 · [σи] 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 = Мо i1-2 1-2 .В примере M0 = 17,0 Нмм, i1-2 = 2,3, 1-2 = 0,95.М3 = 17,0 2,3 0,95 = 37 Нмм .Остальные значения элементов формулы равны: у3 = 0,126, 3 = 5, [σи] = 80 Н/мм2 , Кд = 1,5. 0,68 · 37 · 1,5 m3= 3 ---------------------- = 0,33 мм. 20 · 0,126 · 5 · 80 Из расчета по контактным напряжениям, (i3-4 + 1)·M4·Kд·E (5+1)·176·1,4·2·105 m = 1,3 · 3 --------------------------- = 1,3· 3 --------------------------- = 0,37 мм. (Z4)2 · ψ3 · [σк]2min 1002 · 5 · 5002Здесь М4 = М3 · i3-4 · 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. Iр = 2576 / 32 = 80,5 гмм2.В результатеIм = Iд + Iр = 800 + 80,5 = 880,5 гмм2 = 0,88·10-6 кгм2,Iм ном 0.8810-6 628 = ------------- = ---------------------- = 0,22 с. Мо - Мном (17,0 – 14.5)10-3max = 7,5 + 0,17 · 13,6 · 0,22 · 57,3 = 7,5 + 20,6 = 37 .Тогда Qmax = 37 и max [] = 40 .2. Уменьшение угла рассогласования Qmax за счет снижения момента сопротивления Mс. 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.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ 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 1Технические характеристики двигателей №№ пп Типдвигателя Номинальная мощность N, Вт Номинальная скорость вращения nном, об/мин Номиналь ный вращающий момент Mном, Нм Пусковой момент M0, Нм Момент инерции ротора двигателя Iд, кгм2 Напря жение управления Uуmax, В Примечание 1 ДИД – 01Т 0,1 6600 1,5 10-4 2,6 10-4 2,25 10-8 30 Iд,совме-стно с шестер. 2 ДИД – 05Т 0,3 8500 3,5 10-4 7 10-4 4,5 10-8 30 3 ДИД – 06Т 0,5 9200 6,5 10-4 10 10-4 7,5 10-8 30 4 ДИД – 1Т 1,0 11000 9 10-4 16 10-4 7 10-8 30 5 ДИД – 2Т 2,0 11000 18 10-4 34 10-4 9 10-8 30 6 ДИД – 3Т 3,0 5300 56 10-4 100 10-4 24 10-8 30 7 ДИД – 5Т 5,0 4100 120 10-4 220 10-4 250 10-8 30 8 ДИД – 10Т 10,0 6700 150 10-4 280 10-4 360 10-8 30 9 АДП-1 3,7 9000 4 10-3 5,5 10-3 0,8 10-6 35 10 АДП-120 2,4 4000 5 10-3 10 10-3 0,8 10-6 110 11 АДП-123 4,1 4000 10 10-3 14 10-3 0,8 10-6 120 12 АДП-1236 8,9 6000 14,5 10-3 17 10-3 0,8 10-6 110 13 АДП-232 9,5 1850 50 10-3 90 10-3 1,7 10-6 125 14 АДП-263 24,0 6000 40 10-3 59 10-3 1,7 10-6 165 15 АДП-263А 27,8 6000 45 10-3 65,5 10-3 1,9 10-6 270 16 АДП-362 19,0 1965 95 10-3 170 10-3 4 10-6 120 17 АДП-363 35,0 6000 57 10-3 70 10-3 3 10-6 240 18 АДП-363А 46,4 6000 75 10-3 85 10-3 5 10-6 240 19 АДП-563А 70,5 6000 114 10-3 120 10-3 12 10-6 115 20 ЭМ-0,5 0,5 2000 25 10-4 50 10-4 2 10-6 115 21 ЭМ-1 1,0 2500 40 10-4 70 10-4 2 10-6 115 22 ЭМ-2 2,0 1600 120 10-4 170 10-4 6 10-6 115 23 ЭМ-4 4,0 2200 180 10-4 300 10-4 6 10-6 115 24 ЭМ-8 8,0 4000 200 10-4 320 10-4 6 10-6 50 25 ЭМ-15 15,0 4000 370 10-4 600 10-4 12 10-6 50 26 ЭМ-25 25,0 4300 580 10-4 760 10-4 12 10-6 50 27 ЭМ-50 50,0 5000 950 10-4 1200 10-4 15 10-6 50 Приложение 2 Числозубьев Коэффициент формы зуба «у» для колес с внешнем зацеплениемпри коэффициенте коррекции «», равном: -0,6 -0,4 -0,2 0 +0,2 +0,4 +0,6 +0,8 +1,0 10 - - - - 0,116 0,140 0,164 - - 12 - - - 0,103 0,120 0,143 0,164 0,185 - 14 - - - 0,110 0,125 0,146 0,164 0,185 - 16 - - - 0,115 0,130 0,147 0,164 0,183 0,195 18 - - 0,100 0,120 0,135 0,150 0,164 0,182 0,193 20 0,082 0,096 0,110 0,126 0,137 0,151 0,161 0,182 0,192 22 0,093 0,105 0,117 0,130 0,139 0,151 0,160 0,181 0,190 24 0,103 0,113 0,122 0,134 0,142 0,152 0,159 0,180 0,188 26 0,110 0,119 0,127 0,137 0,145 0,153 0,159 0,179 0,187 28 0,114 0,122 0,130 0,139 0,146 0,154 0,160 0,179 0,186 30 0,118 0,125 0,132 0,141 0,147 0,155 0,161 0,178 0,185 35 0,124 0,131 0,137 0,145 0,151 0,157 0,163 0,178 0,182 40 0,129 0,136 0,142 0,150 0,154 0,60 0,167 0,177 0,181 45 0,132 0,138 0,144 0,153 0,156 0,162 0,168 0,176 0,179 50 0,135 0,140 0,146 0,155 0,157 0,163 0,169 0,175 0,177 60 0,140 0,145 0,151 0,160 0,161 0,167 0,172 0,173 0,174 80 0,145 0,150 0,154 0,162 0,163 0,168 0,172 0,170 0,170 100 0,147 0,153 0,158 0,163 0,165 0,169 0,172 0,168 0,168 150 0,156 0,159 0,162 0,165 0,167 0,169 0,172 0,164 0,165 300 0,164 0,165 0,166 0,166 0,166 0,166 0,166 0,162 0,163 (рейка) - - - 0,175 - - - - - Приложение 3