Мехатронный модуль линейного перемещения с пневматическим приводом

Рис.14 – Стопорное  ЭМУ

Для случая, рассматриваемого в данной работе подойдет немного измененное аналогичное  устройство. На рис.15 представлен вариант  исполнения фиксирующего стержня с  фрикционными накладками (колодками) 22. В зависимости от профиля стопоримого  штока фиксирующие стержни с  накладками могут быть выполнены  различной конфигурации: плоскими, вогнутыми цилиндрической, граненой или иной формы. В таком исполнении обеспечивается стопорение штока в  любом положении  в результате сил трения и не требуется наличие  пазов в штоке.

При срабатывании электромагнитного тормаза происходит удар колодок с движущимся штоком, что при высокой скорости штока  может иметь негативные последствия, кроме того, для того, чтобы на полном ходу быстро затормозить шток цилиндра только за счет сил трения потребуется достаточно большое  усилие, которое можно обеспечить только ЭМ системой больших размеров. Чтобы сделать торможение минимальным усилием, можно задействовать пневмосистему (обеспечить переключение пневмораспределителей при поступлении сигнала с датчика). Кроме того, выход ЭМ с колодками можно связать через рычажную передачу, максимально увеличив тем самым усилие, с которым колодки прижимаются к штоку.

Рис.15 – Вариант исполнения стопорного ЭМУ с колодками

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО  ТОРМОЗНОГО УСТРОЙСТВА

Для определения  параметров электромагнитной системы  необходимо знать усилие, достаночное  для останова штока в заданном положении с погрешностью не более 1мм. Для определения усилия проведем моделирование прямого хода пневмоцилиндра в системе MatLab.

Моделирование линейного движения руки робота МП-11

Численные характеристики модуля выдвижения робота МП-11:

m = 2 кг –масса подвижных частей пневмоцилиндра;

F = 2,83*10^-5 м² – площадь поршня со стороны рабочей полости;

P = 0,5 МПа – давление пневмосети;

L = 0,15 м – перемещение по степени подвижности;

α = 6 кг/с – коэффициент вязкого трения;

d = 2,5 мм – диаметр входного дросселя;

f = 5*10^-6 – площадь отверстия дросселя;

Т = 20º - температура окружающей среды;

V₀ = 2,36*10^-7 м³ – начальный объем подпоршневой полости полости цилиндра.

Процесс изменения  давления в рабочей полости при  выполнении прямого хода поршня описывается  уравнением:

 

G – расход воздуха в рабочую полость, который определяется согласно режимам истечения ;

R – газовая постоянная, для воздуха ;

Уравнение движения выходного звена с учетом действующих  на него сил имеет вид:

 

масса подвижных частей привода;

 – величина, учитывающее демпфирование, которое возникает при утечке воздуха;

– сумма сил, действующая  на поршень (трение, постоянное внешнее  усилие и т.д.).

Силу трения принимаем равной 10Н.

Расход воздуха определяем по формуле:

                         (1)

отношение давлений выхлопной и рабочей полостей.

коэффициент расхода, принимаем  за 1.

Т – абсолютная температура воздуха, принимаем Т=20ºС.

давление воздуха  в рабочей полости, при котором  начинается движение штока.

На основе приведенных уравнений и параметров модуля получаем модель пневмоцилиндра (Рис.16).

Рис.16 - Модель пневмопривода в MATLAB + SIMULINK

 

Проверяем работу модели без тормозного усилия (Рис.17):

Рис.17 – Изменение  давления в рабочей полости

Рис.18 – Перемещение  штока

Рис.19 – Изменение  скорости

Значения  показателей на графиках (скорость, перемещение, время движения) соответствуют  табличным данным, что говорит  о корректности модели.

Добавим в модель тормозное усилие, определим  зависимость погрешности пози ционирования от величины тормозного усилия (Рис.20).

 

Рис.20 –  Модель привода с томозом

Зависимость погрешности от тормозного усилия представим в таблице 3.

Таблица 5 – Зависимость погрешности  позиционирования от усилия

Тормозное усилие, Н	Погрешность, мм
10	>10
50	2,2
70	1,6
90	1,2
100	1
110	0,9

Делаем вывод о том, что тормозное  усилие, обеспечиваемое колодками должно быть не меньше 100 Н.

Поскольку торможение осуществляется засчет силы трения, материал колодок  должен иметь максимально возможный коэффициент трения. Максимальный коэффициент трения по стали имеет резина. Снабдим колодки резиновой прокладкой. Коэффициент трения резины по стали, покрытой смазочным маслом, принимается равным 0,2—0,3 при температуре до 100° С. При сухом трении резины по стали коэффициент трения составляет 0,4—1,0. Более высокие коэффициенты трения наблюдаются у резин с меньшей твердостью. Принимаем коэффициент трения равный 0,5. Тогда для точного останова штока цилиндра потребуется сила не менее 200 Н. Если применить рычаг с отношением сторон 10:1 (размеры конструкции это позволяют), то усилие электромагнитного исполнительного устройства должно быть не менее 20 Н.

Расчет электромагнитного  исполнительного устройства

В качестве электромагнитного исполнительного  устройства используем катушку с  цилиндрическим втягивающимся сердечником.

Рис.21 –  Катушка с цилиндрическим сердечником

Определим элктромагнитное усилие (значение силы тяги), исходя из условия:

;

,

где k_з=1,5.

Определив необходимое усилия притяжения ЗУ, можно оценить его основные геометрические параметры.

Из уравнения

найдем радиус сердечника, принимая Bs=0,5 Тл.

 

Найдём  средний радиус катушки:

 

,

где  – изоляционный материал катушки, ;

– ширина окна, равная 14 мм.

 

Средняя длина витка:

 

Примем  длину катушки равной .

Тогда площадь  окна равна:    =>  

Определим значение площади поперечного сечения сердечника магнитопровода:

 

.

 

Рассчитаем  количество ампер-витков:

 

,

 

где с – постоянная, ;

, .

 

.

Найдём  требуемый диаметр медного провода:

 

,

 

где  – удельное сопротивление меди, ;

.

 

.

Выбираем  медную проволоку ММ-0,17 ТУ 16-705.492-2005

Расчётное количество витков равно:

,

где  – коэффициент заполнения, зависит от изоляционного материала, ;

 – с изоляцией.

Катушка закреплена в корпусе, подпружиненный сердечник работает на втягивание.

Наиболее  простой вариант реализации тормоза  – две катушки закрепить на противоположных сторонах корпуса  модуля, через рычажную передачу подавать усилие на каждую колодку колодку (Рис. 22).

Рис.22

Однако  геометрия модуля этого сделать  не позволяет. Рассмотрим вариант толкания обеих колодок одной катушкой. Для этого выходное плечо рычага соединяем с элементарным захватным  устройством, которое будет прижимать  колодки к штоку при втягивании сердечника. (рис. 23)

Рис.23

Поскольку сила трения от площади  поверхности трущихся тел не зависит, форма колодок может быть произвольной. Выбираем наиболее простую прямоугольную  форму колодки (рис. 24).

Рис.24 –  Чертеж колодки

 

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ

Управление приводом осуществляется по следующему алгоритму (Рис. 25).

Рис.25 –  Блок-схема алгоритма управления

В соответствии с техническим заданием управление реализуется на базе модулей RealLab.

Структура системы управления работой пневмопривода представлена на рисунке 26.

Рис.26 – Структурная схема системы управления привода

Для реализации компьютерного управления РТК используется компьютер Intel Pentium IV с установленной на нем операционной системой Windows XP.

В рассматриваемой  системе управления необходимо управлять  двумя катушками пневмораспределителей, катушкой ЭМ тормоза, обрабатывать информацию с одного датчика и принимать информацию с задатчика перемещения.

Для передачи сигнала с датчика положения  штока и задатчика положения  используется модуль ввода аналоговых сигналов NL-8AI. Для передачи управляющего сигнала с компьютера на катушки пневмораспределителей и катушку ЭМ тормоза используется модуль вывода дискретных сигналов NL-16DO. Технические параметры модулей NL-16DO и NL-8AI приведены в таблице 6.

 

 

   Таблица  6 – Технические параметры модулей

Параметр	Значение
Напряжение  питания (В)	10 ~ 30
Диапазон рабочих температур (°С)	-40 ~ +70
Потребляемая  мощность (Вт) NL-8AI NL-16DO	0,6 0,5
Входное сопротивление (кОм)	3

 

Для обеспечения  обмена данными между модулями ввода  и вывода данных и компьютером  используется преобразователь интерфейсов  NL-232C [28]. Для питания модулей и пневмораспределителей используется блок питания DRAN60-24 с выходным напряжением 24 В.

Модуль дискретного вывода

Внешний вид модуля вывода сигналов представлен на рисунке 27. Блок цифрового вывода данных серии NL модель NL-16DO является внешним по отношению к компьютеру блоком, который имеет собственный источник питания и подключается к последовательному порту компьютера с помощью блока оптической развязки с токовой петлёй NL-232C. Программное обеспечение выдает по 16-ти цифровым выходам прибора данные, которые с помощью транзисторных ключей переключают исполнительные реле. Алгоритм переключения задается через сценарий программного обеспечения (ПО), позволяющие написать пользователю собственное ПО.

Основным  назначением модулей является ввод в управляющий компьютер или  контроллер дискретных сигналов, полученных от разнообразных датчиков с логическим выходом, выключателей, кнопок и вывод из него дискретных сигналов для управления исполнительными устройствами.

 

Рис.27– Модуль вывода NL-16DO

Характеристики  модуля:

• 16 релейных выходов;
• интерфейс RS-485;
• минимальный период вывода 1.5 мс.

Модуль ввода сигналов NL-8AI

Основным назначением модулей является усиление, преобразование в цифровой код и ввод в управляющий  компьютер или контроллер измеренных значений температуры, тока или  напряжения, поступающего от устройств нормализации сигналов или непосредственно от разнообразных датчиков.

Внешний вид модуля NL-8AI представлен на рисунке 28.

Рисунок 28 – Модуль вывода NL-8AI

 

Модуль  может быть использован для удаленного сбора данных, диспетчерского управления, в системах безопасности, для лабораторной автоматизации, автоматизации зданий, тестирования продукции.

Характеристики  NL-8AI:

• 16 одиночных аналоговых входов, 3 дискретных выхода;
• интерфейс RS-485;
• период опроса одного входа 0.1 с;

Преобразователь интерфейсов NL-232C

Преобразователь интерфейсов NL-232C предназначены для организации обмена информацией между устройствами, имеющими интерфейсы RS-232 и RS-485 ил и RS-422. Модуль автоматически выбирает скорость и направление передачи; формат передаваемых данных не играет роли.

Модули  NL-232C являются устройством широкого применения и могут быть использованы во всех случаях, когда необходимо соединить устройства, имеющие разные интерфейсы.

Внешний вид модуля NL-232C представлен на рисунке 29.

Рисунок 29 – Модуль NL-232C

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлен вариант реализации следящего пневматического привода  на основе подуля линейного перемещения  промышленного робота МП-11.  В  ходе выполнения работы проведен обзор  существующих следящих систем, патентный  поиск аналогов, выбор составляющих элементов привода, проведено обоснование  выбора. Кроме того была построена  модель модуля линейного перемещения  робота, которая в дальнейщем может  быть усовершенствована для изучения работы привода в следящем режиме и процесса торможения штока цилиндра внешним электромагнитным тормозом. Помимо прочего, составлен алгоритм управления следящей системы и определен  состав системы управления.