Основы конструирования приборов и машин

Московский государственный  технический университет имени  Н.Э. Баумана

 

 

Задание на курсовой проект

по курсу «Основы конструирования  приборов и машин»

«Привод следящей системы»

Студент Бугаевский Т.М.

Группа СМ7-61

Руководитель Коваленко А.П.

 

 

Срок выполнения проекта по графику:

20% к ____ неделе, 40% к ____ неделе, 60% к ____ неделе, 80% к ____ неделе, 100% к ____ неделе.

 

 

Защита проекта ____ мая 2003 года.

 

 

1. Тема проекта: Привод следящей системы.

 

 

2. Техническое задание: Разработать технический проект с выпуском рабочей документации на электромеханическую часть привода следящей системы.

В конструкции привода предусмотреть:

• установку потенциометра обратной связи по углу поворота выходного вала привода;
• механические и электромеханические ограничители поворота выходного вала;
• предохранение от перегрузок по моменту на выходном валу;
• установку электрического разъёма и монтажных проводов между электромеханическими элементами привода;
• установочные элементы для крепления привода.

Условия работы привода:

• температура окружающей среды: от -60 до +70°С;
• относительная влажность: до 98% при -40°С;
• атмосферное давление: от 535 до 3040 ГПа;
• рабочее положение выходного вала в пространстве - произвольное.

Серийность производства: мелкосерийное.

 

 

3. Объём и содержание проекта.

Графических работ 5 листов формата  А1:

• чертёж общего вида 1 лист формата А1;
• габаритный чертёж 0,5 листа формата А1;
• чертёж кинематическая схема 0,5 листа формата А1;
• общий сборочный чертёж 0,5 листа формата А1;
• сборочные чертежи узлов 1 лист формата А1;
• чертежи деталей 1,5 листа формата А1.

Расчётно-пояснительная записка 35 листов формата А4, в неё обязательно  должны быть включены спецификации сборочных чертежей, структурная схема сборки изделия (помимо основных частей).

 

 

4. Дополнительные указания по проектированию.

Исходные данные для проектирования взять из таблицы для варианта 8.

 

 

Руководитель проекта ____________

 

 

Дата выдачи: 14 февраля 2003 года.

Расчётно-пояснительная записка  к курсовому проекту 
«Привод следящей системы» 
по предмету «Основы конструирования приборов» 

Вариант 8. Дано:

Момент нагрузки ;

Максимальная  угловая скорость вращения нагрузки ;

Максимальное  угловое ускорение нагрузки ;

Момент  инерции нагрузки ;

Температура окружающей среды  ;

Относительная влажность до 98% при  ;

Атмосферное давление 535…3040 ГПа;

Постоянный  ток цепи питания двигателя;

Срок  службы Т не менее 900 час;

Напряжение питания  ;

Критерий расчёта - минимум погрешности;

Предельный угол поворота нагрузки f = 400Å;

Рабочее положение выходного вала в пространстве - произвольное;

Входной и выходной валы должны быть параллельны.

1 Назначение и принцип действия

 

Привод следящей системы представляет собой привод, то есть, обычно, двигатель и редуктор, позволяющий скорректировать характеристики двигателя под требуемые характеристики. Он имеет широкое распространение в качестве элементов исполнительных механизмов роботов и других следящих систем.

Специфика работы привода следящей системы заключается в постоянно  изменяющемся сигнале, за которым следит система и, вследствие этого, постоянно  подающемся сигнале на отработку  приводом. Кроме того, обычно требуется  высокая скорость и точность отработки сигнала.

Как подтверждение перечисленных  свойств, можно отметить требование максимальной точности работы привода  и произвольное положение выходного  вала в пространстве, широкий температурный  диапазон, диапазон давлений и влажности, в которых должен работать привод.

Двигатели постоянного тока имеют  значительно большую зону линейности, чем двигатели переменного тока, что позволяет упростить процесс  расчёта и проектирования системы  автоматического регулирования, для  которой проектируется привод, а также повысить его диапазон работы в линейном режиме (то есть режиме отработки ошибки - слежения за объектом).

Малая требуемая выходная мощность привода, а также угол поворота нагрузки чуть больше полного оборота свидетельствуют о том, что этот привод будет использоваться в маломощной системе слежения за объектом, периодически исчезающим из поля видимости и вновь появляющимся с обратной стороны, возможно, антенной слежения за спутниками.

 

Принцип действия предлагаемого привода  основан на увеличении момента при прохождении через редуктор за счёт уменьшения скорости вращения. Для обеспечения максимальной точности использовано минимальное число ступеней (четыре наиболее простые в изготовлении цилиндрические ступени). Кроме того, предусмотрена защита привода от перегрузки на выходном валу редуктора в виде фрикционной предохранительной муфты. Кроме того, имеется ограничитель поворота выходного вала в заданных пределах, включающий в себя как формирование электрического сигнала при достижении выходным валом граничных углов поворота, так и последующее его механическое ограничение. В качестве сигнала обратной связи по выходному углу поворота привода предлагается сигнал с потенциометра, как сигнал грубого отсчёта, а также предусмотрена возможность модернизации и установки дополнительно цифрового датчика точного отсчёта.

 

На прилагаемом чертеже общего вида показаны:

1. Электродвигатель ДПР-42-Ф1-02 постоянного тока независимого возбуждения, который обеспечивает привод требуемой движущей силой, который соединён с
2. шестернёй при помощи
3. шпонки, входящей в комплект двигателя и закреплена при помощи
4. гайки с использованием
5. шайбы для более равномерного распределения затягивающего усилия. С шестерни вращение передаётся на
6. колесо следующей ступени, закреплённое на
7. валу при помощи посадки на накатку. Вал вращается в
8. подшипниках качения, обеспечивающих хорошие показатели по коэффициенту полезного действия опоры. Подшипниковый узел построен с применением
9. Пружинных колец, позволивших упростить конструкцию подшипниковых узлов. Их применение обусловлено малыми передаваемыми моментами (на выходном валу двигателя момент чуть меньше одного ньютона на метр, что соответствует моменту, создаваемому грузом в один килограмм, висящему на плече в десять сантиметров. На валу зацело с ним выполнена шестерня, передающая момент далее, на следующее
10. колесо, установленное на
11. валу и закреплённое посадкой на накатку. С выполненной зацело с валом шестерни движение передаётся на
12. проворачивающееся колесо предохранительной фрикционной муфты, которое имеет возможность проворачиваться под действием передаваемого момента, однако эта возможность ограничена наличием сил трения, с одной стороны с фрикционной поверхностью
13. прижима, поджатого при помощи
14. пружины, создающей усилие, обеспечивающее силы трения по совокупности всех поверхностей трения достаточные для передачи максимального рабочего момента на валу предохранительной муфты, но недостаточное для передачи большего момента, возникающего при перегрузке. Пружина поджата и её сила сжатия отрегулирована при помощи
15. стопорной  гайки, которая после регулировки передаваемого муфтой момента затягивается
16. винтом и далее возможности изменять своё положение относительно вала не может. Фрикционная предохранительная муфта установлена на
17. валу, прижим зафиксирован от радиального перемещения при помощи
18. шпонки. Зацело с валом выполнена шестерня, передающая момент на следующее колесо. Это составное люфтовыбирающее колесо, состоящее из
19. Вращающейся части, которая вместе с
20. Неподвижной частью образуют в текущем зацеплении с шестернёй момент, позволяющий колесу удерживать зацепление с шестернёй с двух сторон зуба шестерни, что исключает люфт в передаче движения. Для создания этого момента в люфтовыбирающем колесе установлены две
21. пружины. Колесо передаёт вращение на
22. гайку, которая движется поступательно вследствие наличия на
23. валу трапецеидальной резьбы, предназначенной для механизмов точной передачи вращательного движения в поступательное. Вал установлен в
24. радиальных подшипниках с заплечиками, конструкция которых позволила при малой толщине плат корпуса обойтись без сложных подшипниковых узлов. Для того, чтобы
25. подшипник не выступал над верхней платой, предусмотрено
26. кольцо.
27. Длинная стойка соединяет между собой верхнюю и нижнюю платы, а также служит как место крепления привода к корпусу присоединяемого узла. Для обеспечения точности расстояния между платами служит
28. втулка, которая при достаточном усилии от
29. винта с
30. шайбой за счёт параллельности своих сопрягаемых плоскостей обеспечивает параллельность плат (таких стоек в конструкции три)
31. Средние стойки имеют несколько отличную конструкцию, позволяющую исключить втулку из конструкции, но она имеет меньшую прочность и жёсткость и крепится при помощи развальцовки с одной стороны и
32. винта с
33. шайбой с другой.
34. Винтами же, но уже с
35. пружинными шайбами крепится электродвигатель к редуктору, так как маленький диаметр винтов не позволяет обеспечить большое усилие затягивания, то пружинные шайбы увеличивают его. Двигатель крепится к
36. средней плате. Первые две ступени также расположены в ней. В связи с тем, что проходя через редуктор погрешность уменьшается в передаточное отношение раз, то высокая точность крепления этой платы не требуется. Но уже в креплении
37. верхней и
38. нижней плат это требуется, так как между ними расположена последняя передача и сам выходной вал, имеющий максимальное, неослабленное влияние на точность всего привода в целом.
39. Пропущен.
40. Провода на чертеже показаны условно штрих-пунктирной линией. Четыре провода идут от двигателя и по три от потенциометра и каждого микропереключателя, всего 13 проводов.
41. Снова пропущен.
42. Винт и
43. шайба предназначены для крепления разъёма.
44. Скоба является упором ограничителя поворота выходного вала. Она крепится к верхней плате через
45. уголок, к которому присоединена при помощи
46. развальцовочных штифтов.
47. Пластина регулятора
48. направляющей, которая запрещает радиальное движение гайки выходного вала имеет возможность до затягивания винтов перемещаться таким образом, что направляющая, вставленная в одно из отверстий гайки, поворачивается вместе с ней вокруг оси выходного вала, что позволяет при сборке отрегулировать точное угловое положение выходного вала, соответствующее нулевому углу поворота. Для этого предусмотрен ход поворота ограничителя почти 60°, четыре отверстия на осях под углом 40° от соседнего отверстия, а для учёта того, что резьба трёхзаходная, отверстия расположены в пределах 120°.
49. Пропущен.
50. Опять пропущен.
51. И снова пропущен.
52. И этот пропущен.
53. Микропереключатели служат для создания электрического сигнала, сообщающего о том, что достигнуто одно из крайних положений выходного вала. Их срабатывание регулируется при помощи пружин, подогнув которые можно установить срабатывание микропереключателя при требуемом положении выходного вала. Они крепятся при помощи
54. винтов с
55. шайбами, также, как и
56. потенциометр соединяется с гайкой при помощи насадки на движок потенциометра, которую допускается после полной сборки приклеить к гайке.

 

Использованы подшипники нормального  для приборостроения, шестого класса точности для всех валов, кроме выходного, для выходного вала использованы подшипники пятого класса точности для повышения точности работы привода, аналогично и для зацеплений были использованы нормальные степени точности 7-G, а для последнего зацепления 6-G для повышения точности. Зазор необходим из-за широты температурного диапазона работы привода и выбирается люфтовыбирающим колесом.

Крепление к следующему узлу производится за нижние части длинных стоек  в отверстия в корпусе следующего узла, поэтому для обеспечения  точности работы всего изделия, включающего  предлагаемый привод, требуется высокая точность при обработке этих посадочных отверстий.

2 Замечания

 

Значения выбираемых параметров выбираю  по рекомендациям из рекомендуемых  диапазонов или дискретных значений.

 

«i» в качестве индекса (кроме допусков) обозначает номер зацепления (в таблице обозначены арабскими цифрами от 1 до 4, меньшее значение соответствует ближнему к выходному валу двигателя зацеплению).

«j» в качестве индекса (кроме  допусков) - номер вала (в таблице  обозначены римскими цифрами от 1 до 5, меньшее значение соответствует ближнему к выходному валу двигателя, для выходного вала j = 5, для входного 1).

 

Для большинства расчётов приведу  лишь расчётные соотношения, результаты расчётов приведу после формул, в  виде сводной таблицы.

Конструктивные размеры взяты  с прилагающихся чертежей.

3 Проектировочные расчёты

3.1 Выбор двигателя по мощности

Все формулы этого параграфа  из [9] (смотри соответствующий расчёт), либо известны.

 

Требуемая (расчётная) мощность двигателя  для ЭМП составит:

h (к.п.д. редуктора) выберу равным 0,7 из диапазона 0,6…0,8 для электромеханического привода с редуктором на цилиндрических эвольвентных колёсах;

- мощность, необходимая для обеспечения  вращения заданной нагрузки с  заданной угловой скоростью, приведённая ко входному валу редуктора, Вт;

- момент нагрузки, Н м.

 

С условием удовлетворения превышения мощностью двигателя расчётной  мощности с учётом приведённого ниже расчёта по пусковому моменту, а также условий эксплуатации и способа крепления выберу двигатель ДПР-42-Ф1-02 (постоянного тока):

 

Номинальная мощность выбранного двигателя:

- номинальная частота вращения  ротора двигателя, об/мин;

- номинальный момент двигателя, Н м.

 

Запас по мощности составит:

- запас выбранного двигателя  по мощности.

3.2. Выбор двигателя по пусковому  моменту

Все формулы этого параграфа  из [9] (смотри соответствующий расчёт), либо известны.

 

Для обеспечения требуемой скорости вращения нагрузки необходимо обеспечить передаточное отношение редуктора  близкое к этому:

- расчётное передаточное отношение  редуктора;

- максимальная скорость вращения  нагрузки, рад/с;

- номинальная частота вращения  ротора двигателя, об/мин.

 

Приведённый статический момент нагрузки составит:

Выберу запас по статическому моменту x_{М ст} равным 1,2 из диапазона для экономии средств на самой дорогой частью электромеханического привода - двигателе;

- момент нагрузки на выходном  валу редуктора, Н м.

 

Ускорение нагрузки, приведённое к  ротору двигателя:

 

Приведённый динамический момент нагрузки:

Приведённый момент инерции редуктора на этом этапе выберу равным:

из диапазона  для полого якоря;

 

Для режима частых пусков и реверсов, в которых работает привод следящей системы, сумма приведённых к валу двигателя статического и динамического моментов должна быть не больше номинального момента двигателя.

Запас по пусковому моменту составит:

3.3 Кинематический расчёт

Все формулы этого параграфа  из [9] (смотри соответствующий расчёт), либо известны.

 

Для обеспечения минимизации погрешности  передаточное отношение последней  ступени должно быть максимально  возможно большим, а само число ступеней минимальным. Передаточные отношения предыдущих ступеней дложно возрастать по направлению к выходному валу редуктора.

Для обеспечения разумной точности (для  повышения других характеристик  редуктора) выберу число ступеней равным 4 (кроме того, максимальное из рекомендуемых передаточных отношений в одной цилиндрической передаче составляет 8).

Числа зубьев первых трёх пар между собой  не имеют общих множителей для  обеспечения равномерного их износа, на последней же паре выбраны числе  зубьев с общими множителями для  обеспечения приработки с целью повышения точности.

Помимо  прочего, для повышения точности работы привода, на последней ступени  установлено люфтовыбирающее колесо.

Делительный диаметр шестерни, насаживаемой на вал двигателя должен быть не менее  , что выполняется (смотри геометрический расчёт - там получено, что внутренний диаметр шестерни двигателя равен 5,7 мм).

Реальное передаточное отношение  редуктора составит 609,2, что отличается лишь на 1,02% от требуемого передаточного отношения 628,3.

 

передача	вал	Тип	z	i
4	5	колесо	200	8
	4	шестерня	25
3		колесо	112	4,87
	3	шестерня	23
2		колесо	87	3,95
	2	шестерня	22
1		колесо	87	3,95
	1	шестерня	22