Разработка электропривода системы дозирования связующего материала

 

Первую задачу, опираясь на выше рассмотренные понятия точности и равномерности, можно решить подбором определенного количества роликов, но отсюда следует необходимость  проведения эксперимента, из результатов  которого можно будет сделать  какие-то выводы по оптимальности числа  роликов.

Другой вариант: использование  конструкции перистальтического насоса, направленной на решение это проблемы. Пример такой конструкции: головка  перистальтического насоса DMD15-13-B компании LongerPump на рис. 4 [6].

 

Рис. 4. Головка перистальтического насоса.

        Рисунок 5. График подачи материала (левый) при использовании двухканальной конструкции головки перистальтического насоса (правый).

 

Из рис. 5 [6] видно, что использование такой конструкции головки перистальтического насоса дает повышение равномерности потока перекачиваемого материала. Однако такая конструкция требует изучения, прежде чем можно будет уверенно говорить о возможности ее применения в исследуемой системе дозирования СМ.

Что касается высокого ресурса  эластичного шланга, как уже говорилось ранее, на рынке существует огромное многообразие шлангов, поэтому для  выбора шланга, подходящего для исследуемой  системы дозирования СМ, необходимо определить наиболее важные характеристики (гибкость, прочность, рабочее давление, температура и даже прозрачность).

Габариты определяются допустимым пространством в РО, которое в  свою очередь будет определяться разработчиками, отвечающими за компоновку всех подсистем РО. По предварительным  данным, основное ограничение - диаметр  перистальтического насоса – до 10 см [5].

Один из вариантов предотвращения утечки СМ является датчик числа оборотов. Он необходим для точного контроля плановой замены шлангового элемента. Плановая замена шланга насоса избавит от неожиданного разрыва при превышении рабочего ресурса шланга.

 

3. Электропривод

 

Электропривод (ЭП) в системе  дозирования СМ будет приводить в движение вращающуюся часть перистальтического насоса. Для выбора необходимого электропривода требуются такие значения параметров электропривода, как: пусковой момент, скорость вращения и т.д. Достаточно сложно дать хотя бы приблизительные значения этих параметров, поэтому очевидно, что для получения значений параметров ЭП потребуется проведение эксперимента. Кроме того, как уже говорилось ранее, система дозирования СМ имеет массогабаритные ограничения, которые распространяются и на электропривод. С помощью электропривода можно регулировать объем подаваемого перистальтическим насосом связующего материала за счет изменения скорости вращения ротора электропривода и насоса. Из рисунка 6 видно, что с ростом скорости вращения ротора растет объем потока СМ из перистальтического насоса [3].

Рисунок 6. График зависимости  подачи насоса от скорости вращения ротора.

На рисунке 6, Q_ф - подача насоса (объем подаваемой жидкости  за минуту), n_вр - число оборотов ротора в минуту.

 

Поэтому стоит выделить основные требования к электроприводу, основанные на задачах всей системы дозирования:

• Электропривод должен обладать достаточным пусковым моментом, чтобы он мог привести во вращение перистальтический насос и развить определенную скорость вращения, определяемую блоком управления электроприводом на основании скорости выкладки армирующего материала РО.
• Электропривод должен развивать требуемую скорость вращения,  а также тормозить, за такой интервал времени, чтобы это не повлияло на требуемый объем выдаваемого перистальтическим насосом  в зону пропитки потока связующего материала, а также не повлияло на равномерность этого потока. В случае торможения нельзя допустить подачу лишнего объема СМ.
• Крутящий момент электропривода при заданной скорости вращения должен быть выше момента нагрузки с запасом, для того чтобы предусмотреть нагрузки, неучтенные при расчетах требуемых параметров электропривода. Этот запас будет исходить из точности полученных результатов эксперимента, который необходимо провести для получения предварительных значений параметров электропривода.
• Обладать минимально возможной массой, т.к., как было оговорено ранее, грузоподъемность руки робота, который будет осуществлять перемещения рабочего органа, ограничены, в то время как рабочий орган будет состоять из весьма обширного набора массивных механизмов. Поэтому этот показатель является одним из определяющих.
• Габариты должны быть соразмерными с самими размерами перистальтического насоса.
• Должен иметь возможность увеличения или уменьшения скорости вращения в процессе работы, чтобы была возможность регулировать подаваемый поток СМ (см. рис 6) на основании возможного изменения скорости выкладки армирующего материала РО[5].
• Иметь высокий ресурс и высокую надежность при различных режимах работы.

 

После рассмотрения различных типов электроприводов [2, 6, 8, 9, 17], было сделано заключение, что, из всех распространенных на сегодняшний день электрических приводов, всем выше перечисленным требованиям могут удовлетворять два вида электрических приводов: шаговый и пьезоэлектрический. Чтобы сделать обоснованный выбор из этих двух вариантов, необходимо рассмотреть особенности каждого из этих электроприводов, проанализировать какие вышеуказанные требования выполняются каждым из приводов более эффективно, какие менее эффективно, сделать определенные выводы по целесообразности использования того или иного электропривода. Следует подобрать варианты подходящих моделей каждого из вышеуказанных электрических приводов. Окончательный выбор можно будет сделать после получения обоснованных значений требуемых параметров электропривода системы дозирования СМ, т.е. после проведения экспериментальных исследований. На данный момент мы можем воспользоваться приблизительными значениями параметров, чтобы подобрать примерные варианты моделей каждого из двух ЭП.

 

1.  Шаговый двигатель

 

Шаговый электродвигатель —  это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором  ток, подаваемый в одну из обмоток  статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя  вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Особенности шагового двигателя:

 

1. Маленький угол шага. Двигатель проворачивается за каждый импульс управления на определенный фиксированный угол. Чем меньше шаг, тем выше точность позиционирования привода. Одной из особенностей ШД является то, что они могут обеспечивать маленький шаг(обычно 1.8  и 0.9 град.).
2. Высокая точность частоты вращения. Это важнейший параметр, определяющий качество ШД. Двигатели конструируют так, чтобы в ответ на входной импульс они поворачивались на определенный угол и останавливались в определенном положении. А также ШД имеет очень высокую точность позиционирования (ошибка составляет обычно 5% от величины шага).
3. Высокое отношение электромагнитного момента к моменту инерции дает быстрое начало движения и быструю остановку, что является одним из требований, предъявляемых к электрическому приводу (ЭП).
4. Частота вращения задается числом шагов в секунду, которая в свою очередь определяется числом импульсов, подаваемых на ШД, что дает возможность точного регулирования скорости в любой момент работы двигателя.

 

 

5. Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов.

 

В нашем случае наилучшим  вариантом ШД является гибридный  шаговый двигатель, т.к. он дополнительно выполняет некоторые из требований к ЭП, которых не выполняет обычный ШД, а именно, он совместил в себе преимущества активного шагового двигателя (повышает развиваемый двигателем момент) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага, т.е более высокая точность скорости вращения и др.).

 

Главный недостаток: не может  резко стартовать (требуется плавный  разгон) и имеет относительно большую  массу. Однако, если говорить о массе, то она не так велика и, возможно, допустима. Для этого необходимо уточнить массу остальных подсистем.

 

2. Пьезоэлектрический  двигатель

 

Пьезоэлектрический двигатель - двигатель, в котором рабочим  элементом является пьезоэлектрическая керамика, благодаря которой он способен преобразовать электрическую энергию в механическую с большим КПД, превышающим у отдельных видов 90 %. Это позволяет получать приборы, в которых электрические колебания прямо преобразуются во вращательное движение ротора, при этом усилие, развиваемое на валу такого двигателя столь велико, что исключает необходимость применения какого-либо механического редуктора для повышения крутящего момента.

 

Особенности пьезоэлектрического двигателя:

1. ПЭД имеют значительно меньшие габариты и массу по сравнению с аналогичными по силовым характеристикам электромагнитными двигателями.
2. ПЭД обладают значительным моментом самоторможения (до 50% величины максимального крутящего момента) при отсутствии питающего напряжения за счет своих конструктивных особенностей. Это позволяет обеспечивать очень малые дискретные угловые перемещения (от единиц угловых секунд) без применения каких-либо специальных мер.
3. Высокая удельная мощность (123 Вт/кг у ПМД и 19 Вт/кг у обычных электромагнитных микродвигателей)
4. Широкий диапазон частот вращения и моментов на валу.

 

Однако использование  пьезоэлектрических двигателей в исполнительных механизмах связано с рядом сложностей:

1. Использование в основном при относительно низких моментах, что существенно усложняет поиск аналога, удовлетворяющего определенным требованиям по моментам и скорости вращения.
2. Существенная зависимость резонансной частоты преобразователя от напряжения питания электродов, момента нагрузки и момента инерции на валу двигателя затрудняет обеспечение оптимального преобразования энергии.
3. Регулировочные характеристики двигателя нелинейные, параболические; имеется довольно широкая зона нечувствительности.
4. Механические характеристики довольно мягкие и имеют вид гипербол.
5. Серийный выпуск и применение пьезоэлектрических двигателей сдерживается сложностью изготовления хороших пьезокерамических и износостойких материалов. С этим связано в настоящее время ограничение мощности пьезоэлектрических двигателей уровнем порядка 10Вт.
6. Быстрый износ деталей, контактирующих в процессе передачи движения, ограничивает срок службы двигателей (в среднем 400-1000 ч).

Как видно из описания каждого  ЭП, они имеют все необходимые  параметры для выполнения задач, поставленных перед электроприводом.

Далее, на основании предположительных  расчетов, рассмотрим несколько вариантов  моделей рассмотренных выше электрических  приводов, чтобы сделать предварительный  вывод о целесообразности выбора того или иного электрического привода.

3. Расчет  параметров электропривода, на основании  предположительных данных

 

Исходные данные:

ϑ_{max ленты} = 0.5 м/с – максимальная скорость выкладки армирующего материала;

h_ленты = 0.0007 м – толщина ленты;

w_ленты = 0.015 м – ширина ленты;

Объем армирующего материала выложенного за секунду:

V_ленты =ϑ_{max ленты} ∙ h_ленты ∙ w_ленты= 0.00000525 м³/с

m_ленты = V_ленты ∙ ρ_ленты,

где ρ_ленты-плотность ленты, V_ленты- объем армирующего материала выложенного за секунду;

m_ленты = (0,00000525 м³/с) ∙ (2500 кг/м³) = 0,013125 кг/с;

 

Армирующий и пропитывающий материал соотносятся 1:1 (m_ленты = m_смолы)

V_смолы = m_ленты / ρ_смолы = (0,013125 кг/с) / (1100 кг/м³) = 0,000012 м³/с;

r_трубки = 0,002 м–внутренний радиус трубки по которой течет смола;

S_трубки = π ∙ r_трубки² = 0,00001256 м²-поперечное сечение трубки;

ϑ_{выдавливания} = V_смолы /S_трубки = 0,953 м/с – скорость с которой необходимо выдавливать смолу;

Пусть радиус перистальтического насоса r_насоса = 0,05 м; 

C = 2π ∙ r_насоса = 0,302 м – длина окружности насоса;

f_насоса = ϑ_{выдавливания}/C =  3.05 Гц – частота насоса;

ω_насоса = 2π ∙ f_насоса = 19.19 рад/с (1100 град/с; ≈3.1 об/с) – необходимая угловая скорость насоса;

Пусть F = 10 Н – сила действия трубки на ролик насоса (величина взята приблизительно);

Пусть k = 4 – количество роликов перистальтического насоса;

ΣF = k ∙ ΣF = 40 Н;

M_{двигателя}= ΣF ∙ r_насоса = 1Н∙м (10,1971кгс∙см) – необходимый момент;

Таким образом, приблизительно необходим электрический привод, который имеет минимальный момент: 1 Н∙м и скорость вращения до 3.1 об/с.

 

 

4. Допустимая  модель шагового электрического привода

 

Из произведенных расчетов электродвигателя, наиболее подходящим является  FL60STH86-2008[7].

Таблица 1. Основные параметры FL60STH86-2008.

 

 

Таблица 2. Параметры FL60STH86-2008.

Рисунок 7. График зависимости крутящего момента FL60STH86-2008. от частоты вращения.