Дуговой электромехатронный модуль движения

УДК 62-83

П.К. Васенин, Д.А. Медведев, Ю.М. Осипов

Дуговой электромехатронный модуль движения

Приведен сравнительный анализ технико-эксплуатационных характеристик дуговых электромехатронных модулей движения с опорами скольжения и опорами качения. Показана важность проведения исследований по данной тематике для развития производственных критических технологий федерального уровня в области мехатроники.

В настоящее время актуальными являются исследования и разработки в области мехатроники, машин нового поколения нетрадиционных компоновок на базе мехатронных модулей движения и мехатронных узлов, которые входят в федеральные программы и перечни критических технологий (п. 2.2. Прецизионные и мехатронные технологии, п. 2.4. Электронно-ионно-плазменные технологии).

По плану научно-исследовательских работ Института инноватики ТУСУРа поставлена задача создать многокоординатный манипулятор лазерного технологического комплекса (ЛТК) по патенту РФ № 2093344 [1], с помощью которого возможна обработка (сварка, наплавка, термоупрочнение, резка, гравировка) изделий сложной формы со сферической и криволинейной поверхностями.

Для решения этой задачи в студенческом конструкторском бюро «Инноватика» ведется разработка дугового электромехатронного модуля движения (ДЭМД) на основе которого возможно:

1) создание многокоординатных систем, позволяющих совершать сложные пространственные манипуляции инструментом или изделием;

2) получение высоких технико-эксплуатационно-экономических характеристик (ТЭЭХ) — модульность и компактность конструкции, малые веса; точность и повторяемость перемещений; надежность из-за отсутствия редукторов и преобразователей вращательного движения в поступательное; снижение стоимости изготовления и покупки комплектующих.

ДЭМД представляет собой дуговой сегментный индуктор с трехфазной обмоткой и дуговой элемент из магнитомягкого материала с постоянными магнитами, оси намагниченности которых ориентированы перпендикулярно дуговым поверхностям ротора, а направления намагниченности чередуются. Выполнены два варианта ДЭМД, в которых дуговой сегментный индуктор и дуговой элемент ротора соединены подвижно между собой при помощи:

1) опор скольжения, изготовленных из фторопласта-4 совместно с дуговым элементом из магнитомягкого материала (рис. 1);

2) опор качения совместно с дуговыми направляющими из легированной стали (рис. 2).

,3

2

Рис. 1. Дуговой электромехатронный модуль движения с опорами скольжения

На рис. 1 показан вариант, в котором плоскость соприкосновения ротора 1 с индуктором 3 покрыта пленкой фторопласта 2. На внутреннюю поверхность индуктора 3 также нанесен слой фторопласта. Таким образом удается обеспечить достаточно низкий уровень потерь на трение (коэффициент трения ¡л = 0„06) при движении сегмента ротора без применения дорогостоящих опор качения. Шарикоподшипниковые опоры 4 используются в конструкции для дополнительного удержания сегмента ротора от смещения в плоскости перемещения. Положение ротора определяется при помощи инкрементального датчика 5.

Второй вариант ДЭМД выполнен на опорах качения (рис. 2). Направление перемещения сегмента ротора 4 относительно индуктора 1 обеспечивается при помощи дуговой направляющей 3, жестко совмещенной с сегментом ротора. Шарикоподшипниковые опоры установлены на каретке 2, которая в свою очередь жестко закреплена на индукторе 1. За счет использования шарикоподшипниковых опор в конструкции ДЭМД достигается снижение потерь на трение при движении ротора по сравнению с конструкцией с опорами скольжения, а следовательно, повышение полезного усилия, развиваемого ДЭМД такой конструкции.

Рис. 2. Дуговой электромехатронный модуль движения с опорами качения

Проведено экспериментальное исследование двух вариантов ДЭМД по следующим технико-экономическим показателям:

1) усилие, развиваемое ДЭМД для выполнения полезной работы;

2) точность перемещений;

3) стоимость изготовления.

Рассмотрим характеристики двух вариантов ДЭМД, разработанных авторами для лечебно-оздоровительного тренажера «Всадник» [2]. Кинематическая схема двигателя в его рабочем положении показана на рис. 3.

0

Рис. 3. Кинематическая схема ДЭМД

Доклады ТУСУРа, № 1(17), июнь 2008

Из представленной кинематической схемы видно, что при перемещении подвижной части на угол а относительно положения равновесия возникает скатывающая сила FCK, создаваемая подвижной частью ДЭМД совместно с закрепленным на ней перемещаемым объектом (далее по тексту — подвижная часть).

Величина скатывающей силы зависит от угла отклонения подвижной части от положения равновесия и определяется соотношением

FCK = Р sin а .

где Р — вес подвижной части.

Сила FCK определяет нелинейный характер нагрузки дугового модуля движения. При этом нагрузка будет определяться не только положением подвижной части объекта, но и направлением ее движения (рис. 4). Когда направление движения подвижной части и действие скатывающей силы совпадают (рис. 4,а), нагрузка меньше на величину FCK - F^n, чем в случае, когда они направлены в противоположные стороны (рис. 4,0).

а б

Рис. 4. Характер сил нагрузки при различных направлениях движения подвижной части

Конструкция электромеханического тренажера «Всадник» предполагает максимальный угол отклонения подвижной части от положения равновесия о^а* = 30°. Максимальная перемещаемая масса 100 кг. Построим рассчитанную статическую нагрузочную диаграмму, определяющую характер зависимости нагрузки от угла а при поступательном движении подвижной части с максимальной перемещаемой массой. Нагрузочные диаграммы для конструкций ДЭМД с опорами скольжения и опорами качения представлены на рис. 5.

Из нагрузочных диаграмм видно, что в связи с действием силы скатывания Р,.к величина нагрузки нелинейна и знаконеременна, зависит от направления движения подвижной части и величины силы трения в опорах. Кривая Fяl характеризует нагрузку для ДЭМД с опорами качения, а кривая Fн2 — для ДЭМД с опорами скольжения. Максимальная нагрузка для ДЭМД с опорами качения составила 570 Н, для ДЭМД с опорами скольжения — 640 Н.

Параметром, снижающим полезное усилие ДЭМД с опорами скольжения, является повышенный коэффициент трения, определяющий более высокое значение силы трения (криш Fтp2 на рис. 5) по сравнению с ДЭМД с опорами качения (кривая Fтр1 на рис. 5).

При проведении экспериментов выяснилось, что повышенное значение усилия нагрузки ДЭМД с опорами скольжения кроме снижения полезного усилия приводит также к ухудшению его точностных характеристик. Точность отработки сигналов управления измерялась интерактивным датчиком положения 5 (см. рис. 1) в двух режимах: разомкнутом (без коррекции положения) и замкнутом (с ПИД-регулятором положения). Результаты измерений приве дены в табл. 1.

Таблица 1

Средняя ошибка при отработке сигналов управления ДЭМД

Режим С опорами качения С опорами скольжения

Разомкнутый 150 мкм 1000 мкм

Замкнутый 1 мкм 4-5 мкм

В процессе изготовления двух вариантов ДЭМД выяснилось, что стоимость изготовления ДЭМД с опорами качения в 1,42 раза превосходит стоимость изготовления ДЭМД с опорами скольжения (табл. 2).

Таблица 2

Затраты на изготовление ДЭМД

Основные составные части Стоимость изготовления и покупки комплектующих

с опорами качения с опорами скольжения

1. Индуктор 20000 20000

2. Дуговой элемент с постоянными магнитами 15030 15030

3. Конструкция опор 1200 500

4. Направляющие 14125 -

Итого 50355 35530

Представленный ДЭМД с опорами скольжения демонстрировался на выставке международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития», ноябрь 2007 года, г. Томск, где был удостоен диплома первой степени.

Выводы. В результате проведенного исследования двух вариантов ДЭМД установлено, что ДЭМД с опорами качения обладает существенно более высокими точностными характеристиками перемещения, чем ДЭМД с опорами скольжения. Однако ДЭМД с опорами качения за счет применения высокоточных дуговых направляющих, выполненных из легированной конструкционной стали, по стоимости изготовления примерно в полтора раза превосходит ДЭМД с опорами скольжения.

Литература

1. Осипов Ю.М. Операционные автоматы с электроприводом прямого действия / Ю.М. Осипов. - Томск : ИПФ П.К. ТПУ, 1997. - 200 с.

2. Заявка на изобретение № 2005120898/20(023589) РФ, МПК А61Н1/00. Электромеханический тренажер / Ю.М. Осипов, П.К, Васенин, Н.Ю. Изоткина, Д.А. Медведев, C.B. Негодяев. - Заявл. 04.07.2005; опубл. 10.01.2007. - 3 с.

Ваеепмн Павел Константинович

Аспирант, ассистент отделения каф. ЮНЕСКО Тел.: 42 87 40, доб. 319 Эл. почта: vasenin@mosk.ru

Медведев Дмитрий Александрович

Аспирант, ассистент отделения каф. ЮНЕСКО

Тел. 42 87 40, доб. 319

Эл. почта: dmitrimed@mail.ru

\

Осипов Юрий Мнрзоевнч

Д-р техн. наук, д-р экон. наук, проф., зав. отделением каф. ЮНЕСКО Тел. 41 38 64

Эл. почта: umo@main.tusur.ru

Р.К. Vasenin, D.A. Medvedev, Y.M. Osipov Arc mehatronics module of movement

Comparative research of technical and operational characteristics, of arc mehatronics modules of movement have suggested. Rolling-contact bearing and sliding bearing have compared. Importance of researches on this subject for development of critical technologies in mechatronics has shown.