Лекция 6 по дисциплине «Основы мехатроники и робототехники» тема: «Проектирование механической модели мехатронного устройства. Основные методы и средства» Мамонова Татьяна Егоровна гр. 14Б10

Проектирование механической модели мехатронного устройства Общие задачи конструирования механизмов Конструктор механизма должен решать ряд задач, общих для любого конструирования, таких как: - задача выбора элементной базы; - задача базирования (лишение тела нескольких из трех линейных и трех угловых подвижностей), определяемая ТЗ (например базирование по точке, по линии, по плоскости, в координатный угол, цилиндрическое центрирование, сферическое центрирование и т.п.); 1

- задача компоновки (выбор формы деталей и сборочной единицы); - задача обеспечения технологичности; - задача фиксирования (выбор способа сборки и закрепления деталей, выбор материала деталей); - конструкторские расчеты; - задача моделирования конструкции. Общие вопросы проектирования механической модели Если концептуальная модель механизма выбрана и сформирована его кинематическая модель, то механическую модель (ММ) проектируют с целью: 1. Детализации и уточнения компоновки механизма. 2. Выбор марок двигателей и других типовых узлов и деталей. 3. Определения геометрических параметров не типовых деталей и узлов. 4. Определения необходимых зазоров для линейных и угловых перемещений в кинематических парах. 2

5. Оптимизации геометрических характеристик деталей. 6. Определения массогабаритных показателей механизма и потребляемой мощности. 7. Получения всех динамических характеристик ММ (ожидаемые допустимые линейные скорости и ускорения требуемых точек механизма, угловые скорости и ускорения звеньев, скорости и ускорения обобщенных координат, допустимые внешние нагрузки, допустимые режимы работы и т.п.). 8. Построения анимационных моделей механизма. 9. Сокращения количества вариантов механизмов. 10.Формирования законов программного динамического управления механизмом, 3

Разработка механической модели ВМЗ включает в себя 1) выпуск комплекта конструкторской документации, соответствующий стадии проектирования (чертежи общих видов, схемы электрические, гидравлические, пневматические принципиальные интерфейсов, входящих в конструкцию механизма и т.п.); 2) создание и отладку математической и/или имитационной модели описания динамики механизма. Механизм – система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твердых тел в требуемые движения других твердых тел. В теории механизмов и машин под твердыми телами понимают как абсолютно твердые, так и деформируемые (жидкие и газообразные) и гибкие тела. Определения 4

Проектирование механизма – разработка механической модели мехатронного устройства. Твердые тела, состоящие из неподвижных относительно друг друга твердых тел (деталей) считаются единым твердым телом. Твердые тела, изменяющие свое относительное положение при работе механизма – звенья. Звено, принимаемое за неподвижное, называется стойкой. Звено, которому сообщается движение посредством внешних сил называется входным звеном. Звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм, называется выходным (выходное механическое звено, (ВМЗ). Иногда входное и выходное звено совпадают, например, шток пневмотолкателя. 5

В отличие от уравнений кинематики, механическая модель описывается уравнениями динамики, и в общем случае включает 2n дифференциальных уравнений первого порядка, где n – количество звеньев. 6

Особенности проектирования изделий мехатроники Мехатронные устройства Мехатронные устройства – это выделившийся в последние десятилетия класс машин или узлов машин, базирующийся на использовании в них достижений точной механики, электропривода, электроники, компьютерного управления. 7

Признаки мехатронного устройств: 1. Наличие интеграции следующих функциональных элементов: - выходного механического звена (ВМЗ), выполняющего внешние функции мехатронного устройства; - двигателя выходного звена с механизмом передачи движения к ВМЗ, привода ВМЗ; - усилителя-преобразователя энергии питания двигателя (УПЭП); - устройства цифрового программного управления приводом; - информационной системы, контролирующей состояние внешнего мира и внутренних параметров мехатронного устройства. 8

2. Минимум преобразований информации и энергии (например, прямое цифровое управление безредукторным приводом) - принцип минимума преобразований. 3. Использование одного и того же элемента мехатронного устройства для реализации нескольких функций (например, параметры двигателя (ток, противо-ЭДС) используются для измерения его момента и скорости) - принцип совмещения функций. 4. Проектирование функций различных элементов мехатронного устройства таким образом, чтобы цели служебного назначения изделия достигались совместным выполнением этих функций без их дублирования и с максимальным эффектом (принцип синергетики). 9

5. Объединение корпусов узлов мехатронного устройства - принцип совмещения корпусов. 6. Применение сверхплотного монтажа элементов. Мехатронный узел Мехатронный узел состоит из: 1) механизма, в составе которого находится корпус (стойка), силовой элемент (двигатель, привод), выходное механическое звено, (ВМЗ), которое может состоять из ротора (штока, сердечника и т.п.), силового элемента, механической передачи движения, рабочего органа или другого оконечного элемента ВМЗ; 2) управляемого преобразователя энергии источника в энергию питания силового элемента ( в дальнейшем преобразователя); 3) устройства управления преобразователем, в функциях цифрового кода; 4) внутренней информационной системы (датчики состояния самого мехатронного узла и средства предварительной обработки информации с датчиков); 10

5) внешней информационной системы (сенсоры информации о внешнем мире мехатронного узла и средства предварительной обработки этой информации; 6) устройства управления мехатронным узлом (как правило, программного) с цифровым выходом. Положение выходного механического звена (ВМЗ) определяется в системе координат, жестко связанной с корпусом механизма. ВМЗ может иметь одну или несколько степеней свободы относительно корпуса. Такие узлы называют однокоординатными или двух- трех- многокоординатными мехатронными узлами. 11

По способу организации проектирования различают: последовательное проектирование, при котором при известных исходных данных формируют цепочку проектных решений, удовлетворяющих критериям качества решения; параллельное проектирование, при котором при известных исходных данных формируют альтернативные цепочки (варианты) проектных решений, удовлетворяющих критериям качества решений, и постепенным отбрасыванием худших вариантов по совокупности некоторого множества решений. 12

Средства автоматизации проектирования на различных этапах принятия проектных решений операционные системы (например UNIX, Windows); системы автоматизированного редактирования текстов, сканирования документов и их перевода (например, Word, FineReader, Stylus); системы автоматизированного проектирования (САПР) механизмов (например, Unigraphics, SolidWorks, TFlex-CAD, Autoсаd, Pro/Engineer, CATIA, КОМПАС); системы автоматизированного проектирования (САПР) изделий электроники на платах (например, P- CAD, ACCSEL-ADE, OrCAD, MicroCAP); 13

системы автоматизированного проектирования (САПР) интегральных микросхем (например, САПР фирмы Tanner, САПР фирмы Cadence); системы автоматизации расчетов и моделирования, специализированные и универсальные (например, MathCAD, MathLAB); системы автоматизации программирования (например, Tornado (VxWorks), SingleStep, SCADA- системы); системы управления базами данных (например, FoxPro, Paradox); системы компьютерного анализа и проектирования (CASE-системы) (например, Design/IDEF, BPWin ); системы подготовки и использования интерактивных электронных технических руководств (например,TGBuilder ). 14

Предпроектная стадия разработки мехатронного устройства 1. Алгоритм проектирования Исходные данные: результаты предпроектного исследования, техническое задание на разработку. 1. Начало. Анализ ТЗ, формирование функциональной структуры. 2. Декомпозиция изделия на принципах мехатроники. 3.Формирование критериев качества проекта. 4. Формирование общих проектных решений ( ОПР) по механизму и датчикам его состояния. 5. Разработка ОПР по устройству управления мощностью двигателя. 15

6. Определение ОПР по внешней информационной системе. 7. Разработка ОПР по устройству управления. 8. Моделирование взаимных соответствий частей изделия в силу принятых ОПР. 9. Анализ результатов моделирования и коррекция ОПР по п. 3… п. 7 данного алгоритма. 2. Разработка концепции изделия Концепция изделия – это система взглядов на будущее изделие, отражающая потребности Пользователя и возможности Изготовителя, как правило, сформированная состоянием мирового и регионального сообщества, уровнем развития и способом формирования коллектива проектировщиков и его структурой. 16

На концепцию изделия влияет масса факторов, экономического, информационного, национального, исторического и т.п. характера, но с усилением глобализации мировой экономики доминирующими становится первые два. Концепция изделия формируется в виде системы общих проектных решений (ОПР) по изделию. 3. Исходные данные для проектирования. На их основании формулируют потребность в новом изделии в виде предварительного набора технических характеристик, параметров изделия. 17

Для решения вопроса об уточненных технических требованиях к вновь создаваемому изделию привлекаются следующие сведения: 1) данные об устройствах, которые будут работать с вновь создаваемым образцом; 2) данные о необходимой доработке устройств, которые будут работать с вновь создаваемым образцом; 3) степень влияния параметров вновь создаваемого образца на параметры процессов, в которых создаваемый образец будет участвовать; 4) данные о среде, на которую ориентирован создаваемый образец; 5) данные о влиянии новых качеств создаваемого образца на организационно-экономические параметры производства (коэффициент сменности, форму специализации, тип производства, систему оперативного планирования, материально-техническое снабжение и т.п.), быта или другой среды использования изделия; 18

6) данные о социальных последствиях использования новых качеств проектируемого образца на производстве (потребность в квалификации персонала, требования к возрасту, образованию, стажу работы, изменения в интенсивности труда, влияние на заработную плату и т.п.); 7) данные о влиянии новых качеств создаваемого образца на существующие конструкции предметов труда и технологическую подготовку производства или другие параметры среды использования; 8) данные о влиянии характеристик нового образца на компоновку или планировку среды использования, возможность их наладки и ремонта; 19

9) данные о влиянии характеристик нового образца на параметры автоматизированной системы управления и других систем, обеспечивающих функционирование среды использования; 10) данные о влиянии характеристик нового образца на безопасность жизнедеятельности в среде использования; 11) данные о результатах социологических исследований по изделиям потребительского назначения; 12) лимитная цена образца и лимитная стоимость проектирования. В результате анализа этих сведений формируют: - технико-экономическое обоснование создания нового образца; - исходные данные для разработки технического задания на проектирование; - заявку на проектирование или контракт. 20

4. Формирование системы критериев качества. Критериями качества проекта могут выступить: - технические требования ТЗ; - общие технические требования к данному классу изделий, определенные международными (ISO 9000), государственными и отраслевыми нормативными актами; - технические требования, более жесткие, чем в ТЗ, вводимые самим разработчиком в целях повышения технического уровня изделия, отработки новых идей, ноу-хау, патентов и т.п., формирования научно- технического задела разработчика, удовлетворения требований рынка, повышения конкурентоспособности изделия; - экспертные оценки проекта. 21

5. Декомпозиция изделий на принципах мехатроники. При отыскании ОПР, будущее изделие целесообразно разбить на составные элементы, провести декомпозицию изделия. Любая декомпозиция должна отвечать целям, с которыми она проводится. Цели декомпозиции: упрощение анализа структуры изделия; применение типовых, апробированных методов синтеза; упрощение конструкции; повышение коэффициента стандартизации и/или унификации изделия; обеспечение технологических условий производства. 22

При декомпозиции должны учитываться принципы мехатроники. Наиболее целесообразно разделение машины на модули движения, а модулей движения на характерные для мехатронных модулей движения сборочные единицы. Декомпозицию можно проводить на основании имеющегося опыта, известных аналогов и т.п., но наиболее объективно выполнить следующее. На основании функциональной структуры ТЗ строится виртуальная структура функциональных блоков. Виртуальный функциональный блок это элемент, структурная единица изделия, которая выполняет группу функций проектируемого устройства. В виртуальной структуре блока вопросы технической реализации могут не рассматриваться. 23

6. Определение ОПР по внешней информационной системе. включает определение: принципов действия датчиков и сенсоров; способов и глу6ины предварительной обработки информации; мест размещения датчиков и сенсоров, места размещения и способов компоновки средств предварительной обработки информации; состава и структуры интерфейсов (тип, носитель информации, тип коммутаторов, способ прокладки, защита от помех, уровень допустимого затухания сигнала, уровень допустимых шумов, способы создания аппаратной и логической совместимости и т. п.. Одним из важнейших показателей качества ИС является ее точность, зависящая также и от способа размещения датчиков. 24

Для повышения точности измерений применяют: - разделение информационных и силовых цепей в механизмах МУ, например силового и информационного редукторов; - изоляцию информационных цепей от климатически завязанных цепей; - применение бесконтактного контроля и другие технические мероприятия. 7. Управление мощностью двигателей При любом способе регулирования состояния ВМЗ, при использовании любых двигателей, существует элемент (или цепочка элементов), выполняющий функцию усилителя мощности сигнала управления. Входом усилителя является унифицированный сигнал, кодированный цифровым двоичным кодом, выходом – активно-индуктивная нагрузка (обмотка электродвигателя, обмотка электрогидро- или электропневмопреобразователя). 25

Одним из способов унификации является применение единой структуры функциональных блоков устройства управления мощностью, состоящее в применении импульсного питания активно-индуктивной нагрузки, с помощью электронных ключей. Использование единой структуры функциональных блоков управляемого источника питания (УИП), позволяет: 1) использовать простые, регулярные метода расчета; 2) создавать громадное многообразие УИП для самых различных двигателей на базе уже выпускаемых одного - двух типов интегральных микросхем и нескольких типов силовых пар ключей; 3) максимально снизить стоимость аппаратной части систем управления приводами; 26

4) максимально снизить стоимость всего привода, за счет использования стандартного программного обеспечения процессора управления приводом; 5) реализовать блочно-модульное проектирование УУМ. ОПР по устройству управления мощностью двигателя (усилителю - преобразователю энергии питания, управляемому источнику питания - УИП) определяются выбором двигателя и выбором способа управлением его мощностью. Поэтому к ОПР по УИП относят: принцип действия УИП; структуру УИП; структуру регулятора или старт-стопного устройства, управляющих источником питания; состав защит (защита от перегрузок, защита от нестабильности энергопитания, защита от некомпетентных действий, защита входных цепей, защита от токов короткого замыкания, теплозащита, защита от внешних полей и т.п. ), размещение и компоновка УИП, ОТП. 27

Усилители-преобразователи энергии питания двигателей 1. Гидравлических: 1.1.Старт-стопные (электрогидроклапаны); 1.2.Регулирующие (электрозолотниковые, электроструйная трубка, сопло-заслонка с электромагнитным приводом). 2. Пневматических: 2.1.Старт-стопные (электропневоклапаны) 2.2. Регулирующие (электрозолотниковые, электропневмозолотниковые). 3. Электрических: 3.1. Старт-стопные реверсивные переключатели (переключатели контактные, герконы, реле, ключи электронные, реле твердотельные, симисторы и т.п.) Усилители переменного тока низкой частоты (УНЧ) Усилители постоянного тока (УПТ) Управляемые выпрямители Модуляторы синусоидальных напряжений (амплитудные, частотные, широтные) Модуляторы постоянных напряжений (амплитудные, широтные, частотно-широтные). 28

8. Принятие ОПР по механизму. ОПР, определяющие концепцию механизма (КМ), часто составляют: структура механизма (однозвенная, многозвенная (последовательная, параллельная, комбинированная)); способ соединения рабочего органа с механизмом; типы силовых элементов; типы механических преобразователей движения; способы фиксации ВМЗ при выстоях; способы минимизации выбега ВМЗ; способы ограничения движения ВМЗ; типы и размещение датчиков состояния механизма. 29

Структура механизма определяется служебным назначением изделия и, с точки зрения стоимости проектирования, процесс синтеза механизма является наиболее трудоемким и содержит большой объемом конструкторских работ. В то же время это один из самых ответственных разделов проекта, так как именно конструкция ВМЗ определяет энергоемкость и материалоемкость проектируемого изделия, его потребительские свойства и содержит обычно много нетиповых и нестандартных деталей. Задача выбора КМ для многозвенных механизмов не имеет регулярного или однозначного решения, так как требуемые траектории могут быть реализованы не единственной КМ, но известны приемы оценки приемлемых вариантов. 30

9. Выбор комплектующих. Исходные данные: ТЗ, структура функциональных блоков, структура критериев качества мехатронного устройства, принятые ОПР. Последовательность выбора 1. Начало. Анализ исходных данных 2. Для каждого функционального блока подобрать покупные (типовые) комплектующие, удовлетворяющие системе критериев-ограничений данного уровня. 3. Разработать эскизные проекты на комплектующие, закупка которых невозможна или нецелесообразна, получить оценки параметров качества не покупных комплектующих. 4. Составить таблицу вариантов проектных решений на множестве допустимых комплектующих. 5. Отыскать Парето – оптимальные варианты проектных решений 31

Спасибо за внимание