Привод звена промышленного робота (колона)

Электропривод звена промышленного робота. Типовой технологический процесс и выбор манипулятора. Выбор и проверка электродвигателя. Расчет динамических параметров привода, определение его основных характеристик. Расчет расхода энергии и КПД за цикл.

Рубрика Физика и энергетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 30.04.2012
Размер файла 1,4 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

В этом случае максимальный момент двигателя сохраняется неизменным, и таким образом обеспечивается постоянство перегрузочной способности во всем диапазоне регулирования при неизменном моменте нагрузки. При регулировании частоты вверх от номинальной, что возможно у преобразователей частоты с промежуточным контуром постоянного тока, имеет место режим снижения магнитного потока двигателя, поскольку амплитуда напряжения остается неизменной на уровне ее номинального значения.

Существует два основных типа преобразователей частоты: с непосредственной связью и с промежуточным контуром постоянного тока. Но наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненные на базе инверторов напряжения. Структурная схема такого преобразователя приведена на рис.5.1.

Рисунок 5.1 - Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным контуром постоянного тока

Переменное напряжение сети преобразуется с помощью диодного выпрямителя, а затем сглаживается в промежуточной цепи индуктивно-емкостным фильтром. И, наконец, инвертор, выходной каскад которого обычно выполняется на основе IGBT-модулей, осуществляет обратное преобразование из постоянного тока в переменный, обеспечивая формирование выходного сигнала с необходимыми значениями напряжения и частоты. Наиболее часто в инверторах применяется метод высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В этом случае выходной сигнал преобразователя представляет собой последовательность импульсов напряжения постоянной амплитуды и изменяющейся длительности, которая на индуктивной нагрузке, каковой является обмотка статора, формирует токи синусоидальной формы (рисунок 5.2). Возможный диапазон регулирования частоты - от 0 до нескольких тысяч герц.

Рисунок 5.2 - Выходной сигнал преобразователя частоты

Режимы управления электродвигателем

В зависимости от характера нагрузки преобразователь частоты обеспечивает различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателя и выходным напряжением

Режим с линейной зависимостью между напряжением и частотой (U/f=const) реализуется простейшими преобразователями частоты для обеспечения постоянного момента нагрузки и используется для управления синхронными двигателями или двигателями, подключенными параллельно. Вместе с тем при уменьшении частоты, начиная с некоторого значения, максимальный момент двигателя начинает падать. Для повышения момента на низких частотах в преобразователях предусматривается функция повышения начального значения выходного напряжения, которая используется для компенсации падения момента для нагрузок с постоянным моментом или увеличения начального момента для нагрузок с высоким пусковым моментом, таких, например, как промышленный миксер. Для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов используется квадратичная зависимость напряжение/частота (U/f 2 = const). Этот режим, так же как и предыдущий, можно использовать для управления параллельно подключенными двигателями.

Перечисленные режимы управления достаточны для большинства применений. Вместе с тем для повышения качества управления приводом требуется использование других, более совершенных методов управления. К ним относятся метод управления потокосцеплением (Flux Current Control - FCC) и метод бессенсорного векторного управления (Sensorless Vector Control - SVC). Оба метода базируются на использовании адаптивной модели электродвигателя, которая строится с помощью специализированного вычислительного устройства, входящего в состав системы управления преобразователя.

Наиболее точное и эффективное управление обеспечивает режим векторного управления без датчика обратной связи по скорости (SVC). Для этого необходимо управлять амплитудой и фазой статорного тока, то есть его вектором. Однако для управления фазой тока, а значит, и фазой магнитного поля статора относительно вращающегося ротора необходимо знать точное положение ротора в любой момент времени. Эта задача может быть решена с использованием датчика положения, например, шифратора приращений. В такой конфигурации привод переменного тока по качеству регулирования становится сопоставимым с приводом постоянного тока. Но в составе большинства стандартных электродвигателей переменного тока встроенные датчики положения отсутствуют, поскольку их введение неизбежно ведет к усложнению конструкции двигателя и существенному повышению его стоимости.

Применение же современной технологии векторного управления позволяет обойти это ограничение путем использования математической адаптивной модели двигателя для предсказания положения ротора. При этом система управления должна с высокой точностью измерять значение выходных токов и напряжений, обеспечивать расчет параметров двигателя (сопротивление статора, значение индуктивности рассеяния и т.д.), точно моделировать тепловые характеристики двигателя, сообразовывать параметры двигателя с различными режимами его работы, осуществлять большой объем вычислений с очень высокой скоростью. Последнее обеспечивается применением в составе системы управления преобразователя специализированных интегральных схем AS1C (Applications Specific Integrated Circuit).

Векторное управление без датчиков обратной связи по скорости позволяет обеспечить динамические погрешности, характерные для регулируемого привода с замкнутой обратной связью. Однако полное управление моментом при скорости, близкой к нулевой, невозможно без обратной связи по скорости. Такая обратная связь становится необходимой и для достижения погрешности регулирования менее 1%. Контур обратной связи при этом легко реализуется с помощью самого преобразователя частоты.

5.2 Функциональная структурная схема ЭП. Передаточные функции звеньев ЭП

Рассмотрим обобщенную структурную схему САУ движением, представленную на риунке 5.3.

Рисунок 5.3 Обобщенная структурная схема САУ движением

где БЗП-блок задания программы,

БФВ - блок формирования управляющих воздействий,

УМ - усилитель мощности,

ПМ - передаточный механизм,

ОУ - объект управления,

ИС - информационно-измерительная система;

Рассмотрим типовую структурную схему контура управления положением, представленную на рисунке 5.4 Контур управления положением, охваченный главной обратной связью, включает (в качестве объекта управления) контур управления скоростью, который в свою очередь, может включать другие подчиненные контуры, например контур управления по току. Такой принцип построения САУ позволяет настраивать контуры независимо и более точно, добиваясь необходимого качества работы системы. [11]

Рис 5.4 Типовая структурная схема контура управления положением

где П - привод,

ОУ - объект управления,

КУ - корректирующее устройство,

ПУ - преобразующее устройство,

ДП - датчик положения (механически связан со звеном манипулятора),

ДС - датчик скорости.

Рассмотрим привод, построенный по принципу подчиненного регулирования и содержит три контура: положения, скорости, ускорения. Основной или внешний контур (контур положения) включает УЧПУ (устройство числового программного управления), регуляторы положения - РП, датчики перемещения - ДП, двигатель - ДВ, редуктор - Р, объект - О, источник энергии - ИЭ.

Рисунок 5.5 Структурная схема САУ комплектного ЭП

Функциональное назначение элементов контура положения (рисунок 5.5): ДВ передает, под действием системы управления, движение редуктору Р и объекту О таким образом, чтобы изменение угла поворота валов (или линейное перемещение объекта) было пропорционально изменению сигнала задания по перемещению, вырабатываемого в УЧПУ.

Принципы действия датчиков перемещения, применяемых в ПР довольно многообразны.

В зависимости от места установки датчики перемещения могут быть линейными или круговыми. Датчики перемещения формируют сигнал, содержащий информацию о перемещении. С выхода датчика сигнал поступает на вход УЧПУ. Выходные сигналы могут быть импульсной или синусоидальной формы. В соответствии с заданной программой УЧПУ формирует сигнал задания, определяющий закон перемещения объекта от времени. УЧПУ, получив сигнал от датчика положения, сравнивает его с сигналом задания. Разность этих сигналов после соответствующего преобразователя подается на вход второго контура, именуемого контуром скорости или регулируемым приводом.

Одним из наиболее важных элементов ЭП ПР (промышленного робота) является датчик перемещения или преобразователь измерительный круговых или линейных перемещений; т.к. преобразователь механических перемещений вырабатывает периодические сигналы (изменение амплитуды фазы синусоидального сигнала или числа импульсов), пропорциональные пройденному пути, далее эти сигналы обрабатываются, поступая в соответствующие блоки (предварительного усиления, формирования и т.д.), которые образуют отсчетно-измерительную систему. [9]

ЭД состоит из электрической и механической частей.

Электрическая часть - обмотка статора ЭД, ее передаточная функция:

, (5.1)

где - коэффициент усиления,

- электромагнитная постоянная;

Механическая часть - ротор ЭД, вращающийся с определенной скоростью, ее передаточная функция:

, (5.2)

где -механическая постоянная времени;

В ЭД присутствует внутренняя обратная связь (рис.5.6), физически обусловленная механической характеристикой ЭД. Положение вала ЭД снимается датчиком положения. Чтобы отследить положение рабочего органа управления (колонна) с заданной точностью, достаточно отслеживать количество оборотов и направление вращения ЭД с точностью до одного оборота.

Рисунок 5.6 Общая функциональная схема ЭП

-передаточная функция регулятора положения (5.3)

- передаточная функция регулятора скорости, (5.4)

- передаточные функции датчика тока и скорости соответственно,

- передаточная функция датчика положения, (5.5)

- передаточная функция редуктора; (5.6)

Заключение: техническая реализация такой структурной схемы организации ЭП представлена в пунктах 5.3 и 5.4, где произведен выбор основных элементов ЭП.

5.3 Выбор комплектного ЭП. Работа ЭП

ЭП выбирают, исходя из следующих факторов [11]:

требуемых динамических свойств при пуске, торможении и изменении нагрузки (в данном случае - частые пуски при повторно-кратковременном режиме работы);

диапазона регулирования скорости (D= 114);

вида требуемой механической характеристики;

режима работы во времени и требуемой точности поддержания заданного режима;

для асинхронного короткозамкнутого ЭД;

Так как ЭП в данном случае не требуется большого диапазона регулирования скорости (D не превышает 150) и не требуется поддерживать высокие моменты при низких скоростях, то целесообразно выбрать частотный преобразователь со скалярным управлением, что является наиболее подходящим по всем вышеперечисленным параметрам и экономически выгодным решением.

Учитывая характеристики ЭД, в частности, его мощность, число фаз и др. (См. раздел 3), выберем для управления ЭД колонны, комплектный ЭП в составе которого:

частотный преобразователь Hitachi L100 - 002NFE;

абсолютный датчик углового положения ЛИР-ДА158 ТУ с интерфейсом RS-485;

датчик контроля скорости ДКС-М30-81У-1252-ЛА.02 [14];

Частотный преобразователь Hitachi L100 - 002NFE [15]

Таблица 5.1Основные характеристики и параметры Hitachi L100 - 002NFE

Применяемый двигатель АС, кВт

0,2

Номинальный входной ток, А

3,1

Номинальный выходной ток, А

1,4

Масса, кг

0,85

Напряжение питания, В

1 или 3200 В-10% до 240 В +5%

50/60 Гц +/ - 5 %

Выходное напряжение, В

30-200…240 В (в зависимости от входного напряжения)

Степень защиты

IP20

Частота ШИМ, кГц

0,5-16 (программируется)

Вольт-частотные характеристики

разнообразные, с повышенным пусковым моментом, со стандартным пусковым моментом (постоянный момент, пониженный момент)

Выходная частота, Гц

50-360

Точность обработки частоты

при цифровой установке: +/-0,01 % от максимального значения,

при аналоговой установке: +/ - 0,2 % от максимального значения

Допустимая перегрузка по току

150% в течении 60 сек., макс.220%

Функции защиты

Защита от перегрузки по току, от повышенного и пониженного напряжения, от перегрева, от короткого замыкания, ограничение перегрузки и др.

Дополнительные функции

15 фиксированных частот, ПИД-регулятор, защита параметров от перезаписи, автоматический перезапуск, толчковый режим

Температура окружающей среды,

-10-+40 (либо до +50, но при этом частота ШИМ должна быть снижена до 2 кГц; а потребляемый двигателем ток не более 80 % от номинального тока преобразователя частоты

Влажность воздуха, %

20-90, без конденсатора

Допустимый уровень вибраций, Гц

10-55

Место эксплуатации

высота не более 1000 м, в помещении свободном от коррозийных газов и пыли

Абсолютный датчик углового положения ЛИР-ДА158 ТУ

Применяется в системах программного управления станков и механизмов, в измерительных и робототехнических системах.

Таблица 5.2 Основные параметры ЛИР-ДА158 ТУ

Кол-во разрядов вых. кода

6…16

Максимальная скорость вращения вала, об/мин

100000

Момент трогания вала, кг*м2

1,7*10-6

Момент инерции ротора, кг*м2

1,7*10-6

Масса изделия, кг

0,27

Напряжение питания, В

245%

Максимальная частота опроса, МГц

1

Способ выдачи данных

Последовательный SSI (разрешающая способность до 14 разрядов включительно)

Тип выходного сигнала

Код Грея, двоичный

Максимальная скорость вращения без сбоя кода, об/c

30

Вид выходного сигнала

RS

Ток потребления, мА

<250

Принцип действия абсолютного датчика углового положения, основан на явлениях, возникающих при освещении или затемнении фотоэлементов, которые преобразуют энергию падающих на них лучистых потоков в электрические сигналы. Входной величиной датчика является угловое положение вала, на выходе - усиленные сформированные напряжения высоких и низких уровней, соответствующих единицам и нулям цифрового кода.

Рисунок 5.7 Рекомендуемая схема связи с приемным устройством

Датчик контроля скорости ДКС-М30-81У-1252-ЛА.02

Таблица 5.3 Основные параметры датчика контроля скорости

Диапазон номинальных напряжений питания, В

110-220

Диапазон рабочих напряжений питания, В

90-220

Номинальный ток, мА

250

Минимальный ток нагрузки, мА

5

Индикация срабатывания

есть

Регулировка частоты

есть

Масса изделия, кг

0,24

Схема подключения

АС

Диапазон контролируемых частот, Гц

2-50

Датчик контроля скорости серии ДКС предназначен в первую очередь для контроля остановки или снижения скорости вращения (движения) различных устройств. Датчик контроля скорости представляет собой индуктивный датчик со схемой контроля частоты импульсов воздействия и бинарным выходом. Контролируемый вращающийся объект непосредственно или с помощью соединенного с ним металлического объекта воздействует на чувствительный элемент датчика с частотой, пропорциональной частоте вращения. При нормальной частоте вращения на выходе датчика скорости и на нагрузке есть напряжение. На диаграмме пассивный выходной сигнал соответствует снижению частоты ниже допустимой. Необходимое значение контролируемой минимальной частоты устанавливается с помощью потенциометра. [14]

5.4 Настройка уставок привода. Принципиальная схема ЭП

В таблице 5.4 приведены нестандартные настройки функций ЭП.

Таблица 5.4 Настройки функций Hitachi L100 - 002NFE

Функция

значение

назначение

A01

01

установка способа задания частоты с клеммной панели;

A02

01

установка способа управления с клеммной панели;

A04

50

установка максимальной частоты;

A41

01

установка автоматического способа поддержания момента;

A44

00

установка вольт-частотной характеристики: поддержание постоянного момента в регулируемом диапазоне частот;

A51

01

установка действия динамического торможения

А97

00

установка формы кривой разгона: линейная;

B21

01

установка действия режима ограничения перегрузки: при разгоне и постоянной скорости;

С05

13

установка функции входной клеммы 3: USP-предотвращение рестарта при провале электропитания;

В87

00

установка действия клавиши STOP: клавиша действует при управлении с клеммной панели;

так как управление ПЧ и ЭД производится контроллером с помощью клемм управления, то в А02 устанавливается способ управления с клеммной панели, а в А01 - способ задания частоты с клеммной панели;

данный инвертор оснащен регулируемым динамическим торможением, регулируемые параметры - тормозной момент и время торможения. Это необходимо, так как данный механизм поворота колонны требует точного позиционирования, поэтому А51 действует.

в функциях С05 устанавливается функция для входной клеммы управления 3: устанавливается функция USP. Это сделано по соображениям безопасности, чтобы в случае, когда питание от сети по каким-либо причинам прерывается, а затем восстанавливается, не произошел рестарт и робот не начал движение;

Рассмотрим назначение клемм инвертора (описание которых представлено в таблице 5.5) на принципиальной схеме управления комплектным ЭП, представленной на рисунке 5.8 (лист А1).

Рисунок 5.8 Принципиальная схема управления комплектным ЭП

Таблица 5.5 Назначение клемм инвертора

Клемма

назначение

Дополнительно

U,W,V

Выходные клеммы инвертора

Подключение ЭД, обмотки которого соединяют в звезду или треугольник

R,S,T

Входные клеммы инвертора

подключение питающей сети (трехфазной)

1,2,3

Программируемые входные клеммы

Клемма 3: предотвращение рестарта при появлении питания;

RS/FRS

Клемма “сброс аварии”

Не может быть установлен нормально открытый контакт;

RV

Клемма “реверс”

Пуск в обратном направлении;

FW

Клемма “ пуск вперед”

H,O,OI,L

Клемы потенциометра

H - +10 В для задания частоты потенциометром;

О - для задания частоты сигналом 0-10 В;

OI - для задания частоты сигналом 4-20mA;

L-клемма “общий” для задания частоты потенциометром;

ALO

Клемма выхода на Regenerative Resistor

AR/RW

Выходные клеммы

подключения внешней индикации;

P/RB

Выходные клеммы

Подключение защиты;

6. Расчет расхода энергии и КПД за цикл

Цикл работы электропривода обычно состоит из нескольких участков, каждый из которых содержит интервал установившейся скорости и нескольких интервалов переменной скорости (пуск и торможение). Характер расчета потерь энергии и мощности зависит от системы электропривода и способа управления. Основными энергетическими показателями работы являются: механическая мощность на валу и потребляемая от сети мощность. Первая характеризует полезную работу электропривода, а вторая расход электроэнергии [2].

Так как расход энергии ПЧ незначителен, то рассчитаем расход энергии и КПД двигателя за цикл работы.

Потери энергии при пуске двигателя:

Вт (6.1)

где - КПД, определяемый по графику зависимости 7.8 [6], для чего рассчитывается:

=0,8 (6.2)

Расход энергии при пуске двигателя:

=Дж (6.3)

Потери энергии при установившемся движении:

Вт (6.4)

где =0,0333 H*м;

- КПД, определяемый по графику зависимости 7.8 [6], для чего рассчитывается:

=0,6 (6.5)

Расход энергии при установившемся движении:

Дж (6.6)

Потери энергии при торможении:

Вт (6.7)

где Mт = - 0,5727 Н*м;

- КПД, определяемый по графику зависимости 7.8 [6], для чего рассчитывается:

=0,81 (6.8)

Расход энергии при торможении:

Дж (6.9)

Расход энергии за цикл:

Дж (6.10)

Суммарные потери энергии за цикл:

Дж (6.11)

КПД за цикл:

или67,4 % (6.12)

Анализируя расчеты КПД за цикл работы можно прийти к выводу, что

достаточно невысокий и потери энергии значительны. Это объясняется тем, что мощность выбранного двигателя высока.

Заключение

В ходе курсового проекта были рассмотрены вопросы расчета требуемой мощности ЭД, выбора на основаниях полученных данных и условий технологического процесса ЭП звена промышленного робота.

Были определены основные характеристики ЭП, а именно: построили механические характеристики, рассчитали скорость необходимую для точного останова ЭД и нашли диапазон регулирования ЭП, произвели расчет переходных процессов. В заключении был произведен расчет расхода энергии и коэффициента полезного действия привода за цикл работы, получив в результате надежную и безопасную систему, полностью удовлетворяющую требованиям технологического процесса.

Список использованной литературы

1. Ключев В.И. “Теория электропривода” - М., Энергоатомиздат, 1985

2. Фираго Б.И. и др. “Методическое пособие к курсовому проектированию по автоматизации электроприводов станков и ПР”, Минск, 1995

3. Конспект лекций по дисциплине “ Проектирование, производство и эксплуатация ПР”

4. Белянин П.Н. “Промышленные роботы и их применение: Робототехника для машиностроения”2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983

5. Справочник по электрическим машинам под редакцией И.В. Копылова и Б.К. Клокова-М. Энергоатомиздат, 1988

6. Михайлов О. П." Автоматизированный ЭП станков и промышленных роботов" - М.: Машиностроение, 1990

7. Чиликин М.Г., Сандлер А. С." Общий курс ЭП” - М.: Энергоатомиздат, 1981

8. Бейзельман Р.Д. “Подшипники качения. Справочник” - М., Машиностроение, 1975

9. Современный ЭП станков с ЧПУ и промышленных роботов под редакцией Б.И. Черпакова. - М.: Высш. шк.; - 1989

10. Управляющие системы промышленных роботов под общей редакцией И.М. Макарова, В.А. Чиганова. - М.: Машиностроение, 1984

11. Козырев Ю.Г. “Промышленные роботы “ - М.: Машиностроение, 1988

12. Фираго Б.И. ”Регулируемые ЭП переменного тока “-Мн.: Техноперспектива, 2006

13. www.laborant.ru

14. www.electrik. povny. info

15. Инструкция по эксплуатации частотных преобразователей Hitachi

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Выбор электродвигателя и расчет электромеханических характеристик. Расчет мощности и выбор силового трансформатора и вентилей преобразователя. Определение индуктивности уравнительных и сглаживающих реакторов. Определение параметров привода и построение.

    контрольная работа [4,3 M], добавлен 06.02.2016

  • Выбор электродвигателя и энерго-кинематический расчет привода. Проектные и проверочные расчеты передач привода. Подбор и расчет подшипников и шпонок. Компоновка редуктора и расчет корпуса. Подбор расчет муфт. Выбор смазки и способ контроля ее уровня.

    курсовая работа [235,1 K], добавлен 20.07.2009

  • Определение сил и моментов, действующих в системе электропривода, приведение их к валу двигателя. Предварительный выбор двигателя. Расчет динамических параметров привода и переходных процессов при пуске и торможении. Анализ современных электроприводов.

    курсовая работа [1,5 M], добавлен 08.10.2013

  • Краткое описание технологического процесса цеха. Характеристика электроприемников, выбор необходимого напряжения и расчет соответствующих параметров, определение нагрузок. Расчет и выбор компенсирующих устройств, а также мощности трансформаторов.

    курсовая работа [400,9 K], добавлен 15.03.2015

  • Расчет и выбор параметров позиционного электропривода, определение статических и динамических параметров силовой цепи. Выбор и описание регуляторов и датчиков. Создание, расчет и исследование системы модального управления с наблюдателем состояния.

    дипломная работа [2,0 M], добавлен 07.12.2015

  • Принципы работы механического привода электродвигателя редуктора. Кинематический и силовой расчёты привода, его мощности, выбор электродвигателя, вычисление основных его характеристик. Расчёт зубчатой передачи тихоходной и быстроходной ступени редуктора.

    курсовая работа [132,0 K], добавлен 10.05.2010

  • Преимущества и недостатки асинхронного двигателя. Расчет электродвигателя для привода компрессора, построение его механических характеристик. Определение значений моментов двигателя для углов поворота вала компрессора. Проверка двигатель на перегрузку.

    контрольная работа [2,1 M], добавлен 08.03.2016

  • Исходные данные к расчету редуктора. Выбор и проверка электродвигателя. Определение передаточного числа привода и закрытой червячной передачи. Проверка коэффициента запаса прочности. Эскизная компоновка редуктора и проверка шпоночных соединений.

    курсовая работа [472,8 K], добавлен 25.06.2014

  • Определение мощности электрокалорифера. Осуществление теплового расчета нагревательных элементов. Выбор вентилятора и определение мощности электродвигателя для его привода. Расчет конструктивных параметров нагревательного устройства и сети подключения.

    курсовая работа [597,3 K], добавлен 17.01.2012

  • Характеристика электродвигателей производственных механизмов автоматизированных технологических линий. Расчет токов короткого замыкания. Проверка автоматических выключателей и элементов сети. Определение электрических нагрузок промышленного предприятия.

    курсовая работа [155,1 K], добавлен 24.01.2016

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.