Исполнительные устройства

Выбор элементов исполнительного устройства требует решения следующих задач: рассчитать мощность исполнительного двигателя и выбрать исполнительный двигатель; рассчитать передаточное число силового редуктора; определить требования к силовому преобразователю; составить передаточные функции элементов и исполнительного устройства.

Ниже расчеты приводятся для исполнительного устройства на основе двигателей постоянного тока. Однако приведенная методика расчетов может быть использована для исполнительных устройств на основе других типов двигателей.

Исходными данными для расчетов являются физические величины:

– при линейном перемещении нагрузки – масса m_н, сила сопротивления F_с.н, допустимые значения скорости V_н и ускорения a_н;

– при вращательном движении – момент инерции нагрузки J_н, момент сопротивления М_с.н, допустимые значения угловой скорости W_н и углового ускорения e_н.

Если некоторые величины не указаны, то их определяют расчетным путем.

3.1 Выбор исполнительного двигателя и расчет передаточного числа
редуктора при произвольном законе движения

В локальных системах применяют электрические, гидравлические и пневматические двигатели. Причем предпочтение отдают электродвигателям благодаря целому ряду их преимуществ.

В исполнительных механизмах используют как регулируемые двигатели постоянного тока с независимым возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов, так и двигатели переменного тока.

Для передачи вращательного движения электродвигателя регулирующему элементу технической системы используют различные редукторы, а для преобразования вращательного движения в поступательное применяют шарико-винтовые пары, пары шестерня – рейка и другие.

В дальнейшем при проведении расчетов будем ориентироваться на применение двигателей постоянного тока. Эту методику можно использовать и при расчетах исполнительных механизмов с двигателями переменного тока.

Предварительно двигатель выбирают по требуемой механической мощности P_мх:

– при вращательном движении

, (3.1)

– при поступательном движении

. (3.2)

По потребной механической мощности из каталогов выбираем близкий по мощности двигатель

, (3.3)

где k_зап– коэффициент запаса, учитывающий возможное увеличение потребной
мощности для динамических режимов движения, а также КПД
двигателя и редуктора; при расчетах коэффициент рекомендуется
выбирать из диапазона значений k_зап = [1,2…2,5].

При прочих равных условиях лучшим из двигателей данной мощности считается тот, у которого наибольший номинальный вращающий момент М_ДВ.ном и минимальный момент инерции ротора J_ДВ.

По номинальной скорости вращения ротора двигателя w_ДВ и максимальной скорости вращения нагрузки W_{н max} определяют необходимое передаточное число редуктора

или . (3.4)

Передаточное число для поступательного движения нагрузки с максимальной скоростью V_{н max} рассчитывают по формуле

или . (3.5)

При расчете исполнительного механизма используют дополнительные данные: КПД редуктора h = 0,8…0,9; момент инерции вращающихся частей редуктора, приведенный к оси вала двигателя J_р = (0,05…0,25)J_ДВ.

Для окончательного выбора двигателя его проверяют по потребному моменту, обеспечивающему заданные скорости и ускорения нагрузки. Потребный момент определяют по формулам:

при вращательном движении

; (3.6)

при поступательном движении

. (3.7)

Считают, что двигатель выбран правильно, если соблюдаются условия

, . (3.8)

В противном случае следует заменить двигатель на более мощный.

Пример. Рассчитать параметры исполнительного механизма для вращательной степени подвижности робота по произвольному закону перемещения.

Момент инерции нагрузки J_н = 2 – 10 кг×м²;

статический момент сопротивления М_с.н = 15 Н×м;

допустимая угловая скорость поворота нагрузки W_н = 1,2 рад/с;

допустимое угловое ускорение e_н = 1,5 рад/с².

Расчет.

Потребная механическая мощность при J_н = 10 кг×м²:

Потребная мощность двигателя при

Ориентируясь на двигатели постоянного тока, выбираем двигатель
СЛ-521.

Данные двигателя:

Р_ном = 77 Вт; w_ДВ = 315 с^-1; М_{ДВ ном} = 0,245 Н×м; М_{ДВ max} = 0,637 Н×м;
J_ДВ = 1,67×10^-4 кг×м².

Проверка двигателя по потребному моменту.

Необходимое передаточное число редуктора

.

Потребный момент при h = 0,85

Используя неравенства (3.8), находим

Н×м,

.

Следовательно, двигатель выбран правильно.