Промышленный робот-манипулятор

Промышленный робот-манипулятор

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электротехники и мехатроники

Курсовой проект по курсу:

«Электрический привод»

Тема: «Промышленный робот манипулятор»

Выполнил: студент группы З-59

Меняйлов Д.А.

Проверил: к.т.н., доц., каф. ЭиМ

Полуянович Н.К.

Таганрог 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

.1 Краткое описание конструкции и технологии работы механизма

.2 Требования к электроприводу

.3 Расчёт мощности и выбор двигателя

.4 Обзор возможных вариантов электропривода

.5 Расчёт и выбор основных элементов силовой схемы

.5.1 Расчет инвертора

.5.2 Расчет выпрямителя

.5.3 Расчет фильтра

. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

.1 Расчет и построение статических характеристик в разомкнутой системе

.2 Разработка замкнутой системы электропривода

. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

.1 Разработка схемы управления и описание её работы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Современное производство невозможно без применения очень большого количества электроприводов, и с каждым днем растет потребность в экономии электроэнергии и плавного регулирования скорости вращения двигателей, в связи с внедрением новых технологий производства, и требования точного регулирования приводов

Индивидуальный автоматизированный электропривод получил широкое применение как в промышленности, так и в быту. Совершенствование технических показателей электропривода во всех областях применения является основой технического прогресса.

Широта применения определяет исключительно большой диапазон мощностей электроприводов (от долей ватта до десятков тысяч киловатт) и значительное разнообразие их исполнения. Уникальные по производительности промышленные установки - прокатные станы в металлургической промышленности, шахтные подъёмные машины и экскаваторы в горнодобывающей промышленности, мощные строительные и монтажные краны, протяжённые высокоскоростные конвейерные установки, мощные металлорежущие станки и многие другие оборудуются электрическими приводами, мощность которых составляет сотни и тысячи киловатт. Преобразовательные устройства таких электроприводов представляют собой генераторы постоянного тока, тиристорные и транзисторные преобразователи с выходом на постоянном токе, тиристорные преобразователи частоты соответствующей мощности. Они обеспечивают широкие возможности регулирования потока электрической энергии, поступающей в двигатель, в целях управления движением электропривода и технологическим процессом приводимого в движение механизма.

Рассматривая все многообразие современных производственных процессов, в каждом конкретном производстве можно выделить ряд операций, характер которых является общим для различных отраслей народного хозяйства. К их числу относятся доставка сырья и полуфабрикатов к истокам технологических процессов и межоперационные перемещения изделий в процессе обработки, погрузочно-разгрузочные работы на складах, железнодорожных станциях и т. д.

Механизмы, выполняющие подобные операции, как правило, универсальны и имеют общепромышленное применение, в связи, с чем и называются общепромышленными механизмами.

По характеру технологического процесса общепромышленные механизмы можно разделить на две большие группы: механизмы циклического - (прерывного) действия, рабочий процесс которых состоит из повторяющихся однотипных циклов, и механизмы непрерывного действия, технологический процесс которых имеет непрерывный характер. Типичными примерами первых могут служить краны, шахтные подъемные машины, лифты, а вторых - эскалаторы, землесосы, конвейеры.

Особое значение имеет задача получения с помощью сравнительно простых средств хороших регулировочных свойств у асинхронного двигателя как наиболее широко распространенного, простого и надежного в эксплуатации. Вопросы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей находятся постоянно в центре внимания исследователей. Это вызвано тем, что асинхронный двигатель гораздо легче и значительно дешевле двигателя постоянного тока при одинаковых мощности и скорости вращения. Асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции, высоким КПД и надёжностью. Они обладают высокими динамическими качествами. Однако в отношении регулировочных свойств асинхронные двигатели уступают двигателям постоянного тока, что ограничивает область их применение. Тем не менее во многих случаях задача регулирования скорости вращения рабочего механизма может быть решена и при применении асинхронных двигателей.

Целью данного курсового проекта является разработка системы асинхронного частотно-регулируемого электропривода промышленного робота манипулятора, разработка системы управления электропривода, обоснование экономической эффективности проекта, экологичности и безопасности работы робота.

.       
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1    Краткое описание конструкции и технологии работы механизма

Рис.1 Внешний вид манипулятора

Промышленный робот спроектирован по наиболее распространенной и универсальной, кинематической схеме шести подвижного манипулятора с вращательными кинематическими парами (рис.1.1)

Рис.1.1. Кинематическая схема робота манипулятора

Подобная кинематическая схема позволяет применять манипулятор в следующих областях:

Ø  Манипулирование, погрузка и разгрузка;

Ø  Упаковка и выборочное комплектование;

Ø  Пайка;

Ø  Металлолитейные производства;

Ø  Операции обработки, сборки/разборки;

Ø  Формовочное оборудование;

Ø  Обслуживание станков;

Ø  Измерение, тестирование и проверка;

1.2 Требования к электроприводу

Электропривод промышленного робота манипулятора.

Масса груза:                                                             m_гр = 12 кг

Масса степени подвижности:                                    M_сп = 3 кг

Угловая скорость:                                                     ω = 600 ̊/с

Угловое перемещение:                                              S_max = 720 ̊

Эксцентриситет относительно оси привода            L_цм = 0.1 м

Передаточное отношение редуктора:

Режим работы:   i_p = 30

ПВ = 80 %.

Основные требования к электроприводу:

)        относительный статический перепад скорости во всем диапазоне изменения статического момента - δ ≤ 10%;

2)      для снижения кинематических усилий при перемещениях необходимо ограничение ускорения - ε ≤ 52.36рад/;

)        время пуска не более 0.2 c;

)        диапазон регулирования скорости D должен составлять 50:1 для обеспечения точной остановки привода;

)        допускается снижение питающего напряжения не более чем на 10%;

1.3 Расчёт мощности и выбор двигателя

Статические моменты в расчёте на один двигатель:

Задаемся параметрами тахограммы:

         время пуска: t_п = 0.2 c

         время цикла: t_ц = 60 с

         время работы на установившейся скорости:

Динамический момент:

Расчет эквивалентного момента ведется при условии равенства статических моментов наибольшему, т.к. возможно переворачивание степени подвижности.

Приведём эквивалентный момент к ПВ = 80 %, т.к. номинальный ПВ выбираемого двигателя составляет 100 %

Расчётная мощность двигателя

Условия выбора двигателя:

Тахограмма и нагрузочная диаграмма приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Тахограмма и нагрузочная диаграмма механизма передвижения.

Выбираем двигатель АИР56А2, исполнение IM2082 либо IM3082:

Номинальная угловая скорость:

Номинальный момент:

Критический момент:

Пусковой момент:

Проверим двигатель по условию максимального момента:

двигатель по перегрузочной способности проходит.

Проверим двигатель по нагреву.

Предложенный цикл допускает 120 включений в час. Рассчитаем допустимую частоту включений для выбранного двигателя.

Номинальное скольжение:

Полные потери мощности в двигателе при номинальном режиме:

Переменные потери в обмотках статора и ротора в номинальном режиме:

Постоянные потери мощности:

Средний момент двигателя при пуске:

Суммарный момент инерции:

Потери энергии при пуске, обусловленные переменными потерями:

Потери энергии при пуске, обусловленные постоянными потерями:

электропривод двигатель силовой мощность

Суммарные потери при пуске:

Допустимая частота включения двигателя по формуле 2.23 [1]:

где β = 0.3 - коэффициент ухудшения теплоотдачи по табл. 2.14[1].

Двигатель по нагреву проходит.

1.4 Обзор возможных вариантов электропривода

Принципиально возможны и технически отработаны на сегодняшний день следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:

.        изменение числа пар полюсов;

.        регулирование напряжения на статоре;

.        частотное регулирование:

а) со скалярным управлением;

б) с векторным управлением.

. Скольжением можно управлять, изменяя число пар полюсов обмотки статора, но для этого требуются двигатели специального исполнения, к тому же этот способ позволяет изменять скольжение дискретно.

. Регулирование скорости изменением напряжения на статоре в замкнутой системе, осуществляемое с помощью тиристорного регулятора напряжения, позволяет увеличить плавность и расширить диапазон регулирования скорости асинхронного электропривода, но только до критического скольжения. В разомкнутой системе асинхронного электропривода эффективность такого регулирования скорости ограничена малым диапазоном устойчивых режимов работы двигателя. Расширить функциональные возможности асинхронного электропривода можно в замкнутых системах. Недостатком этого способа регулирования является то, что потери скольжения при регулировании скорости рассеиваются в виде тепла в двигателе. Применение тиристоров даёт ряд преимуществ: тиристорные регуляторы напряжения практически безинерционны, имеют большой коэффициент усиления по мощности и высокий КПД. Электропривод с таким управлением асинхронным двигателем представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Принципиальная схема регулирования скорости АД изменением напряжения на статоре.

. Частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электродвигателя и преобразователя частоты. Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется напряжение с переменными амплитудой и частотой. Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть преобразователей обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита). Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

·   преобразователи частоты с непосредственной связью (силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на незапираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети);

·        преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

В частотно-регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление. Принцип скалярного управления частотно- регулируемого асинхронного электропривода базируется на изменении частоты и текущих значений модулей переменных АД (напряжений, магнитных потоков, потокосцеплений и токов двигателя). Управляемость АД при этом может обеспечиваться совместным регулированием либо частоты f₁ и напряжения U₁, либо частоты f₁ и тока статора I₁. Первый способ называют частотным управлением, а второй - частотно-токовым. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения. Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const (обеспечивается постоянство максимального момента двигателя). В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f² = const. Скалярный принцип управления является наиболее распространенным в асинхронном электроприводе. Ему свойственна техническая простота измерения и регулирования переменных АД. Основной недостаток подобного принципа управления заключается в трудности реализации желаемых законов регулирования скорости и момента АД в динамических режимах. Связано это с весьма сложными процессами, протекающими а АД. Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Векторное управление частотно-регулируемого асинхронного электропривода связано как с изменением частоты и текущих значений переменных АД, так и со взаимной ориентацией их векторов в полярной или декартовой системе координат. За счет регулирования амплитудных значений переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, что дает заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением. Именно этот факт и является определяющим при выборе систем с векторным управлением.

Информация о текущих значениях и пространственном положении векторов переменных АД может быть получена как прямым их измерением с помощью соответствующих датчиков, так и косвенно на основе математической модели АД. Конфигурация и сложность такой модели определяется требованиями к техническими электроприводу. В общем случае такие системы с косвенным регулированием координат электропривода из-за нестабильности параметров АД и сложной их взаимосвязи уступают по своим статическим и динамическим показателям системам с прямым векторным управлением. При сложности вычислительных операций и алгоритмов управления электроприводом достоинство систем с косвенным регулированием заключается в простоте технических решений и, следовательно, практической надежности.

Функциональная схема низковольтного (на промышленную сеть ~380 В) преобразователя частоты представлена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Функциональная схема ПЧ.

Переменное напряжение питающей сети (u_вх.) с постоянной амплитудой и частотой (U_вх = const, f_вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1). Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (u_выпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока. С выхода фильтра постоянное напряжение u_d поступает на вход автономного инвертора (3). Автономный инвертор выполняется на основе силовых тиристоров или биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.). Схема силовой части АИН представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схема силовой части АИН.

Из рассмотренных выше систем электропривода принимаем систему частотно-регулируемого привода с неуправляемым мостовым трёхфазным выпрямителем и транзисторным трехфазным автономным инвертором напряжения.

1.5 Расчёт и выбор основных элементов силовой схемы

.5.1 Расчет инвертора

Максимальный ток через ключи инвертора:

где k₁ = 1.5- коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току;

- коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока;

Транзисторы IGBT выбираем по условию:

Выбираем транзистор IRGB4059DPBF, имеющий следующие параметры:

·        рабочий ток (при С): I_c = 8 А;

·        напряжение насыщения (при С): U_ce(sat) = 2.2 В;

·        класc по напряжению: U_ce = 600 B;

Транзистор выпускается в корпусе с встречно-параллельным диодом.

Потери в IGBT в проводящем состоянии:

где D = 0.95 - максимальная скважность;_cesat = 2.2 В - прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при I_cp и T_j = 125 ̊ C;_cp = I_смакс/k₁ = 1.313/1.5 = 0.875 А - максимальная величина амплитуды тока на выходе инвертора.

Потери IGBT при коммутации:

где t_con = 0.3 мкc - продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание транзистора;_coff = 0.6 мкc - продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на закрывание транзистора;_cc = k_cхU_л = 1.35∙380 = 513 B - напряжение на коллекторе IGBT(напряжение звена постоянного тока для системы АИН-ШИМ );_sw = 10⁴ Гц - частота ШИМ.

Суммарные потери IGBT:

_Q = P_ss + P_sw = 0.392 +0.455 = 0.847 Вт.

Потери диода в проводящем состоянии:

где I_ep = I_ср = 0.875 A - максимум амплитуды тока через обратный диод;_ec = 0.7 B - прямое падение напряжения на обратном диоде (в проводящем состоянии).

Потери восстановления запирающих свойств диода:

где I_rr = I_ср = 0.875 A - амплитуда обратного тока через диод;_rr = 0.2 мкс- продолжительность импульса обратного тока.

Суммарные потери диода:

_D = P_ds + P_dr=0.125 + 0.112 = 0.237 Вт.

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом:

_Т = P_Q + P_d = 0.847 + 0.237 = 1.084 Вт.

Температура кристалла IGBT:

_ja = T_c + P_QR_thj-cq = 100 + 0.847 ∙ 0.7 = 100.6 ̊ C < 125 ̊ С,

где T_c = 100 ̊ С - температура теплопроводящей пластины;_thj-cq = 0.7 ̊ С/Вт - термическое переходное сопротивление кристалл-корпус для IGBT части модуля по таблице 4.2.

Температура кристалла обратного диода FWD:

_ja = T_c + P_DR_thj-cd = 100 + 0.237 ∙ 2 = 100.5 ̊ C < 125 ̊ С,

где T_c = 100 ̊ С - температура теплопроводящей пластины;_thj-cd = 2 ̊ С/Вт - термическое переходное сопротивление кристалл-корпус для FWD части модуля по таблице 4.2.

Среднее выпрямленное напряжение по:

Максимальное значение среднего выпрямленного тока:

где N = 6 - количество пар IGBT/FWD в инверторе.

Максимальный рабочий ток диода:

где k_cc = 1.045 при оптимальных параметрах Г-образного фильтра для 3-фазной мостовой схемы.

Максимальное обратное напряжение вентиля:

где k_c = 1.1 - коэффициент допустимого повышения напряжения сети;

В - запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока.

Диоды выбираются по постоянному рабочему току и по классу напряжения:

Выбираем диод EM518, имеющий следующие параметры:

·        повторяющееся постоянное обратное напряжение: U_обрmax = 1300 В;

·        максимальный прямой ток: I_прmax = 1 А;

1.5.3 Расчет фильтра

Коэффициент пульсаций на входе фильтра:

где m = 6 - пульсность схемы выпрямления.

Величина минимальной индуктивности фильтра:

где I_d = 0.94 А - номинальный средний ток звена постоянного тока.

Для обеспечения коэффициента мощности на выходе выпрямителя k_m = 0.95 индуктивность дросселя определяется условием L₀ ≥ L_0мин. Тогда необходимое значение индуктивности:

Выбираем дроссель типа РОБС-1АУ3, имеющий следующие параметры:

·        ток сглаживающего дросселя: I = 3А

·        индуктивность: L = 70 мГн

Емкость конденсата, необходимая для протекания реактивного тока нагрузки инвертора:

Выбираем конденсатор К50-35, имеющий следующие параметры:

·        номинальное напряжение: U_н = 350 В;

·        номинальная емкость: C_н = 220 мкФ.

Устанавливаем конденсаторы последовательно.

. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Расчет и построение механических характеристик в разомкнутой системе

Индуктивное сопротивление короткого замыкания:

Критическое скольжение:

Расчётный критический момент:

Для построения механической характеристики воспользуемся уточненной формулой Клосса:

где .

Ток ротора:

При работе на нижней характеристике:

Скорость холостого хода при работе на нижней характеристике:

Частота питающего напряжения:

При такой частоте напряжение питания для обеспечения :

где .

Индуктивное сопротивление короткого замыкания при f_ниж = 1.1 Гц:

Критическое скольжение при f_ниж = 1.1 Гц:

Расчётный критический момент при f_ниж = 1.1 Гц:

Механическая характера при f_ниж = 1.1 Гц:

Ток ротора при f_ниж = 1.1 Гц:

Графики статических механических и электромеханических характеристик в разомкнутой системе представлены на рис.2.1.

Статические характеристики в разомкнутой системе не соответствуют требованиям относительно статического перепада скорости. Кроме того, для двигателей небольшой мощности значение активного сопротивления статора велико, и характеристики в разомкнутой системе на низкой скорости имеют малый критический момент, т. е. существенно снижается перегрузочная способность.

2.2 Разработка замкнутой системы электропривода

Сигнал задания задаём в абсолютных единицах, поэтому коэффициенты обратных связей принимаем единичными.

Коэффициент регулятора скорости:

Коэффициент регулятора положения настроен итерационно при добавлении контура положения, K_рп = 1000.

2.3 Расчёт и построение статических характеристик в замкнутой системе

Уравнение статической характеристики по [10]:

Статические механические характеристики двигателя в замкнутой системе представлены на рис. 2.3.

Рис.2.3. Статические механические характеристики двигателя в замкнутой системе.

Определим относительный статический перепад на нижней характеристике:

. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Разработка схемы управления и описание её работы

Основным элементом схемы управления электроприводом является микроконтроллер фирмы Texas Instrument TMS320F28. Именно на контроллер приходится задача векторного управления приводом.

Преимущества данного контроллера:

·        высокая производительность (тактовая частота 60 - 100 МГц);

·        достаточный объём оперативной и flash-памяти (68 - 512 КБ);

·        возможность работы с операциями с «плавающей точкой»;

·        обширные возможности для подключения периферийных устройств;

·        специализированные аппаратные средства для управления приводом;

·        низкая стоимость (12-15 $);

Особенностей этой серии процессоров:

·        наличие ШИМ - модулей;

·        возможность организации как векторного, так и скалярного управления асинхронным двигателем;

·        обработка сигналов датчиков скорости и момента;

·        возможность выполнения координатных преобразований переменных;

·        для данного семейства контроллеров существует специально разработанное программное обеспечение для работы с преобразователями частоты для асинхронных двигателей;

Принципиальная схема управления электроприводом промышленного робота манипулятора представлена на рис.3.1.

Рис.3.1. Принципиальная схема управления промышленного робота манипулятора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе разработан электропривод промышленного робота манипулятора. Был произведен анализ возможных вариантов электропривода и в качестве рабочего выбран электропривод регулирования скорости АД с частотно-токовым векторным управлением с косвенной ориентацией по полю и регуляторами токов, выполненными в неподвижной системе координат. Выбран электродвигатель переменного тока АИР56А2.

Произведен расчет статических характеристик разомкнутой системы. Полученные характеристики не обеспечили необходимой жесткости и перегрузочной способности, поэтому было принято решение о проектировании замкнутой системы.

Произведен расчет и построение статических характеристик замкнутой системы. Полученная система обеспечила статический перепад  , что отвечает требованиям, предъявленным к электроприводу. Разработана схема управления электропривода, соответствующая технологическому процессу. Обеспечен необходимый диапазон регулирования. Произведено моделирование и анализ переходных процессов в замкнутой системе с обратной связью по скорости и положению. Необходимая точность позиционирования достигнута.

Анализ статических и динамических свойств системы электропривода показал, что разработанная система полностью удовлетворяет поставленным требованиям.

Список литературы

http://www.uschema.com/oznakomlenie-s-tms320f28xxx/

2 www.siemens.de/micromaster <http://www.siemens.de/micromaster>

<http://www.suet-motor.ru/catalogue/electric_motors/russian/air_series/air56a2.htm>

4 Полуянович Н.К. «Силовая электроника». Издательство: Таганрогский государственный радиотехнический университет, 2005.

Силовой расчет, управление, проектирование механизмов и механики манипуляторов: Учебное пособие для студентов смешанной формы обучения/И.Н. Чернышева.

Механика промышленных роботов: Учебное пособие для вузов под редакцией К.В. Фролова,Е.И. Воробъева